高校受験の理科 呼吸と肺—肺胞と血液の気体の移動を図から説明できるようにする｜武蔵野個別指導塾

吸う息にも二酸化炭素があることを出発点に、肺胞での気体交換と横隔膜の動きを図や自作問題でたどる呼吸と肺です。

よくあるのは、中学生が吸う息には二酸化炭素が含まれないと思い、吐く息に含まれる量をそのまま体から出た量とする場面です。息に含まれる割合と、体で増減した分は別です。肺を出入りする空気と肺胞のまわりを流れる血液を区別すると、その差を追えます。ここでは人の肺での気体交換と呼吸運動を扱い、植物の呼吸は扱いません。

呼吸の問題で注目する場所

出方の1つは、吸う息と吐く息の酸素や二酸化炭素の割合を表で比べる問題です。どちらにも含まれる気体について、増えたか減ったかを読み取ります。割合の差を使う計算では、比べる空気の体積が等しいか、問題に与えられた条件を先に確かめます。

2つ目は、肺胞と毛細血管を描いた図に気体の移動方向を書き入れる問題です。肺胞内の空気から血液へ進む酸素と、血液から肺胞内へ進む二酸化炭素を、別々の矢印で表します。矢印の先を逆にすると、語を覚えていても説明が反対になります。

3つ目は、息を吸うときの肋骨や横隔膜の動きと、胸の内部の空間の変化を結ぶ問題です。空気が入った結果として胸が広がるのではなく、筋肉の働きで胸の空間が広がり、空気が肺に入る順序を押さえます。図に上下の向きが示されていない場合は、横隔膜が肺の下側にあることから図の向きを確かめましょう。

肺胞をはさんだ二つの流れ

吸い込まれた空気は気管から左右の気管支へ進み、さらに枝分かれした先の肺胞に届きます。肺胞は小さな袋状の部分で、そのまわりを毛細血管が網のように取り巻いています。肺胞の壁と毛細血管の壁は薄く、そこで空気と血液の間の気体交換が行われます。多数の肺胞があることで、気体を交換する表面積が大きくなります。

図1のように、酸素は肺胞内の空気から血液へ移り、二酸化炭素は血液から肺胞内の空気へ移ります。2種類の気体は反対向きです。肺胞の中を血液が流れるのではなく、肺胞の外側の毛細血管を血液が流れます。図は位置関係を単純にした模式図で、実際の大きさや個数を表していません。

図1では矢印の始点と終点を言葉でも確認します。酸素の始点は肺胞内、終点は血液です。二酸化炭素の始点は血液、終点は肺胞内です。血液は受け取った酸素を体の各部へ運び、各部から二酸化炭素を受け取ります。細胞では養分を酸素を使って分解し、生命活動に必要なエネルギーを取り出す際に二酸化炭素が生じます。呼吸という語は、この細胞での働きと、空気を吸ったり吐いたりする運動の両方を指すことがあるので、問題が尋ねる場所を見分けます。

肺そのものが筋肉でふくらむわけではありません。息を吸うときは肋骨が持ち上がり、横隔膜が収縮して下がります。胸の内部の空間が広がり、肺も広がって空気が入ります。息を吐くときは横隔膜がゆるんで上がり、肋骨が下がり、胸の空間が小さくなって空気が出ます。安静時の基本的な動きとして、この順番を押さえます。

基本例題：割合の差を体積に直す

次の値は計算のために決めた条件で、実測記録ではありません。吸う息と吐く息をそれぞれ1000 mLずつ集めたところ、酸素の割合は吸う息で20%、吐く息で16%、二酸化炭素の割合は吸う息で1%、吐く息で4%とします。空気の体積は比較の前後で等しいものとします。酸素の減少量と二酸化炭素の増加量を、それぞれ整数の mL で求めてください。

図2のように、同じ体積の中で各気体が占める部分を比べます。割合は全体に対する比なので、まず各気体の体積に直します。100%を1000 mLとすることが、この計算の条件です。

