ガス交換

気体の交換は、濃度勾配に沿った拡散の結果として起こります。気体分子は、高濃度領域から低濃度領域へと移動します。拡散は受動的なプロセスであり、輸送にエネルギーを必要とせず、フィックの法則に従います。

${\displaystyle J=-D{\frac {d\varphi }{dx}}}$

典型的な生物系では、2つの区画（「内部」と「外部」）が膜障壁によって隔てられており、ガスが濃度勾配に従って自発的に拡散することが許容されている。

• Jはフラックス、すなわち単位時間あたり、膜の単位面積あたりに拡散するガスの量を表します。なお、これは既に膜の面積に合わせてスケーリングされています。
• Dは拡散係数であり、対象となるガス分子の大きさや膜自体の性質（特に粘度、温度、疎水性）に応じて、ガスや膜ごとに異なります。
• φは気体の濃度である。
• xは膜の厚み方向の位置を表す。
• したがって、 dφ /dxは膜を挟んだ濃度勾配を表す。2つの区画がそれぞれ十分に混合されている場合、これは内側区画と外側区画のガス濃度の差を膜の厚さで割った値に簡略化される。
• 負の符号は、拡散が常に時間の経過とともに濃度勾配を破壊する方向、つまりガスが高濃度から低濃度へと移動し、最終的に内部と外部の区画が平衡状態に達することを示しています。

ガスは膜を透過するためにまず液体に溶解する必要があるため、すべての生物学的ガス交換システムは湿潤環境を必要とする。^{[ 3 ]}一般に、ガス交換面の濃度勾配が大きいほど、その表面を透過する拡散速度は速くなる。逆に、ガス交換面が薄いほど（同じ濃度差の場合）、ガスはより速くその表面を透過する。^{[ 4 ]}

上記の式において、Jは単位面積あたりのフラックスを表すため、面積を増やしてもその値には変化がありません。しかし、利用可能な表面積が増加すると、一定時間内に拡散できるガスの量が増加します。 ^{[ 4 ]}これは、単位時間あたりに拡散するガスの量 (dq / dt )が、 Jとガス交換表面の面積Aの積であるためです。

${\displaystyle {\frac {dq}{dt}}=JA}$

細菌やアメーバなどの単細胞生物は、体積に対して表面積が大きいため、特殊なガス交換面を持ちません。生物が一定時間内に生成（または必要と）するガスの量は、おおよそ細胞質の体積に比例します。単細胞生物の体積は非常に小さいため、一定時間内に生成（および必要と）するガスの量は比較的小さくなります。この小さな体積に比べて、細胞膜の表面積は非常に大きく、それ以上の改変をしなくてもガス交換のニーズを満たすのに十分です。しかし、生物が大きくなるにつれて、表面積と体積は同じようにはスケーリングしません。辺の長さがLの立方体である仮想の生物を考えてみましょう。体積は長さの 3 乗 ( L ³ ) に比例して増加しますが、外部表面積は長さの2 乗 ( L ² ) に比例してしか増加しません。これは、外部表面積が、より大きな体積の細胞質の急速に増加するガス交換のニーズに対して急速に不十分になることを意味します。さらに、ガスが通過しなければならない表面の厚さ（フィックの法則の d x）も、より大きな生物では大きくなる可能性があります。単細胞生物の場合、典型的な細胞膜の 厚さはわずか 10 nm ですが^{[ 5 ]} 、線虫（線形動物）などのより大きな生物では、同等の交換表面であるクチクラは 0.5 μm とかなり厚くなります^{[ 6 ] 。}

そのため、多細胞生物では、外部環境との必要なガス交換速度のために追加の表面積を提供するために、鰓や肺などの特殊な呼吸器官がよく使用されます。しかし、ガス交換器と深部組織との距離は、拡散がこれらの組織のガス要求を満たすには大きすぎる場合がよくあります。そのため、ガス交換器は、ガス交換器からの距離に関係なく、すべての体組織にガスを均等に輸送するガス分配循環系とよく結合しています。 ^{[ 7 ]}

