呼吸器系：構造と操作

人間の呼吸器系は、気道（上部と下部）と肺で構成されています。呼吸器系は、生物と環境の間のガス交換に関与しています。呼吸器系はどのように構築され、どのように機能しますか？

人間の呼吸器系は呼吸を可能にすることになっています-生物と環境の間のガス交換、すなわち酸素と二酸化炭素のプロセス。私たちの体のすべての細胞は、適切に機能してエネルギーを生成するために酸素を必要とします。呼吸プロセスは以下に分類されます：

• 外的呼吸-細胞に酸素をもたらす
• 内部呼吸-細胞内

外的呼吸は、神経系と呼吸器系の同期が原因で発生し、いくつかのプロセスに分けられます。

• 肺換気
• 肺胞の空気と血液の間のガス拡散
• 血液中のガスの輸送
• 血液と細胞間のガス拡散

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呼吸器系の構造

気道は以下で構成されます：

• 上気道、すなわち鼻腔（私たちのむくみ）と喉（咽頭)
• 下気道：喉頭（喉頭）、気管（気管）、気管支（気管支）-右と左、さらに小さな枝に分割され、最小のものは細気管支に変わります（細気管支)

気道の最後の部分は肺胞（肺胞肺）。気道を通過する吸入空気は、ほこり、細菌、その他の小さな不純物が取り除かれ、保湿され、暖められます。一方、気管支の構造は、軟骨、弾性および平滑筋の要素を組み合わせることにより、それらの直径の調節を可能にします。喉は、呼吸器系と消化器系が交差する場所です。このため、嚥下すると、呼吸が停止し、気道が喉頭蓋を通って閉じます。

• 肺-胸にある対になった臓器。

解剖学的および機能的側面の観点から、肺は葉に分割され（左肺は2つの葉に、右肺は3つに）、葉はさらにセグメントに、セグメントは小葉に、小葉はクラスターに分割されます。

各肺は結合組織の2つの層-壁側胸膜（胸膜頭頂）および肺胸膜（胸膜胸膜）。それらの間に胸膜腔があります（虫歯胸膜）、およびその中の流体は、胸膜の内壁と融合した壁側胸膜への、肺胸膜で覆われた肺の接着を可能にします。気管支が肺に入る場所には、肺腔があり、気管支とは別に、動脈や肺静脈もあります。
さらに、骨格の横紋筋、血液および心臓血管系および神経中心は、呼吸の複雑なプロセスに関与しています。

肺換気

換気の本質は、大気を肺胞に引き込むことです。空気は常に高圧から低圧に流れるため、適切な筋肉グループがそれぞれの吸入と呼気に参加し、胸部の吸引と圧力の動きを可能にします。

呼気が終了すると、肺胞内の圧力は大気圧と同じになりますが、空気を吸引すると、横隔膜が収縮します（隔膜）および外肋間筋（筋間肋間部）おかげで、胸部の体積が増加し、空気を吸い込む真空が作成されます。

換気の需要が増加すると、追加の吸気筋が活性化されます：胸鎖乳突筋（胸骨胸筋乳房筋）、胸筋（筋胸筋）、前歯の筋肉（筋肉セラティ前部）、僧帽筋（筋トラペジア）、肩甲骨の挙筋（筋挙筋肩甲骨）、大小の平行四辺形の筋肉（ムスクリロンボイデイマイオレスエマイナーズ）および斜筋（統合された筋).

次のステップは、息を吐くことです。これは、吸気のピークで吸気筋がリラックスしたときに始まります。肺組織の伸張した弾性要素によって生成される力は、胸部の容積を減少させるのに十分であるため、通常、これは受動的なプロセスです。肺胞の圧力は大気圧を上回り、その結果生じる圧力差により空気が外に排出されます。

強く息を吐くときの状況は少し異なります。私たちは、呼吸リズムが遅いとき、例えば、いくつかの肺疾患などの呼吸抵抗の克服を必要とするときだけでなく、特に管楽器を歌ったり演奏したりするときの発声活動においても対処しています。呼気筋の運動ニューロンが刺激されます。これには、内肋間筋（筋間肋間）および前腹壁の筋肉、特に腹直筋（腹直筋).