吸う息の酸素は 1000 × 20 ÷ 100 = 200 mL です。 吐く息の酸素は 1000 × 16 ÷ 100 = 160 mL です。 酸素の減少量は 200 − 160 = 40 mL です。 吸う息の二酸化炭素は 1000 × 1 ÷ 100 = 10 mL です。 吐く息の二酸化炭素は 1000 × 4 ÷ 100 = 40 mL です。 二酸化炭素の増加量は 40 − 10 = 30 mL です。

答えは酸素が40 mL減少、二酸化炭素が30 mL増加です。吸う息の二酸化炭素も10 mLあるため、吐く息の40 mLを増加量とはできません。図2の各割合を差し引いてから、1000 mLにかけても同じ答えになります。酸素は4%、二酸化炭素は3%の差です。

答えを元の場面に戻します。酸素は200 mLから40 mL減って160 mL、二酸化炭素は10 mLに30 mL加わって40 mLです。それぞれ1000 mLの16%、4%に戻るので、表の条件と合います。なお、この問題の数値は計算しやすく設定したもので、いつでもこの割合や差になるという意味ではありません。

条件が変わるときの分かれ目

別の自作問題です。ある人が吸う息を500 mL、吐く息を400 mL集めました。酸素の割合は吸う息が20%、吐く息が15%です。集めた2つの空気に含まれる酸素の体積の差を、整数の mL で求めてください。また、この差から直ちに、体内に取り込まれた酸素量を求められるか答えてください。値は問題の条件であり、測定の一般的な結果を示すものではありません。

吸う息に含まれる酸素は 500 × 20 ÷ 100 = 100 mL です。吐く息では 400 × 15 ÷ 100 = 60 mL です。集めた試料の酸素の体積の差は 100 − 60 = 40 mL です。逆に、60 mLに40 mLを足すと100 mLとなり、それぞれの体積と割合から得た値に戻ります。

ただし、この差を直ちに体内へ取り込まれた量とはできません。集めた吸う息と吐く息の体積が異なり、それらが対応する呼吸全体を過不足なく表すという条件もないからです。吸う息と吐く息を等しい体積で比べた基本例題とは、結論に使える条件が違います。割合の差5%に500 mLをかけて25 mLとする計算も、吐く息の400 mLを無視しているので、この試料の差には使えません。

問題の資料が不足するときは、数字を補って答えを決めず、何が不足しているかを書きます。逆に、同じ体積で比較し、気体の増減をその条件下の量として尋ねられたなら、各割合を体積に直して差を求められます。まず試料の体積、次に割合、最後に問われた差の意味を見ると、計算と結論を取り違えにくくなります。

矢印と差を直す

誤答の例は「吸う息には二酸化炭素がないので、吐く息にある二酸化炭素はすべて体から出た分です」です。基本例題では吸う息にも二酸化炭素が含まれるという条件でした。吐く息の40 mLと吸う息の10 mLを比べ、増加分を30 mLと直します。吸う息の量を0と置くと、問題が与えた値を消してしまいます。

もう1つの誤答は、二酸化炭素の矢印を肺胞から血液へ向けることです。図3のように、肺胞のまわりを流れる血液から肺胞内へ向け直します。肺胞内に移った二酸化炭素は、吐く息に含まれて体外へ出ます。酸素は反対向きなので、2本の矢印を同じ向きに並べないようにします。

図3の誤った向きは、肺胞内から血液への移動を示してしまいます。答えを書く前に「どこから」「どこへ」を声に出して矢印の両端へ置くと、線の向きを点検できます。また、息を吸う図で横隔膜を上げてしまった場合は、胸の空間が広がるかどうかまでたどります。上がると空間は小さくなるため、吸うときの説明と合いません。

自分で確かめる4問

以下の値は自作問題の条件です。気体の量は指定された試料について考え、実測値として扱いません。

1. 吸う息と吐く息をそれぞれ2000 mL集め、二酸化炭素の割合をそれぞれ0.5%、3%とします。空気の体積は等しいものとして、二酸化炭素の増加量を整数の mL で求めてください。
2. 肺胞の周囲を流れる血液と肺胞内の空気との間で、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。2種類とも始点と終点を言葉で答えてください。
3. 安静時に息を吸うとき、横隔膜の上下と胸の空間の大小はどう変わりますか。順序がわかる1文で答えてください。
4. 吸う息600 mLと吐く息300 mLを別々に集め、酸素の割合をそれぞれ25%、10%とします。2つの試料に含まれる酸素の体積の差を整数の mL で求め、その差を直ちに体内に取り込まれた量とできるか、理由とともに答えてください。2つの試料が対応する呼吸全体を表すという条件はありません。

