呼吸と肺胞でのガス交換Breathing and Gas Exchange in the Alveoli

1予想しよう（触る前に）Predict (before you touch anything)

1. 息を吸うとき、肺は自分の力でふくらんで空気を吸いこんでいるのでしょうか。肺の中の圧力は大気圧と比べてどうなっていると思いますか。When you breathe in, do the lungs inflate by their own power to suck in air? How do you think the pressure inside the lungs compares with the air pressure outside?💡 肺には筋肉がありません。胸腔の下にある横隔膜の動きと、空気が圧力の高い所から低い所へ流れることに注目しましょう。The lungs have no muscles of their own. Think about the diaphragm under the chest cavity, and about air flowing from higher to lower pressure.
2. 肺胞と毛細血管の間で、酸素と二酸化炭素はそれぞれどちらの向きに移動すると思いますか。Between the alveolus and the capillary, which direction do you think oxygen and carbon dioxide each move?💡 肺胞に入ってくる空気と、からだの各部から戻ってきた血液とでは、それぞれの気体の量がどう違うかを考えましょう。Compare how much of each gas there is in the freshly inhaled air and in the blood returning from the body.

2動かしてみようTry it

1. 初期設定（「呼吸数」12 回/分、「横隔膜の動き」中（約4.0cm）、「吸入O₂濃度」21% 平地(標準)）で、「スロー再生」を押してゆっくり動かし、①胸腔断面の横隔膜の動き・気管の矢印と、圧力ゲージの「大気圧 Patm」「肺胞内圧 Palv」を吸気と呼気で比べる。必要なら「一時停止」と「コマ送り」で止めて読む。With the starting settings ("Breathing rate" 12 /min, "Diaphragm movement" Medium 4.0 cm, "O₂ in air" 21% Sea level), press "Slow motion" and, in ① Chest cross-section, compare the diaphragm movement, the arrows in the trachea, and the pressure gauges "Air pressure Patm" and "Alveolar pressure Palv" during inhaling and exhaling. Use "Pause" and "Step" to freeze and read values if needed.
2. ②肺胞と毛細血管のビューで、赤い O₂ の粒子と青い CO₂ の粒子が動く向き、毛細血管の入口（肺動脈から）と出口（肺静脈へ）の血液の色と PO₂ の値を観察する。In the ② Alveolus & capillary view, watch which way the red O₂ particles and the blue CO₂ particles move, and compare the blood color and PO₂ values at the capillary entrance (from the pulmonary artery) and exit (to the pulmonary vein).
3. 「呼吸数」を 24 回/分に上げ、上部の表示と肺胞内の PO₂・PCO₂ の値がどう変わるかを読む。次に 6 回/分に下げて同じように読む。Raise "Breathing rate" to 24 /min and read how the PO₂ and PCO₂ values in the top display and inside the alveolus change. Then lower it to 6 /min and read them again.
4. 「呼吸数」を 12 回/分に戻し、「横隔膜の動き」を強（約10.0cm）と弱（約1.0cm）にして、換気量と肺胞の PO₂・PCO₂ を比べる。Set "Breathing rate" back to 12 /min, then set "Diaphragm movement" to Large 10.0 cm and to Small 1.0 cm, and compare the ventilation and the alveolar PO₂ and PCO₂.
5. 「横隔膜の動き」を中（約4.0cm）に戻し、「吸入O₂濃度」を 16%（高山 3500m級）、10%（エベレスト級）に下げて、肺胞の PO₂、O₂ の粒子の動き、出口の血液の色を観察する。Set "Diaphragm movement" back to Medium 4.0 cm, then lower "O₂ in air" to 16% (~3500 m) and 10% (Everest), and watch the alveolar PO₂, the O₂ particles, and the color of the blood at the exit.