扁形動物（扁形動物門）などの多細胞生物の中には、比較的大きいが体が非常に薄いものがあり、特殊なガス交換器官を必要とせずに体表面をガス交換面として機能させることができます。そのため、扁形動物には鰓や肺がなく、循環系もありません。海綿動物（海綿動物門）などの他の多細胞生物は、体が非常に多孔質であったり枝分かれしていたり​​するため、本質的に表面積が大きくなっています。海綿動物は、鞭毛を持つ襟細胞を使って多孔質の体を通して水を一方的に送り込む摂食戦略をとるため、循環系や特殊なガス交換器官を必要としません。そのため、海綿動物の体の各細胞は常に新鮮な酸素を含んだ水の流れにさらされます。したがって、呼吸に必要なガス交換を行うために、細胞膜を介した拡散に頼ることができます。^{[ 8 ]}

特殊なガス交換面に関連した循環系を持つ生物では、両者の相互作用のために非常に多様なシステムが用いられている。

向流システムでは、空気（または、より一般的には、溶解した空気を含む水）がガス交換器内の血液の流れとは逆方向に引き込まれます。このような向流システムは、ガス交換面の長さに沿って急峻な濃度勾配を維持します（図 2 の下の図を参照）。これは、魚類や他の多くの水生生物のエラに見られる状況です。^{[ 9 ]}ガスを含む環境水は、ガス交換面を横切って一方向に引き込まれ、その下のエラ毛細血管内の血液の流れは逆方向に流れます。^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}理論的には、これにより呼吸ガスが交換器の一方の側からもう一方の側にほぼ完全に移動できますが、魚類では、エラを流れる水中の酸素の 80% 未満が一般的に血液に転送されます。^{[ 9 ]}

代替的な配置としては、鳥類に見られる交差流システム^{[ 12 ] [ 13 ]}や、哺乳類の肺に見られる行き止まりの空気で満たされた嚢システム^{[ 14 ] [ 15 ]}がある。並流システムでは、血液とガス（またはガスを含む液体）がガス交換器内を同じ方向に移動する。これは、勾配の大きさがガス交換面の長さに沿って変化し、平衡に達すると最終的に交換が停止することを意味する（図2の上図を参照）。^{[ 9 ]} 並流ガス交換システムは自然界では使用されていないことが知られている。

呼吸器系は、鼻や口から始まり、胸部の肺胞で終わる、比較的細くて中程度の長さの管の集合体です。この管を通して、空気は少量ずつ（一回換気量と呼ばれる）肺胞に運ばれます。空気は同じ管の集合体を通って出入りし、吸気時には一方向に、呼気時には反対方向に流れます。

安静時の一回の吸気で、約 500  ml の新鮮な空気が鼻から流入します。鼻と咽頭を通過する際に温められ、湿潤します。気管に到達する頃には、吸入された空気の温度は 37  °C になり、水蒸気で飽和しています。肺胞に到達すると、希釈され、 最後の呼気後に肺胞内に残っていた約 2.5～3.0 リットルの空気と完全に混合されます。呼吸サイクル全体を通して肺胞内に半永久的に存在するこの比較的大きな量の空気は、機能的残気量(FRC) として知られています。^{[ 15 ]}

吸気の開始時には、気道は前回の呼気から残った変化していない肺胞空気で満たされます。これは死腔容積で、通常は約 150  ml です。^{[ 17 ]}これは、吸気中に肺胞に再流入する最初の空気です。死腔空気が肺胞に戻った後にのみ、残りの一回換気量 (500  ml - 150  ml = 350  ml) が肺胞に入ります。^{[ 15 ]}毎回の吸気でこのような少量の新鮮な空気が流入することで、呼吸サイクル中に FRC の構成がほとんど変化しないことが保証されます (図 5)。^{[ 15 ]}肺胞酸素分圧は13～14 kPa (100 mmHg)に非常に近いままで、二酸化炭素分圧は呼吸サイクル (吸気と呼気) 全体を通して5.3 kPa (40 mmHg) 付近で最小限の変化にとどまります。 ^{[ 15 ]}海面における周囲（乾燥）空気中の酸素と二酸化炭素の対応する分圧は、それぞれ 21 kPa (160 mmHg) と 0.04 kPa (0.3 mmHg) である。^{[ 15 ]}        

