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呼吸器系は、哺乳類においてガス交換のために空気を肺胞へ導く過程に関わる呼吸器系の区分である。[ 1 ]呼吸器系は呼吸上皮で覆われ、呼吸粘膜となっている。[ 2 ]
空気は鼻から吸い込まれ、鼻腔に入ります。鼻腔には鼻粘膜の層があり、フィルターとして働き、空気中の汚染物質やその他の有害物質を捕捉します。鼻甲介は鼻腔を広げ、吸入空気を温め、加湿し、ろ過するのに役立ちます（Sobiesk & Munakomi、2023）。次に、空気は咽頭に移動します。咽頭は食道と喉頭の接合部を含む通路です。喉頭の開口部には、喉頭蓋と呼ばれる特殊な軟骨の弁があり、空気が通過できるように開きますが、食物が気道に入り込むのを防ぐために閉じます。
喉頭から空気は気管に入り、分岐部である気管分岐部まで移動し、そこから左右の主気管支（主気管支）に分かれます。それぞれの主気管支は二次気管支（葉気管支）に分岐し、さらに三次気管支（区域気管支）に分岐します。三次気管支は細気管支と呼ばれるより小さな気道に分岐し、最終的にガス交換を行う肺胞と呼ばれる小さな特殊な構造物につながります。
胸腔内に位置する肺は、肋骨によって物理的な損傷から保護されています。肺の基部には、横隔膜と呼ばれる骨格筋の膜があります。横隔膜は肺を胃や腸から隔てています。また、横隔膜は呼吸に関わる主要な筋肉であり、交感神経系によって制御されています。
肺は漿膜に包まれており、この漿膜が折り重なって胸膜と呼ばれる二層構造の保護バリアを形成しています。内側の臓側胸膜は肺の表面を覆い、外側の壁側胸膜は胸腔の内面に付着しています。胸膜は胸腔と呼ばれる空間を囲んでおり、その中には胸水が満たされています。この胸水は、呼吸時に肺が受ける摩擦を軽減する働きをします。
呼吸器系は上気道と下気道に分けられます。上気道または上気道には、鼻と鼻腔、副鼻腔、咽頭、声帯より上の喉頭の部分が含まれます。下気道または下気道には、声帯より下の喉頭の部分、気管、気管支、細気管支が含まれます。肺は下気道に含まれる場合もあれば、独立した器官として扱われる場合もあり、呼吸細気管支、肺胞管、肺胞嚢、肺胞が含まれます。[ 3 ]
呼吸器系は、ガスを輸送するか交換するかという区別に基づいて、伝導ゾーンと呼吸ゾーンに分けられる。
伝導ゾーンには、肺の外側の構造（鼻、咽頭、喉頭、気管）と肺の内側の構造（気管支、細気管支、終末細気管支）が含まれます。伝導ゾーンは、濾過され、温められ、湿った吸入空気を肺に運びます。これは、呼吸器系の第 1 から第 16 の区分に相当します。伝導ゾーンは、ガスを肺に出入りさせる呼吸器系の大部分ですが、ガス交換を行う呼吸ゾーンは含まれません。伝導ゾーンは、空気の流れに対して低抵抗の経路を提供する機能も果たします。また、濾過能力によって主要な防御機能も担っています。
呼吸ゾーンは、呼吸細気管支、肺胞管、肺胞から構成され、血液との間で酸素と二酸化炭素の交換が行われる場所です。呼吸細気管支と肺胞管はガス交換の10%を担い、肺胞は残りの90%を担います。呼吸ゾーンは、呼吸器系の16番目から23番目の区分に相当します。
気管支から分岐した管は次第に細くなり、推定20～23回分岐した後、肺胞で終わる。[ 1 ]