3確かめようCheck

1. 吸気のとき、横隔膜はどう動き、肺胞内圧は大気圧と比べてどうなっていましたか。呼気のときはどうでしたか。During inhaling, how did the diaphragm move, and how did the alveolar pressure compare with atmospheric pressure? What about during exhaling?→ 吸気では横隔膜が収縮して下がり、胸腔が広がって肺胞内圧が大気圧より低く（圧差 約 −0.6 mmHg）なり、空気が流入した。呼気では横隔膜が弛緩して上がり、肺胞内圧が大気圧より高く（約 +0.4 mmHg）なって空気が流出した。When inhaling, the diaphragm contracts and moves down, the chest cavity expands, the alveolar pressure becomes lower than atmospheric pressure (difference about −0.6 mmHg), and air flows in. When exhaling, the diaphragm relaxes and moves up, the alveolar pressure becomes higher (about +0.4 mmHg), and air flows out.
2. 初期設定で、肺胞と毛細血管の入口・出口の血液の PO₂ はそれぞれいくつでしたか。O₂ と CO₂ はどちら向きに移動していましたか。With the starting settings, what were the PO₂ values in the alveolus and in the blood at the capillary entrance and exit? Which way did O₂ and CO₂ move?→ 肺胞の PO₂ は約 98、入口の血液は PO₂ 40（暗赤色）、出口は約 95（鮮紅色）だった。O₂ は肺胞→血液、CO₂ は血液（PCO₂ 46）→肺胞（PCO₂ 41）へ、いずれも高い側から低い側へ移動していた。The alveolar PO₂ was about 98, the blood entering had PO₂ 40 (dark red), and the blood leaving had about 95 (bright red). O₂ moved from alveolus to blood, and CO₂ moved from blood (PCO₂ 46) to alveolus (PCO₂ 41) — each from higher to lower.
3. 「呼吸数」を 24 回/分にしたときと 6 回/分にしたとき、肺胞の PO₂ と PCO₂ はどう変わりましたか。How did the alveolar PO₂ and PCO₂ change when "Breathing rate" was 24 /min compared with 6 /min?→ 24 回/分では換気量が約 11.9 L/分に増え、PO₂ は約 124 に上がり PCO₂ は約 21 に下がった。6 回/分では換気量 3.0 L/分で、PO₂ は約 50 に下がり PCO₂ は約 80 に上がった。換気が多いほど肺胞の酸素は多く、二酸化炭素は少なくなる。At 24 /min the ventilation rose to about 11.9 L/min, PO₂ rose to about 124 and PCO₂ fell to about 21. At 6 /min the ventilation was 3.0 L/min, PO₂ fell to about 50 and PCO₂ rose to about 80. More ventilation means more oxygen and less carbon dioxide in the alveoli.
4. 「吸入O₂濃度」を 10%（エベレスト級）にしたとき、O₂ の移動と出口の血液の色はどうなりましたか。When "O₂ in air" was set to 10% (Everest), what happened to the O₂ movement and to the color of the blood at the exit?→ 肺胞の PO₂ が約 20 まで下がり、入口の血液（PO₂ 40）より低くなったため O₂ の分圧差は 0（停止）となり、O₂ は血液へ移らず、出口の血液も暗赤色のまま（PO₂ 40）だった。CO₂ の移動は続いていた。The alveolar PO₂ dropped to about 20, below the incoming blood's PO₂ of 40, so the O₂ difference became 0 (none). No O₂ moved into the blood and the blood at the exit stayed dark red (PO₂ 40). CO₂ kept moving out.

4考えようThink further

1. 肺胞の壁と毛細血管の壁がどちらも1細胞分の薄さで、肺には肺胞がたくさんあることは、ガス交換にとってどんな点で都合がよいのでしょうか。Why is it useful for gas exchange that the alveolar wall and the capillary wall are each only one cell thick, and that the lungs contain a huge number of alveoli?→ 拡散は濃度の差だけで起こりエネルギーを使わないので、気体が通る距離が短いほど速く移動できる。また肺胞が多数あると空気と血液が接する表面積が大きくなり、一度に多くの酸素と二酸化炭素を交換できる。Diffusion is driven only by the concentration difference and uses no energy, so the shorter the distance the gases must cross, the faster they move. Having many alveoli gives a very large surface area where air and blood meet, so much more oxygen and carbon dioxide can be exchanged at once.
2. 高い山に登ると息が苦しくなり、自然に呼吸が速く深くなります。シミュレーションの結果を使って、その理由を説明しなさい。On a high mountain people feel short of breath and naturally breathe faster and deeper. Use the simulation results to explain why.→ 酸素の少ない空気では肺胞の PO₂ が下がり（16% で約 62）、血液との差が小さくなって酸素を取りこみにくくなる。呼吸数や横隔膜の動きを大きくして換気量を増やすと肺胞の PO₂ が上がるので、少しでも多くの酸素を血液に取りこめる。With less oxygen in the air, the alveolar PO₂ falls (about 62 at 16%), the difference from the blood becomes smaller, and oxygen is taken up less easily. Increasing the breathing rate or the diaphragm movement raises ventilation, which raises the alveolar PO₂, so more oxygen can still enter the blood.

よくある誤解Common misconceptions

• 「肺が自分でふくらんで空気を吸いこむ」という考え。肺には筋肉がなく、横隔膜（や肋骨の筋肉）が胸腔を広げて肺の中の圧力を下げるので、空気は圧力の差によって流れこむ。The idea that the lungs inflate by themselves and suck air in. The lungs have no muscles; the diaphragm (and rib muscles) enlarge the chest cavity, lowering the pressure inside, and air flows in because of that pressure difference.
• 「酸素は肺胞から血液へ押しこまれる（エネルギーを使って運ばれる）」という考え。実際は濃度（分圧）の高い側から低い側への拡散で、エネルギー（ATP）は使わない。The idea that oxygen is pumped from the alveoli into the blood using energy. In fact it moves by diffusion from higher to lower concentration (partial pressure), with no energy (ATP) needed.

用語（日本語 / English）Key terms (Japanese / English)