FRCを構成するこの肺胞空気は、肺胞毛細血管内の血液を完全に囲んでいます（図6）。哺乳類のガス交換は、この肺胞空気（新鮮な空気とは大きく異なります）と肺胞毛細血管内の血液との間で行われます。ガス交換膜の両側のガスは、単純拡散によって平衡状態になります。これにより、肺胞毛細血管から出て最終的に全身を循環する血液中の酸素と二酸化炭素の分圧が、FRC内の分圧と同じであることが保証されます。^{[ 15 ]}

肺胞内の空気と周囲の空気の組成の顕著な違いは、機能的残気量が、長くて細い管（気道：鼻、咽頭、喉頭、気管、気管支、および細気管支に至るそれらの枝と亜枝）によって外気と繋がった行き止まりの袋の中に閉じ込められているため維持される。この解剖学的構造と、呼吸のたびに肺が空になって再び膨らむわけではないという事実により、哺乳類は「持ち運び可能な大気」を持つことができ、その組成は現在の周囲の空気とは大きく異なる。^{[ 18 ]}

FRC内の空気の組成は、動脈血中の酸素と二酸化炭素の分圧を測定することによって注意深く監視されます。いずれかのガス圧が正常から逸脱すると、呼吸の速度と深さを変化させる反射が誘発され、数秒から数分以内に正常な状態に戻ります。^{[ 15 ]}

体組織から心臓の右側に戻ってきた血液はすべて、肺胞毛細血管を通ってから再び全身に送り出されます。肺を通過する際、血液は肺胞内の空気と密接に接触しますが、この空気は平均でわずか約 2μmの厚さしかない非常に薄い拡散膜によって隔てられています。^{[ 14 ]}そのため、血液中のガス圧は肺胞内のガス圧と急速に平衡状態になり、全身の組織に循環する動脈血の酸素分圧は13～ 14kPa（100mmHg  ）、二酸化炭素分圧は5.3kPa  （40mmHg  ）に保たれます。これらの動脈血中の酸素分圧と二酸化炭素分圧は恒常的に制御されています。${\displaystyle P_{{\mathrm {CO} }_{2}}}$動脈血流の低下は、程度は低いものの、${\displaystyle P_{{\mathrm {O} }_{2}}}$二酸化炭素分圧が低下すると、血液ガス分圧が正常に戻るまで、反射的に呼吸が深く速くなります。逆に、二酸化炭素分圧が低下したり、程度は低いものの酸素分圧が上昇したりすると、血液ガス分圧が正常に戻るまで、呼吸の速度と深さが減少します。

肺胞毛細血管に到達する血液は${\displaystyle P_{{\mathrm {O} }_{2}}}$平均で 6  kPa (45  mmHg) であるのに対し、肺胞内の圧力は 13  kPa (100  mmHg) であるため、酸素が毛細血管血液に正味拡散し、3 リットルの肺胞空気の組成がわずかに変化します。同様に、肺胞毛細血管に到達する血液は${\displaystyle P_{{\mathrm {CO} }_{2}}}$肺胞内圧が約 6  kPa (45  mmHg) であるのに対し、肺胞内圧は 5.3  kPa (40  mmHg) であるため、二酸化炭素は毛細血管から肺胞へ正味で移動します。機能的残気量への個々のガスの正味の流れによって生じる変化により、約 5 秒ごとに肺胞内圧の約 15% を外気と入れ替える必要があります。これは、大動脈小体、頸動脈小体、および脳の延髄前面にある血液ガスおよび pH センサーによる動脈血ガス分圧 (肺胞内気中の呼吸ガスの分圧を正確に反映する) の連続的なモニタリングによって厳密に制御されています。肺には酸素と二酸化炭素のセンサーも存在するが、それらは主に細気管支と肺毛細血管の直径を決定し、したがって空気と血液の流れを肺のさまざまな部分に導く役割を担っている。

3リットルの肺胞空気の組成を正確に維持することによってのみ、呼吸のたびに二酸化炭素が大気中に排出され、酸素が外気から取り込まれる。短時間の過換気によって通常よりも多くの二酸化炭素が失われた場合、肺胞内の二酸化炭素濃度が正常値に戻るまで呼吸は遅くなるか停止する。${\displaystyle P_{{\mathrm {CO} }_{2}}}$ 5.3 kPa (40 mmHg)に戻りました 。したがって、呼吸器系の主な機能が二酸化炭素の「老廃物」を体から取り除くことであるというのは、厳密には正しくありません。実際、動脈血中の二酸化炭素の総濃度は約 26  mM (または 100 ml あたり 58 ml) であり、^{[ 19 ]}飽和動脈血中の酸素濃度は約 9 mM (または100 ml あたり 20 ml) です。 ^{[ 15 ]}この高濃度の二酸化炭素は、細胞外液の pH の決定と維持において極めて重要な役割を果たします。呼吸ごとに吐き出される二酸化炭素は、おそらく体の細胞外液の二酸化炭素と pH の恒常性の副産物と見なす方がより正確でしょう。 