上気道は、声帯より上、または輪状軟骨より上にある呼吸器系の部分を指すことがあります。[ 4 ] [ 5 ]喉頭は、上気道と下気道の両方に含まれることがあります。[ 6 ]喉頭は声帯とも呼ばれ、音を出す軟骨が付属しています。気道は、鼻腔と副鼻腔、咽頭（鼻咽頭、中咽頭、喉頭咽頭）からなり、喉頭が含まれることもあります。
下気道または下気道は、発達中の前腸から派生し、気管、気管支（一次、二次、三次）、細気管支（終末細気管支および呼吸細気管支を含む）、肺（肺胞を含む）から構成される。[ 7 ]また、喉頭が含まれる場合もある。
下気道は、肺に空気を供給する気道の分岐構造を表すため、呼吸器樹または気管支樹とも呼ばれ、気管、気管支、細気管支が含まれます。 [ 8 ]
各分岐点または世代において、1本の気道が2本のより小さな気道に分岐します。ヒトの呼吸器系は平均して23世代から構成されますが、マウスの呼吸器系は最大13世代です。近位分岐（気管支など、系統樹の頂上に最も近いもの）は主に下気道に空気を送る機能を持ちます。呼吸細気管支、肺胞管、肺胞などの後期分岐は、ガス交換に特化しています。
気管は呼吸器系の中で最も太い管で、硝子軟骨の気管輪から構成されています。気管は左右の主気管支に分かれ、気管支は肺の中でさらに細気管支と呼ばれる小さな部分に分かれます。これらの細気管支から肺胞と呼ばれる肺の空気袋が形成されます。[ 10 ]
肺は下気道で最大の臓器です。肺は胸郭の胸膜腔内に吊り下げられています。胸膜は肺を包む2枚の薄い膜で、厚さは1細胞層です。内側の胸膜（臓側胸膜）は肺を覆い、外側の胸膜（壁側胸膜）は胸壁の内面を覆っています。この膜は少量の液体を分泌し、呼吸時に肺が胸膜腔内で自由に動けるようにしています。肺は複数の葉に分かれています。心臓が正中線の左側にあるため、右肺は左肺よりも大きくなっています。右肺には上葉、中葉、下葉（または上葉、中葉、下葉）の3つの葉があり、左肺には上葉と下葉（または上葉と下葉）の2つの葉に加えて、上葉の舌状の小さな部分である舌状葉があります。各肺葉はさらに気管支肺区域と呼ばれる区域に分割されます。各肺には、肋骨に接する肋骨面、横隔膜に向かって下向きに面する横隔膜面、そして胸部の中心に面し、心臓、大血管、および気管の基部から2本の主気管支が分岐する気管分岐部に接する縦隔面があります。
肺胞は肺にある小さな空気袋で、そこでガス交換が行われます。人間の肺にある肺胞の平均数は4億8000万個です。[ 11 ]横隔膜が収縮すると、胸郭内に陰圧が発生し、空気が流れ込んで腔を満たします。その際、これらの袋が空気で満たされ、肺が膨張します。肺胞には、肺胞毛細血管と呼ばれる毛細血管が豊富にあります。ここで赤血球は空気から酸素を吸収し、オキシヘモグロビンの形でそれを運び戻し、細胞に栄養を与えます。赤血球はまた、カルバミノヘモグロビンの形で二酸化炭素（ CO2 ）を細胞から運び出し、肺胞毛細血管を通して肺胞に放出します。横隔膜が弛緩すると、胸郭内に陽圧が発生し、空気が肺胞から流れ出し、二酸化炭素を排出します。
呼吸器系は上皮で覆われており、その種類は呼吸器系の下方で変化する。一部には、杯細胞によって産生される腺や粘液、平滑筋、エラスチン、軟骨などがある。鼻から細気管支までの上皮は、繊毛偽重層円柱上皮で覆われており、一般に呼吸器上皮と呼ばれる。[ 12 ]繊毛は一方向に拍動し、粘液を喉の方へ運び、そこで飲み込まれる。細気管支を下るにつれて、細胞はより立方体状になるが、依然として繊毛がある。
上気道には腺が豊富だが、下気道では少なくなり、細気管支から先は腺がなくなる。杯細胞についても同様で、最初の細気管支には散在している。
