外 そと 呼吸 こきゅう のガス交換 こうかん の概略 がいりゃく 図 ず (分 ぶん 圧 あつ 単位 たんい :kPa 、7.5倍 ばい するとmmHg の値 ね )。酸素 さんそ (O2 )を含 ふく んだ空気 くうき を吸気 きゅうき し、細胞 さいぼう 呼吸 こきゅう で酸素 さんそ が減 へ り二酸化炭素 にさんかたんそ (CO2 )が多 おお くなった血液 けつえき と空気 くうき の間 あいだ でガス交換 こうかん し、呼気 こき として吐 は き出 だ す。
生物 せいぶつ における呼吸 こきゅう (こきゅう、英 えい : breathing )は、以下 いか の2種類 しゅるい に分 わ けられる[ 1] 。
細胞 さいぼう 呼吸 こきゅう (または内 うち 呼吸 こきゅう ):血液 けつえき と細胞 さいぼう とのガス交換 こうかん 。細胞 さいぼう が最終 さいしゅう 二酸化炭素 にさんかたんそ (CO2 ) を放出 ほうしゅつ する異化 いか 代謝 たいしゃ 系 けい 。
外 そと 呼吸 こきゅう :空気 くうき と血液 けつえき とのガス交換 こうかん 。多 た 細胞 さいぼう 生物 せいぶつ 体 からだ が外界 がいかい から酸素 さんそ を取 と り入 い れ、体内 たいない で消費 しょうひ して二酸化炭素 にさんかたんそ (CO2 ) を放出 ほうしゅつ すること
広義 こうぎ には最終 さいしゅう 電子 でんし 受容 じゅよう 体 たい として酸素 さんそ を用 もち いない『嫌気 いやけ 呼吸 こきゅう 』もその意味合 いみあ いに含 ふく まれるが、通例 つうれい では呼吸 こきゅう とは酸素 さんそ を用 もち いる好 こう 気 き 呼吸 こきゅう として用 もち いる。
好 こう 気 き 呼吸 こきゅう の概略 がいりゃく 図 ず
細胞 さいぼう 呼吸 こきゅう または内 うち 呼吸 こきゅう は酸素 さんそ や栄養素 えいようそ からアデノシン三 さん リン酸 さん (ATP)として化学 かがく エネルギー を取 と り出 だ し、老廃 ろうはい 物 ぶつ を排出 はいしゅつ する生物 せいぶつ の各 かく 細胞 さいぼう で起 お こる一連 いちれん の異化 いか 代謝 たいしゃ 反応 はんのう である[ 2] [ 3] 。取 と り出 だ したエネルギーは生 なま 合成 ごうせい 、運動 うんどう 、細胞 さいぼう 膜 まく を介 かい した分子 ぶんし 輸送 ゆそう などに使 つか われる。
酸素 さんそ を利用 りよう するに当 あ たっては、動物 どうぶつ の場合 ばあい 全身 ぜんしん の細胞 さいぼう にくまなく酸素 さんそ を行 い き渡 わた らせるため、血液 けつえき によって酸素 さんそ を運搬 うんぱん する必要 ひつよう がある。節足動物 せっそくどうぶつ ・軟体動物 なんたいどうぶつ などではヘモシアニン 、脊椎動物 せきついどうぶつ では、赤血球 せっけっきゅう 中 なか のヘモグロビン がこの役割 やくわり を担 にな う。
血 ち 中 ちゅう への酸素 さんそ 取 と り込 こ みは、植物 しょくぶつ の場合 ばあい 葉 は などの気孔 きこう と樹皮 じゅひ の皮 かわ 目 め で、魚類 ぎょるい ・水棲 すいせい 甲殻 こうかく 類 るい はエラ 呼吸 こきゅう で、陸上 りくじょう の昆虫 こんちゅう は気 き 門 もん の呼吸 こきゅう 、両生類 りょうせいるい は幼生 ようせい 時 じ にはエラ呼吸 こきゅう 、成体 せいたい 時 じ には肺 はい 呼吸 こきゅう 、爬虫類 はちゅうるい 、鳥類 ちょうるい 、哺乳類 ほにゅうるい は肺 はい 呼吸 こきゅう で行 おこな う。