ガス交換

ガス交換（Gas exchange）

ガス交換とは、生物が呼吸器を通して環境から体内に酸素を取り込み、代謝の過程で生じた不要な二酸化炭素を体外へ排出する、生命維持に不可欠な生理機能です。特にヒトにおいては、「外呼吸」という言葉が肺でのガス交換とほぼ同じ意味合いで用いられます。

原理

肺におけるガス交換

肺でのガス交換は、心臓の右心室から拍出された静脈血が肺動脈を通って肺へ流入することから始まります。血液は肺の末端にある肺胞を取り囲む毛細血管へと送られます。

肺胞の中には、外気を取り込むことで高い酸素濃度（分圧）の空気が満たされており、一方、運ばれてきた静脈血は全身の組織で酸素を消費してきたため、酸素分圧が低くなっています。この肺胞と血液との間の酸素分圧の差が駆動力となり、酸素は肺胞から肺胞壁と毛細血管壁を透過して血液中へ拡散されます。

これとは逆に、静脈血は全身の組織から二酸化炭素を受け取ってきているため、二酸化炭素濃度（分圧）が高くなっています。肺胞内の空気は体外へ排出される直前であるため、二酸化炭素分圧が低くなっています。この分圧差により、二酸化炭素は血液中から肺胞内へ拡散されます。

酸素を受け取り二酸化炭素を放出した血液は、動脈血へと変化し、肺静脈を通って心臓の左心房に戻ります。その後、左心室から全身へと拍出され、各組織に酸素を供給します。心臓の右心室から肺を通って左心房へ戻るこの一連の血液循環は、「肺循環」と呼ばれます。

全身組織におけるガス交換

肺で酸素を受け取った動脈血は、大動脈を経て全身の組織へと運ばれます。組織の末端にある毛細血管において、血液と組織細胞の間で再びガス交換が行われます。これは「内呼吸」とも呼ばれ、血液中の酸素が組織細胞へ渡され、組織細胞で生じた二酸化炭素が血液中へ取り込まれます。このプロセスも、それぞれのガスの分圧差に基づく拡散によって行われます。

ガス交換の効率に影響する要因

肺でのガス交換の効率は、いくつかの要因によって左右されます。

肺拡散能

ガスが肺胞壁と毛細血管壁を透過する能力を「肺拡散能」と呼びます。この能力が低下すると、肺胞と血液間のガス交換が効率よく行われなくなります。肺拡散能が低下する代表的な疾患としては、以下のようなものがあります。

肺線維症: 肺の間質組織が硬く、厚くなる疾患です。これにより、肺胞壁と毛細血管壁の間隔が広がり、ガスが透過しにくくなるため、肺拡散能が低下します。
慢性肺気腫: 肺胞が破壊され、ガス交換が行われる表面積が著しく減少する疾患です。これにより、有効な拡散の場が少なくなり、肺拡散能が低下します。

換気・血流比（V/Q比）

肺胞への空気の流入（換気）と、肺胞周辺の毛細血管への血液の流入（血流）のバランスは、ガス交換の効率に大きく影響します。このバランスを「換気・血流比」といいます。理想的な状態では、肺胞が均等に換気され、かつ均等な血流を受けていると考えられます（換気・血流比の不均等分布がない状態）。このような理想的な状況での肺胞内のガス組成を「理想肺胞気」と呼びます。

しかし、実際の肺では、健常者であっても換気と血流は完全に均等ではありません。換気・血流比の不均等が存在すると、理想的なガス交換が行われず、動脈血のガス分圧が理想肺胞気のガス分圧と異なってきます。

理想肺胞気の酸素分圧と実際の動脈血の酸素分圧との差は、「理想肺胞気・動脈血酸素分圧較差（A-aDo₂）」と呼ばれます。換気・血流比の不均等分布が大きいほど、このA-aDo₂は増加します。

呼吸ガスの運搬

血液によって運ばれる呼吸ガスは、主に特定の分子やイオンと結合するか、または血漿に溶けた状態で輸送されます。

酸素: 運ばれる酸素の約98.5％は、赤血球に含まれるヘモグロビンというタンパク質と結合して運ばれます。残りのごく一部が血漿に溶けた状態で運ばれます。高圧酸素治療では、血漿に溶解する酸素の量を増やすことで効果を得ます。
二酸化炭素: 二酸化炭素は、主に以下の３つの形態で運ばれます。最も多く（約70〜85％）は、赤血球内の酵素（炭酸脱水酵素）によって炭酸水素イオンに変換されて血漿中を運ばれます。次に多いのは、ヘモグロビンと結合したカルバミノヘモグロビンとして運ばれる形態（約10〜23％）です。残りは血漿に物理的に溶解した状態で運ばれます。

ガス交換は、これらの複雑なメカニズムが協調して働くことで、生体が必要とする酸素を確保し、不要な二酸化炭素を排出するという、生命維持の根幹をなす営みごとなシステムです。

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