呼吸器系：機能、部品、機能 - 生物学 - 2025

呼吸器系や呼吸器系は、酸素の取り込みおよび二酸化炭素の除去を含むガス交換を仲介専門器官の一連を含みます。

細胞への酸素の到達と二酸化炭素の除去を可能にする一連のステップがあります。これには、大気と肺の間の空気の交換（換気）と、それに続く肺表面でのガスの拡散と交換が含まれます。 、細胞レベルでの酸素輸送とガス交換。

Jmarchn、LadyofHats、ウィキメディア・コモンズ経由

これは動物界の多様なシステムであり、研究の系統に応じてさまざまな構造で構成されています。たとえば、魚はエラなどの水生環境で機能的な構造を持ち、哺乳類は肺を持ち、ほとんどの無脊椎動物は気管を持っています。

原生動物のような単細胞動物は、呼吸のために特別な構造を必要とせず、単純な拡散によってガス交換が行われます。

人間では、システムは鼻道、咽頭、喉頭、気管、および肺で構成されています。後者は、気管支、細気管支、肺胞に順次分岐します。肺胞では、酸素分子と二酸化炭素分子の受動交換が発生します。

呼吸の定義

「呼吸」という用語は2つの方法で定義できます。口語的には、「呼吸」という言葉を使用する場合、酸素を取り、二酸化炭素を外部環境に排出する作用を説明しています。

ただし、呼吸の概念には、胸郭内の空気の単純な出入りよりも幅広いプロセスが含まれます。酸素の利用、血液輸送、二酸化炭素の生成に関わるすべてのメカニズムは、細胞レベルで発生します。

呼吸という言葉を定義する2番目の方法は細胞レベルであり、このプロセスは細胞呼吸と呼ばれ、酸素の反応が、ATP（アデノシン三リン酸）、水、および二酸化炭素の形でエネルギーを生成する無機分子と発生します。

したがって、胸部の動きを通して空気を取り入れて排出するプロセスを指すより正確な方法は、「換気」という用語です。

特徴

呼吸器系の主な機能は、換気と細胞呼吸メカニズムを介して外部からの酸素摂取のプロセスを調整することです。プロセスからの廃棄物の1つは、血流に達し、肺に流れ込み、身体から大気中に排出される二酸化炭素です。

呼吸器系は、これらすべての機能の仲介を担当しています。具体的には、不要な分子のフィルタリングに加えて、体内に入る空気のフィルタリングと加湿を担当します。

また、体液のpHを調整し、間接的にCO ₂の濃度を制御し、CO ₂を保持または除去します。一方、それは温度の調節、肺でのホルモンの分泌に関与しており、嗅覚系が臭気を検出するのを助けます。

さらに、システムの各要素は特定の機能を実行します。鼻孔は空気を加熱して細菌を保護し、咽頭、喉頭、気管は空気の通過を仲介します。

さらに、咽頭は発声過程における食物および喉頭の通過に関与しています。最後に、肺胞ではガス交換のプロセスが発生します。

動物界の呼吸器

1 mm未満の小動物では、皮膚を通してガス交換が起こります。実際、原生動物、スポンジ、刺胞動物、一部のワームなどの特定の動物系統は、単純な拡散によってガス交換のプロセスを実行します。

魚や両生類などのより大きな動物では、鰓や肺によって行われる呼吸を補うために、皮膚呼吸も存在します。

たとえば、カエル​​は完全に池に沈んでいるため、冬眠段階で皮膚を介してガス交換の全プロセスを実行できます。サンショウウオの場合、完全に肺を欠き、皮膚を通して呼吸する標本があります。

しかし、動物の複雑さが増すにつれ、多細胞動物の高いエネルギー需要を満たすために、ガス交換のための特殊な臓器の存在が必要になります。

さまざまな動物グループでガス交換を仲介する臓器の解剖学について、以下で詳しく説明します。

気管

BruceBlausによる。この画像を外部ソースで使用する場合、次のように引用できます：Blausen.comスタッフ（2014）。「Blausen Medical 2014のメディカルギャラリー」。WikiJournal of Medicine 1（2）。DOI：10.15347 / wjm / 2014.010。ISSN 2002-4436。、ウィキメディア・コモンズから