エラ呼吸 こきゅう は水流 すいりゅう の一定 いってい の流 なが れを利用 りよう するが、肺 はい は出口 でぐち がひとつしかないため吸気 きゅうき 、呼気 こき を繰 く り返 かえ すことで定期 ていき 的 てき に肺 はい 内 ない の空気 くうき を交換 こうかん しなければならない。このために行 おこな う胸郭 きょうかく 運動 うんどう を呼吸 こきゅう 運動 うんどう と呼 よ び、これをやめることはできない。呼吸 こきゅう 運動 うんどう は随意 ずいい 運動 うんどう であると同時 どうじ に、脳幹 のうかん の呼吸 こきゅう 中枢 ちゅうすう (ヒト では延髄 えんずい にある)によって自動的 じどうてき に制御 せいぎょ される。そのため睡眠 すいみん 中 なか も不 ふ 随意 ずいい な呼吸 こきゅう 運動 うんどう が保 たも たれる。この中枢 ちゅうすう 機構 きこう に問題 もんだい があり、睡眠 すいみん 時 じ に呼吸 こきゅう 不全 ふぜん に陥 おちい る疾患 しっかん が先天 せんてん 性 せい 中枢 ちゅうすう 性 せい 肺 はい 胞低換気 かんき 症候群 しょうこうぐん である。
安静 あんせい 時 じ の
呼吸 こきゅう 筋 すじ の
挙動 きょどう 。
左 ひだり 図 ず は
空気 くうき の
吸入 きゅうにゅう 時 じ 、
右 みぎ 図 ず は
空気 くうき の
排出 はいしゅつ 時 じ を
表 あらわ す。
収縮 しゅうしゅく した
筋肉 きんにく は
赤 あか で、
弛緩 しかん した
筋肉 きんにく は
青 あお で
示 しめ されている。
胸腔 きょうこう (
水色 みずいろ )の
拡大 かくだい には、
横隔膜 おうかくまく の
収縮 しゅうしゅく が
大 おお きく
関 かか わる。
同時 どうじ に、
肋間 ろっかん 筋 すじ が
肋骨 あばらぼね を
上向 うわむ きに
引 ひ っ
張 ぱ ると、
吸入 きゅうにゅう 中 ちゅう に
胸郭 きょうかく が
拡張 かくちょう する。
空気 くうき の
排出 はいしゅつ 中 ちゅう に
肋間 ろっかん 筋 すじ が
弛緩 しかん すると、
胸郭 きょうかく と
腹部 ふくぶ (
薄 うす 緑色 みどりいろ )は
弾性 だんせい 的 てき に
元 もと の
位置 いち に
戻 もど る。
力強 ちからづよ い呼吸 こきゅう を行 おこな っているときの筋肉 きんにく の挙動 きょどう 。左 ひだり 図 ず は空気 くうき の吸入 きゅうにゅう 時 じ 、右 みぎ 図 ず は空気 くうき の排出 はいしゅつ 時 じ を表 あらわ す。図 ず 中 ちゅう の色 いろ も安静 あんせい 時 じ のものと配色 はいしょく は同 おな じである。横隔膜 おうかくまく のより強力 きょうりょく で大 おお きな収縮 しゅうしゅく に加 くわ え、肋間 ろっかん 筋 すじ とその付属 ふぞく 筋 すじ が動 うご くことによって肋骨 あばらぼね の上方 かみがた への動 うご きが大 おお きくなり、胸郭 きょうかく のより大 おお きな拡張 かくちょう が起 お こる。空気 くうき の排出 はいしゅつ 時 じ には、肋間 ろっかん 筋 すじ の弛緩 しかん とは別 べつ に、腹筋 ふっきん が大 おお きく収縮 しゅうしゅく して胸郭 きょうかく を下方 かほう に引 ひ き下 さ げて胸郭 きょうかく の容積 ようせき を減少 げんしょう させると同時 どうじ に、横隔膜 おうかくまく を胸郭 きょうかく の奥深 おくふか くまで押 お し上 あ げる。
