13.3 : 呼吸とガス交換

心臓血管系と呼吸器系の間の複雑な相互作用は、呼吸ガスを体全体に効率的に輸送するために非常に重要です。ガス交換における心臓血管系の重要な役割を強調しながら、心臓血管系の多面的な機能を探ってみましょう。

呼吸には、肺胞と体細胞の間でのガス、特に酸素 (O_2) と二酸化炭素 (CO_2) の交換が含まれ、このプロセスは血液循環によって促進されます。そのため、心臓と血管を含む心血管系は効率的なガス交換を行うには不可欠です。心臓の解剖学的構造を調べることから始めましょう。

円錐形で筋肉質でポンプ機能を持つ心臓は、心臓血管系の主器官です。 心臓には4 つの室があり、上部に 2 つの心房、下部に 2 つの心室があります。心房（単数形：心房）は、上大静脈と下大静脈、および左右の肺静脈である静脈から血液を受け取る入口です。心室は出口であり、酸素を含んだ血液を肺動脈や大動脈などの動脈を通して強制的に送り出します。これらの動脈は、酸素が豊富な血液を体に供給し、酸素を供給するために脱酸素化された血液を肺に運びます。

各心室の入口 (三尖弁と僧帽弁) と出口 (肺動脈と大動脈) に一方向弁を備えた心臓の独特な構造により、血流が正しい方向に流れることが保証され、逆流が防止され、システムの効率が維持されます。

広範な血管網が閉回路を形成し、心臓と体の細胞間の血液輸送を促進します。動脈と細動脈は血液を心臓から運び出し、毛細血管に向けます。一方、細静脈と静脈は血液を心房に戻します。

最小の血管である毛細血管は、血液と体細胞の間で物質を交換するために重要です。肺では、酸素が少なく二酸化炭素が多い脱酸素血液が心臓の右側から肺に送られます。ここで、肺胞では、吸入された空気からの O_2 が血液中に拡散し、一方、老廃物である CO_2 は血液から肺胞に拡散して吐き出されます。肺胞は界面活性剤の液体の繊細な層で覆われており、それがなければ肺胞は崩壊してしまいます。肺胞細胞によって生成される界面活性剤は、液体の表面張力を低下させ、肺胞の崩壊を防ぎ、ガス交換を促進します。酸素を獲得して二酸化炭素を放出した後、酸素が豊富な血液は心臓の左側に戻ります。二酸化炭素が少なくなったこの酸素を含んだ血液は体中を循環し、さまざまな組織に酸素を届けます。

酸素輸送を理解するには、血漿と赤血球 (赤血球) の役割を認識することも必要です。血漿中には少量の酸素が溶けますが、ヘモグロビンの酸素に対する親和性が高いため、大部分はオキシヘモグロビンの形で赤血球内のヘモグロビンに結合します。ヘモグロビンは、主にカルボキシヘモグロビンの形で二酸化炭素も運びます。

内部呼吸中、組織細胞と血液の間で酸素 [O_2] と二酸化炭素 [CO_2] が交換されます。血液組成の異常は、このプロセスに大きな影響を与える可能性があります。たとえば、過度の出血を特徴とする出血は心拍出量を減少させ、酸素の供給に利用できる血液を減少させます。これは、体の組織が十分な酸素を受け取らない状態である組織低酸素症を引き起こす可能性があります。別の状態である貧血は、赤血球の減少を特徴とし、酸素輸送のためのヘモグロビンが不足し、組織の酸素化が不十分になります。一方、定期的な運動は心筋の効率を向上させ、組織に送られる酸素の量を増加させます。呼吸器疾患や高地などの他の状態もガス交換に影響を与える可能性があり、恒常性を維持するために必要な微妙なバランスが浮き彫りになります。