呼吸ガス調節と酸塩基平衡

動物が体液中の酸素、二酸化炭素、pHをどのように感知し安定させるか、そして換気とイオン交換を調整して内部の化学的状態を厳密な範囲内に保つ方法。

Definition

呼吸ガス調節とは、換気と灌流の調整を通じて体液中の酸素と二酸化炭素の分圧をホメオスタティックに制御することであり、酸塩基平衡とは、緩衝作用と、二酸化炭素および重炭酸の呼吸器系および排泄系による調節によって、体液のpHを狭い範囲内に維持することである。

Scope

このトピックでは、血液ガスと酸塩基状態の調節について扱います。酸素、二酸化炭素、pHを監視する化学受容器、換気の反射的制御、および水生呼吸動物における鰓機能の制御、重炭酸緩衝系とその記述、呼吸器系および腎臓または鰓による酸塩基障害の代償についてです。これらの制御が空気呼吸動物と水生呼吸動物でどのように異なるかについても扱います。内容は臨床的なものではなく、比較およびメカニズムに焦点を当てています。

Core questions

• 動物は体液中の酸素、二酸化炭素、pHをどのように感知するのか？
• 血液ガスを狭い範囲内に保つために換気はどのように調整されるのか？
• なぜ二酸化炭素は酸塩基平衡にとってこれほど重要なのか？
• 空気呼吸動物と水生呼吸動物ではpH調節にどのような違いがあるのか？

Key theories

化学受容器による換気制御

末梢および中枢の化学受容器は酸素、二酸化炭素、pHを監視し、呼吸の反射的変化を駆動します。これにより、二酸化炭素または酸性度が増加したり、酸素が減少したりすると換気が増加し、血液ガスが安定化されます。

重炭酸緩衝液と呼吸・代謝相互作用

二酸化炭素-重炭酸系は体液のpHを緩衝し、二酸化炭素は揮発性であるため、pHは換気によって迅速に、そして腎臓や鰓を介した重炭酸の調整によってよりゆっくりと調節することができます。

Mechanisms

化学受容器は酸素、二酸化炭素、pHの逸脱を検出し、呼吸の速度と深さを調整する反射中枢に情報を送ります。水生呼吸動物では鰓の換気速度も調整されます。二酸化炭素は炭酸を形成するため、換気を変えることで体液のpHが急速に変化します。過換気は二酸化炭素を低下させpHを上昇させ、低換気はその逆の効果をもたらします。重炭酸緩衝系は、pH、二酸化炭素、重炭酸の関係によって支配され、酸と塩基の負荷を吸収します。一方、空気呼吸動物では腎臓による、水生呼吸動物では鰓を介したイオン交換による重炭酸のより緩やかな調整が、持続的な障害を代償します。冷水は多くの二酸化炭素を保持するため、水生呼吸動物は血中二酸化炭素濃度が低く、pH制御において換気よりも重炭酸とイオン輸送に多く依存しています。

Clinical relevance

ガスおよび酸塩基調節の比較生理学は、運動、高地、潜水、環境低酸素症に対する反応を明確にし、血液ガスおよびpH測定の解釈の枠組みを提供します。この項目は教育的な参考資料であり、医学的な助言を提供するものではありません。

History

ホールデンによる二酸化炭素による呼吸調節の研究、ヘンダーソンとハッセルバルヒによる重炭酸緩衝液の定量的処理は、血液ガスとpHの制御を確立し、ヘイマンスによる動脈化学受容器の発見はセンサーを特定しました。比較生理学はこれらの考えを空気呼吸動物と水生呼吸動物の対照的な戦略に拡張しました。

Key figures

• John Scott Haldane
• Lawrence Henderson
• Karl Hasselbalch
• Corneille Heymans

Seminal works

• westsd2012
• hill2016
• randall2002

Frequently asked questions

なぜ呼吸は血液のpHをこれほど迅速に制御するのですか？

二酸化炭素は血液中で酸を形成するため、呼吸の速さを変えることで二酸化炭素が急速に増減し、その結果、pHが数秒から数分で変化します。

魚は哺乳類と同じように酸塩基平衡を調節しますか？

完全に同じではありません。水は二酸化炭素を容易に運び去るため、魚は換気を変えることにあまり依存せず、鰓を介して酸と塩基のイオンを交換することでpHを制御することに多く依存しています。