吸気 きゅうき と呼気 こき における筋肉 きんにく の動 うご きを示 しめ す図 ず
哺乳類 ほにゅうるい の肺 はい は自 みずか ら膨 ふく らまずに、胸腔 きょうこう の容積 ようせき が増加 ぞうか したときのみ膨張 ぼうちょう する[ 4] [ 5] 。ヒト においては、他 た の哺乳類 ほにゅうるい 同様 どうよう に主 おも に横隔膜 おうかくまく の収縮 しゅうしゅく によって肺 はい は膨 ふく らむが、肋間 ろっかん 筋 すじ (英語 えいご 版 ばん ) が収縮 しゅうしゅく して胸郭 きょうかく が上向 うわむ きおよび外 そと 向 む きに引 ひ っ張 ぱ られることでも膨張 ぼうちょう される[ 6] 。力強 ちからづよ い呼吸 こきゅう では、肋骨 あばらぼね や胸骨 きょうこつ から頸椎 や頭蓋 とうがい 底 そこ にかけて存在 そんざい している呼吸 こきゅう 補助 ほじょ 筋 すじ (多 おお くの哺乳類 ほにゅうるい では鎖骨 さこつ へもつながっている)がポンプハンドル運動 うんどう (英語 えいご 版 ばん ) やバケツハンドル運動 うんどう (英語 えいご 版 ばん ) を通常 つうじょう 時 じ の呼吸 こきゅう より大 おお きくしており、胸腔 きょうこう の容積 ようせき にさらなる変化 へんか をもたらしている[ 6] 。空気 くうき を排出 はいしゅつ する際 さい にはこれらの筋肉 きんにく がすべて弛緩 しかん し、胸部 きょうぶ や腹部 ふくぶ の筋肉 きんにく が「安静 あんせい 位 い 」と呼 よ ばれる位置 いち に戻 もど る[ 6] 。 この時 とき 、肺 はい には機能 きのう 的 てき 残 ざん 気 き 量 りょう (英語 えいご 版 ばん ) 分 ぶん の空気 くうき が残 のこ る。ヒトの成人 せいじん ではその空気 くうき 量 りょう は2.5–3.0Lである[ 6] 。
運動 うんどう 中 ちゅう や過 か 呼吸 こきゅう 時 とき など激 はげ しく呼吸 こきゅう している時 とき には、空気 くうき の排出 はいしゅつ は安静 あんせい 時 じ と同様 どうよう にすべての呼吸 こきゅう 筋 すじ の弛緩 しかん によっておこるが、この時 とき 腹筋 ふっきん も強 つよ く収縮 しゅうしゅく し、胸郭 きょうかく の前面 ぜんめん と側面 そくめん が下方 かほう に引 ひ っ張 ぱ られる[ 6] 。これにより胸郭 きょうかく のサイズが小 ちい さくなるだけでなく、腹部 ふくぶ の臓器 ぞうき が横隔膜 おうかくまく の方 ほう へと押 お し上 あ げられ、胸郭 きょうかく 内 ない へと深 ふか く膨 ふく らむ。空気 くうき を排出 はいしゅつ しきった後 のち の肺 はい の容量 ようりょう は安静 あんせい 時 じ の機能 きのう 的 てき 残 ざん 気 き 量 りょう より少 すく なくなる[ 6] 。
しかしながら、通常 つうじょう 哺乳類 ほにゅうるい では肺 はい が完全 かんぜん に空 そら になることはない。成人 せいじん では、空気 くうき の排出 はいしゅつ した後 のち も少 すく なくとも1Lの空気 くうき が残 のこ っている[ 6] 。
