第39章呼吸器系
Gas Pressure and Respiration気体の圧力と呼吸
The respiratory process can be better understood by examining the properties of gases. Gases move freely, but gas particles are constantly hitting the walls of their vessel, thereby producing gas pressure.
英語のヒント
気体の性質を調べると、呼吸の過程をよりよく理解できる。気体は自由に動くが、気体の粒子は容器の壁に絶えず衝突しており、それによって気体の圧力が生じる。
Air is a mixture of gases, primarily nitrogen (N2; 78.6 percent), oxygen (O2; 20.9 percent), water vapor (H2O; 0.5 percent), and carbon dioxide (CO2; 0.04 percent). Each gas component of that mixture exerts a pressure. The pressure for an individual gas in the mixture is the partial pressure of that gas. Approximately 21 percent of atmospheric gas is oxygen. Carbon dioxide, however, is found in relatively small amounts, 0.04 percent. The partial pressure for oxygen is much greater than that of carbon dioxide. The partial pressure of any gas can be calculated by:
英語のヒント
空気は気体の混合物であり、主に窒素(N2、78.6%)、酸素(O2、20.9%)、水蒸気(H2O、0.5%)、二酸化炭素(CO2、0.04%)からなる。混合物に含まれる各気体成分は、それぞれ圧力を及ぼす。混合気体中の個々の気体による圧力を、その気体の分圧という。大気中の気体の約21%は酸素である。一方、二酸化炭素の割合は比較的小さく、0.04%である。酸素の分圧は、二酸化炭素の分圧よりはるかに大きい。どの気体の分圧も、次の式で計算できる。
Patm, the atmospheric pressure, is the sum of all of the partial pressures of the atmospheric gases added together,
大気圧Patmは、大気を構成するすべての気体の分圧を合計したものである。
The pressure of the atmosphere at sea level is 760 mm Hg. Therefore, the partial pressure of oxygen is:
海面での大気圧は760mmHgである。したがって、酸素の分圧は次のようになる。
and for carbon dioxide:
二酸化炭素の場合は次のようになる。
At high altitudes, Patm decreases but concentration does not change; the partial pressure decrease is due to the reduction in Patm.
標高が高くなるとPatmは低下するが、濃度は変わらない。分圧が低下するのは、Patmが低下するためである。
When the air mixture reaches the lung, it has been humidified. The pressure of the water vapor in the lung does not change the pressure of the air, but it must be included in the partial pressure equation. For this calculation, the water pressure (47 mm Hg) is subtracted from the atmospheric pressure:
英語のヒント
混合気体である空気は、肺に達するまでに加湿される。肺内の水蒸気の圧力によって空気の圧力が変わるわけではないが、分圧の計算式には水蒸気も含める必要がある。この計算では、大気圧から水蒸気圧(47mmHg)を差し引く。
and the partial pressure of oxygen is:
したがって、酸素の分圧は次のようになる。
These pressures determine the gas exchange, or the flow of gas, in the system. Oxygen and carbon dioxide will flow according to their pressure gradient from high to low. Therefore, understanding the partial pressure of each gas will aid in understanding how gases move in the respiratory system.
英語のヒント
これらの圧力が、呼吸器系でのガス交換、すなわち気体の流れを決める。酸素と二酸化炭素は、それぞれの圧力勾配に従って、高圧側から低圧側へ流れる。したがって、各気体の分圧を理解すると、呼吸器系で気体がどのように移動するかを理解しやすくなる。
Gas Exchange across the Alveoli肺胞を通したガス交換
In the body, oxygen is used by cells of the body’s tissues and carbon dioxide is produced as a waste product. The ratio of carbon dioxide production to oxygen consumption is the respiratory quotient (RQ). RQ varies between 0.7 and 1.0. If just glucose were used to fuel the body, the RQ would equal one. One mole of carbon dioxide would be produced for every mole of oxygen consumed. Glucose, however, is not the only fuel for the body. Protein and fat are also used as fuels for the body. Because of this, less carbon dioxide is produced than oxygen is consumed and the RQ is, on average, about 0.7 for fat and about 0.8 for protein.
英語のヒント
体内では、組織の細胞が酸素を使い、老廃物として二酸化炭素をつくる。酸素の消費量に対する二酸化炭素の産生量の比を、呼吸商(RQ)という。RQは0.7〜1.0の間で変化する。体の燃料にグルコースだけを使うなら、RQは1となる。酸素を1モル消費するごとに、二酸化炭素が1モル生じるためである。しかし、体の燃料はグルコースだけではなく、タンパク質や脂肪も使われる。そのため、二酸化炭素の産生量は酸素の消費量より少なくなり、RQは平均して、脂肪では約0.7、タンパク質では約0.8となる。
The RQ is used to calculate the partial pressure of oxygen in the alveolar spaces within the lung, the alveolar . Above, the partial pressure of oxygen in the lungs was calculated to be 150 mm Hg. However, lungs never fully deflate with an exhalation; therefore, the inspired air mixes with this residual air and lowers the partial pressure of oxygen within the alveoli. This means that there is a lower concentration of oxygen in the lungs than is found in the air outside the body. Knowing the RQ, the partial pressure of oxygen in the alveoli can be calculated:
英語のヒント
RQは、肺の中の肺胞腔における酸素分圧、すなわち肺胞の計算に使う。先ほど、肺内の酸素分圧は150mmHgと計算した。しかし、息を吐いても肺が完全にしぼむことはないため、吸気は肺内の残留空気と混ざり、肺胞内の酸素分圧は低くなる。つまり、肺内の酸素濃度は体外の空気より低い。RQが分かれば、肺胞内の酸素分圧は次のように計算できる。
With an RQ of 0.8 and a in the alveoli of 40 mm Hg, the alveolar is equal to:
RQを0.8、肺胞内のを40mmHgとすると、肺胞は次の値になる。
Notice that this pressure is less than the external air. However, it is still greater than the partial pressure of oxygen in blood as it enters the lungs, so the oxygen will flow from the inspired air in the alveoli ( = 100 mm Hg) into the bloodstream ( = 140 mm Hg) (Figure 39.13).
