中学受験 理科 呼吸のしくみ—肺と血液の間の気体の交換を図の矢印で追う｜武蔵野個別指導塾

吸う息と吐く息を比べ、肺胞と血液の間で酸素と二酸化炭素が動く向きをたどって呼吸を読み解きます。

人は息を吸って酸素を取り入れ、吐く息とともに二酸化炭素を体の外へ出します。肺（はい）では、空気と血液の間で気体が交換されます。

よくあるのは、吸う息には二酸化炭素がないと考えてしまう小6の場面です。吐く息に二酸化炭素が増えることと、吸う息に少しも含まれないことは別です。どちらにも酸素と二酸化炭素が含まれると押さえてから、量の変化と移動の向きを見ていきましょう。

呼吸の問題で見たい場所

問題の型には、吸う息と吐く息に含まれる気体を比較するものがあります。酸素が減るか、二酸化炭素が増えるかを、同じ気体どうしで比べます。変化の向きを答える問題と、観察した結果から気体を見分ける問題では、問われていることが違います。

次の型は、肺の細かいつくりと血液の間の矢印を読むものです。空気が通る道と、血液が流れる道を混ぜず、酸素と二酸化炭素の矢印をそれぞれ追います。肺に入った空気がそのまま血液になるわけではありません。

もう一つは、息を吸うときと吐くときの胸の中の変化を対応させる型です。横隔膜（おうかくまく）の上下、胸の中の広さ、空気の出入りを一組にして考えます。図の一部分だけを覚えるより、どの動きから次の変化が起きるかを順にたどると取り違えにくくなります。

空気の道と気体の受け渡し

鼻や口から入った空気は、気管（きかん）を通って肺へ向かいます。気管は枝分かれし、その先に肺胞（はいほう）という小さな袋がたくさんあります。肺胞のまわりには細い血管があり、肺胞の中の空気と血液との間で気体がやり取りされます。

図1の矢印は気体の移動を表します。酸素は肺胞の空気から血液へ、二酸化炭素は血液から肺胞の空気へ移ります。酸素を受け取った血液は体の各部へ運ばれ、各部で使われます。体の各部で生じた二酸化炭素は血液によって肺へ運ばれます。

図1では肺胞のまわりの血管を簡単に描いています。矢印の始点と終点に指を置き、同じ道を両方の気体が同じ向きに進む図ではないことを確かめます。気管は空気の通り道であり、肺胞は血液との気体の交換が行われる場所です。

吸う息にも吐く息にも、酸素と二酸化炭素は含まれます。ただし、ふつうは吸う息に比べて吐く息の酸素は少なく、二酸化炭素は多くなります。息のすべてが酸素に変わったり、二酸化炭素になったりするのではありません。割合の数字を覚えるより、何と何を比べたかを明らかにすることが先です。

胸の下には、胸と腹の間を仕切る横隔膜があります。息を吸うとき、横隔膜は下がり、胸の中が広がって空気が肺に入ります。息を吐くときは横隔膜が上がり、胸の中がせまくなって空気が出ます。肺が空気の通路につながっていることも、胸の中の変化と合わせて考えます。

肺胞の壁と、その周囲の細い血管の壁をへだてて気体が移るため、空気の流れと血液の流れは別のものとして描きます。図の線が交差していても、それが管の接続を意味するとは限りません。説明の矢印に付いた気体の名前を読み、線が示す意味を確かめます。

息を吸うことと、体が酸素を使うことも区別します。吸う動作は空気を肺へ運び、肺胞で酸素が血液に渡されます。その後、血液が酸素を体の各部へ運びます。体の各部から肺へ戻ってきた血液には二酸化炭素が運ばれており、肺胞に移ったものが吐く息に加わります。順番を抜かすと、体のどこで何が起きたかを説明しにくくなります。

記録から吸う息と吐く息を見分ける

次の表は、気体の変化を調べるために用意した自作の記録です。吸う前の空気と吐いた息を同じ条件で集め、それぞれに酸素と二酸化炭素が含まれる割合を調べました。表の値はこの問題の与件であり、いつでもこの値になるという意味ではありません。