空気 くうき は鼻 はな から出入 でい りする。鼻腔 びこう は非常 ひじょう に狭 せま く、前方 ぜんぽう で鼻 はな 中 ちゅう 隔 へだた により2室 しつ に、奥 おく の方 ほう では鼻 はな 甲 かぶと 介 かい によって何 なん 室 しつ かに分 わ けられている。[ 7] このため、鼻 はな の粘膜 ねんまく が空気 くうき の吸入 きゅうにゅう 時 じ や排出 はいしゅつ 時 じ に空気 くうき にさらされ、その空気 くうき が湿 しめ った粘液 ねんえき から水分 すいぶん を奪 うば い、鼻腔 びこう 付近 ふきん の血管 けっかん から熱 ねつ を奪 うば って、喉頭 こうとう に到達 とうたつ する頃 ころ には空気 くうき 中 ちゅう の水蒸気 すいじょうき がほぼ飽和 ほうわ しており、温度 おんど も体温 たいおん とほぼ変 か わらない温度 おんど になっている[ 6] 。この水分 すいぶん や熱 ねつ の一部 いちぶ は排気 はいき する際 さい に乾燥 かんそう して冷 び えた鼻 はな の粘膜 ねんまく を潤 うるお し、暖 あたた める。粘 ねば り気 け のある鼻 はな の粘液 ねんえき は吸入 きゅうにゅう した粒子 りゅうし 状 じょう 物質 ぶっしつ の多 おお くを捕 と らえ、これらが肺 はい に到達 とうたつ するのを防 ふせ いでいる[ 6] [ 7] 。
下 しも 気道 きどう .
鼻腔 びこう 、咽頭 いんとう 、喉頭 こうとう よりも奥 おく に存在 そんざい する呼吸 こきゅう 器 き 系 けい の組織 そしき は気管 きかん 、気管支 きかんし と次第 しだい に細 こま かく狭 せま い気道 きどう に分岐 ぶんき している。ヒトの気管 きかん や気管支 きかんし 上部 じょうぶ には平均 へいきん 23個 こ の分岐 ぶんき が、マウス には最大 さいだい 13個 こ の分岐 ぶんき が存在 そんざい しており、より奥 おく の気管支 きかんし や肺 はい 胞に空気 くうき を送 おく る機能 きのう を持 も つ。また、肺 はい の内部 ないぶ に存在 そんざい する気管支 きかんし の下部 かぶ や肺 はい 胞 はガス交換 こうかん に特 とく 化 か している[ 6] [ 8]
気道 きどう に入 はい った空気 くうき の内 うち 、死 し 腔 の領域 りょういき に入 はい った空気 くうき はガス交換 こうかん に利用 りよう されずに次 つぎ の呼気 こき で外界 がいかい に排出 はいしゅつ される。呼気 こき が終 お わると死 し 腔は肺 はい 胞の空気 くうき で満 み たされ、その空気 くうき は吸気 きゅうき の際 さい に肺 はい 胞に戻 もど される最初 さいしょ の空気 くうき となり、次 つぎ の呼気 こき ではこの空気 くうき が先 さき に吐 は き出 だ される。典型 てんけい 的 てき な成人 せいじん の死 し 腔容積 ようせき は約 やく 150mlである。
呼吸 こきゅう の主 しゅ 目的 もくてき は、肺 はい 胞内の空気 くうき を入 い れ替 か え、血液 けつえき 中 ちゅう のガス交換 こうかん を行 おこな うことである。拡散 かくさん によって肺 はい 胞内の空気 くうき の分 ぶん 圧 あつ と肺 はい 胞の血管 けっかん における血液 けつえき 内 ない の気体 きたい 成分 せいぶん の分 ぶん 圧 あつ の平衡 へいこう 化 か が起 お こる。呼気 こき の後 のち には成人 せいじん の肺 はい は2.5–3.0 Lの空気 くうき が残 のこ るが、この空気 くうき が機能 きのう 的 てき 残 ざん 気 き 量 りょう (英語 えいご 版 ばん ) (FRC)と呼 よ ばれる。吸気 きゅうき 時 じ には、新 あたら しい暖 あたた かく湿 しめ った空気 くうき 約 やく 350mLが肺 はい に流入 りゅうにゅう し、FRCとよく混 ま ざるため、FRCの組成 そせい は呼吸 こきゅう の前後 ぜんご でほとんど変化 へんか しない。