この圧力が、外気の圧力より低いことに注目しよう。それでも、肺へ入ってくる血液中の酸素分圧よりは高いため、酸素は肺胞内の吸気(=100mmHg)から血流(=140mmHg)へ移動する(図39.13)。
In the lungs, oxygen diffuses out of the alveoli and into the capillaries surrounding the alveoli. Oxygen (about 98 percent) binds reversibly to the respiratory pigment hemoglobin found in red blood cells (RBCs). RBCs carry oxygen to the tissues where oxygen dissociates from the hemoglobin and diffuses into the cells of the tissues. More specifically, alveolar is higher in the alveoli ( = 100 mm Hg) than blood (40 mm Hg) in the capillaries. Because this pressure gradient exists, oxygen diffuses down its pressure gradient, moving out of the alveoli and entering the blood of the capillaries where O2 binds to hemoglobin. At the same time, alveolar is lower = 40 mm Hg than blood = (45 mm Hg). CO2 diffuses down its pressure gradient, moving out of the capillaries and entering the alveoli.
英語のヒント
肺では、酸素が肺胞から、その周囲を取り巻く毛細血管へ拡散する。酸素の約98%は、赤血球(RBC)内の呼吸色素ヘモグロビンに可逆的に結合する。赤血球は組織へ酸素を運び、そこで酸素がヘモグロビンから解離して組織の細胞へ拡散する。具体的には、肺胞の(=100mmHg)は、毛細血管中の血液の(40mmHg)より高い。この圧力勾配があるため、酸素は勾配に従って肺胞から毛細血管の血液へ拡散し、そこでO2がヘモグロビンに結合する。同時に、肺胞のは低く、=40mmHgであり、血液の=45mmHgを下回る。CO2は圧力勾配に従って、毛細血管から肺胞へ拡散する。
Oxygen and carbon dioxide move independently of each other; they diffuse down their own pressure gradients. As blood leaves the lungs through the pulmonary veins, the venous = 100 mm Hg, whereas the venous = 40 mm Hg. As blood enters the systemic capillaries, the blood will lose oxygen and gain carbon dioxide because of the pressure difference of the tissues and blood. In systemic capillaries, = 100 mm Hg, but in the tissue cells, = 40 mm Hg. This pressure gradient drives the diffusion of oxygen out of the capillaries and into the tissue cells. At the same time, blood = 40 mm Hg and systemic tissue = 45 mm Hg. The pressure gradient drives CO2 out of tissue cells and into the capillaries. The blood returning to the lungs through the pulmonary arteries has a venous = 40 mm Hg and a = 45 mm Hg. The blood enters the lung capillaries where the process of exchanging gases between the capillaries and alveoli begins again (Figure 39.13).
英語のヒント
酸素と二酸化炭素は互いに独立して移動し、それぞれの圧力勾配に従って拡散する。血液が肺静脈を通って肺を出るとき、静脈血の=100mmHg、=40mmHgである。血液が体循環の毛細血管に入ると、組織と血液の圧力差によって、血液は酸素を失い、二酸化炭素を受け取る。体循環の毛細血管では=100mmHgだが、組織の細胞では=40mmHgである。この圧力勾配が、毛細血管から組織の細胞への酸素の拡散を起こす。同時に、血液の=40mmHg、全身の組織の=45mmHgである。この圧力勾配によって、CO2は組織の細胞から毛細血管へ移動する。肺動脈を通って肺へ戻る血液では、静脈血の=40mmHg、=45mmHgとなる。血液は肺の毛細血管に入り、毛細血管と肺胞の間のガス交換が再び始まる(図39.13)。
In short, the change in partial pressure from the alveoli to the capillaries drives the oxygen into the tissues and the carbon dioxide into the blood from the tissues. The blood is then transported to the lungs where differences in pressure in the alveoli result in the movement of carbon dioxide out of the blood into the lungs, and oxygen into the blood.
要するに、肺胞から毛細血管までの分圧の変化が、酸素を組織へ送り、二酸化炭素を組織から血液へ送る。その後、血液は肺へ運ばれる。肺胞との圧力差によって、二酸化炭素は血液から肺へ、酸素は血液へ移動する。