問題は、AとBのうち吐いた息はどちらか、酸素と二酸化炭素の割合はそれぞれ何ポイント変化したかを答えるものです。差は整数で答えます。割合どうしの差は、もとの割合に対する増減の割合と区別して、ポイントと表します。

図2のように同じ気体の欄を横に比べると、酸素はAからBで減り、二酸化炭素は増えています。人の肺での交換に合うのは、Aが吸う前の空気、Bが吐いた息という組み合わせです。

図2の数と表の数を照合し、次の順に差を求めます。

酸素の差: 20 − 16 = 4ポイント

二酸化炭素の差: 5 − 1 = 4ポイント

答えはB、酸素は4ポイント減り、二酸化炭素は4ポイント増えた、です。どちらも4という数ですが、変化の向きは逆です。数だけを答えると、どの気体が増えたかを伝えられません。

表には窒素など、ほかの気体の割合が書かれていません。酸素と二酸化炭素の数字を足して100%にならないことから、表が間違いだとはいえません。また、Aの二酸化炭素は1%なので、吸う前の空気に二酸化炭素がないという答えは表とも合いません。記録を読むときは、書かれていないものを勝手にゼロにしないようにします。

条件がそろうとき、そろわないとき

別の自作問題です。同じ量のうすい石灰水を入れた2本の容器に、同じ量の気体をそれぞれ通しました。Cには吸う前の空気、Dには吐いた息を通し、Dのほうが白くにごりました。この実験では、二酸化炭素が石灰水に入ると白くにごる性質を利用します。Cにも少しにごりが見られました。

問題は、Dでにごりが強かった理由と、Cのにごりから言えることをそれぞれ文章で答えるものです。答えは、DにはCより多くの二酸化炭素が含まれていたと考えられること、Cにも二酸化炭素が含まれていたことです。Cがにごった事実を見落とさなければ、吸う前の空気に二酸化炭素がないとは答えません。

ここでの分かれ目は、気体の量や石灰水の条件をそろえたかどうかです。量が違えば、もともとの気体に含まれる割合が違うためなのか、通した気体の量が違うためなのか、にごりの差の理由を決めにくくなります。条件がそろわない記録から、すぐに含まれる割合の大小を断定しないことも解答の一部です。

石灰水のにごりは二酸化炭素を調べる手がかりです。この結果だけで酸素の割合を数字で求めることはできません。問いが酸素についてであれば、酸素を調べた別の記録を探します。何を示す実験かを確認してから、結果と結論をつなぎましょう。

この問題で、CとDに通す量が同じでも、石灰水の量が違っていたらどうでしょうか。にごり方には石灰水の条件も関わるため、気体の違いだけを原因として比べるには不十分です。比べたいもの以外の条件をそろえる理由は、結果の差をどの条件と結び付けるかを明確にするためです。

また、Cがにごらなかったという別の記録があっても、それだけから二酸化炭素が全くないと決めることはできません。少量では変化が見分けにくい場合も考えられるからです。観察できたことと、そこから言えることを分け、測り方や条件を確かめます。実験の記録にない数字を補って答えを作らないようにしましょう。

矢印と比較で起こる間違い

「二酸化炭素は吐く息に多いので、肺胞から血液へ入る」と答える間違いを考えます。吐く息に多いという結果と、肺での移動の向きを逆につないだことが原因です。図3で、二酸化炭素を運んできた血液から出発し、肺胞、気管、体の外へと順に指で追います。

図3のように、肺胞へ移った二酸化炭素は、吐く息とともに外へ出ます。酸素については反対に、吸った空気から肺胞を通り血液へ進みます。矢印を書く前に「どこから」「どこへ」を声に出すと、二つの気体を入れ替えにくくなります。

もう一つの誤答は「吐く息には酸素がない」です。酸素が減るという比較を、残りがないという意味に変えてしまっています。直すには、吸う息と吐く息の同じ欄を見て、まず両方に数があるかを確認し、その後に大小を読みます。数が示されない問題でも、減ることとゼロになることを分けて説明します。