呼吸数

呼吸数は非常に変動しやすく、多くの異なる要因に依存します。安静時の成人は、毎分7〜20回呼吸する必要があります。技術的に頻呼吸として知られている呼吸数の増加につながる要因には、運動、肺の状態、および肺外の呼吸困難が含まれます。一方、徐脈、すなわち呼吸数の大幅な減少は、神経疾患または麻薬の中心的な副作用が原因である可能性があります。子供はこの点で大人とは異なります。幼児が小さいほど、生理的呼吸数は高くなります。

肺容量と容量

• TLC（総肺活量）-最深呼吸後の肺の容積
• IC-吸気能力-穏やかな呼気後の最も深い吸入時に肺に引き込まれます
• IRV（吸気予備量）-吸気予備量-自由吸気の上部で実行される最大吸入中に肺に引き込まれます
• TV（一回換気量）-一回換気量-自由に吸い込んだり吐いたりしながら吸い込んだり吐いたりします
• FRC-機能的残気量-ゆっくりとした呼気後も肺に残る
• ERV（呼気予備量）-呼気予備量-自由吸入後の最大呼気時に肺から除去
• RV（残留量）-残留量-最大呼気の間、常に肺に残ります
• VC（活力）-活力-最大呼気で最大吸気後に肺から除去
• IVC（吸気性肺活量）-吸入された肺活量-最大吸入で最も深い呼気の後で肺に引き込まれます。最大呼気に続いて最大吸入が行われると、気泡を満たしている空気が取り除かれる前に肺胞導体が閉じるため、VCよりわずかに大きくなることがあります。

自由なインスピレーションでは、一回換気量は500 mLです。ただし、このボリュームのすべてが肺胞に到達するわけではありません。約150 mlが気道を満たします。これは、空気と血液の間のガス交換の条件を持たない、つまり、鼻腔、喉、喉頭、気管、気管支、細気管支です。これは解剖学的呼吸死腔。残りの350 mLは、残りの機能容量を構成する空気と混合され、同時に加熱されて水蒸気で飽和されます。肺胞でも、すべての空気が気体であるとは限りません。一部の卵胞の壁の毛細血管では、すべての空気をガス交換に使用するための血液が流れていないか、血流が少なすぎます。これは生理的な呼吸のデッドスペースであり、健康な人には小さいです。残念ながら、それは病気の状態で著しく増加する可能性があります。

安静時の平均呼吸数は16 /分であり、一回換気量は500 mLであり、これらの2つの値を掛けると、肺換気が得られます。これから、毎分約8リットルの空気が吸入および吐き出されることになります。速く深い呼吸をしている間、値は大幅に増加する場合があり、数十回から20回までです。

これらすべての複雑なパラメーター：容量と体積は、私たちを混乱させるだけでなく、肺疾患の診断に重要な用途があります。テストがあります-測定する肺活量測定：VC、FEV1、FEV1 / VC、FVC、IC、TV、ERVおよびIRV。喘息やCOPDなどの疾患の診断とモニタリングに不可欠です。

肺胞の空気と血液の間のガス拡散

肺胞は、肺を構成する基本的な構造です。それらは約3億から5億個あり、それぞれの直径は0.15〜0.6 mmで、総面積は50〜90m²です。

卵胞の壁は、薄くて平らな単層上皮によって構築されています。卵胞には、上皮を構成する細胞に加えて、マクロファージ（腸細胞）と界面活性剤を産生するII型の濾胞細胞という2種類の細胞が含まれています。血中脂肪酸から生成されるタンパク質、リン脂質、炭水化物の混合物です。表面張力を下げることにより、界面活性剤は肺胞がくっつくのを防ぎ、肺を伸ばすのに必要な力を減らします。外側から、泡は毛細血管のネットワークで覆われています。肺胞に入る毛細血管は、二酸化炭素と水を豊富に含み、少量の酸素を含む血液を運びます。対照的に、肺胞空気では、酸素の分圧が高く、二酸化炭素の分圧が低くなります。ガス拡散はガス分子圧力の勾配に従うため、毛細血管赤血球は空気から酸素をトラップし、二酸化炭素を取り除きます。ガス粒子は、肺胞壁と毛細血管壁を通過する必要があります。より正確には、肺胞表面、肺胞上皮、基底膜、毛細血管内皮を覆う流体の層です。

血液中のガスの輸送

• 酸素輸送

まず、酸素は血漿中に物理的に溶解しますが、次にエンベロープを通って赤血球に拡散し、そこでヘモグロビンと結合してオキシヘモグロビン（酸素化ヘモグロビン）を形成します。ヘモグロビンは、酸素の輸送において非常に重要な役割を果たします。これは、その分子のそれぞれが4つの酸素分子と結合し、血液の酸素輸送能力が最大70倍になるためです。血漿中に溶解して輸送される酸素の量は非常に少ないので、呼吸には無関係です。循環系のおかげで、酸素で飽和した血液は体のすべての細胞に到達します。

