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呼吸（呼吸または換気）とは、酸素を肺に取り込むために空気を吸い込み、二酸化炭素を除去するために空気を吐き出すという、ガス交換の過程におけるリズミカルなプロセスである。
好気性生物はすべて、細胞呼吸のために酸素を必要とします。細胞呼吸は食物からエネルギーを抽出し、老廃物として二酸化炭素を生成します。外呼吸（呼吸）によって空気が肺胞に運ばれ、そこでガスは拡散によって移動します。その後、循環系が酸素と二酸化炭素を肺と組織の間で輸送します。[ 1 ] [ 2 ]
肺を持つ脊椎動物では、呼吸は鼻や口から肺胞へ空気を運ぶ分岐した気道系を通して吸気と呼気を繰り返すサイクルから成ります。 [ 3 ] 1分あたりの呼吸サイクル数、つまり呼吸数または呼吸速度は、主要なバイタルサインです。[ 4 ]通常の状態では、呼吸の深さと速度は、動脈血中の二酸化炭素と酸素の分圧を維持する恒常性メカニズムによって無意識に制御されます。動脈血中のCO₂を安定させることは、細胞外液のpHを維持するのに役立ちます。過換気と低換気はCO₂を変化させ、それによってpHを変化させ、苦痛な症状を引き起こします。
呼吸は、発話、笑い、特定の反射（あくび、咳、くしゃみ）を支えるだけでなく、体温調節にも寄与する（例えば、十分に汗をかくことができない動物のあえぎ呼吸など）。
肺は自ら膨らむことはなく、胸腔の容積が増加したときにのみ拡張します。[ 5 ] [ 6 ]哺乳類では、この拡張は主に横隔膜の収縮によって、そして程度は低いものの肋間筋の収縮によって生じ、肋骨は持ち上げられます。強い吸気時には、補助筋が肋骨のポンプハンドルとバケツハンドルの動きを増強し、胸郭の容積をさらに増加させることがあります。安静時には、吸気筋が弛緩し、肺と胸壁の弾性反動によって胸郭が安静位置に戻るため、呼気はほぼ受動的です。この安静時、肺には機能的残気量（成人では約2.5～3.0L）が含まれています。[ 7 ]
運動時などの激しい呼吸（過呼吸）時には、呼気にも腹筋の能動的な収縮が伴い、横隔膜が上方に押し上げられ、呼気終末時の肺容量が減少します。最大呼気時でも、正常な哺乳類は肺に残留空気を保持します。[ 7 ]
横隔膜呼吸（または腹式呼吸）では、腹部の動きが目に見える。鎖骨挙上を伴う補助呼吸筋の使用は、例えば重度の喘息や慢性閉塞性肺疾患（COPD）の増悪時など、呼吸困難時に見られる。
空気は理想的には鼻から吸入され、鼻から呼出されます。[ 8 ]鼻腔は鼻中隔によって隔てられ、複雑な鼻甲介で覆われており、吸入された空気を広い粘膜表面にさらすことで、空気は温められ、加湿され、微粒子は下気道に到達する前に粘液によって捕捉されます。呼気の際には、空気が冷たくなり部分的に乾燥した粘液の上を通過する際に、熱と水分の一部が回収されます。[ 7 ] [ 9 ]
上気道より下の哺乳類の呼吸器系は、一般的に呼吸器樹または気管支樹と呼ばれます。より大きな伝導気道は、より小さな気管支や細気管支に繰り返し分岐します。ヒトでは平均して約23世代の分岐があります。近位の分岐は空気を運び、末端の分岐（呼吸細気管支、肺胞管、肺胞）はガス交換に特化しています。気管と主要な気管支は肺の外側から始まり、ほとんどの分岐は盲端の肺胞に到達するまで肺内で起こります。この配置により、解剖学的死腔、つまりガス交換に関与しない伝導気道の容積（ 成人では約150ml）が生じます。[ 7 ] [ 10 ]
呼吸の主な目的は、肺胞内の空気を入れ替えて、肺胞内の空気と肺毛細血管の血液との間で拡散によるガス交換が行われるようにすることです。このガスの拡散は、肺胞上皮、毛細血管内皮、基底膜から構成される薄い呼吸膜を利用して行われ、これらが一体となって血液ガスバリアを形成します。[ 11 ]呼気後も肺には機能的残気量が残っています。通常の吸気では、比較的少量の新しい大気のみが機能的残気量と混ざり合うため、肺胞ガスの組成は呼吸の間ほぼ一定に保たれます。したがって、肺毛細血管の血液は比較的安定した肺胞ガスの組成と平衡状態になり、末梢および中枢の化学受容体は、溶存ガスの急激な変動ではなく、緩やかな変化を感知します。このように、呼吸の恒常性制御は、動脈血中のCO₂とO₂の分圧と血液pHの維持を中心に行われます。[ 7 ]
呼吸の速度と深さは、中枢および末梢化学受容体からの入力を受ける脳幹の呼吸中枢によって調節されます。延髄の中枢化学受容体は、血液および脳脊髄液のpHとCO₂に特に敏感です。大動脈体と頸動脈体の末梢化学受容体は、主に動脈血中のO₂に敏感です。これらの受容体からの情報は、橋と延髄で統合され、血液ガス分圧を回復させるように換気を調整します（例えば、運動中に動脈血中のCO₂を正常値に戻すなど）。横隔膜への横隔神経を含む運動神経は、呼吸中枢の出力を呼吸筋に伝達します。呼吸は基本的に自動的ですが、話す、歌う、泳ぐ、息を止めるトレーニングなどの際には、意識的に調整することができます。意識的な呼吸法は、リラクゼーションを促進する可能性があります。潜水反射などの反射は、酸素を節約するために、水中での呼吸と循環を変化させます。[ 7 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]
