Biophysics · 28.08

血液―肺胞間のガス交換（gas exchange）

Gas exchange between blood and alveoli

🧠 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。

\dot V_{gas}=D\frac{A}{T}(P_1-P_2)

$D$ 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

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。