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Gas exchange · ⁨ガス交換⁩

A-Level Biology · ⁨A-Level 生物⁩ · Topic 9 · ⁨トピック 9⁩

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6:58

ガス交換系

肺の内側を平らに広げると、約70平方メートルに達します——テニスコート半个分ほどの大きさです。その全体があなたの…の中に折りたたまれています。

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨英語ナレーション・英語+中文字幕 burning-in⁩

9.1

The gas exchange system · ⁨気体交換系⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
  1. describe the structure of the human gas exchange system, limited to: • lungs • trachea • bronchi • bronchioles • alveoli • capillary network
  2. describe the distribution in the gas exchange system of cartilage, ciliated epithelium, goblet cells, squamous epithelium of alveoli, smooth muscle and capillaries
  3. recognise cartilage, ciliated epithelium, goblet cells, squamous epithelium of alveoli, smooth muscle and capillaries in microscope slides, photomicrographs and electron micrographs
  4. recognise trachea, bronchi, bronchioles and alveoli in microscope slides, photomicrographs and electron micrographs and make plan diagrams of transverse sections of the walls of the trachea and bronchus
  5. describe the functions of ciliated epithelial cells, goblet cells and mucous glands in maintaining the health of the gas exchange system
  6. describe the functions in the gas exchange system of cartilage, smooth muscle, elastic fibres and squamous epithelium
  7. describe gas exchange between air in the alveoli and blood in the capillaries
日本語
  1. 人間のガス交換系の構造について説明する。対象は以下に限定する: • 肺 • 気管 • 主気管支 • 末梢気管支 • 肺胞 • 毛細血管網
  2. ガス交換系における軟骨、纤毛上皮、杯状細胞、肺胞の扁平上皮、平滑筋および毛細血管の分布について説明する
  3. 顕微鏡スライド、写真顕微鏡画像および電子顕微鏡画像から軟骨、纤毛上皮、杯状細胞、肺胞の扁平上皮、平滑筋および毛細血管を識別する
  4. 顕微鏡スライド、写真顕微鏡画像および電子顕微鏡画像から気管、主気管支、末梢気管支および肺胞を識別し、気管および主気管支の壁の横断面の平面図を描く
  5. 纤毛上皮細胞、杯状細胞および粘液腺がガス交換系の健康を維持する上で果たす役割について説明する
  6. ガス交換系における軟骨、平滑筋、弾性線維および扁平上皮の機能について説明する
  7. 肺胞内の空気と毛細血管内の血液との間のガス交換について説明する

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

Your body needs to take in oxygen and get rid of carbon dioxide. This swap happens in the gas exchange 气体交换 system. Air follows this path into the body:

  • down the trachea 气管 (the windpipe),
  • into two bronchi 支气管 (one to each lung),
  • into many smaller bronchioles 细支气管,
  • and finally into tiny air sacs called alveoli 肺泡, deep in the lungs 肺.

Each alveolus is wrapped in a network of capillaries 毛细血管, so air and blood are brought very close together.

日本語

体は酸素を取り込み、二酸化炭素を排出する必要があります。この交換は気体交換系で行われます。空気は以下の経路で体内に入ります:

  • 気管(風管)を通って下り、
  • 左右の肺へ向かう2本の主気管支に入り、
  • さらに小さな細気管支へと分岐し、
  • 最終的に肺の奥にある微細な空気嚢である肺胞に到達します。

各肺胞は毛細血管の網によって覆われており、空気と血液が非常に近接しています。

ヒトの肺と気道の解剖学的図示
数百万の肺胞にわたって気体交換が行われるヒトの肺
気道の枝分かれ図:軟骨輪を持つ気管が2本の主気管支に分かれ、さらに小さな細気管支となり、肺胞の集まりで終わる様子
空気は気管を通って主気管支や細気管支を経て肺胞へ至る
Explore · ⁨探索⁩

Explore the airways · ⁨気道を探検する⁩

Tap each part. Air branches from the trachea down to the tiny alveoli, where gas exchange happens. · ⁨各部分をクリックしてください。空気は気管から微小な肺胞まで枝分かれし、そこでガス交換が行われます。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
lungs/lʌŋz/ 肺
capillary/kəˈpɪləri/ 毛細血管
cartilage/ˈkɑːtɪlɪdʒ/ 軟骨
9.1

The tissues of the airways and what they do · ⁨気道组织及其功能⁩

English
Tissue Where it is Function
cartilage 软骨 C-shaped rings in the trachea and bronchi holds the airway open so it cannot collapse when you breathe in
ciliated epithelium 纤毛上皮 lining the trachea and bronchi tiny hairs called cilia 纤毛 beat to sweep mucus 黏液 up towards the throat, away from the lungs
goblet cells 杯状细胞 and mucous glands 黏液腺 in the lining of the airways make the mucus, which traps dust and microbes 微生物 that you breathe in
smooth muscle 平滑肌 in the walls of bronchi and bronchioles contracts to make the airway narrower
elastic fibres 弹性纤维 in the airway and alveolus walls stretch when you breathe in, then spring back to help push air out
squamous epithelium 扁平上皮 the very thin, flat lining of the alveoli gives a very short distance for gases to cross

The cilia, goblet cells and mucous glands work together to keep the lungs clean and healthy: the mucus traps dirt and microbes, and the cilia carry it away to be swallowed.

