呼吸というと、空気を吸って吐く動きを思い浮かべます。しかし、空気を肺へ出し入れするだけでは体は酸素を利用できません。吸い込んだ酸素を血液へ渡し、体で作られた二酸化炭素を血液から空気側へ移して外へ出す「ガス交換」が必要です。
このガス交換の中心となる場所が、肺の奥にある肺胞です。肺胞は小さな袋状の構造で、その周囲を非常に細い毛細血管が取り囲んでいます。肺胞の空気と血液は直接混ざりませんが、その間にある薄い壁を通して、酸素と二酸化炭素がそれぞれ濃度ではなく主に分圧の差に従って拡散します。
つまり肺でのガス交換は、肺胞が酸素を能動的に「吸い取る」仕組みではありません。薄い交換膜、大きな表面積、換気による新鮮な空気の供給、肺血流による静脈血の運搬がそろい、酸素と二酸化炭素の分圧差が保たれることで自然に進む物理的な拡散現象です。
肺は空気の通り道と、ガス交換をする場所に分かれている
鼻や口から吸い込まれた空気は、気管、気管支、細気管支を通って肺の奥へ進みます。これらの比較的大きな気道の主な役割は、空気を運ぶことです。
ガス交換の主役は、そのさらに奥にある呼吸細気管支から肺胞にかけての領域です。肺胞は毛細血管と接しており、空気と血液との距離が非常に短くなっています。
そのため、「肺に空気が入ること」と「血液へ酸素が渡ること」は同じではありません。空気を肺胞まで届ける換気と、肺胞での拡散、そして肺胞へ血液を送る灌流が連続して働く必要があります。
酸素は分圧の高い方から低い方へ移動する
気体は、分圧の高い場所から低い場所へ拡散する性質があります。
吸い込んだ空気が肺胞へ届くと、肺胞内の酸素分圧は、全身から戻ってきた静脈血の酸素分圧より高くなります。そのため酸素は、肺胞側から毛細血管内の血液へ向かって拡散します。
一方、二酸化炭素は逆です。全身の細胞で作られた二酸化炭素を含む静脈血は、肺胞の空気より二酸化炭素分圧が高いため、血液から肺胞側へ拡散します。そして呼気として体外へ排出されます。
このように、酸素と二酸化炭素はそれぞれ反対方向へ移動しますが、どちらも分圧差に従う受動的な拡散で進みます。
肺胞と毛細血管の間が薄いほど、ガスは移動しやすい
気体が膜を通って拡散するとき、移動距離が短いほど効率は高くなります。
肺胞では、肺胞上皮、基底膜、毛細血管内皮などからなる非常に薄い空気―血液関門が作られています。酸素や二酸化炭素は、この薄い層を通って移動します。
拡散に関するFickの法則では、ガスの移動量は交換面積が大きいほど増え、膜が厚いほど減ります。肺胞が多数存在し、その壁が薄いことは、肺が効率よくガス交換を行うための重要な条件です。
逆に、肺線維症のように肺胞壁が厚くなる病気では、酸素が血液へ移る効率が低下することがあります。
多数の肺胞が、大きなガス交換面積を作っている
肺は一つの大きな空洞ではなく、無数の小さな肺胞に細かく分かれています。
小さな袋を多数並べることで、限られた胸郭の中でも非常に大きな表面積を確保できます。これは、同じ体積でも細かく分割すると表面積が増えるためです。
この大きな交換面積と薄い膜が組み合わさることで、安静時だけでなく、運動時に酸素需要や二酸化炭素排出量が増えたときにもガス交換量を増やしやすくなります。
肺胞の構造は、単に空気をためるためではなく、空気と血液が広い面積で近接するための形になっています。
肺胞の周囲を毛細血管が密に取り囲んでいる
肺胞だけがあっても、そこへ血液が来なければ酸素を受け取る相手がいません。
肺胞の周囲には毛細血管の網が広がり、右心室から肺動脈を通って送られてきた静脈血が流れます。この血液は全身で酸素を使った後なので、酸素分圧が低く、二酸化炭素分圧が高い状態です。
肺胞の新鮮な空気と静脈血が隣り合うことで、酸素は血液へ、二酸化炭素は肺胞へという分圧差が生まれます。
ガス交換後の血液は肺静脈を通って左心房へ戻り、その後全身へ送り出されます。呼吸と循環は別々の仕組みに見えますが、肺胞では一つのガス交換システムとして密接に連携しています。
換気は、肺胞の分圧差を保つために必要
もし肺胞に同じ空気がとどまり続ければ、酸素は血液へ移るにつれて減り、二酸化炭素は血液から入って増えます。そのままでは分圧差が小さくなり、ガス交換は進みにくくなります。
そこで呼吸運動によって、肺胞へ新しい空気を送り込み、二酸化炭素を多く含む空気を外へ出します。
