血液―肺胞間のガス交換（gas exchange）

🧠 肺胞―血液間のガス交換は、肺胞気alveolar gas 肺胞気（alveolar gas）alveolar gas（肺胞気） と毛細血管血 capillary blood 毛細血管血（capillary blood） capillary blood（毛細血管血） の分圧差によって薄い障壁を越えて進む拡散である。 酸素は肺胞から血液へ、二酸化炭素carbon dioxide, CO₂ 二酸化炭素（carbon dioxide, CO₂）carbon dioxide, CO₂（二酸化炭素） は血液から肺胞へ移動する。

肺胞―毛細血管障壁

ガスは肺胞表面の液層、肺胞上皮、基底膜、毛細血管内皮capillary endothelium 毛細血管内皮（capillary endothelium）capillary endothelium（毛細血管内皮） を順に通過する。障壁はおよそ $1,\mu\mathrm{m}$ と薄く、多数の肺胞が大きな交換面積を作る。空気を肺胞まで運ぶ換気と、血液を毛細血管へ運ぶ灌流がそろって初めて、この交換面が有効に使われる。

酸素分圧partial pressure of oxygen 酸素分圧（partial pressure of oxygen）partial pressure of oxygen（酸素分圧） は通常、肺胞気alveolar gas 肺胞気（alveolar gas）alveolar gas（肺胞気） の方が流入する静脈血より高いため酸素が血液へ移動する。二酸化炭素carbon dioxide, CO₂ 二酸化炭素（carbon dioxide, CO₂）carbon dioxide, CO₂（二酸化炭素） 分圧は静脈血の方が肺胞気 alveolar gas 肺胞気（alveolar gas） alveolar gas（肺胞気） より高いため、逆方向へ移動する。方向を決めるのは各気体の分圧であって、酸素と二酸化炭素 carbon dioxide, CO₂ 二酸化炭素（carbon dioxide, CO₂） carbon dioxide, CO₂（二酸化炭素） が互いを押し出すわけではない。

フィックの法則による移動速度

肺胞膜を通る気体流量はフィック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）を分圧差で書き換えて表せる。

$D$ は組織と気体に依存する拡散係数 diffusion coefficient拡散係数（diffusion coefficient） diffusion coefficient（拡散係数）、$A$ は交換面積、$T$ は障壁厚、$P_1-P_2$ は分圧差である。したがって交換を増やすのは大きな面積、大きな分圧差、高い拡散係数 diffusion coefficient 拡散係数（diffusion coefficient） diffusion coefficient（拡散係数） であり、厚い障壁は交換を遅くする。二酸化炭素carbon dioxide, CO₂ 二酸化炭素（carbon dioxide, CO₂）carbon dioxide, CO₂（二酸化炭素） は溶解性 solubility 溶解性（solubility） solubility（溶解性） が高いため、分圧差が酸素より小さくても比較的速く拡散する。

構造変化が交換を障害する経路

flowchart TD
  A["正常：広い面積・薄い障壁・分圧差"] --> B["十分なガス拡散"]
  C["肺水腫・線維化"] --> D["障壁厚Tが増加"]
  E["肺気腫"] --> F["交換面積Aが減少"]
  G["低換気"] --> H["肺胞<span class='jp-term jp-term-diagram' title='partial pressure of oxygen'>酸素分圧</span>が低下"]
  D --> I["酸素移動が低下"]
  F --> I
  H --> I

肺水腫や線維化は $T$ を増やし、肺気腫は肺胞壁 alveolar wall 肺胞壁（alveolar wall） alveolar wall（肺胞壁） の消失によって $A$ を減らす。気道閉塞は膜そのものを変えなくても肺胞換気を減らし、分圧差を小さくする。原因は異なっても、フィックFick フィック（Fick）Fick（フィック） の式のどの因子が変化したかに対応させられる。

拡散だけでは決まらない酸素化

ガスが膜を通れても、換気されない肺胞や血流のない肺胞は交換に寄与しにくい。さらに血液へ入った酸素の運搬量はヘモグロビン濃度 hemoglobin concentration ヘモグロビン濃度（hemoglobin concentration） hemoglobin concentration（ヘモグロビン濃度） と結合状態に依存する。したがって動脈血酸素化 arterial oxygenation 動脈血酸素化（arterial oxygenation） arterial oxygenation（動脈血酸素化） の低下を、すべて「拡散障害diffusion impairment拡散障害（diffusion impairment）diffusion impairment（拡散障害）」と呼ぶことはできない。

運動時には毛細血管通過時間 Transit time 通過時間（Transit time） Transit time（通過時間） が短くなる一方、換気量と肺血流 pulmonary blood flow 肺血流（pulmonary blood flow） pulmonary blood flow（肺血流） が増え、利用される交換面積も広がる。正常肺には十分な拡散予備能 reserve capacity 予備能（reserve capacity） reserve capacity（予備能） があるが、障壁肥厚ではこの予備能 reserve capacity 予備能（reserve capacity） reserve capacity（予備能） が小さく、安静時より運動時に低酸素が表れやすい。

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

• 酸素と二酸化炭素 carbon dioxide, CO₂ 二酸化炭素（carbon dioxide, CO₂） carbon dioxide, CO₂（二酸化炭素） は、それぞれの分圧勾配に沿って反対方向へ拡散する。
• ガス流量は交換面積・拡散係数diffusion coefficient拡散係数（diffusion coefficient）diffusion coefficient（拡散係数）・分圧差に比例し、障壁厚に反比例する。
• 肺水腫・線維化、肺気腫、低換気はフィック Fick フィック（Fick） Fick（フィック） の式の異なる因子を変える。
• 実際の酸素化には拡散だけでなく換気、灌流、ヘモグロビンも必要である。