これらの恒常性が損なわれると、呼吸性アシドーシスまたは呼吸性アルカローシスが発生します。長期的には、これらは血漿中のH ⁺および HCO ₃ ⁻濃度に対する腎臓の調節によって補償されますが、これには時間がかかるため、たとえば、興奮や不安によって人が速く深く呼吸すると過換気症候群が発生することがあります^{[ 20 ]。}これにより、血液から過剰な CO ₂が外気中に放出され、細胞外液の pH が過度に高くなることに起因する一連の苦痛な症状が引き起こされます。^{[ 21 ]}

酸素は水への溶解度が非常に低いため、血液中ではヘモグロビンとゆるく結合して運ばれます。酸素は、ヘモグロビン分子1個あたり4つの二価鉄を含むヘム基によってヘモグロビンに保持されます。すべてのヘム基がそれぞれ1つのO₂分子を運ぶと、_血液は酸素で「飽和」していると言われ、酸素分圧をさらに増加させても、血液中の酸素濃度は意味のあるほど増加しません。血液中の二酸化炭素のほとんどは、血漿中のHCO₃⁻イオンとして運ばれます。しかし、溶解したCO₂をHCO₃⁻に変換する_（水^を加えることによって）速度_は^、一方では組織を、他方では肺胞毛細血管を血液が循環する速度に対して遅すぎます。そのため、この反応は、赤血球内の酵素である炭酸脱水酵素によって触媒されます。^{[ 22 ]}この反応は、二酸化炭素の分圧に応じてどちらの方向にも進む可能性があります。少量の二酸化炭素は、ヘモグロビン分子のタンパク質部分にカルバミノ基として運ばれます。動脈血（すなわち、肺胞空気と平衡した後）中の二酸化炭素の総濃度（重炭酸イオン、溶解した CO ₂ 、およびカルバミノ基の形で）は約 26 mM（または 58 ml/100 ml）^{[ 19 ]}であり、飽和動脈血中の酸素濃度は約 9 mM（または 20 ml/100 ml 血液） ^{[ 15 ]}と比較されます。    

淡水中の溶存酸素量は約 8〜10 ミリリットル/リットルであるのに対し、空気中の溶存酸素量は 210 ミリリットル/リットルである。^{[ 23 ]}水は空気の 800 倍の密度があり^{[ 24 ]}、100 倍の粘性がある。^{[ 23 ]}したがって、酸素の拡散速度は空気中では水中よりも 10,000 倍速い。^{[ 23 ]}袋状の肺を使って水から酸素を取り出すことは、生命を維持するには十分効率的ではない。^{[ 23 ]}肺を使う代わりに、ガス交換は血管が豊富な鰓の表面で行われる。鰓はフィラメントを含む特殊な器官であり、フィラメントはさらにラメラに分かれている。ラメラには毛細血管が含まれており、壁が非常に薄いため、大きな表面積と短い拡散距離を提供する。^{[ 25 ]}鰓耙は食物を濾過し、鰓を清潔に保つために交換システム内に存在します。

鰓は酸素摂取（および老廃ガスの排出）の効率を高める対向流システムを使用しています。 ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}酸素を含んだ水は口から吸い込まれ、鰓を一方向に流れ、血液は鰓弁を反対方向に流れます。この対向流により、各毛細血管の全長に沿って急峻な濃度勾配が維持されます（上記の「循環系との相互作用」のセクションの図を参照）。酸素は濃度勾配に従って血液中に拡散し続け、二酸化炭素は濃度勾配に従って水中に拡散します。^{[ 10 ]}脱酸素化された水は最終的に鰓蓋（鰓蓋）から排出されます。対向流交換システムは理論的には呼吸ガスを交換器の一方の側からもう一方の側にほぼ完全に移動させることができますが、魚類では鰓を流れる水中の酸素の80%未満が一般的に血液に移行します。^{[ 9 ]}

