呼吸とは：人体の酸素摂取と二酸化炭素排出の定義と仕組み

呼吸の定義と仕組みを分かりやすく解説。酸素摂取・二酸化炭素排出、ガス交換のメカニズムと健康への影響を学ぶ。

呼吸とは、肺の中で空気を出し入れすることです。この出入りする空気のことを呼吸といいます。呼吸によって体は外気中の酸素を取り入れ、体内で発生した二酸化炭素を外へ出します。呼吸ができなくなると体の細胞に酸素が行き渡らなくなり、短時間で生命に重大な影響が出ます。

呼吸は、人が生きていくうえで特に重要な次の2つの役割を果たします。

1. 体内に酸素を取り入れる。生きていくためには体のあらゆる部分が酸素を必要としています。人間が酸素を取り入れる唯一の方法は、酸素を吸い込むことです。取り込まれた酸素は肺の〈肺胞〉を通して血液に移り、血流にのって各組織へ運ばれます。
2. 二酸化炭素（_CO2）を体外に出す。体がエネルギーを作るときに二酸化炭素が生じます。余分な二酸化炭素は体内に多すぎると有害であるため、体は余分な二酸化炭素を取り除く必要があります。人間が二酸化炭素を取り除く唯一の方法は、二酸化炭素を吐き出すことです。過剰なCO2は血液のpHを変化させるため、呼吸の調節がとても重要です。

息を吸うと肺に空気が入り、空気中に含まれる酸素が肺胞の薄い壁を通って血流に入ります。同時に血液中に多く含まれる二酸化炭素が肺胞へ移動します。これをガス交換と呼び、酸素と二酸化炭素が拡散（濃度や分圧の差により移動）によって入れ替わっています。酸素は血液中で主にヘモグロビンと結合して各組織に運ばれ、二酸化炭素は溶存型・重炭酸イオン（HCO3−）型・カルバミノ化ヘモグロビン型などで運ばれ、肺で再び気体になって呼気として排出されます。

呼吸の仕組み（器官と動き）

空気は通常、鼻や口から入り、咽頭・喉頭を通って気管へ進み、左右の気管支を通って肺の各部位に行きます。気管支の末端には多数の肺胞があり、ここがガス交換の主たる場です。肺胞は非常に薄い上皮と豊富な毛細血管に囲まれていて、表面張力を下げるためにサーファクタントが分泌されています。

呼吸運動は主に横隔膜と肋間筋の収縮・弛緩によって起こります。横隔膜が下がると胸腔容積が増えて気圧が低下し、空気が肺に流入します（吸気）。横隔膜が上がると胸腔容積が減って肺の内圧が上がり、空気が外へ押し出されます（呼気）。安静時の呼気は多くが受動的ですが、運動時や咳、くしゃみでは腹筋なども使われます。

呼吸の調節

呼吸は延髄や橋にある呼吸中枢によって自動で調節されています。血中の二酸化炭素濃度（あるいはそれに伴うpH変化）を感知する化学受容体（頸動脈小体・大動脈小体や延髄内の受容体）が呼吸中枢に情報を送り、呼吸数や深さを調節します。高CO2や低pHは呼吸を促進し、低CO2は抑制します。意識的な呼吸の制御は大脳皮質で行えます（話す、息を止める等）。

量的指標と日常の変化

成人の安静時の呼吸回数は通常1分間に約12〜20回（平均で約16〜18回）です。文章中の「大人は1分間に約18回、1日に25,000回以上呼吸しています」という値は一般的な目安です。呼吸数や一回換気量（1回の呼吸で出入りする空気量）は運動、発熱、ストレス、睡眠、病気などで変動します。1分間に動く空気量（分時換気量）は呼吸数×一回換気量で表されます。

よくある呼吸の問題

呼吸に関わる代表的な疾患には、喘息（気道の炎症と狭窄）、慢性閉塞性肺疾患（COPD、気流制限）、肺炎（感染による肺の炎症）、肺線維症（肺の硬化）などがあります。これらは息切れ、咳、痰、呼吸音の変化などを引き起こします。呼吸が著しく弱まる、または停止した場合は直ちに救急対応（救急車の要請、必要なら心肺蘇生法など）を行う必要があります。

まとめと注意点

• 呼吸は酸素を取り入れ、二酸化炭素を排出する重要な生理機能である。
• ガス交換は肺胞と毛細血管間の拡散で起こり、酸素は主にヘモグロビンで運ばれる。
• 呼吸は自律神経系（延髄・橋）と化学受容体によって精密に調節されているが、意識的な制御も可能である。
• 呼吸の異常（頻呼吸、徐呼吸、呼吸困難など）があれば早めに医療機関に相談すること。

