循環と呼吸
動物がどのように酸素を取り込み、二酸化炭素を排出し、またポンプと血管がこれらの物質やその他の物質を体中に分配して代謝要求を満たすか。
Definition
この生理学的意味での呼吸とは、動物とその環境との間での酸素と二酸化炭素の交換、およびそれらの組織への輸送と組織からの輸送を指します。循環とは、ポンプと血管系によって血液または血リンパが大量に移動し、ガス、栄養素、老廃物、ホルモン、熱を全身に分配するプロセスです。
Scope
この分野は、ガス交換と内部輸送の比較生理学を扱います。これには、鰓、肺、気管などの呼吸表面、呼吸色素による酸素の結合と運搬、心臓と循環系の構造と機能、および酸塩基平衡を含む呼吸と血液ガスの調節が含まれます。拡散と対流の物理的原理、および水生、空中、陸生動物が進化させてきた多様な解決策にわたります。内容は臨床的というよりも、比較およびメカニズムに焦点を当てています。
Sub-topics
Core questions
- 呼吸表面は、水や空気などの異なる媒体間でガス交換を最大化するためにどのように機能するのか。
- 呼吸色素は、酸素が豊富な場所でどのように酸素を結合し、必要な場所でどのように放出するのか。
- 循環系と心臓は、異なるサイズや生活様式の動物において、血液を効率的に移動させるためにどのように組織されているのか。
- 動物はどのように血液ガスを感知・調節し、酸塩基平衡を維持しているのか。
Key theories
- 酸素の協同的結合とS字型解離曲線
- ヘモグロビンなどの呼吸色素は酸素を協同的に結合するため、S字型の解離曲線を示し、呼吸表面での効率的な結合と活動組織での放出を促進します。この曲線の位置は、二酸化炭素、pH、温度によって変化します。
- ガス輸送の対流-拡散設計
- 効果的なガス交換は、媒体と血液を薄い呼吸表面に、またそこから対流的に供給することと、その表面を介した拡散を組み合わせたものです。鰓における対向流などの配置は、拡散を促進する勾配を最大化します。
Mechanisms
ガス交換は、薄く広い面積を持つ呼吸表面を介した拡散に依存しており、この表面は外部媒体の換気と血液の灌流によって供給され続けています。鰓は水と血液の対向流を利用して拡散勾配を高く保ちます。肺は潮汐流、鳥類では一方向流を利用します。昆虫は気管を通じて酸素を組織に直接供給します。酸素は主に呼吸色素に結合して運ばれ、その協同的結合とCO2、pH、温度への感受性によって、酸素の結合と放出が調整されます。心臓は、開放型または閉鎖型循環系を通じて血液を駆動するための圧力を生成し、血管抵抗と容量が血流を分配します。呼吸と循環は、O2、CO2、pHを監視する化学受容器によって調節され、換気と心拍出量を調整し、緩衝作用とイオン交換が酸塩基平衡を維持します。
Clinical relevance
潜水哺乳類、高地種、空気呼吸魚に関する比較研究は、ヒトの心肺機能の限界を明らかにし、低酸素症、運動、呼吸器および心血管機能に関する研究に情報を提供します。この項目は教育的なものであり、医学的な助言を提供するものではありません。
History
アウグスト・クローグによる毛細血管機能とガス交換の研究、およびクリスチャン・ボーアによる二酸化炭素が酸素結合に与える影響の発見は、呼吸生理学の基礎を確立しました。シュミット＝ニールセンらは、砂漠、潜水、高地動物の驚くべき適応にこの分野を広げ、循環と呼吸を物理的制約下の設計問題として捉えました。
Key figures
- August Krogh
- Knut Schmidt-Nielsen
- Christian Bohr
- John B. West
Related topics
Seminal works
- schmidtnielsen1997
- hill2016
- westsd2012
Frequently asked questions
- 魚の鰓において対向流が重要なのはなぜですか？
- 水と血液を逆方向に流すことで、鰓表面全体に酸素勾配が維持され、両者が同じ方向に流れる場合よりもはるかに多くの酸素を血液が取り込むことができます。
- 酸素解離曲線がS字型になるのはなぜですか？
- ヘモグロビンは酸素を協同的に結合するため、1つの酸素が結合すると次の酸素が結合しやすくなります。これによりS字型の曲線が生成され、肺や鰓での完全な結合と、活動組織での容易な放出が促進されます。