私たちは息を吸うたびに空気中の酸素を肺へ取り込み、その酸素を血液に乗せて全身の細胞へ届けています。しかし、吸い込んだ酸素がそのまま血液の中へ「吸収」されるわけではありません。
酸素の取り込みは、空気を肺胞まで運ぶ換気、肺胞から血液への拡散、赤血球のヘモグロビンへの結合、心臓と血管による全身への運搬という複数の段階が連続して起こることで成立します。
つまり、酸素を体内へ取り込む仕組みは「肺だけ」の働きではありません。呼吸筋、気道、肺胞、毛細血管、赤血球、心臓が協力し、酸素の分圧差を利用しながら受け渡していく一連の仕組みなのです。
酸素はどんな道を通って体内へ入る？
空気中の酸素は、鼻や口から入り、咽頭、喉頭、気管、気管支、細気管支を通って肺の奥にある肺胞へ届きます。気管や気管支は主に空気を運ぶ通路で、酸素が血液へ本格的に移る場所は肺胞です。
肺胞の周囲には非常に細い毛細血管が網のように広がっています。肺胞内の空気と毛細血管内の血液は、ごく薄い肺胞壁と毛細血管壁を隔てて接しています。この場所で酸素は肺胞側から血液側へ移動します。
血液へ入った酸素の大部分は赤血球のヘモグロビンと結びつきます。そして肺静脈から左心房、左心室へ運ばれ、心臓の拍動によって全身の動脈へ送り出されます。
なぜ酸素は肺胞から血液へ移るの？
酸素が肺胞から血液へ移る基本原理は拡散です。肺に酸素を引き込む特別な吸引装置があるわけではなく、酸素分子は自分の分圧が高い側から低い側へ自然に移動します。
肺胞の中では酸素分圧が、肺へ戻ってきた静脈血より高くなっています。そのため酸素は肺胞から肺毛細血管へ向かって拡散します。血液が肺胞周囲を流れているあいだに酸素が血液へ入り、血液の酸素分圧が肺胞側へ近づいていきます。
この移動はエネルギーを使って酸素をくみ上げる能動輸送ではありません。肺胞と血液の間にある分圧差が、酸素を移動させる力になっています。
なぜ肺胞は酸素を取り込みやすい構造なの？
酸素の拡散を効率よく進めるには、交換面が広く、通り抜ける距離が短く、両側の分圧差が保たれていることが重要です。肺胞はこれらの条件を満たすような構造になっています。
肺胞の壁が薄い
肺胞と毛細血管の間の膜は非常に薄く、酸素が短い距離で血液へ移動できます。拡散では移動距離が短いほど物質が通過しやすいため、この薄さは酸素取り込みに大きく役立ちます。
多数の肺胞が広い交換面をつくる
肺には多数の小さな肺胞があります。一つひとつは小さくても、それらを合わせると非常に大きな表面積になります。広い面積で同時に酸素を交換できるため、日常生活や運動に必要な酸素を取り込みやすくなります。
肺胞の周囲に毛細血管が密集している
肺胞を取り囲む毛細血管には、全身から戻ってきた酸素の少ない血液が次々と流れ込みます。酸素を受け取った血液はその場から運び去られ、新しい血液が入ってくるため、肺胞と血液の間の酸素分圧差が保たれやすくなります。
酸素を肺胞まで届ける「換気」も必要
肺胞がどれほど優れた交換面を持っていても、そこまで新しい空気が届かなければ酸素は取り込めません。そのため酸素取り込みの最初の条件は換気です。
息を吸うと横隔膜などの呼吸筋が働き、胸腔が広がります。肺も広がって肺内圧が下がるため、外気が気道を通って肺へ流れ込みます。反対に息を吐くと肺の空気が外へ出て、肺胞内の空気が少しずつ入れ替わります。
換気によって肺胞に酸素が補給されるため、肺胞側の酸素分圧をある程度高く保つことができます。酸素を血液へ送り続けるには、肺胞の構造だけでなく、空気を入れ替える運動も欠かせません。
なぜ酸素は血液に入ったあとヘモグロビンと結びつくの？
酸素は水にあまり溶けやすい気体ではありません。血液の液体成分である血漿にも少量は溶けますが、それだけでは全身へ十分な量の酸素を運ぶことができません。
そこで重要になるのが、赤血球に含まれるヘモグロビンです。ヘモグロビンは酸素と可逆的に結合できるタンパク質で、肺で酸素を受け取り、全身の組織で酸素を放す働きをします。
肺では酸素分圧が高いため、酸素はヘモグロビンと結びつきやすくなります。こうして血液は、単に酸素を液体に溶かすよりはるかに多くの酸素を運べるようになります。
なぜヘモグロビンは肺では酸素を受け取り、組織では放せるの？
ヘモグロビンと酸素の結びつきやすさは常に一定ではありません。酸素分圧など周囲の条件によって変化します。
肺胞周囲の毛細血管では酸素分圧が上昇するため、ヘモグロビンは酸素を結合しやすくなります。一方、全身の組織では細胞が酸素を消費しているため、組織側の酸素分圧は低くなっています。その結果、血液から組織へ酸素が移動し、ヘモグロビンからも酸素が離れやすくなります。