この肺胞換気によって、肺胞内の酸素分圧を比較的高く、二酸化炭素分圧を比較的低く保つことができます。
つまり、呼吸運動の役割は単に空気を動かすことではなく、ガス交換を進めるための分圧差を維持することにあります。
血流も、分圧差を保つために必要
換気だけでなく血流も重要です。
肺胞周囲の血液が動かなければ、毛細血管内の血液はすぐに肺胞気と平衡に近づき、それ以上大きなガス交換ができなくなります。
心臓が新しい静脈血を次々に肺へ送り、酸素化された血液を肺から運び去ることで、肺胞と血液の間に新しい分圧差が作られ続けます。
したがって肺でのガス交換には、換気と灌流の両方が必要です。
換気と血流のバランスが合っていることが重要
肺胞に空気が入っていても、その周囲に血液がほとんど流れていなければ、その換気は酸素供給に十分利用されません。
反対に、血液が流れていても肺胞へ空気が届かなければ、その血液は十分に酸素化されません。
この空気の流れである換気と、血液の流れである灌流の関係を換気血流比と呼びます。
呼吸生理のレビューでは、換気と灌流の不均等が低酸素血症の主要な原因の一つであることが示されています。正常な肺でも部位ごとに換気と血流は完全には同じではありませんが、全体としてガス交換に適した組み合わせが保たれています。
酸素は血液に入ると、主にヘモグロビンへ結合する
酸素は肺胞から血液へ拡散した後、その多くが赤血球内のヘモグロビンへ結合します。
もし酸素が血漿に溶けるだけなら、血液が運べる酸素量は限られます。ヘモグロビンが酸素を結合することで、血液は大量の酸素を全身へ運ぶことができます。
さらに、酸素がヘモグロビンへ結合すると血漿中の溶存酸素が相対的に減るため、肺胞からさらに酸素が拡散しやすい状態が保たれます。
肺胞での拡散と、赤血球による酸素運搬は一連の仕組みとして働いています。
二酸化炭素は血液から肺胞へ移り、呼気で排出される
全身の細胞では、栄養素を使ってエネルギーを作る過程で二酸化炭素が生じます。
二酸化炭素は血液中で、溶けた状態、ヘモグロビンなどに結合した状態、重炭酸イオンへ変換された状態などで肺まで運ばれます。
肺ではこれらの二酸化炭素が再び放出され、毛細血管から肺胞へ拡散します。そして呼気によって体外へ排出されます。
二酸化炭素の排出は単なる「不要物処理」だけではありません。血液中の二酸化炭素量は酸塩基平衡にも強く影響するため、肺胞換気は血液のpHを保つうえでも重要です。
二酸化炭素は酸素より分圧差が小さくても移動しやすい
肺胞と血液の間では、酸素の分圧差より二酸化炭素の分圧差の方が小さく見えます。
それでも二酸化炭素は肺胞膜を比較的よく拡散できます。二酸化炭素は酸素より液体や組織へ溶けやすく、その性質が拡散を助けるためです。
そのため、肺の拡散障害では酸素化の低下が先に問題になりやすく、二酸化炭素の蓄積は必ずしも同じ程度には起こりません。
ただし、換気そのものが大きく低下すると二酸化炭素を外へ出せなくなり、高二酸化炭素血症が起こります。
肺胞にはサーファクタントがあり、ガス交換面を保つ
肺胞の内面は薄い液体で覆われています。水だけなら表面張力によって肺胞は縮みやすくなります。
肺胞上皮から分泌される肺サーファクタントは、この表面張力を下げ、肺胞が呼吸のたびに簡単につぶれないようにします。
肺胞が開いた状態を保てることで、ガス交換に使える表面積が維持されます。
サーファクタントは酸素や二酸化炭素を直接運ぶ物質ではありませんが、ガス交換の場そのものを安定して保つために重要です。
運動すると、ガス交換の必要量も増える
運動時には筋肉が多くの酸素を使い、二酸化炭素を多く作ります。
それに対応して呼吸量が増え、心拍出量も増え、肺を通る血液量が増加します。普段あまり血流が多くない肺毛細血管も利用され、ガス交換能力を高めます。
正常な肺には一定の予備力があるため、安静時より多い酸素取り込みと二酸化炭素排出に対応できます。
肺胞の薄い壁と広い面積は、日常生活だけでなく運動時の高い代謝需要にも対応するための構造です。
肺炎では、肺胞に液体や炎症細胞がたまりガス交換が悪くなる
肺炎では肺胞内に炎症による液体や細胞がたまり、空気が入りにくくなることがあります。
血流が保たれているのに換気が低下すると、換気血流比が低くなり、十分に酸素化されない血液が全身へ戻ります。