解答と点検

1. 吸う息には 2000 × 0.5 ÷ 100 = 10 mL、吐く息には 2000 × 3 ÷ 100 = 60 mL の二酸化炭素が含まれます。増加量は 60 − 10 = 50 mL です。10 mLに50 mLを足すと60 mLに戻り、吐く息の3%と一致します。60 mLをそのまま増加量としないことがポイントです。

2. 酸素は肺胞内の空気から血液へ、二酸化炭素は血液から肺胞内の空気へ移ります。酸素が血液に渡り、二酸化炭素が吐く空気に移ると考えて、各矢印の始点と終点を元の問いに戻して点検します。肺胞と血液をひとまとめにせず、境界の両側を示すことが必要です。

3. 横隔膜が収縮して下がり、胸の空間が広がります。肺も広がって空気が入ります。下がった横隔膜と持ち上がった肋骨に囲まれる空間を想像すると、吸うときに空間が広がるという条件と合います。吐くときの上昇と混同していないかも確かめます。

4. 吸う息の酸素は 600 × 25 ÷ 100 = 150 mL、吐く息の酸素は 300 × 10 ÷ 100 = 30 mL です。差は 150 − 30 = 120 mL です。30 mLに120 mLを足すと150 mLとなり、与えられた試料の酸素量に戻ります。ただし、試料の体積が異なり、対応する呼吸全体を表す条件もないため、この差を直ちに体内に取り込まれた量とはできません。

覚えておきたいこと

• 肺胞と毛細血管の間で酸素と二酸化炭素が反対向きに移動します。
• 吸う息にも二酸化炭素があり、増加量は前後の差で考えます。
• 吸うときは横隔膜が下がり、胸の空間が広がります。
• 割合の計算では試料の体積と、差が何を表すかを確かめます。

説明が止まった場所を見つける

お子さまが図を見て「酸素が動く」と言えても、始点と終点が曖昧なら、肺胞の内側と毛細血管を指さしてから矢印を描く練習が役立ちます。両方向を正しく描ける場合は、吐く息に二酸化炭素が増える理由を矢印につなげて話せるか確かめます。

個別指導では、割合から体積を求める段階と、前後の差を解釈する段階を分けて確認できます。計算が合っていても、体積の異なる試料の差を取り込み量と言い切った場合は、どの条件が足りないかを問い直します。肺胞の境界をまたぐ矢印と、表の前後差を対応させると、息の変化を筋道立てて説明できます。

計算を始める前に、表に並ぶ数字が割合なのか体積なのかを確かめることも有効です。割合が同じでも、集めた空気の体積が異なれば含まれる気体の体積は異なります。反対に、気体の体積が同じでも、空気全体の体積が異なれば割合は異なります。数値の右に%または mL を書き添え、何を割り、何をかけるのかを言葉で説明してみましょう。

横隔膜の問題でも、図の形を丸暗記するだけでは上下が逆になりがちです。肺の下にある仕切りが下がると、胸の内側の空間が広がります。そこから肺の広がりと空気の流入まで順につなげて説明できるかを見ると、形と働きを結び付けられているかを確かめられます。図が断面で描かれているときは、紙の上の左右を吸気と呼気の順番と決めつけず、添えられた条件を読みます。

二酸化炭素が増える理由を問われた場合は、肺が二酸化炭素を作ると書かないよう注意します。体の細胞で生じた二酸化炭素が血液によって肺へ運ばれ、肺胞に移るからです。同じように、肺胞に入った酸素がその場でなくなるのではなく、血液に移って体の各部へ運ばれることまで説明すると、2種類の気体の移動がつながります。

割合の表を読むときは、酸素が減ったことと、二酸化炭素が増えたことをそれぞれ別に説明します。2つの増減量が必ず等しいと決める条件はありません。問題にない値を補わず、示された資料から言える範囲で答える習慣をつけましょう。