気管支細気管支までは軟骨が存在します。気管では、軟骨は硝子軟骨のC字型の輪状構造をしていますが、気管支では、軟骨は板状の構造をしています。平滑筋は気管から始まり、C字型の軟骨輪に結合します。平滑筋は気管支と細気管支へと続き、それらを完全に包み込みます。気管支と細気管支は、硬い軟骨ではなく、弾性組織で構成されています。
肺は13種類の細胞、すなわち11種類の上皮細胞と2種類の間葉系細胞から構成されている。[ 13 ]上皮細胞は気管と気管支の内壁を形成し、間葉系細胞は肺の内壁を覆っている。
呼吸器系の大部分は、肺の中で空気が移動するための単なる配管システムとして存在し、肺胞は血液と酸素と二酸化炭素を交換する 唯一の肺の部分である。
呼吸とは、空気が吸気によって肺胞に吸い込まれ、その後呼気によって排出される、リズミカルな呼吸過程のことです。人間が息を吸い込むと、空気は気管を通って気管支を通り、肺へと流れ込みます。この気道全体は、肋骨、脊椎、胸骨によって保護されています。肺では、吸い込んだ空気中の酸素が血液に取り込まれ、全身に循環します。二酸化炭素（CO₂ ）は、血液から肺へとガス状に戻され、下気道、そして上気道を通って呼出され、呼吸過程が完了します。
気管や気管支とは異なり、上気道は柔軟性のある管状構造です。そのため、肺に空気を吸い込む胸腔のリズミカルな拡張によって生じる吸引圧に耐えなければなりません。これは、吸気時に舌筋や舌骨筋などの上気道筋が収縮することによって実現されます。延髄の呼吸中枢からのリズミカルな神経支配に加えて、筋肉を制御する運動ニューロンは、一定の硬さと大きさの基準値を設定する持続的な神経支配も受けています。
横隔膜は、肺の拡張と収縮を可能にする主要な筋肉です。肋骨の間にある外肋間筋と呼ばれる小さな筋肉も、この過程を補助します。
上気道の粘膜には、保護粘液を分泌する杯細胞が点在しています。この粘液は老廃物を濾過するのに役立ち、老廃物は最終的に酸性の強い胃に飲み込まれるか、唾液として排出されます。呼吸器系の粘膜は繊毛と呼ばれる小さな毛で覆われています。これらの繊毛は肺からリズミカルに拍動し、分泌された粘液や異物を喉頭咽頭に向かって上方かつ外側に運びます。この過程は粘液線毛クリアランスと呼ばれ、肺に粘液が蓄積するのを防ぎます。肺胞内のマクロファージは免疫系の一部であり、吸入された有害物質を貪食して消化します。
鼻孔の毛は、ほこりなどの微粒子を捕らえる保護的な役割を果たします。[ 14 ]触毛と呼ばれるこれらの毛は、体毛よりも太く、大きな粒子が呼吸器系に入るのを効果的にブロックします。また、粒子の沈着表面積を増やし、病原体をろ過する鼻の能力を向上させます。[ 15 ]咳反射は、粘膜内のすべての刺激物を体外に排出します。肺の気道には筋肉の輪があります。通路が何らかのアレルゲンによって刺激されると、これらの筋肉が収縮することがあります。
呼吸器系は感染症が発生しやすい部位である。
上気道感染症はおそらく世界で最も一般的な感染症である。
呼吸器系は肺感染症を起こしやすい部位です。乳幼児や高齢者は、肺の免疫力が弱いため、肺感染症にかかりやすい傾向があります。かつてはこれらの感染症のほとんどが致命的でしたが、新たな研究と医療の進歩により、現在では治療可能となっています。細菌感染症には抗生物質が処方されますが、ウイルス感染症は治療が難しいものの、治癒は可能です。
