呼吸の生物物理I―分圧とヘンリーの法則

🧠 分圧は、混合気体中の各成分が全圧へ寄与する圧力であり、気体と液体の間の平衡を決める。 肺胞と血液で酸素・二酸化炭素carbon dioxide, CO₂ 二酸化炭素（carbon dioxide, CO₂）carbon dioxide, CO₂（二酸化炭素） がどちらへ移動するかは、総量ではなく各気体の分圧差から判断する。

混合気体における分圧

ダルトンDalton ダルトン（Dalton）Dalton（ダルトン） の法則 Dalton's law 法則（Dalton's law） Dalton's law（法則） では全圧は各成分の分圧の和であり、理想混合気体について成分 $i$ のモル分率 $F_i$ を用いると

と表せる。第一式は気相の分圧、第二式はヘンリー Henry ヘンリー（Henry） Henry（ヘンリー） の法則である。たとえば酸素の割合が同じでも、高地で全気圧が低下すれば吸気酸素分圧 partial pressure of oxygen 酸素分圧（partial pressure of oxygen） partial pressure of oxygen（酸素分圧） も低下する。割合と分圧を同一視しないことが重要である。

ヘンリーの法則と溶解量

ヘンリーHenry ヘンリー（Henry）Henry（ヘンリー） の法則 Henry's law 法則（Henry's law） Henry's law（法則） では、温度が一定で化学反応 chemical reaction 化学反応（chemical reaction） chemical reaction（化学反応） を無視 neglect 無視（neglect） neglect（無視） できる範囲において、液体へ物理的に溶ける気体濃度 $C_i$ は気相の分圧 $P_i$ に比例する。比例係数 $\alpha_i$ は気体と溶媒、温度によって異なる。

二酸化炭素carbon dioxide, CO₂ 二酸化炭素（carbon dioxide, CO₂）carbon dioxide, CO₂（二酸化炭素） は酸素より水や血液へ溶けやすいため、同じ分圧でも物理的溶解量は多い。ただし血液中の総酸素量の大部分はヘモグロビンへ結合しており、ヘンリーHenry ヘンリー（Henry）Henry（ヘンリー） の法則だけで全酸素含量 oxygen content 酸素含量（oxygen content） oxygen content（酸素含量） を求めることはできない。分圧は拡散の駆動力 driving force駆動力（driving force） driving force（駆動力）、含量は運べる総量という役割の違いがある。

気相から血液まで

flowchart TD
  A["全気圧と気体のモル分率"] --> B["各気体の分圧"]
  B --> C["肺胞と血液の分圧差"]
  C --> D["肺胞―毛細血管膜を拡散"]
  D --> E["血漿へ物理的に溶解"]
  E --> F["酸素は主にヘモグロビンへ結合"]

平衡時の溶解量を説明するヘンリー Henry ヘンリー（Henry） Henry（ヘンリー） の法則と、移動速度を説明するフィックFick フィック（Fick）Fick（フィック） の第一法則 Fick's first law第一法則（Fick's first law） Fick's first law（第一法則）は役割が異なる。前者は「最終的にどれだけ溶けるか」、後者は「どれだけ速く膜を通るか」を扱う。この二つをつなぐ具体例が肺胞―血液間のガス交換である。

生理条件が分圧へ与える影響

• 高地では全気圧低下により吸気酸素分圧 partial pressure of oxygen 酸素分圧（partial pressure of oxygen） partial pressure of oxygen（酸素分圧） が下がる。
• 吸気が加湿されると水蒸気も全圧の一部を占め、他の気体に割り当てられる分圧が下がる。
• 肺胞では酸素の取り込みと二酸化炭素 carbon dioxide, CO₂ 二酸化炭素（carbon dioxide, CO₂） carbon dioxide, CO₂（二酸化炭素） の放出が続くため、乾燥外気と同じ組成にはならない。

まとめ

呼吸器の力学とガス交換は、気道・肺胞の構造、圧力差pressure difference圧力差（pressure difference）pressure difference（圧力差）、換気、拡散を分けて扱う。¹²

• 成分分圧はモル分率と全圧の積で決まり、全圧は分圧の和である。
• ヘンリーHenry ヘンリー（Henry）Henry（ヘンリー） の法則は液体中の物理的溶解濃度が分圧に比例することを示す。
• 分圧は拡散方向を決めるが、血液中の総ガス含量とは同じではない。
• 溶解平衡と膜を通る速度は別の法則で扱う。