横隔膜の問題では、吸うときに胸が広がることだけを覚え、横隔膜も上がると答えることがあります。胸の底が下がると内部が広がる図を描き、空気が入る向きまで矢印をつなぎ直します。吐くときはその逆の組み合わせになるか、図を見て確認します。

図の空気の道をたどるときに、気管と血管を同じものと考える誤りもあります。気管は肺につながる空気の道で、血管は血液の道です。二つの道が肺胞の近くで接していても、空気が血管の中を流れる図として読まないようにします。どちらの道をたどるかを先に決めると、交換の場所も見つけやすくなります。

表の差を求めるときは、数の大きいほうから小さいほうを引くだけで終わらず、はじめと終わりのどちらが大きいかに戻ります。引き算の答えが同じでも、酸素と二酸化炭素では増減の向きが違うことがあります。答えに気体の名前、数、増えたか減ったかを添える習慣をつけましょう。

問題文に測定値があるときは、まず単位と対象を確かめます。息の全体の量なのか、含まれる割合なのかを区別すると、同じ数字でも何を示すのかがはっきりします。記録から読める範囲を越えずに答えることも大切です。

自分で確かめる4問

問題

1. 自作の記録では、吸う前の空気の酸素は21%、吐いた息の酸素は17%でした。酸素の割合は何ポイント減りましたか。整数で答えます。

2. 吸う前の空気と吐いた息を比べる説明として正しいものを1つ選び、理由を書きます。ア「吸う前の空気には二酸化炭素が含まれない」、イ「吐いた息にも酸素が含まれる」、ウ「吐いた息は酸素だけでできている」。

3. 肺胞の空気とそのまわりの血液の間で、酸素と二酸化炭素はそれぞれどちらからどちらへ移りますか。気体ごとに文章で答えます。

4. 息を吐くとき、横隔膜は上がるか下がるか。また、胸の中は広がるかせまくなるか。組み合わせて答えます。

答えと解き方

1. 4ポイントです。21 − 17 = 4 と、同じ酸素の割合の差を求めます。この記録での差であり、どの人の呼吸でも同じ差になるということではありません。17%が残っているので、酸素が全部なくなったという意味でもありません。

2. イです。吸った空気の酸素の一部は肺で血液に移りますが、吐く息にも酸素が残ります。アは吸う前の空気にも二酸化炭素が含まれるため誤りです。ウは吐く息には酸素のほか二酸化炭素なども含まれるため誤りです。増えた、減ったという比較と、含まれる、含まれないという区別を別々に考えます。

3. 酸素は肺胞の空気から血液へ、二酸化炭素は血液から肺胞の空気へ移ります。酸素は体の各部へ運ばれ、二酸化炭素は肺から体の外へ出ます。両方とも血液へ向かう矢印にしていないか、始点を確認します。

4. 横隔膜は上がり、胸の中はせまくなります。胸の中がせまくなると、肺の空気は外へ出ます。吸うときは横隔膜が下がって胸の中が広がり、空気が入る組み合わせです。どちらの場面を聞かれたかを確かめて答えます。

覚えておきたい道順

吸う息にも吐く息にも酸素と二酸化炭素が含まれます。
肺胞では酸素が血液へ、二酸化炭素が血液から空気へ移ります。
吸うときは横隔膜が下がり、吐くときは上がります。

家で見守るとき

お子さまが「吸う息には二酸化炭素がない」と答えたら、すぐに正答を言う前に、表の二酸化炭素の欄を指してもらいます。両方の数が読めるのに間違えたなら、次に「多いことと、もう一方にないことは同じかな」と尋ねてください。比べる相手を取り違えている場合は、同じ気体の行を先にたどります。

矢印で迷うときは、肺胞と血液のどちらから出発するかだけを尋ねます。答えを急がず、吸った空気から酸素が血液に入る道、血液から二酸化炭素が出る道の順に戻ります。横隔膜の問題なら、胸の底が下がる図から空気の動きまでをお子さま自身の言葉でつなぎます。図に指を置いて道をたどれば、言葉の暗記で止まっている場所が見えてきます。