吸入空気は体積比で窒素が78% 、酸素が20.95%、その他アルゴン、二酸化炭素、ネオン、ヘリウム、水素などのガスが少量含まれています。[ 18 ]
呼気中の二酸化炭素は体積比で4～5%で、吸入量の約100倍になります。酸素の体積は全空気量の約4分の1、つまり4～5%減少します。典型的な組成は次のとおりです。[ 19 ]
テクニカルダイビングを行う水中ダイバーは、空気の他に、酸素濃度が高い、酸素濃度が低い、またはヘリウム濃度が高い呼吸ガス混合物を呼吸することがあります。酸素や鎮痛ガスは、医療処置を受けている患者に投与されることがあります。宇宙服内の雰囲気は純粋な酸素です。ただし、吸気速度を調整するために、地球上の大気圧の約20%に保たれています。[ 25 ]
海抜高度が高くなるにつれて気圧は低下し、肺胞は気道を通して外気と繋がっているため、肺内の圧力も高度の上昇に伴って同じ割合で低下します。高地でも、海面と同様に、肺への空気の出入りには気圧差が必要です。高地での呼吸のメカニズムは基本的に海面での呼吸と同じですが、以下の点が異なります。
大気圧は高度とともに指数関数的に減少し、高度が5,500 メートル (18,000フィート)上昇するごとにほぼ半分になります。[ 26 ]ただし、大気の組成は、気象の継続的な混合効果の結果として、80 km 未満ではほぼ一定です。[ 27 ]そのため、空気中の酸素濃度 (空気 1 リットルあたりのミリモル O 2 ) は、大気圧と同じ割合で減少します。[ 27 ]周囲の圧力が約 100 kPaである海面では、酸素は大気の 21% を占め、酸素分圧 ( P O 2 ) は 21 kPa (つまり 100 kPa の 21%) です。エベレスト山の頂上、標高8,848メートル（29,029フィート）では、全気圧は33.7kPaですが、酸素は依然として大気の21%を占めていますが、その分圧はわずか7.1kPaです（つまり、33.7kPaの21% = 7.1kPa ）。[ 27 ]したがって、一定時間内に同じ量の酸素を吸入するには、海面よりも高地でより多くの空気を吸入する必要があります。
During inhalation, air is warmed and saturated with water vapor as it passes through the nose and pharynx before it enters the alveoli. The saturated vapor pressure of water is dependent only on temperature; at a body core temperature of 37 °C it is 6.3 kPa (47.0 mmHg), regardless of any other influences, including altitude.[28] Consequently, at sea level, the tracheal air (immediately before the inhaled air enters the alveoli) consists of: water vapor (PH2O = 6.3 kPa), nitrogen (PN2 = 74.0 kPa), oxygen (PO2 = 19.7 kPa) and trace amounts of carbon dioxide and other gases, a total of 100 kPa. In dry air, the PO2 at sea level is 21.0 kPa, compared to a PO2 of 19.7 kPa in the tracheal air (21% of [100 – 6.3] = 19.7 kPa). At the summit of Mount Everest tracheal air has a total pressure of 33.7 kPa, of which 6.3 kPa is water vapor, reducing the PO2 in the tracheal air to 5.8 kPa (21% of [33.7 – 6.3] = 5.8 kPa), beyond what is accounted for by a reduction of atmospheric pressure alone (7.1 kPa).