肺 はい の毛細血管 もうさいけっかん の血液 けつえき と肺 はい 内 ない の一定 いってい の空気 くうき 組成 そせい が常 つね に平衡 へいこう となり、動脈血 どうみゃくけつ 中 ちゅう の気体 きたい の拡散 かくさん 速度 そくど が各 かく 呼吸 こきゅう で一定 いってい に保 たも たれるため、あらゆる人体 じんたい 組織 そしき の血液 けつえき では酸素 さんそ 濃度 のうど や二酸化炭素 にさんかたんそ 濃度 のうど が呼吸 こきゅう サイクルによっては大 おお きく変化 へんか しない。このため呼吸 こきゅう 数 すう の恒常 こうじょう 性 せい は、動脈血 どうみゃくけつ 中 ちゅう の酸素 さんそ と二酸化炭素 にさんかたんそ の分 ぶん 圧 あつ にのみ依存 いぞん しており、その結果 けっか 血液 けつえき のpHも一定 いってい に保 たも たれる[ 6] 。
冷水 れいすい に顔 かお を沈 しず めると、潜水 せんすい 反射 はんしゃ (英語 えいご 版 ばん ) と呼 よ ばれる反応 はんのう が起 お こる[ 9] [ 10] 。この反応 はんのう ではまず、気道 きどう への水 みず の流入 りゅうにゅう を防 ふせ ぐため気道 きどう を塞 ふさ ぐ。また、代謝 たいしゃ 率 りつ も次第 しだい に低下 ていか していく。これは四肢 しし や腹部 ふくぶ にある内臓 ないぞう における動脈 どうみゃく の激 はげ しい血管 けっかん 収縮 しゅうしゅく を起 お こし、潜水 せんすい 開始 かいし 時 じ に血液 けつえき と肺 はい にある酸素 さんそ を心臓 しんぞう と脳 のう に供給 きょうきゅう するために確保 かくほ するためのものである[ 9] 。習慣 しゅうかん 的 てき に潜水 せんすい するペンギンやアザラシ、クジラなどの生物 せいぶつ でよく起 お こる反応 はんのう である[ 11] [ 12] ヒトにおいては大人 おとな より幼児 ようじ や子 こ どもに対 たい して起 お こりやすい[ 13] 。
ヒトの呼吸 こきゅう は脈拍 みゃくはく 、血圧 けつあつ 、体温 たいおん と並 なら んで生命 せいめい 活動 かつどう の客観 きゃっかん 的 てき な徴候 ちょうこう となるバイタルサインの1つである[ 14] 。
ヒトは出生 しゅっしょう すると外 そと 呼吸 こきゅう を開始 かいし する。新生児 しんせいじ では健常 けんじょう であっても1分間 ふんかん に30回 かい 程度 ていど の呼吸 こきゅう をしているものの、成長 せいちょう と共 とも に1分間 ふんかん 当 あ たりの呼吸 こきゅう 数 すう は次第 しだい に減少 げんしょう し、健常 けんじょう な成人 せいじん の呼吸 こきゅう 数 すう は1分間 ふんかん に12回 かい から20回 かい (安静 あんせい 時 じ )とされている[ 15] 。老化 ろうか とともに肺 はい の伸縮 しんしゅく 性 せい は低下 ていか し、成人 せいじん 期 き と同 おな じガス交換 こうかん を行 おこな うのに必要 ひつよう な呼吸 こきゅう 数 すう は増加 ぞうか する[ 15] 。
ヒト の呼吸 こきゅう 量 りょう [ 16]
状態 じょうたい
呼吸 こきゅう 量 りょう (ℓ/分 ぶん )
酸素 さんそ 取込 とりこ み量 りょう (ℓ/分 ぶん )
安静 あんせい 時 とき
6-10
0.3
運動 うんどう 時 じ
100
3