その結果、血液中の酸素が低下し、息苦しさや低酸素血症につながることがあります。
肺炎で呼吸が苦しくなるのは、単に気道が狭くなるからではなく、肺胞というガス交換の場そのものが使いにくくなるためでもあります。
肺線維症では、膜が厚くなり酸素の拡散が遅くなる
肺線維症では、肺胞壁や間質が厚く硬くなります。
ガス交換膜が厚くなると、肺胞から血液までの拡散距離が長くなり、酸素が移動しにくくなります。
安静時にはある程度保てても、運動時には血液が肺毛細血管を通過する時間が短くなるため、酸素化の低下が目立つことがあります。
これは、肺胞膜が薄いことが正常なガス交換にどれほど重要かを示す例です。
肺気腫では、交換面積が減ってガス交換能力が低下する
肺気腫では肺胞の壁が壊れ、小さな肺胞が大きな空間へつながるようになります。
空気が入る空間は存在していても、肺胞壁が失われることで毛細血管との接触面積が減り、ガス交換に使える表面積が小さくなります。
Fickの法則からも、交換面積が減れば同じ条件でのガス移動量は低下します。
肺胞が多数の小さな袋に分かれていることには、大きな交換面積を確保するという重要な意味があります。
肺塞栓では、空気があっても血流がなくガス交換できない
肺塞栓では、肺動脈の一部が血栓などで詰まり、その先の肺胞へ血液が届きにくくなります。
肺胞に空気が入っていても、受け取る血液がなければ、その換気はガス交換に利用されません。
このような状態では換気はあるのに灌流が少ない「死腔」に近い領域が増えます。
この例からも、肺胞でのガス交換には空気だけでなく血流が不可欠であることが分かります。
肺でのガス交換は、細胞でのガス交換とは別の段階
「ガス交換」は肺だけで起こるわけではありません。
肺では、肺胞と血液の間で酸素と二酸化炭素を交換します。これを外呼吸と呼ぶことがあります。
一方、全身の組織では、血液から細胞へ酸素が渡り、細胞で作られた二酸化炭素が血液へ入ります。これは組織でのガス交換です。
肺で酸素を取り込むだけでは目的は完了せず、血液で運び、組織へ届け、二酸化炭素を肺へ戻すまでが一続きの呼吸機能です。
ガス交換が障害されると、酸素不足だけでなく酸塩基平衡にも影響する
肺のガス交換障害では、まず血液中の酸素が低下することがあります。
さらに肺胞換気が大きく低下し、二酸化炭素を十分に排出できなくなると、血液中の二酸化炭素が増えます。
二酸化炭素は水と反応して炭酸系の平衡へ関わるため、蓄積すると血液pHが低下し、呼吸性アシドーシスにつながることがあります。
肺は酸素を取り込むだけでなく、二酸化炭素排出を通じて体内の酸塩基平衡を調節する器官でもあります。
まとめ：肺胞は、薄い膜・広い面積・換気・血流を組み合わせたガス交換装置
肺胞で酸素と二酸化炭素を血液と交換できるのは、複数の条件が同時にそろっているからです。
肺胞と毛細血管の間には薄い空気―血液関門があり、多数の肺胞によって大きな交換面積が作られています。肺胞換気は新鮮な空気を届けて酸素と二酸化炭素の分圧差を保ち、肺血流は新しい静脈血を運び続けます。
その分圧差に従い、酸素は肺胞から血液へ、二酸化炭素は血液から肺胞へ受動的に拡散します。酸素はヘモグロビンに結合して全身へ運ばれ、二酸化炭素は呼気として外へ出されます。
そして、換気と血流のバランス、薄い肺胞膜、十分な交換面積のどれかが崩れると、ガス交換効率は低下します。
つまり肺でのガス交換とは、単に空気を吸うことではありません。空気と血液を薄い膜越しに近づけ、換気と循環によって分圧差を維持し続けることで、体が必要とする酸素を取り込み、代謝で生じた二酸化炭素を排出する仕組みなのです。
参考資料
- 金沢実「肺機能からみた病態生理」日本内科学会雑誌
- Gas Exchange in the Lung
- Gas exchange and ventilation-perfusion relationships in the lung
- Ventilation/Perfusion Relationships and Gas Exchange: Measurement Approaches
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