風邪やインフルエンザは、上気道感染症の最も一般的な原因であり、下気道に影響を及ぼすより重篤な疾患を引き起こす可能性があります。
肺炎は、病気としては、下気道感染症の最も一般的で頻繁な結果です。これは、ウイルス性、細菌性、または真菌性のいずれの場合もあります。肺炎は空気感染する可能性があるため、この感染症は非常に一般的です。空気中の感染を吸い込むと、粒子が肺に入り、肺胞に移動します。この感染症は肺の下部で急速に進行し、肺に液体と過剰な粘液が溜まります。これにより、下気道が肺内の液体を取り除こうとするため、呼吸困難や咳が生じます。喘息、インフルエンザ、心臓病、または癌を患っている場合は、この感染症にかかりやすくなります[ 16 ]。
気管支炎は、下気道で起こる一般的な感染症の1つです。気管支炎は気管支の炎症です。この感染症には2つの形態があります。急性気管支炎は治療可能で、治療しなくても治ることがあります。慢性気管支炎は症状が出たり治ったりを繰り返しますが、常に肺に影響を与えます。気管支炎は、呼吸器系に自然に存在する粘液の量を増加させます。慢性気管支炎は喫煙者に多く見られます。これは、喫煙によるタールが時間とともに蓄積し、肺が自己修復のためにより多くの働きをしなければならないためです。[ 17 ]
結核は、下気道で発生する多くの感染症の1つです。この感染症は空気中の飛沫によって感染し、吸入するとこの病気にかかるリスクがあります。これは細菌感染症で、肺組織を破壊し、血痰を吐く原因となります。[ 18 ]この感染症は治療しないと死に至ります。
これらの癌の中には、喫煙などの環境要因が原因となっているものもあります。タバコ製品を吸い込むと、煙が繊毛を麻痺させ、粘液が肺に入り込みます。喫煙を頻繁に行うと、時間の経過とともに繊毛が死滅し、粘液をろ過できなくなります。吸い込んだ煙に含まれるタールが肺に入り込み、ピンク色の肺を黒く変色させます。このタールの蓄積は、最終的に肺癌や慢性閉塞性肺疾患につながる可能性があります。[ 7 ]
慢性閉塞性肺疾患（COPD）は、有害な化学物質への曝露やタバコの長期使用によって引き起こされる一般的な下気道疾患です。この疾患は慢性かつ進行性であり、肺の損傷は不可逆的で、最終的には死に至ります。COPDは肺胞と肺組織を破壊するため、呼吸が非常に困難になり、息切れ、過換気、胸郭の隆起を引き起こします。肺胞数の減少により、肺への酸素供給が失われ、二酸化炭素の蓄積が増加します。COPDには、原発性COPDと続発性COPDの2種類があります。原発性COPDは若年成人に見られます。このタイプのCOPDは肺胞と肺組織を劣化させます。続発性COPDは、喫煙者または喫煙歴があり気管支炎の既往歴がある高齢者に見られます。COPDには、肺気腫と慢性気管支炎の症状が含まれます。[ 19 ]
気管支は左右の肺への主要な通路です。これらの気道は肺内の細気管支に酸素を運びます。気管支と細気管支の炎症は、気管支の腫れを引き起こし、喘息発作につながる可能性があります。その結果、喘鳴、胸の圧迫感、および重度の呼吸困難が生じます。気管支の機能に影響を与える喘息にはさまざまな種類があります。アレルギーもアレルギー反応を引き起こし、気管支の腫れを引き起こす可能性があります。その結果、気道が腫れたり、完全に閉塞したりします。[ 20 ]
一般的に、空気は鼻から吸い込まれます。鼻呼吸ができない場合は、口から吸い込むこともできます。しかし、慢性的な口呼吸は口の乾燥を引き起こし、感染症につながる可能性があります。[ 21 ]