昆虫といくつかの節足動物は非常に効率的で直接的な呼吸器系を持っています。それは、動物の体全体に伸びる気管と呼ばれる管のシステムで構成されています。

気管は気管と呼ばれる細い管（直径約1 µm）に分岐します。それらは液体で占められ、細胞膜と直接関連して終わります。

Indolences（ファイル：Throat Diagram.svg）、Wikimedia Commons経由

空気は、ブローホールと呼ばれる一連のバルブ状の開口部からシステムに入ります。これらは、水の損失に応じて閉鎖して乾燥を防ぐ能力を持っています。同様に、不要な物質の侵入を防ぐフィルターが付いています。

ミツバチなどの特定の昆虫は、気管系の換気を目的とした体の動きを実行できます。

鰓

えらとも呼ばれるえらは、水生環境で効果的な呼吸を可能にします。棘皮動物では、それらは体の表面の延長部分で構成されますが、海洋ワームや両生類では、それらは房または房です。

最も効率的なのは魚で、内部のエラのシステムで構成されています。それらは水の流れに逆らう十分な血液供給を備えた糸状構造です。この「向流」システムを使用すると、水から酸素を最大限に抽出できます。

鰓の換気は、動物の動きと口の開口と関連しています。地球環境では、エラは水の浮遊支持を失い、乾燥してフィラメントが合体し、システム全体の崩壊につながります。

このため、魚は周囲に大量の酸素を持っていますが、水から出ると窒息します。

肺

脊椎動物の肺は内腔であり、血液とのガス交換を媒介する機能を持つ豊富な血管を備えています。一部の無脊椎動物では、「肺」について話しますが、これらの構造は互いに相同ではなく、効率がはるかに低くなります。

両生類では、肺は非常にシンプルで、一部のカエルでは細分化されたバッグに似ています。鳥類以外の爬虫類の肺では、交換に利用できる表面積が増加し、相互接続された多数の嚢に細分されます。

鳥の系統では、換気プロセスで空気の予備スペースとして機能する空気嚢の存在により、肺の効率が向上します。

肺は哺乳類で最大の複雑さに達します（次のセクションを参照）。肺は結合組織が豊富で、内臓胸膜と呼ばれる上皮の薄い層に囲まれています。これは、胸膜の壁に沿って内臓胸膜に続きます。

両生類は肺への空気の進入に正圧を使用しますが、鳥類以外の爬虫類、鳥、および哺乳動物は負圧を使用し、空気は胸郭の膨張によって肺に押し込まれます。

人間の呼吸器系の部分（臓器）

人間や他の哺乳類では、呼吸器系は上部、口、鼻腔、咽頭、喉頭で構成されています。下部は気管と気管支、および肺組織の一部で構成されています。

上部または上部気道

鼻孔は、空気が入る構造であり、粘液物質を分泌する上皮が並ぶ鼻腔が続きます。内部の鼻孔は咽頭（一般的に喉と呼ばれるもの）に接続し、消化管と呼吸器という2つの経路が交差します。

声門の開口部から空気が入り、食道から食物が流れます。

喉頭蓋は、食べ物が気道に入るのを防ぎ、口咽頭-口の後ろにある部分-喉頭咽頭-最下部-の境界を確立する目的で、声門の上にあります。声門が喉頭（「ボイスボックス」）に開き、これが気管に変わります。

下部または下部気道

気管は、直径が15〜20 mm、長さが11センチの管状の導管です。その壁は軟骨組織で補強されており、構造の崩壊を回避するために、これにより半柔軟な構造になっています。

軟骨は15または20リングの三日月形に配置されています。つまり、軟骨は気管を完全に囲んでいません。

トランケアは、各肺に1つずつ、2つの気管支に分岐します。右は、左に比べてより垂直で、短くてかさばっています。この最初の分裂の後、肺実質に連続的な細分化が続きます。

気管支の構造は、軟骨、筋肉、および粘膜の存在により気管に似ていますが、軟骨板は、気管支の直径が1mmに達すると消えるまで減少します。

それらの内部では、各気管支は細気管支と呼ばれる小さな管に分かれており、肺胞管に通じています。肺胞には、毛管システムとのガス交換を容易にする単一の非常に薄い細胞層があります。