The pressure gradient forcing air into the lungs during inhalation is also reduced by altitude. Doubling the volume of the lungs halves the pressure in the lungs at any altitude. Halving the sea level air pressure (100 kPa) results in a pressure gradient of 50 kPa but doing the same at 5500 m, where the atmospheric pressure is 50 kPa, a doubling of the volume of the lungs results in a pressure gradient of the only 25 kPa. In practice, because we breathe in a gentle, cyclical manner that generates pressure gradients of only 2–3 kPa, this has little effect on the actual rate of inflow into the lungs and is easily compensated for by breathing slightly deeper.[29][30] The lower viscosity of air at altitude allows air to flow more easily and this also helps compensate for any loss of pressure gradient.
低気圧が呼吸に及ぼす上記の影響はすべて、通常、呼吸分時量（1分間に吸い込む空気量または吐き出す空気量）を増加させることで対処され、このメカニズムは自動的です。必要な増加量は、動脈血酸素分圧（PO₂ ）と二酸化炭素分圧（PCO₂ ）を調節する呼吸ガス恒常性メカニズムによって決定されます。この恒常性メカニズムは、海面では酸素よりも動脈血PCO₂の調節を優先します。つまり、海面では、動脈血PCO₂は広範囲の状況下で5.3 kPa（または40 mmHg）に非常に近い値に維持されますが、その代わりに動脈血PO₂は非常に広い範囲で変動することが許容され、その後、補正的な換気応答が引き起こされます。しかし、気圧（したがって大気中のPO₂ ）が海面における値の75%を下回ると、二酸化炭素の恒常性よりも酸素の恒常性が優先されます。この切り替えは、標高約2,500メートル（8,200フィート）で起こります。この切り替えが比較的急激に起こると、高地での過換気により動脈血P CO 2が著しく低下し、その結果、動脈血漿のpHが上昇して呼吸性アルカローシスを引き起こします。これが高山病の一因となります。一方、酸素恒常性への切り替えが不完全な場合、低酸素症が臨床像を複雑化させ、場合によっては致命的な結果を招く可能性があります。
水深が深くなるにつれて、水圧は約1気圧（ 10メートルごとに100kPa強、または1バール）ずつ上昇します。ダイバーが水中呼吸する空気は周囲の水圧と同じ圧力であり、これは生理学的および生化学的に複雑な影響を及ぼします。適切に管理されない場合、水中での圧縮ガスの呼吸は、肺気圧外傷、減圧症、窒素酔い、酸素中毒など、いくつかの潜水障害を引き起こす可能性があります。加圧下でのガスの呼吸の影響は、1種類または複数の特殊な混合ガスを使用することでさらに複雑になります。
空気はダイビングレギュレーターによって供給され、ダイビングシリンダー内の高圧を周囲の圧力まで減圧します。レギュレーターの呼吸性能は、行うダイビングの種類に適したレギュレーターを選択する際の重要な要素です。レギュレーターからの呼吸は、大量の空気を供給する場合でも、少ない労力で済むことが望ましいです。また、吸気時や呼気時に抵抗が急激に変化することなく、スムーズに空気が供給されることも推奨されます。右のグラフでは、排気弁を開くために呼気時に圧力が急上昇し、吸気時に圧力が急降下するものの、レギュレーターに組み込まれたベンチュリ効果によってすぐに克服され、容易に空気を吸い込むことができる点に注目してください。多くのレギュレーターには、呼吸を楽にするために吸気のしやすさを調整する機能が備わっています。
