呼吸

息を吸ったり吐いたりする呼吸は、胸壁、肺、そしてそれらを動かす筋肉が協調して動くことで成り立っています。呼吸に重要な役割を果たすのは、肺の真下にある横隔膜と、肋骨の間にある肋間筋の2つの筋肉です。横隔膜が収縮すると、横隔膜が下方に移動して胸腔の容積が大きくなり、肺が膨らむスペースができます。肋間筋が収縮すると、肋骨が上方に移動して胸郭が拡張し、同様に胸腔が拡大します。

各肺は胸膜と呼ばれる2つの膜に囲まれており、これらの膜は液体で隔てられています。この液体が接着力を生み、胸腔の拡大に伴って肺が伸びます。肺の体積が増えると圧力が下がます。圧力が大気圧より下がると、圧力勾配が生じ、圧力の高い大気から圧力の低い肺へと空気が移動します。

横隔膜と肋間筋が弛緩すると、肺の容積が減少し、肺の圧力が上昇します。圧力が大気圧よりも高くなると、その結果生じる圧力勾配によって空気が体外に押し出されます。このようにして、息を吸ったり吐いたりするサイクルが維持されます。

圧力と体積の関係

ボイルの法則とは、ある温度で閉じた空間にある気体の圧力は、容器の体積が小さくなるほど高くなるというものです。言い換えると、圧力は体積に反比例するということです。この法則と、圧力の高いところから低いところへの気体の移動を組み合わせることで、横隔膜が収縮するときに肺に空気が入ってくることを説明しています。

肺の容積はどのようにして大きくなるのか

横隔膜が収縮して下方に移動し、胸郭容積が増加しますが、これにより肺の容積はどのように増加するのでしょうか。気管支や細気管支は硬くて拡張しないですが（閉塞したり炎症を起こしたりすることはあります）、肺胞という肺の中の小さな気嚢が、肺の容積を増やすことを可能にしています。

抑制性疾患と閉塞性疾患

肺の病気は、肺へのガスの流れを悪くするもので、制限性疾患と閉塞性疾患の2つに分けられます。肺線維症（肺の瘢痕化）のような制限性疾患は、肺の拡張を制限します。喘息、肺気腫、慢性気管支炎などの閉塞性疾患は、気道を塞ぎ、ガス交換を制限します。

表面活性物質

肺胞の内側は、リン脂質とリポタンパク質の混合物である界面活性剤（肺サーファクタント）を含む液体で覆われています。界面活性剤は、肺胞液の表面張力を低下させ、肺胞がつぶれるのを防ぎ、肺胞が空気で膨らみやすくします。

未熟児の場合、肺の中の肺サーファクタントが十分に作られず、呼吸窮迫症候群（RDS）を引き起こすことがあります。肺サーファクタントが十分でないと、肺胞を開いて何度も空気を満たすために多くのエネルギーが必要となり、RDSの乳児は呼吸困難に陥ます。