脳が呼吸をコントロールする方法

延髄と呼ばれる脳幹の一部が呼吸をコントロールしている。髄質のニューロンのグループは、息を吸うとき、呼吸を速くするとき、呼吸を遅くするときに呼吸筋に伝えています。

脳幹は人の血液中の二酸化炭素の量を測定します。二酸化炭素が多すぎると、髄質は体に早く呼吸するように指示します。これは、人が余分な二酸化炭素を吐き出すのに役立ちます。血液中の二酸化炭素の量が再び正常になると、髄質は再びゆっくりと呼吸するように体に指示します。

また、体は血液中の酸素量を測っています。血液中に十分な酸素がない場合、髄質は、より多くの酸素を取り入れるために、より速く呼吸するように体に伝えます。血液中に十分な酸素があれば、髄質は再びゆっくりと呼吸するように体に指示します。

延髄（赤色の部分

呼吸筋

人が呼吸をするためには、特定の筋肉が適切なタイミングで収縮（きつくなる）と弛緩をしなければなりません。髄質にある神経細胞の特別なグループは、これらの呼吸筋に、いつ収縮（これにより人は息を吸うようになる）し、いつリラックス（これにより人は息を吐くようになる）するかを教えています。呼吸をコントロールする筋肉には、いくつかの主要なグループがあります。

ダイアフラム

横隔膜は呼吸をコントロールする主な筋肉です。胸郭の下部に沿って走る一枚の筋肉です。横隔膜が弛緩しているときは、ドーム状（半円のような形）になっています。髄膜が横隔膜に体に息を吸わせるように指示を出すと、横隔膜は下に引っ張られて真っ直ぐになります。これにより、胸の中に余裕が生まれ、肺に空気を入れるスペースができます。肺に空気が入ってきます（これが吸入です）。息を吐くときには、横隔膜が再び緩み、空気が肺から出ていきます。

人の呼吸能力の約60％～70％は横隔膜から来ています。

横隔膜は、フレンズ神経と呼ばれる神経の特別なセットによって制御されています。髄質はフレニック神経を介してメッセージを送ることで、横隔膜が収縮するタイミングを伝えています。横隔膜は呼吸に非常に重要であるため、フレニック神経は体の中で非常によく保護されています。脊髄の一番上、首の近くにあります。

肋間（肋骨の筋肉

肋間筋はそれぞれの肋骨の間を走っています。人が息を吸う必要があるとき、これらの筋肉は収縮し、肋骨を上に引っ張ります。これにより、肺が満たされるために胸の中に余裕が生まれます。

人が安静にしているとき、呼吸能力の約3割から4割は肋間筋から来ています。

肋間筋は肋間神経によって制御されています。髄質は、これらの神経を介してメッセージを送信することによって収縮するときに肋間に伝えます。肋間神経はフレニック神経ほど保護されていません。肋間神経は胸椎（背中の上部から中部にある）に沿って走っていて、肋間筋につながっています。つまり、胸椎を痛めてしまうと、肋間筋を使うことができなくなってしまうのです。そうなると、呼吸能力の30％～40％が失われてしまいます。しかし、横隔膜を制御する神経は背骨のはるか上にあり、よりよく保護されているので、人はまだ呼吸するために横隔膜を使用することができます。彼らはまだ呼吸する能力の60％から70％を持っているだろう。

アクセサリーの筋肉

付帯筋とは、人が呼吸に余分な助けが必要な時にだけ使う筋肉です。これが正常な場合もあります。例えば、多くの運動をしたばかりの人は、余分な酸素を必要としているかもしれません。髄質は、人が胸を上げて肺を満たすためのスペースを作るのを容易にするために、付属筋を蹴り込むように指示します。最も重要な付属筋は、胸部、腹部、首の筋肉です。

しかし、安静にしているときに付属の筋肉を使って呼吸をしなければならない場合は、体が必要とする酸素が得られていないことを示しています。正常な呼吸をするためには、薬の投与やマスクを介した余分な酸素の投与、あるいは緊急時の治療が必要になるかもしれません。例えば、喘息や慢性閉塞性肺疾患（COPD）の人は、呼吸に問題があるときに吸入器を使用することがよくあります。吸入器は、アルブテロールのような薬を気管と肺の中にパフします。これにより、空気の通り道が広くなり、以前よりも呼吸がしやすくなります。

吸入器


ダイアフラム（緑色）の動作のアニメーション

質問と回答

Q:呼吸とは何ですか?

Q: なぜ呼吸が大切なのですか?

Q: なぜ体のどの部分にも酸素が必要なのですか?

Q: 人が息を吸うとどうなるのですか?

Q: ガス交換とは何ですか?

Q: 大人の呼吸の回数は?

Q: なぜ子どもはもっと速く呼吸するのですか?

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