一分間に吸い込む空気の合計が同じなら、肺での気体交換に関わる新しい空気の量も同じでしょうか。深めの呼吸を少ない回数する場合と、浅い呼吸を多く繰り返す場合では、同じ合計でも違いが生じます。空気が通る道の中に残る分を考えるためです。
ここでは呼吸のよしあしを判断したり、呼吸法を勧めたりするのではなく、体のしくみを表す簡単な模型を読みます。中学入試で専門用語が出ても、その定義が与えられていれば、引き算と掛け算を順に行うことで考えられます。
口から入った量と、肺胞へ届く新しい量
鼻や口から入った空気は、気管などを通って肺へ向かいます。気管のような通路は空気を運びますが、その場所自体が肺胞と同じように気体交換をしているわけではありません。気体交換に直接関わらない通路の体積を、今回の模型では死腔の体積と呼びます。
一回に500mLの空気を吸い、通路の分を150mLとすると、肺胞へ届く新しい空気は500－150＝350mLと見積もります。吸った量から通路分を一回ごとに引くことが、今回の計算の中心です。150mLは空気が永久に封じ込められる袋の量ではありません。
一分間の合計へ直す順番
一回量に呼吸数を掛けた値が、一分間に出入りする全体の換気量です。一方、肺胞へ届く新しい空気の量を求める模型では、「一回量－死腔の体積」に呼吸数を掛けます。引く前と引いた後で、何の量かが違います。
たとえば500mLを12回なら、全体は6000mL/分です。死腔150mLを一回ごとに考えると、350×12＝4200mL/分になります。6000から150を一回だけ引くと、一分間に12回通路分を出入りする条件を落としてしまいます。
例題1：一分間の吸気量が同じ二人の模型
模型Aは一回500mLを一分間に12回、模型Bは一回300mLを一分間に20回呼吸します。両方とも死腔の体積を150mLとし、ほかの条件は同じです。一分間の全体の換気量と、肺胞へ届く新しい空気の量をそれぞれ求めてください。
答え・解説： 全体はAが500×12＝6000mL、Bも300×20＝6000mLです。一方、肺胞へ届く量はAが（500－150）×12＝4200mL、Bは（300－150）×20＝3000mLです。差は1200mL/分になります。
回数の多いBの方が、今回の条件では肺胞へ届く新しい空気が少なくなります。一回ごとに通路分を考えるためです。ただし、この架空の比較だけで、実在の人の健康や運動能力を判定することはできません。求めたのは指定した模型の量です。
回数を二倍にする前に、一回分を確かめる
呼吸数だけのグラフを見ても、換気量は決まりません。一回に吸う量が同時に変わることがあるからです。心臓でも一回に送り出す血液量と心拍数を掛けますが、呼吸ではさらに通路分を区別する場合があります。
「速くなった」「多くなった」と説明するときは、回数なのか、空気の体積なのか、血液へ渡った酸素量なのかを明示します。同じ増加という言葉でも、測っている量は違います。表の見出しを答案の言葉に残すようにしてください。
例題2：目標の換気量から一回量を求める
同じ模型で、肺胞へ届く新しい空気を一分間に4800mLにしたいとします。呼吸数は一分間16回、死腔は一回150mLです。一回に吸う空気の量を求めなさい。これは計算上の設定で、実際の呼吸の指導値ではありません。
答え・解説： 一回に肺胞へ届く新しい空気は4800÷16＝300mLです。これに通路の150mLを戻し、300＋150＝450mLが一回量です。全体の換気量は450×16＝7200mL/分になります。
逆算で300mLを答えてしまうと、求めたのが一回量ではなく、通路分を引いた後の量になっています。順算で確かめると（450－150）×16＝4800です。一回分へ戻す割り算と、通路分を戻す足し算を別の行に書きます。
肺が毎回空になるわけではない
息を吐いても肺の中には空気が残ります。今回の計算は、その残る空気を全部取り出して入れ替える模型ではありません。肺胞に新たに届く空気の量を考えているのであり、肺全体の体積や肺活量とは別です。
さらに、肺胞へ空気が届いたことと、酸素がどれだけ血液へ移ったかも同じではありません。血液の流れや気体交換の条件が関係します。空気の体積4200mLという答えを、酸素4200mL吸収したという意味へ言い換えてはいけません。
模型が使える範囲を読む
死腔の体積を一定にすることや、一回量から引くだけで新しい空気の到達を表すことは、計算のための単純化です。一回量が死腔より小さい条件へ、この式を機械的に延ばして負の換気量を出すのは適切ではありません。模型の前提から外れていないか確認します。
図には「外から入る」「通路に対応する」「肺胞へ新しく届く」の三つを書き、回数はその外に置きましょう。臓器の名前を覚える学習と、資料の中の量を区別する学習をつなぐことで、人体の計算も意味を持って扱えるようになります。