衛生管理者 労働生理 問66：呼吸

誤りはウです。肺胞でのガス交換（外呼吸）も組織でのガス交換（内呼吸）も、O₂とCO₂は分圧差による単純拡散で移動します。ATPを消費する能動輸送ではありません。濃度（分圧）が高い側から低い側へ自然に拡散します。肺胞ではO₂分圧が血液より高いためO₂が血液に入り、CO₂は血液より肺胞の分圧が低いためCO₂が血液から肺胞へ出ます。

その他の選択肢は正しい内容です。外呼吸=肺胞と血液間のガス交換（ア）。内呼吸=組織と血液間のガス交換（イ）。COがヘモグロビンに高親和性で結合し酸素運搬を障害する（エ）。安静時の呼吸数・1回換気量・分時換気量の数値（オ）はすべて正確です。

各選択肢の正誤と根拠:

• ア（正）: 外呼吸（肺呼吸）は肺胞腔と肺毛細血管の間で行われます。肺胞のPO₂（約100 mmHg）> 肺毛細血管血液のPO₂（混合静脈血: 約40 mmHg）→O₂が血液に拡散。血液のPCO₂（約46 mmHg）> 肺胞のPCO₂（約40 mmHg）→CO₂が肺胞に拡散。薄い肺胞膜（厚さ0.3〜0.5μm）と広大な肺胞面積（約70m²）が効率的なガス交換を可能にします。
• イ（正）: 内呼吸（組織呼吸）は組織毛細血管と細胞の間で行われます。組織PO₂（約20〜40 mmHg）< 動脈血PO₂（約100 mmHg）→O₂が細胞へ拡散。細胞内のPCO₂（高い）→組織毛細血管のPCO₂→拡散。「内呼吸」は細胞でのエネルギー産生（ミトコンドリアの酸化的リン酸化）を指す場合もありますが、ガス交換の文脈では「組織-血液間のガス交換」を指します。
• ウ（誤）: ガス交換は単純拡散（受動輸送）によって行われます。分圧差（濃度差）を駆動力として、高圧側から低圧側へ自然に移動するため、エネルギー（ATP）は不要です。拡散の速度はFickの拡散法則（拡散速度 ∝ 分圧差 × 拡散面積 × 拡散係数 / 膜厚さ）で規定されます。「能動輸送・ATP消費」という記述は完全に誤りです。
• エ（正）: 一酸化炭素（CO）のヘモグロビンへの親和性はO₂の約200〜250倍です（一般に約250倍とされる）。CO中毒では①ヘモグロビン（Hb）がCOHb（カルボキシヘモグロビン）となりO₂輸送不能②残存する正常Hbの酸素解離曲線が左方偏位（O₂を組織に渡しにくくなる）という二重の障害が生じます。外呼吸（肺でのガス交換）は機能していても、血液のO₂輸送能が障害されている点が特徴です（「外呼吸が正常でも組織は低酸素」）。
• オ（正）: 安静時の標準値: 呼吸数15〜20回/分・1回換気量（Vt）約500mL→分時換気量（MV）= 15×500 = 7,500mL = 7.5L/分。ただし肺胞に到達する有効換気量（肺胞換気量）は死腔量（約150mL）を差し引いた約350mL×15回/分 = 5.25L/分です。

#### 1. 外呼吸・内呼吸の詳細ガス交換メカニズムとFickの法則

ガス交換はFickの拡散法則で定量的に理解できます：

拡散速度（V）= D × A × ΔP / T

• D: 気体の拡散係数（CO₂はO₂の約20倍）
• A: 拡散面積（肺胞全体で約70m²・運動時に毛細血管が開くと増加）
• ΔP: 分圧差（肺胞PO₂ - 静脈PO₂ または 静脈PCO₂ - 肺胞PCO₂）
• T: 膜厚（肺胞膜: 約0.3μm・浮腫・肺線維症では厚くなって拡散障害）