肺組織

巨視的には、肺は亀裂によって葉に分かれています。右肺は3つの葉で構成され、左肺は2つのみです。ただし、ガス交換の機能単位は肺ではなく、肺胞毛細血管単位です。

肺胞は、細気管支の末端に位置するブドウの房のような形をした小さな袋で、気道の最小の細分に対応しています。それらは、IとIIの2つのタイプのセルによってカバーされます。

肺胞

I型セルは、薄く、ガスの拡散を可能にするという特徴があります。タイプIIのものは、前のグループよりも小さく、薄くなく、換気で肺胞の拡張を促進する界面活性剤タイプの物質を分泌する機能があります。

上皮の細胞には結合組織の繊維が散在しているため、肺は弾力性があります。同様に、ガス交換が行われる肺毛細血管の広範なネットワークがあります。

肺は胸膜と呼ばれる中皮組織の壁に囲まれています。この組織は、内部に空気を含まず、液体の量が少ないため、通常、仮想空間と呼ばれます。

呼吸器系の喉頭気管気管支の一部の3 Dイラストレーション。

肺の欠点

肺の欠点は、ガス交換が肺胞と肺胞管でのみ発生することです。肺に到達するが、ガス交換が発生しない領域にある空気の量は、デッドスペースと呼ばれます。

したがって、人間の換気プロセスは非常に非効率的です。通常の換気では、肺にある空気の6分の1しか置換できません。強制呼吸イベントでは、空気の20〜30％が閉じ込められます。

胸郭

胸郭

胸郭は肺を収容し、一連の筋肉と骨で構成されています。骨コンポーネントは、頸椎と背骨、胸郭、および胸骨で構成されています。横隔膜は家の裏側にある最も重要な呼吸筋です。

肋間と呼ばれる肋骨に挿入された追加の筋肉があります。他の人は、頭頸部から来る胸鎖乳突筋や斜角筋などの呼吸力学に参加します。これらの要素は、胸骨と最初の肋骨に挿入されます。

それはどのように機能しますか？

酸素の取り込みは、細胞呼吸のプロセスに不可欠であり、この分子の取り込みは、摂食プロセスで得られた栄養素から代謝プロセスを介して始まるATPの生産のために発生します。

言い換えれば、酸素は分子を酸化（燃焼）させ、それによってエネルギーを生成する働きをします。このプロセスの残留物の1つは二酸化炭素で、これは身体から排出される必要があります。呼吸には、次のイベントが含まれます。

換気

このプロセスは、インスピレーションのプロセスを通じて大気中の酸素を捕捉することから始まります。空気は、鼻孔を通って呼吸器系に入り、記載された一連のチューブ全体を通過して、肺に到達します。

空気の取り込み-呼吸-は、通常は非自発的なプロセスですが、自動から自発的に移行する場合があります。

脳では、脊髄のニューロンが呼吸の正常な調節に関与しています。ただし、体は酸素要件に応じて呼吸を調整することができます。

安静時の平均的な人は、毎分平均6リットルの空気を呼吸します。この数値は、激しい運動の期間中に75リットルに増加する可能性があります。

ガス交換

大気中の酸素は、71％の窒素、20.9％の酸素、および二酸化炭素などの他のガスのごく一部で構成されるガスの混合物です。

空気が気道に入ると、組成がすぐに変化します。吸気プロセスは、空気を水で飽和させ、空気が肺胞に到達すると、以前の吸気からの残留空気と混合します。この時点で、酸素の分圧は減少し、二酸化炭素の分圧は増加します。

呼吸組織では、ガスは濃度勾配に従って移動します。酸素の分圧は肺胞（100 mm Hg）の方が肺毛細血管の血液よりも高いので（40 mm Hg）、酸素は拡散プロセスによって毛細血管に移動します。

同様に、二酸化炭素の濃度は肺毛細血管（46 mm Hg）の方が肺胞（40 mm Hg）よりも高いため、二酸化炭素は反対方向に拡散します：毛細血管から肺胞へ肺。

Fluid-filled_alveolus2_ja.svg：ユーザー：delldot（Hatsukari715により変更）派生著作：OSH FPaD（Fluid-filled_alveolus2_ja.svg）、Wikimedia Commons経由