• 二酸化炭素輸送

組織からの二酸化炭素は毛細血管に入り、肺に運ばれます：

• 血漿および赤血球の細胞質に約6％物理的に溶解
• 血漿タンパク質およびヘモグロビン（カルバメートとして）の遊離アミノ基に約6％結合
• 過半数、つまり約88％がHCO3イオンとして-血漿と赤血球の重炭酸緩衝液システムによって結合

血液と細胞間のガス拡散

再び、組織内のガス分子は圧力勾配に沿って通過します。ヘモグロビンから放出された酸素は組織内に拡散し、二酸化炭素は反対方向に拡散します-細胞からプラズマへ。異なる組織の酸素要求量の違いにより、酸素分圧にも違いがあります。代謝が激しい組織では、酸素分圧が低いため、酸素を多く消費しますが、静脈血の排液には、酸素が少なく二酸化炭素が多く含まれます。酸素含有量の動静脈差は、組織による酸素消費の程度を決定するパラメーターです。各組織には同じ酸素含有量の動脈血が供給されますが、静脈血はそれを多少含む場合があります。

内部呼吸

細胞レベルでの呼吸は、生物学的に有用なエネルギーが生成される有機化合物の酸化を含む多段階の生化学的プロセスです。これは、他の代謝プロセスが停止した場合でも発生する基本的なプロセスです（嫌気性代替プロセスは非効率的であり、その重要性は限定的です）。

主要な役割は、細胞内で拡散する酸素分子を受け取る細胞小器官であるミトコンドリアによって行われます。ミトコンドリアの外膜にはクレブス回路（またはトリカルボン酸の回路）のすべての酵素があり、内膜には呼吸鎖の酵素があります。

クレブス回路では、糖、タンパク質、脂肪の代謝産物が二酸化炭素と水に酸化され、遊離水素原子または遊離電子が放出されます。さらに呼吸鎖-細胞内呼吸の最終段階-で電子と陽子を連続した担体に移動させることにより、高エネルギーのリン化合物が合成されます。それらの中で最も重要なのはATP、すなわち細胞代謝に使用される化学エネルギーの普遍的なキャリアであるアデノシン-5'-三リン酸です。それは、生合成、運動、細胞分裂などの過程で多数の酵素によって消費されます。生体内でのATPの処理は継続的であり、人間は毎日、自分の体重に相当する量のATPを変換していると推定されています。

呼吸調節

拡張コアには、呼吸の頻度と深さを調整する呼吸センターがあります。 2つのタイプのニューロンによって構築された、反対の機能を持つ2つのセンターで構成されています。どちらも網状組織内にあります。孤独な核と後部のあいまいな迷走神経の前部には、吸気中心があり、それが神経インパルスを脊髄に送り、吸気筋の運動ニューロンに送ります。対照的に、迷走神経の曖昧な核と後部曖昧な迷走神経の後部には、呼気筋の運動ニューロンを刺激する呼気中心があります。

インスピレーションセンターのニューロンは、1分に数回、神経インパルスのボレーを送ります。これは、脊髄の運動ニューロンに向かって下降する枝を伝わり、同時に、橋の網状構造のニューロンに上る軸索枝と同時に流れます。吸気中枢を1〜2秒間抑制した後、再び吸気中枢を刺激する気流中枢があります。吸気中枢の刺激と抑制の連続した期間のおかげで、呼吸の律動性が保証されます。
吸気中枢は、以下で発生する神経インパルスによって制御されています。

• 子宮頸部および大動脈糸球体化学受容器。これは、二酸化炭素濃度の増加、水素イオンの濃度、または動脈酸素濃度の大幅な減少に反応します。大動脈血栓からのインパルスは、舌咽神経と迷走神経を通過します。その効果は吸入を加速し、深めることです
• 肺組織内受容体と胸部固有受容体;
• 気管支平滑筋の間には膨張性機械受容器があり、それらは呼気を引き起こす肺組織の伸張によって刺激されます。次に、呼気中に肺組織のストレッチを減らし、吸気をトリガーする他の機械受容器、今回は収縮を活性化します。この現象はヘリング・ブロイアー反射と呼ばれます。
• 胸部の吸気または呼気の位置は、それぞれの固有受容体を刺激し、呼吸の頻度と深さを変更します。吸気が深くなるほど、その後の呼気が深くなります。
• 脳の上位レベルの中心：大脳皮質、辺縁系、視床下部の体温調節中心