肺胞でのガス分圧（正常安静時）:

| 場所 | PO₂ (mmHg) | PCO₂ (mmHg) |

|------|-----------|-------------|

| 大気 | 159 | 0.3 |

| 肺胞気 | 100 | 40 |

| 肺静脈（動脈血） | 100 | 40 |

| 肺動脈（混合静脈血） | 40 | 46 |

| 組織（安静時） | 20〜40 | 46〜50 |

CO₂は拡散係数がO₂の約20倍あるため（水溶性が高く組織を拡散しやすい）、O₂より約20倍速く拡散します。これがPCO₂の分圧差（6 mmHg）がPO₂の分圧差（60 mmHg）より小さくても効率よくCO₂を排出できる理由です。

#### 2. 血液中のCO₂輸送形態（外呼吸・内呼吸の理解に必須）

CO₂の血液中輸送形態:

1. 重炭酸イオン（HCO₃⁻）として（約70%）: CO₂+H₂O → H₂CO₃ → H⁺+HCO₃⁻（炭酸脱水酵素=carbonic anhydrase が赤血球内で触媒）。HCO₃⁻が血漿に出て（Cl⁻が赤血球内に入る: ハンバーガーシフト）。

2. カルバミノ化合物として（約20〜23%）: CO₂がヘモグロビンのアミノ基に直接結合（カルバミノヘモグロビン）

3. 溶解型（約7%）: 血漿中にCO₂が物理的に溶解

O₂の血液中輸送形態:

1. ヘモグロビン結合型（約98〜99%）: HbO₂（オキシヘモグロビン）として

2. 溶解型（約1〜2%）: 血漿中に物理的溶解（PaO₂×0.003 mL/dL/mmHg）

#### 3. 一酸化炭素中毒の病態と職場予防

一酸化炭素（CO）中毒の詳細機序:

1. CO吸入→肺胞でのCO分圧上昇→拡散でHbに結合（O₂と競合）

2. COHb（カルボキシヘモグロビン）形成: 可逆的結合だがO₂の250倍の親和性

3. ボーア効果の逆（左方偏位）: 残存HbO₂がO₂を組織に渡しにくくなる

4. ミトコンドリアのチトクロームcオキシダーゼへのCO結合: 細胞内の電子伝達系の直接阻害（内呼吸の障害）→細胞レベルの窒息

COHb濃度と症状:

• <10%: ほぼ無症状（喫煙者は5〜10%でベースライン）
• 10〜20%: 頭痛・めまい
• 20〜40%: 意識障害・失神
• 40〜60%: 重篤な意識障害・痙攣
• >60%: 致死的

職場での予防と対応（衛生管理者の実務）:

• リスク職場: 鉄鋼・化学・鉱山・ずい道・燃焼器具使用場所
• 換気の確保（局所排気装置・全体換気）
• COアラームの設置（許容濃度: 20 ppm TWA）
• 早期発見: COHb測定（パルスCO-オキシメータ）・動脈血ガス分析
• 治療: 新鮮空気・高流量O₂（COHbの半減期: 大気では5時間→高濃度O₂で1.5時間→高圧O₂で30分）

#### 4. 衛生管理者試験での頻出論点と職場への応用

試験では「外呼吸=肺胞-血液間のガス交換・内呼吸=組織-細胞間のガス交換」「ガス交換は分圧差による単純拡散（能動輸送・ATP不要）」「CO₂の拡散係数はO₂の約20倍」「CO中毒: COがHbに250倍の親和性で結合→O₂輸送障害（外呼吸は正常・内呼吸が障害）」「安静時呼吸数15〜20回/分・1回換気量500mL・分時換気量7.5〜10L/分」が頻出です。ウの誤りは「能動輸送・ATP消費」という拡散と能動輸送の混同です。

【根拠】医学的事実（確立した呼吸生理学）。ガス交換が単純拡散（分圧差駆動）であること・Fickの拡散法則・CO₂の輸送形態・CO中毒の機序は確立した知識。

【補足】ウが誤り：ガス交換（外呼吸・内呼吸）は分圧差による単純拡散で行われる（ATPを消費する能動輸送ではない）。