この呼吸 こきゅう 数 すう は、自律 じりつ 神経 しんけい により無意識 むいしき に調整 ちょうせい されるが、意識 いしき 的 てき に行 おこな うこともできる。自律 じりつ 神経 しんけい では、末梢 まっしょう 性 せい 化学 かがく 受容 じゅよう 器 き (英語 えいご 版 ばん ) や機械 きかい 受容 じゅよう 器 き で検知 けんち した刺激 しげき を呼吸 こきゅう 中枢 ちゅうすう ( Respiratory center )にて判断 はんだん され調整 ちょうせい が行 おこな われる。この呼吸 こきゅう 中枢 ちゅうすう への刺激 しげき は、動脈血 どうみゃくけつ 中 ちゅう の二酸化炭素 にさんかたんそ 量 りょう の増加 ぞうか が特 とく に強 つよ く、つぎに血 ち のpH低下 ていか (アシドーシス )、そのほかに体温 たいおん 上昇 じょうしょう ・運動 うんどう ・低 てい 酸素 さんそ ・精神 せいしん 疾患 しっかん などの刺激 しげき を受 う けると呼吸 こきゅう を速 はや めて換気 かんき を行 おこな おうとする。逆 ぎゃく に刺激 しげき を弱 よわ める要因 よういん としては、高 こう 濃度 のうど の酸素 さんそ ・二酸化炭素 にさんかたんそ 量 りょう の低下 ていか ・pH上昇 じょうしょう (アルカローシス)・体温 たいおん や代謝 たいしゃ の低下 ていか などがあり、高 こう 濃度 のうど 酸素 さんそ を吸入 きゅうにゅう させると、呼吸 こきゅう が停止 ていし したり呼吸 こきゅう が緩慢 かんまん となる[ 17] 。
ヒトの呼吸 こきゅう の型 かた には腹式呼吸 ふくしきこきゅう 、胸 むね 式 しき 呼吸 こきゅう (英語 えいご 版 ばん ) 、胸 むね 腹式呼吸 ふくしきこきゅう がある[ 15] 。呼吸 こきゅう の割合 わりあい (呼吸 こきゅう パターン)は通常 つうじょう は吸気 きゅうき 1、呼気 こき 1.5、休息 きゅうそく 期 き 1のリズムで繰 く り返 かえ す[ 18] 。
異常 いじょう 呼吸 こきゅう には以下 いか の種類 しゅるい がある[ 19] 。
呼吸 こきゅう 量 りょう の異常 いじょう
呼吸 こきゅう 回数 かいすう の異常 いじょう
無 む 呼吸 こきゅう
減少 げんしょう 「徐 じょ 呼吸 こきゅう (9 回 かい /分 ぶん 以下 いか )」
増加 ぞうか 「頻 しき 呼吸 こきゅう (25 回 かい /分 ぶん 以上 いじょう )」
1回 かい 換気 かんき 量 りょう の異常 いじょう
減少 げんしょう 「低 てい 呼吸 こきゅう (低 てい 換気 かんき )」
増加 ぞうか 「過 か 呼吸 こきゅう (過 か 換気 かんき )」
リズムの異常 いじょう
周期 しゅうき 的 てき な異常 いじょう
不規則 ふきそく な異常 いじょう
リズムと呼吸 こきゅう 回数 かいすう の異常 いじょう
その他 た の異常 いじょう
起 おこり 座 ざ 呼吸 こきゅう
喘息 ぜんそく や心不全 しんふぜん の際 さい に、伏 ふ せた状態 じょうたい では呼吸 こきゅう が辛 から くなるため、上体 じょうたい を起 お こして行 おこな う呼吸 こきゅう [ 20]
日本 にっぽん の海 うみ に潜 もぐ って魚介 ぎょかい 類 るい を採取 さいしゅ する海女 あま は、浮上 ふじょう した際 さい に過 か 呼吸 こきゅう になって気 き を失 うしな わないよう口笛 くちぶえ を吹 ふ く「磯 いそ 笛 ふえ 」と呼 よ ばれる呼吸 こきゅう を行 おこな う[ 21] 。
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