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<span class='jp-term jp-term-diagram' title='vascular layer / uvea'>血管膜</span>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

• 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。