肺胞の分子拡散シミュレーターGas Diffusion in the Alveolus

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

1. 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向きに移動すると思いますか。また、それはなぜだと思いますか。Between the alveolus and the capillary, which way do you think oxygen and carbon dioxide each move? Why do you think so?💡 吸いこんだ空気と、全身から戻ってきた血液では、どちらに酸素が多く、どちらに二酸化炭素が多いでしょうか。Compare the air you breathe in with the blood returning from the body: which has more oxygen, and which has more carbon dioxide?
2. 血液が肺胞の横をとても速く流れると、血液が受け取る酸素は増えると思いますか、それとも足りなくなると思いますか。If blood flows past the alveolus very fast, do you think each bit of blood will pick up more oxygen, or not enough?💡 血液が肺胞のとなりにいる時間の長さに注目しましょう。Think about how long the blood stays next to the alveolus.

2動かしてみようTry it

1. 最初の状態(「呼吸の速さ（1分あたりの換気回数）」12 回/分、「血流速度」×1.00)で、青い O2 が肺胞から血管へ、灰色の CO2 が血管から肺胞へ移る様子と、赤血球が左の「流入(静脈血)」から右の「流出(動脈血)」へ進むにつれて暗赤色から鮮紅色に変わる様子を観察する。In the starting state ("Breathing rate (breaths per minute)" 12 /min, "Blood flow speed" ×1.00), watch blue O2 move from the alveolus into the capillary and gray CO2 move from the capillary into the alveolus, and watch red blood cells turn from dark red to bright red as they travel from "In (venous)" on the left to "Out (arterial)" on the right.
2. 画面左上の「肺胞O2」「肺胞CO2」の値と、下の「流出血の酸素飽和度」「通過時間」を記録する(約 13%、約 5%、約 97%、4.0 秒)。Record "Alveolar O2" and "Alveolar CO2" at the top left, and "O2 saturation (outflow)" and "Transit time" at the bottom (about 13%, about 5%, about 97%, 4.0 s).
3. 「血流速度」を ×5.00 まで上げ、通過時間・流出血の酸素飽和度・右端の赤血球の色の変化を記録する。次に ×0.25 まで下げて同じように比べる。Raise "Blood flow speed" to ×5.00 and record the change in transit time, O2 saturation of the outflow, and the color of red blood cells at the right end. Then lower it to ×0.25 and compare in the same way.
4. 「血流速度」を ×1.00 に戻し、「呼吸の速さ」を 40 回/分にしたときと 1 回/分にしたときで、「肺胞O2」「肺胞CO2」と画面下の「CO2 血液→肺胞 ○/秒」を比べる(1 回/分では 30 秒以上待って観察する)。Set "Blood flow speed" back to ×1.00, then compare "Alveolar O2", "Alveolar CO2" and "CO2 blood→alveolus .../s" at the bottom with "Breathing rate" at 40 /min and at 1 /min (at 1 /min, wait 30 seconds or more).
5. 右側の「クイズ」を開く前に答えを予想し、開いて確かめる。Predict the answer to the "Quiz" on the right before opening it, then open it to check.

3確かめようCheck

1. O2 と CO2 は、それぞれどちら向きに膜を越えて移動していましたか。Which way did O2 and CO2 each cross the membrane?→ O2 は肺胞→血液、CO2 は血液→肺胞。どちらも濃度の高い側から低い側へ、互いに独立して移動している。O2 moved from the alveolus into the blood, and CO2 from the blood into the alveolus. Each moves independently, from higher to lower concentration.
2. 血流速度を ×5.00 にすると、通過時間と流出血の酸素飽和度はどうなりましたか。At blood flow speed ×5.00, what happened to the transit time and the O2 saturation of the outflowing blood?→ 通過時間は 4.0 秒から 0.8 秒に短くなり、酸素飽和度は約 97% から約 88〜91% に下がった。右端の赤血球も十分に鮮紅色にならず、酸素化が不完全になる。Transit time dropped from 4.0 s to 0.8 s, and O2 saturation fell from about 97% to about 88-91%. The red blood cells at the right end do not turn fully bright red, so oxygen loading is incomplete.
3. 呼吸の速さを 1 回/分にすると、肺胞内の気体と CO2 の放出はどうなりましたか。At a breathing rate of 1 /min, what happened to the gas in the alveolus and to CO2 release?→ 肺胞O2 は約 6〜9% まで下がり、肺胞CO2 は約 6% まで上がった。CO2 の濃度差が小さくなるので「CO2 血液→肺胞」はほぼ 0〜2/秒に減り、酸素飽和度も 80〜90% 程度まで下がる。Alveolar O2 fell to about 6-9% and alveolar CO2 rose to about 6%. The CO2 concentration difference becomes small, so "CO2 blood→alveolus" drops to about 0-2/s, and O2 saturation also falls to roughly 80-90%.
4. 呼吸の速さを 40 回/分にすると、肺胞内の O2 と CO2 はどうなりましたか。At a breathing rate of 40 /min, what happened to O2 and CO2 in the alveolus?→ 空気がよく入れかわるので、肺胞O2 は約 17% に上がり、肺胞CO2 は約 4% に下がった。CO2 の放出は 12 回/分のときより多くなる。The air is replaced often, so alveolar O2 rose to about 17% and alveolar CO2 fell to about 4%. More CO2 is released than at 12 /min.

4考えようThink further

1. 肺には小さな肺胞が非常にたくさんあり、そのまわりを毛細血管が網のように取り囲んでいます。このつくりは気体の交換にとってどのように都合がよいでしょうか。The lungs have a huge number of tiny alveoli, each wrapped in a net of capillaries. How does this structure help gas exchange?→ 肺胞が小さくたくさんあることで空気とふれる表面積が非常に大きくなり、毛細血管が近くを取り囲むことで血液と空気の距離が短くなる。そのため、一度に多くの酸素と二酸化炭素を効率よく交換できる。Many small alveoli give a very large surface area in contact with air, and capillaries wrapped closely around them keep the blood very close to the air. This lets large amounts of oxygen and carbon dioxide be exchanged efficiently.
2. 激しい運動をすると、呼吸が速く深くなります。このシミュレーターの結果から、呼吸が速くなることにはどんな役割があると考えられますか。During hard exercise, breathing becomes faster and deeper. Based on this simulator, what role does faster breathing play?→ 肺胞の空気がよく入れかわり、肺胞内の O2 が高く CO2 が低く保たれる。そのため血液との濃度差が大きくなり、より多くの酸素を取り入れ、より多くの二酸化炭素を出せるようになる。It replaces the alveolar air often, keeping alveolar O2 high and CO2 low. This keeps the concentration difference with the blood large, so more oxygen is taken in and more carbon dioxide is given off.

よくある誤解Common misconceptions

• 「肺が酸素を血液に押しこみ、二酸化炭素を吸い出している」という誤解。気体は濃度の高い側から低い側へ自然に移動(拡散)しているだけで、O2 と CO2 は別々に動いている。The misconception that the lungs actively push oxygen into the blood and pull carbon dioxide out. The gases simply move from higher to lower concentration (diffusion), and O2 and CO2 move independently.
• 「血液が速く流れるほど、血液はたくさん酸素を受け取れる」という誤解。血流が速すぎると肺胞に接している時間が短くなり、1つ1つの血液は十分に酸素を受け取れない。The misconception that faster blood flow always means each bit of blood picks up more oxygen. If blood flows too fast, it spends less time next to the alveolus and cannot load enough oxygen.

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