ガス輸送

水中では、酸素の溶解度が非常に低いため、代謝要件を満たすための輸送手段が存在する必要があります。一部の小さな無脊椎動物では、体液に溶けている酸素の量が個体の要求を満たすのに十分です。

しかし、人間では、この方法で輸送される酸素は、要件の1％を満たすのに十分なだけです。

このため、酸素とかなりの量の二酸化炭素が血液中の色素によって運ばれます。すべての脊椎動物で、これらの色素は赤血球に限局しています。

動物界では、最も一般的な色素は、構造に鉄を含むタンパク質分子であるヘモグロビンです。各分子は、血液の赤い色と酸素との可逆的な結合に関与する5％のヘムと95％のグロビンで構成されています。

ヘモグロビンに結合できる酸素の量は、酸素濃度を含む多くの要因に依存します。毛細血管のように高い場合、ヘモグロビンは酸素に結合します。濃度が低い場合、タンパク質は酸素を放出します。

その他の呼吸色素

ヘモグロビンは、すべての脊椎動物と一部の無脊椎動物に存在する呼吸色素ですが、それだけではありません。

一部の十脚甲殻類、頭足類甲殻類、軟体動物には、ヘモシアニンと呼ばれる青い色素があります。鉄の代わりに、この分子には2つの銅原子があります。

多毛類の4つの家族に、構造に鉄があり、緑色のタンパク質であるクロロクロロリン色素があります。それは、構造や機能においてヘモグロビンに似ていますが、細胞構造に限定されておらず、血漿中には存在しません。

最後に、ヘミトリトリンと呼ばれるヘモグロビンよりも酸素運搬能力がはるかに低い色素があります。それは赤色で、海洋無脊椎動物のさまざまなグループに存在します。

一般的な病気

喘息

それは気道に影響を与え、その腫れ​​を引き起こす病理です。喘息発作では、気道の周りの筋肉が炎症を起こし、システムに入ることができる空気の量が大幅に減少します。

この攻撃は、ペットの毛皮、ダニ、寒冷気候、食品中の化学物質、カビ、花粉など、アレルゲンと呼ばれる一連の物質によって引き起こされます。

肺水腫

肺水腫は、肺への体液の蓄積で構成されており、個人の呼吸を困難にします。原因は一般に、心臓が十分な血液を送り出さないうっ血性心不全に関連しています。

血管内の圧力が上昇すると、流体が肺の内部の空間に押し出され、肺内の酸素の正常な動きが減少します。

肺水腫の他の原因は、腎不全、腎臓に血液を運ぶ細い動脈の存在、心筋炎、不整脈、過度に高い身体活動、特定の薬物の使用などです。

最も一般的な症状は、息切れ、息切れ、泡や血液の吐き出し、心拍数の増加です。

肺炎

肺炎は肺の感染症であり、肺炎球菌、黄色ブドウ球菌、インフルエンザ菌、肺炎マイコプラズマ、肺炎クラミジア、ニューモシスチス・ジロベシなどの真菌などの細菌を含むさまざまな微生物によって引き起こされます。

それは歯槽腔の炎症として現れます。原因物質が空気中に拡散し、くしゃみや咳を通じて急速に拡散する可能性があるため、伝染性の高い疾患です。

この病理に最も影響を受けやすい人々には、65歳以上で健康上の問題がある個人が含まれます。症状には、発熱、悪寒、痰の咳、息切れ、息切れ、胸の痛みなどがあります。

ほとんどの症例は入院を必要とせず、この疾患は抗生物質（細菌性肺炎の場合）を経口投与、休息、飲用液で治療できます。

気管支炎

気管支炎は、感染症やその他の理由により、肺に酸素を運ぶ管の炎症過程として発生します。この病気は急性と慢性に分類されます。

症状には、全身倦怠感、粘液の咳、息切れ、胸部圧迫などがあります。

気管支炎を治療するには、アスピリンまたはアセトアミノフェンを服用して発熱を抑え、大量の水分を飲んで休憩することをお勧めします。細菌によるものであれば抗生物質を服用します。

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