異常な呼吸パターンには、クスマウル呼吸、ビオ呼吸、チェーン・ストークス呼吸などがあります。
その他の呼吸障害には、息切れ（呼吸困難）、喘鳴、無呼吸、睡眠時無呼吸（最も一般的なのは閉塞性睡眠時無呼吸）、口呼吸、いびきなどがあります。多くの疾患は気道閉塞と関連しています。慢性的な口呼吸は病気と関連している可能性があります。[ 31 ] [ 32 ]低呼吸とは、呼吸が浅すぎる状態を指し、過呼吸とは、運動などによる酸素需要の増加によって引き起こされる速くて深い呼吸を指します。低換気と過換気という用語も、それぞれ浅い呼吸と速くて深い呼吸を指しますが、不適切な状況や疾患下でのものです。しかし、この区別（例えば過呼吸と過換気の間）は必ずしも守られているわけではないため、これらの用語はしばしば互換的に使用されます。[ 33 ]
さまざまな呼気検査は、食物不耐症などの疾患の診断に使用できます。鼻腔内気流計は、音響技術を使用して鼻腔内の空気の流れを調べます。[ 34 ]
「スピリット」という言葉は、ラテン語のspiritus（息）に由来します。歴史的に、息はしばしば生命力の概念として考えられてきました。ヘブライ語聖書では、神がアダムを生きた魂（ネフェシュ）にするために粘土に生命の息吹を吹き込んだと記されています。また、死すべき人間が死ぬと息が神に戻るとも記されています。スピリット、プラーナ、ポリネシアのマナ、ヘブライ語のルアハ、心理学のプシュケーといった用語は、息の概念と関連しています。[ 35 ]
太極拳では、有酸素運動と呼吸法を組み合わせて横隔膜の筋肉を強化し、姿勢を改善し、体の気をより効果的に活用します。さまざまな瞑想やヨガでは、さまざまな呼吸法が推奨されています。呼吸に意識を集中するという意味のアナパナサティと呼ばれる仏教の瞑想法は、最初にブッダによって紹介されました。呼吸法は瞑想、プラーナヤーマなどの特定のヨガ、喘息などの治療としてのブテイコ呼吸法に組み込まれています。 [ 36 ]
音楽の世界では、管楽器奏者の中には循環呼吸と呼ばれる技法を用いる者がいる。歌手もまた、呼吸のコントロールに頼っている。
呼吸に関連する一般的な文化的表現には、「息を呑む」「息を呑む」「インスピレーション」「息を切らす」「息を取り戻す」などがあります。
特定の呼吸パターンは、特定の気分と関連して発生する傾向があります。この関係性から、さまざまな分野の実践者は、最も一般的に関連して発生する呼吸パターンを採用することで、特定の気分の発生を促すことができると主張しています。たとえば、おそらく最も一般的な推奨事項は、横隔膜と腹部をより多く使用する深い呼吸がリラクゼーションを促すことができるというものです。[ 12 ] [ 37 ]さまざまな分野の実践者は、呼吸の調整の重要性と、それが気分に及ぼす影響をさまざまな方法で解釈することがよくあります。仏教徒は、それが内なる平和の感覚を促すのに役立つと考えるかもしれませんし、ホリスティックヒーラーは、それが全体的な健康状態を促進すると考えるかもしれません[ 38 ]、ビジネスアドバイザーは、それが仕事に基づくストレスからの解放をもたらすと考えるかもしれません。
運動中は、酸素の吸収を促進するために、より深い呼吸パターンが採用されます。より深い呼吸パターンを採用するもう1つの理由は、体幹を強化するためです。深呼吸の過程で、胸郭横隔膜は体幹のより低い位置になり、腹腔内圧の発生を助け、腰椎を強化します。[ 39 ]通常、これにより、より力強い身体動作が可能になります。そのため、重い重量を持ち上げる際には、深呼吸をするか、より深い呼吸パターンを採用することがよく推奨されます。
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ウィキメディア・コモンズにある人間の呼吸に関するメディア
Wikiquoteにある呼吸に関する引用文