なぜ人や動物は呼吸する必要があるのか? 酸素の常時供給の理由。

Your blood’s natural limit to how much oxygen it can hold means you can’t stockpile it. Lisa520/E+ via Getty Images 写真: 血液が保持できる酸素の量には自然な制限があるため、酸素を貯蔵することはできません。

公開日: 2024 年 2 月 5 日午後 1 時 30 分 (グリニッジ標準時)

[質問] テネシー、7 歳、ケンタッキー州ハートフォード、アメリカ合衆国

[答えてくれる先生] Christina S. Baer

記事を音読します。

呼吸する必要があるのは、食べる必要があるのと同じ理由です。それは、体が必要とするエネルギーを作り出すのに役立ちます。

おそらく、食べ物が体のエネルギーであることはすでに知っているでしょう。食事をすると、食べ物は胃の中で分解されて血液の流れに入ります。

picture: A plastic model of a mitochondrion. Science Museum Group Collection © The Board of Trustees of the Science Museum, CC BY-NC-SA ミトコンドリアのプラモデル。科学博物館グループのコレクション

そこから細胞に届けられます。細胞内にはミトコンドリアと呼ばれるさらに小さな構造物があり、体全体に動力を供給するエンジンです。ミトコンドリア (mitochondria) は食物からの栄養素 (nutrients) を燃料として使用します。しかし、それをエネルギーに変えるには、もう 1 つの成分、酸素 (oxygen) が必要です。

私は動物と植物を研究する生物学者です。一部の細菌や少数の小さな動物を除いて、すべての生き物は酸素を必要とします。酸素を摂取する方法がたくさんあることに驚かれるかもしれません。呼吸はそのうちの 1 つにすぎません。

肺とその内壁

息を吸うと、肺は酸素を一時的に捕捉し、酸素が肺の非常に薄い表面を通過して血液の流れに入るようにします。

A CT scan of healthy lungs. RAJAAISYA/Science Photo Library via Getty Images 健康な肺の CT スキャン。 RAJAAISYA/サイエンスフォトライブラリ

大量の酸素が必要なため、肺が機能するには多くの表面積が必要です。彼らは、毛細血管 (capillary) と呼ばれる小さな血管が並んだ何百万もの小さな気嚢を持つことによってこれを実現します。

何らかの方法で肺の毛細血管の表面積をすべて平らにすることができれば、平均的な教室の床、つまり約 1,350 平方フィート (125 平方メートル) を超える面積をカバーできることになります。

酸素を十分に摂取する

呼吸が食事と似ているのであれば、なぜ 1 日に 3 回呼吸をするだけではいけないのでしょうか?

その理由の 1 つは、地球上の空気には酸素が 21% しか含まれておらず、残りはほとんど窒素であるということです。つまり、肺一杯分に相当する酸素を得るには、5回呼吸する必要があるということです。

Your blood can carry only so much oxygen. libre de droit/iStock via Getty Images 血液が運ぶことができる酸素の量には限界があります。

また、呼吸すると、酸素の一部だけが血液の流れに入ります。人間や多くの動物は、酸素を掴んで運ぶために特殊なタンパク質を生成していますが、一度に酸素を保持できる量には限界があります。すべての細胞にパワーを供給するのに十分な量の体内の酸素レベルを維持するには、呼吸を続ける必要があります。

もちろん、息を吸ったら吐く必要もあります。あなたが吐き出すガスは二酸化炭素: carbon dioxide と呼ばれます。これはミトコンドリアのエンジンからの排気、つまりミトコンドリアが酸素と栄養素を燃焼してエネルギーを放出した後の残り物と考えることができます。

その他の動物や植物

ほとんどの生き物は肺がなくても酸素を摂取します。

多くの水生動物はえら (gill) を使用しますが、これは肺を裏返したようなものです。エラは気嚢の周りに巻き付いた毛細血管の束ではなく、水中に突き出た毛細血管の束です。肺と同じように、血管の束は水中から酸素を取り入れ、二酸化炭素を放出します。

昆虫は、建物の煙突のような、皮膚のすぐ下にある小さな気管のネットワークを通じて酸素を取り入れます。このシステムが機能するのは、昆虫が小さいため、チューブがすでに細胞に十分近くにあり、昆虫に酸素を供給できるためです。大きな昆虫は追加のエネルギーが必要なときには、筋肉を使ってチューブに空気を送り込みます。

A close-up look at the underside of this tomato leaf shows where the air goes in and out. Vojtěch Dostál, CC BY-ND このトマトの葉の裏側を拡大して見ると、空気が出入りする場所がわかります。

植物には気孔 (stomata) と呼ばれる小さな穴が葉にあります。植物が必要なときに開閉して空気を取り込みます。植物の根も酸素を必要とし、通常は土壌から酸素を得ます。

植物は人間とは逆で、二酸化炭素を吸い込み、酸素を吐き出す、ということを聞いたことがあるかもしれません。それは真実です。なぜなら、二酸化炭素は光合成: photosynthesis（植物が独自の砂糖燃料を作るために使用するプロセス）の重要な成分であり、酸素は副産物だからです。しかし、植物のミトコンドリアも、人間と同じように、エネルギーを生成するために酸素を必要とします。

ほとんどの動物や植物は人間と同じようには呼吸をしませんが、十分な酸素を得る方法を持っています。生物が同じ問題をさまざまな方法でどのように解決するかを学ぶことは、生物学で私が好きなことの 1 つです。

この記事は、クリエイティブコモンズライセンス(CCL)の下で The Conversation と各著作者からの承認に基づき再発行されています。日本語訳は archive4kids の翻訳責任で行われています。オリジナルの記事を読めます。original article.