日本語
組織 位置 機能
軟骨 気管および主気管支内のC字型輪 吸気時に気道を閉塞させず、開いた状態を維持する
纤毛上皮 気管および主気管支の内側 纤毛と呼ばれる微小な毛が拍動し、粘液を喉の方向へ押し上げ、肺から遠ざける
杯細胞 および 粘液腺 気道内壁に存在 吸入した埃や微生物を捕らえる粘液を生成する
平滑筋 主気管支および細気管支の壁内 収縮して気道を狭くする
弾性線維 気道および肺胞の壁内 吸気時に伸び、呼気時には元に戻って空気を外へ押し出すのを助ける
扁平上皮 肺胞の極めて薄い平坦な内壁 気体が通過するための距離を極めて短くする

纤毛、杯細胞、粘液腺は連携して肺を清潔で健康的に保つ:粘液が埃や微生物を捕らえ、纤毛がそれを吸い上げて喉へ運び、飲み込まれる。

気道壁の断面:管腔は纤毛上皮と杯細胞で覆われ、その奥に平滑筋の帯と軟骨層がある
気道壁の断面:管腔には纤毛と杯細胞があり、その奥に平滑筋と支持用軟骨がある
杯細胞を含む纤毛上皮;上部の粘液が埃や微生物を捕らえ、拍動する纤毛がそれを喉へ押し上げる
杯細胞は埃や微生物を捕らえる粘液を生成し、纤毛がそれを喉へ押し上げる
Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
ciliated epithelium/ˈsɪlɪeɪtɪd ˌepɪˈθiːlɪəm/ 毛様上皮
cilia/ˈsɪlɪə/ 繊毛
mucus/ˈmjuːkəs/ 粘液
goblet cell/ˈɡɒblət sel/ 杯状細胞
mucous gland/ˈmjuːkəs ɡlænd/ 粘液腺
microbe/ˈmaɪkrəʊb/ 微生物
smooth muscle/smuːð ˈmʌsl/ 平滑筋
elastic fibre/ɪˈlæstɪk ˈfaɪbə/ 弾性線維
squamous epithelium/ˈskwɒməs ˌepɪˈθiːlɪəm/ 扁平上皮
diffuse/dɪˈfjuːz/ 拡散する
concentration gradient/ˌkɒnsənˈtreɪʃn ˈɡreɪdɪənt/ 濃度勾配
oxygen/ˈɒksɪdʒn/ 酸素
carbon dioxide/ˈkɑːbən daɪˈɒksaɪd/ 二酸化炭素
9.1

Gas exchange in the alveoli · ⁨肺胞における気体交換⁩

English

The alveoli are excellent surfaces for exchanging gases, because they have:

  • a very large total surface area (millions of tiny sacs),
  • very thin walls — the squamous epithelium of the alveolus and the capillary wall are each only one cell thick, so the distance to cross is tiny,
  • a rich blood supply from the capillary network,
  • a moist lining, so gases dissolve before crossing.

Gases move by diffusion 扩散 down their concentration gradients 浓度梯度:

  • oxygen 氧气 is at a high concentration in the alveolar air and a low concentration in the blood, so it diffuses from the air into the blood.
  • carbon dioxide 二氧化碳 is at a high concentration in the blood and a low concentration in the alveolar air, so it diffuses from the blood into the air to be breathed out.

Under the microscope, real lung tissue looks like a fine pink lace. The many open spaces are the alveoli, and the thin pink lines between them are the walls where gas exchange happens:

Breathing keeps fresh air in the alveoli, and the flowing blood keeps carrying gases away. Both of these keep the concentration gradients steep, so gas exchange stays fast.

Worked example. Use Fick's law to explain why the alveoli allow such rapid gas exchange. Fick's law makes the rate of diffusion proportional to

$$\frac{\text{surface area} \times \text{concentration difference}}{\text{diffusion distance}}$$

so a fast rate needs all three terms working for it. Surface area: millions of alveoli give a huge total area, roughly $70\ \text{m}^2$. Diffusion distance: the alveolar epithelium and the capillary endothelium are each one flattened cell thick, so oxygen crosses in under $1\ \mu\text{m}$. Concentration difference: ventilation constantly refreshes the air while the circulation constantly carries oxygenated blood away, so a steep gradient is maintained. Tie each adaptation to the term of the equation it serves - listing "big surface area, thin walls, good blood supply" without linking them to Fick's law is the weaker answer.