さらに、活発に代謝している組織では二酸化炭素や水素イオンが増え、ヘモグロビンが酸素を放しやすくなる方向に働きます。これによって、酸素を必要としている場所へより多くの酸素を渡しやすくなります。
肺で取り込んだ酸素はどうやって全身へ届く？
酸素を多く含む血液は肺静脈を通って左心房へ入り、左心室から大動脈へ送り出されます。そこから動脈、細動脈、毛細血管へと流れ、体の各組織へ到達します。
組織の毛細血管では、血液側より細胞側の酸素分圧が低いため、酸素は血液から組織へ拡散します。細胞に入った酸素は、主にミトコンドリアで行われるエネルギー産生に利用されます。
その過程で生じた二酸化炭素は、今度は組織から血液へ入り、静脈を通って心臓へ戻り、肺へ送られます。肺では二酸化炭素が肺胞へ移り、呼気として体外へ排出されます。
「酸素を取り込む」と「酸素を届ける」は同じではない
日常的にはどちらも「酸素を取り込む」と表現されますが、生理学的にはいくつかの段階に分けて考える必要があります。
- 換気：空気を肺胞まで運ぶ。
- 肺胞での拡散：酸素を肺胞から血液へ移す。
- 血液での運搬：主にヘモグロビンと結合して酸素を運ぶ。
- 循環：心臓が酸素を含む血液を全身へ送る。
- 組織での受け渡し：血液から細胞へ酸素を移す。
どこか一つだけが正常でも、全身への酸素供給が十分とは限りません。たとえば肺で酸素が取り込めても、ヘモグロビンが少なければ血液が運べる酸素量は減ります。また、心臓から送り出される血液量が減れば、組織へ届く酸素量も低下します。
SpO2は「体内の酸素量そのもの」ではない
パルスオキシメータで表示されるSpO2は、動脈血中のヘモグロビンがどの程度酸素と結合しているかを推定した値です。肺での酸素化を知る手がかりとして便利ですが、全身へ届けられる酸素量のすべてを直接示す値ではありません。
実際の酸素運搬には、ヘモグロビンの量や心拍出量なども関係します。そのため、SpO2が高ければあらゆる意味で酸素供給が十分だと単純に判断できるわけではありません。また、パルスオキシメータでは二酸化炭素の状態は分かりません。
呼吸困難、意識の変化、胸痛などの症状がある場合は、数値だけで自己判断せず医療機関で評価を受けることが重要です。
酸素の取り込みが低下するのはどんなとき？
酸素が体内へ取り込まれ、全身へ運ばれるまでには複数の段階があるため、低下する原因も一つではありません。
- 換気が不足する：肺胞まで十分な空気が届かず、肺胞内の酸素分圧が低下する。
- 換気と血流の組み合わせが崩れる：空気が届く場所と血液が流れる場所がうまく一致しない。
- 拡散しにくくなる：肺胞と毛細血管の間が厚くなったり、有効な交換面積が減ったりする。
- 吸う空気の酸素分圧が低い：高地などでは大気圧が低いため、吸入する酸素の分圧も低くなる。
- 酸素運搬能力が低下する：ヘモグロビン量や循環血流が低下すると、肺で取り込んだ酸素を全身へ十分に運びにくくなる。
このように「酸素不足」は、肺胞への空気の到達、肺での交換、血液による運搬、循環、組織での利用のどこに問題があるかによって意味が異なります。
まとめ：酸素の取り込みは肺・血液・循環の連携で成り立つ
吸い込んだ酸素が血液に取り込まれて全身へ届くまでには、いくつもの段階があります。
まず呼吸運動によって酸素を含む空気が肺胞へ運ばれます。肺胞では酸素分圧が血液より高いため、酸素が薄い肺胞壁を通って毛細血管へ拡散します。血液へ入った酸素の大部分は赤血球のヘモグロビンと結合し、心臓から全身へ送り出されます。組織では酸素分圧の差によって酸素が血液から細胞へ移り、エネルギー産生に利用されます。
したがって、酸素の取り込みとは「肺へ空気を入れること」だけではなく、肺胞での拡散、ヘモグロビンによる運搬、血液循環、組織への受け渡しまでが連続して働く仕組みだと考えると理解しやすくなります。
参考資料
- 天理医学紀要「Basic knowledge to help understand respiratory diseases」
- 日本臨床麻酔学会誌「呼吸生理の基礎と臨床」
- National Heart, Lung, and Blood Institute「How the Lungs Work: What Breathing Does for the Body」
- OpenStax「Transport of Gases」
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