気管から肺胞へ｜空気の通り道とガス交換

気管から肺胞までの経路

気管は左右の主気管支に分かれます。主気管支は肺葉に向かう葉気管支へ、葉気管支は肺区域に向かう区域気管支へと分岐します。吸入した空気は、その先でさらに枝分かれする気道を通って細気管支へ進みます。

気道を機能で分けると、終末細気管支は空気を運ぶ伝導領域の末端です。その先の呼吸細気管支では壁の一部に肺胞が開口し、ガス交換に関与する呼吸領域が始まります。さらに末梢へ進むと肺胞管、肺胞嚢へとつながります。

肺胞嚢は、複数の肺胞が共通の腔に開口する構造です。分岐の順番を覚えるときは、名称に似たところがある終末細気管支と呼吸細気管支を、伝導領域と呼吸領域の境目として押さえておくと整理しやすくなります。

出典　OpenStax 22.1 Conducting Zone / Respiratory Zone

肺胞と肺毛細血管の位置関係

肺胞は気道の末梢にある袋状の構造です。肺胞内には肺胞気があり、その周囲の肺毛細血管には、右心室から肺動脈を経て到達した血液が流れています。肺胞気と血液が近接する部分では、肺胞上皮と毛細血管内皮などからなる薄い境界を介してガス交換が起こります。この境界を肺胞–毛細血管膜と呼びます。

肺胞–毛細血管膜の構造

模式図の中央にある「肺胞–毛細血管膜」を、肺胞気の側から見てみましょう。膜の薄い部分では、I型肺胞上皮細胞、上皮と内皮の基底膜が融合した層、毛細血管内皮細胞が、肺胞気側から血液側へこの順に並びます。I型肺胞上皮細胞は扁平で、毛細血管内皮も薄いため、気体が通過する組織の距離は短くなります。

酸素が血液へ拡散するときは、肺胞上皮側から毛細血管内皮側へとこの膜を通過します。二酸化炭素が肺胞気へ拡散するときは、同じ膜を血液側から肺胞側へ通過します。

多数の肺胞があることで、ガス交換に使える面積が広くなります。

ここで空気側と血液側を分けて考えると、換気は肺胞に空気を出し入れする過程、肺血流は肺毛細血管に血液を届ける過程です。両者が薄い膜を挟んで出会うところで、酸素と二酸化炭素が拡散します。

出典　OpenStax 22.4 Gas Exchange / External Respiration · OpenStax 22.1 Alveoli · 肺胞隔壁の微細構造（図16）

酸素と二酸化炭素が逆向きに移動する理由

肺胞でガス交換が起こるとき、酸素は肺胞気から血液へ、二酸化炭素は血液から肺胞気へ移動します。向きが逆になる理由は、それぞれの気体で分圧の高い側が異なるためです。分圧は、酸素や二酸化炭素といった気体ごとに見た圧力です。

通常の呼吸を例に、肺胞気と肺毛細血管に流入する血液を比べます。まず酸素の分圧を見ると、肺胞気のほうが高いため、酸素は肺胞気から血液へ移動します。次に二酸化炭素の分圧を見ると、血液のほうが高いため、二酸化炭素は血液から肺胞気へ移動します。

移動方向を考えるときは、同じ気体について膜の両側の分圧を比べます。高い側から低い側に向かう正味の移動が拡散です。酸素と二酸化炭素では分圧が高い側が入れ替わるため、表の矢印は逆向きになります。

ガス交換が続くには、肺胞気と肺毛細血管の血液がそれぞれ更新される必要があります。換気で肺胞に酸素が供給され、二酸化炭素を含む肺胞気が呼気として排出されます。一方、肺血流によって末梢から戻った血液が肺胞の周囲へ届きます。この空気と血液の入れ替わりが、拡散に必要な分圧差を保ちます。

血液に移った酸素の多くは赤血球内のヘモグロビンに結合します。酸素化された血液は肺静脈を経て左心系に戻り、全身へ運ばれます。血液から肺胞へ移った二酸化炭素は、呼気とともに体外へ排出されます。

復習するときは、表の矢印を隠し、酸素と二酸化炭素それぞれの移動方向を答えてみてください。

出典　OpenStax 22.4 External Respiration・図22.22 · NHLBI Gas Exchange

復習問題

通常の呼吸では、肺毛細血管に流入する血液と肺胞気のどちらで二酸化炭素分圧が高いでしょうか。二酸化炭素がどちらへ移動するかも説明してみましょう。