両生類は、ガス交換に関わる主要な器官として肺、皮膚、鰓の3つを持ち、これらは単独で、あるいは様々な組み合わせで使用されます。これらの器官の相対的な重要性は、両生類の年齢、環境、種によって異なります。両生類とその幼生の皮膚は血管が非常に発達しており、皮膚が湿っているときは比較的効率的なガス交換が行われます。カエルの変態前のオタマジャクシのような両生類の幼生は、外鰓も持っています。鰓は変態中に体内に吸収され、その後は肺がその役割を引き継ぎます。肺は通常、他の陸生脊椎動物よりも単純で、内部隔壁が少なく、肺胞が大きくなっています。しかし、陸上で過ごす時間が長いヒキガエルは、肺胞表面積が大きく、肺がより発達しています。拡散によるガス交換の速度を上げるために、両生類は口腔ポンプと呼ばれるプロセスを使用して呼吸面全体に濃度勾配を維持します。^{[ 26 ]}口の下部が「ポンプ」のように動かされ、これは肉眼で観察できます。

爬虫類はすべて肺を使って呼吸します。有鱗類（トカゲやヘビ）では、換気は体軸筋によって行われますが、この筋肉は運動時にも使用されるため、一部の有鱗類はガス交換効率を維持するために口腔ポンプに頼っています。 ^{[ 27 ]}

カメやリクガメの甲羅は硬いため、胸郭を大きく拡張したり収縮させたりすることは困難です。カメやリクガメは、甲羅に付着した筋肉層に頼って、肺を包み込み、空気を出し入れします。^{[ 28 ]}一部の水生カメは、血管が発達した口や総排出腔に水を送り込んでガス交換を行うこともできます。^{[ 29 ] [ 30 ]}

ワニは哺乳類の横隔膜に似た構造（横隔膜筋）を持っていますが、この筋肉は潮汐流ではなく、肺を通る空気の一方向の流れを作り出すのに役立ちます。これは哺乳類よりも鳥類に見られる空気の流れに似ています。^{[ 31 ]}吸気時には、横隔膜筋が肝臓を引き戻し、それによってできた空間に肺を膨らませます。^{[ 32 ] [ 33 ]}吸気時には気管支から肺に空気が流れ込みますが、呼気時には、別の経路で肺から気管支に空気が流れ込みます。このガスの一方向の移動は、気道にある空気力学的弁によって実現されます。^{[ 34 ] [ 35 ]}

鳥類は肺は持っていますが、横隔膜はありません。鳥類は主に気嚢を使って換気を行います。これらの気嚢はガス交換に直接関与しませんが、肺内のガス交換面を空気が一方向に流れるようにする役割を果たします。吸気時には、新鮮な空気が気管から後部気嚢、そして後部気嚢から肺へと続く気管支へと取り込まれます。肺に入った空気は、すでに肺にある空気と合流し、ガス交換器を通って前部気嚢へと引き込まれます。呼気時には、後部気嚢が空気を肺の同じ気管支へと送り込み、吸気時と同じ方向に流れるため、呼吸サイクルに関係なくガス交換が継続的に行われます。呼気中に肺から出る空気は、前肺胞から排出される空気（どちらもガス交換器を通過した「使用済み空気」で構成されている）と合流し、気管に入って呼気される（図10）。^{[ 13 ]}さまざまな気管支分岐点での選択的気管支収縮により、哺乳類のように吸気と呼気中に空気が気管支を通って増減することがないようにしている。

傍気管支を通る一方向性の気流は、交差流の血流と呼吸ガスを交換する（図9）。^{[ 12 ] [ 13 ]} _O2の分圧（${\displaystyle P_{{\mathrm {O} }_{2}}}$）傍気管支内の酸素濃度は、O₂_が血液中に拡散するにつれて、その長さに沿って低下します。気流の入口付近で交換器から出る毛細血管は、傍気管支の出口付近で出る毛細血管よりも多くのO₂を取り込みます_。すべての毛細血管の内容物が混ざり合うと、最終的な${\displaystyle P_{{\mathrm {O} }_{2}}}$混合肺静脈血の濃度は呼気の濃度より高く、吸入空気の濃度より低い。^{[ 12 ] [ 13 ]}