日本語

肺胞は気体交換に適した卓越した表面であり、次の特徴を持っています:

  • 非常に大きな総表面積(数百万の微細嚢)、
  • 極めて薄い壁 — 肺胞の扁平上皮と毛細血管壁はそれぞれ細胞層1枚のみであるため、通過距離が極めて短い、
  • 毛細血管網からの豊富な血流、
  • 気体が通過する前に溶解できるよう、湿った内壁。

気体は拡散により濃度勾配に沿って移動します:

  • 酸素は肺胞内に高濃度、血液中では低濃度であるため、空気から血液へ拡散する。
  • 二酸化炭素は血液中で高濃度、肺胞内では低濃度であるため、血液から空気へ拡散し、呼気として体外へ排出される。
血行する毛細血管に隣接する肺胞:酸素は空気から血液へ、二酸化炭素は血液から空気へ拡散し、細胞層1枚だけの壁を越える
薄く湿った壁を越えて、酸素は血液へ拡散し、二酸化炭素は外へ拡散する

顕微鏡下での実際の肺組織は、細かいピンク色のレースのように見えます。多くの空洞が気嚢であり、その間の薄いピンクの線がガス交換が行われる壁です:

正常な肺組織の染色明視写真:中央に小さな円形の気道があり、その周囲を繊細でレースのような薄くピンク色の壁が囲み、多くの空洞状の肺胞空間を含んでいる
顕微鏡観察用の染色肺組織:開けた空間は肺胞であり、薄いピンクの壁はガスが通過する場所である;中央に小さな気道が存在する

顕微鏡観察のための染色された実際の肺組織:空洞部は肺胞であり、薄いピンクの壁は気体の通過部位である;中央には小さな気道がある

呼吸によって肺胞内に新鮮な空気が供給され、流れる血液によって気体が絶えず運ばれます。これにより濃度勾配が急激に保たれ、気体交換が速く持続されます。

$$\frac{\text{surface area} \times \text{concentration difference}}{\text{diffusion distance}}$$

したがって、高い拡散速度には3つの要因がすべて機能する必要があります。表面積: 数百万個の気嚢により総表面積は非常に大きく、おおよそ $70\ \text{m}^2$ です。拡散距離: 気嚢上皮と毛細血管内皮はいずれも扁平細胞1層のみであるため、酸素は $1\ \mu\text{m}$ 未満で通過します。濃度勾配: 換気が常に空気を更新し、血流が常に酸素化血液を運び去るため、急勾配が維持されています。それぞれの適応を、それが対応する方程式の項に結びつけて説明すること。単に「大きな表面積、薄い壁、豊富な血液供給」と列挙するだけでは、フィックの法則との関連付けが欠けているため、より弱い回答となります。

Explore · ⁨探索⁩

At the alveolus · ⁨肺胞において⁩

Tap each part. Oxygen and carbon dioxide swap across a wall just one cell thick, between the air and the blood. · ⁨各部分をクリックしてください。酸素と二酸化炭素は、空気と血液の間にある1層細胞だけの壁を介して交換されます。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
gas exchange/ɡæs eksˈtʃeɪndʒ/ ガス交換
trachea/trəˈkɪə/ 気管
bronchus/ˈbrɒŋkəs/ 気管
bronchiole/ˈbrɒŋkɪəʊl/ 細気管支
alveoli/ˈælvɪɒli/ 肺胞
9.1

Exam tips · ⁨試験対策⁩

English
  • Link each alveolar feature to fast diffusion: large surface area, thin (one-cell) walls, moist surface, good blood supply — a "surface area, short distance, steep gradient" answer.
  • Match airway tissue to function: cartilage (holds airways open), ciliated + goblet cells (trap and sweep mucus), smooth muscle and elastic fibres.
  • Frame answers with Fick's law ideas: rate $\propto$ surface area $\times$ concentration difference $\div$ distance.
日本語
  • 各肺胞の特徴を高速拡散に結びつける:大きな表面積、薄い(1細胞層)壁、湿った表面、良好な血流——「表面積、短い距離、急勾配」の回答。
  • 気道の組織と機能をマッチさせる:軟骨(気道を開放)、繊毛+杯細胞(粘液を捕らえて掃き取る)、平滑筋および弾性線維。
  • フィックの法則の考えで回答を構成する:速度 $\propto$ 表面積 $\times$ 濃度差 $\div$ 距離。

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