プールで 息を とめて もぐると、だんだん 水の 上に 出たく なります。このとき 体の 中では、見はりばんが はたらいて います。

息の はやさを きめて いる ところは、脳のうの 下の ほうに ある 延髄えんずいです。ここは、血の 中の 二酸化炭素にさんかたんそが ふえると、とくに つよく はんのうします［2］［3］。

たとえば、ごみが いっぱいに なると 光る ランプを おもいうかべて ください。息の ランプは、ごみ（二酸化炭素にさんかたんそ）が たまった ことを つよく しらせます。ただし、くるしいと 感じる しくみは、これだけでは 説せつ明できません。それに ほんとうは、酸素さんそが 少ない ことを しらせる センサーも ちゃんと あります。

では、その センサーは どこに あるのでしょう。

息の速さを決めているのは、脳の下のほうにある延髄の呼吸中枢です。呼吸中枢は、血液の状態を知らせる信号を受け取って、息を速めたり、ゆるめたりします［3］。

その信号の中で、とくに強いのは、動脈の血に含まれる二酸化炭素の増加です。次に強いのは、血が少し酸性に傾くこと（pHの低下）で、そのほかに体温の上昇、運動、酸素の不足なども息を速める刺激になります［2］。

つまり、息を速める主な刺激は、酸素の不足より二酸化炭素の増加のほうです。ただし、息苦しさの感じ方はそれだけでは説明できず、まだ議論があります。ごみがたまると光る警告ランプのようなものですが、本当は酸素の少なさを知らせるセンサーも別にあります。

では、そのセンサーはどこにあるのでしょうか。

呼吸中枢は延髄にあり、呼吸筋の活動、すなわち換気を調節している。その活動レベルは、化学受容器から入る情報で変わる［3］。延髄の中枢化学受容器は、主に動脈血二酸化炭素分圧（PaCO2）の上昇で刺激される［3］。

安静時の通常の調節では、二酸化炭素の増加が主要な刺激になる。解説書は、そのほかに血のpH低下（アシドーシス）、体温上昇・運動・低酸素なども呼吸を速める刺激に挙げ、条件に応じて呼吸が変わるとしている［2］。

ただし、酸素が少ないことを感じる受容器がないわけではない。それは中枢とは別の場所にあり、次の章で扱う［3］。なお、息止めの苦しさという「感覚」が受容器の刺激からどう生まれるかは、まだ議論がある［4］。

酸素さんその 少なさを 見はる センサーは、首の 血管けっかんの ちかくに あります。「けいどうみゃくたい」と いう ところです［3］。

ここは、血の 中の 酸素さんそが へったときに つよく はんのうします。つまり 体には、ごみランプと、酸素さんそランプの 2つが あるのです。

ところで、吐はいた 息にも、酸素さんそは のこって います。すった 空気の 酸素さんそは 100の うち 21 ほど。はいた 息でも、その 一部しか へって いません。

体は、酸素さんそを ぜんぶ つかいきって いるわけでは ありません。それでも 息を しつづけなければ ならない のは、なぜでしょうか。

呼吸中枢への信号を送るセンサーは、化学受容器と呼ばれます。延髄にある中枢化学受容器は、主に二酸化炭素の増加に反応します。一方、首の頸動脈体などにある末梢化学受容器は、主に酸素の分圧の低下に強く反応するとされています［3］。

つまり体には、二酸化炭素を見張るセンサーと、酸素を見張るセンサーが、別々の場所に備わっています。息苦しさの感じ方については、まだ議論があるようです［4］。

ところで、息を吐いたあとの空気にも、酸素は残っています。吸う空気は酸素が約21％ほどで、吐く息にもかなりの酸素が残ります。

吸った酸素の、ごく一部しか使っていないのに、なぜ休まず息を続けなければならないのでしょうか。

呼吸中枢への入力は二系統に分けて理解されている。延髄の中枢化学受容器は主にPaCO2の上昇で刺激される。一方、頸動脈体などの末梢化学受容器は、主に酸素分圧の低下に強く反応する［3］。二酸化炭素が日常の呼吸を調節する主役であり、酸素のセンサーは、酸素の分圧が下がったときに働く別系統の仕組みと整理できる。

吸う空気の酸素は約21％だが、吐く息にも酸素が残っている。吸った酸素のすべてが使われるわけではない。

吸った酸素の一部しか使われないのに、呼吸は止められない。その理由は、酸素が体の中でどこへ行き、何に使われているかを見るとわかる。

息を する いちばんの わけは、体の 中の 小さな 小さな 「細胞さいぼう」に 酸素さんそを とどける ことです。細胞さいぼうは、体を つくって いる 小さな 単位たんいです。

細胞さいぼうの 中では、食べものから エネルギーを とりだす しごとが 毎日 おこなわれて います［1］。その ながれの いちばん さいごに、酸素さんそが いるのです［1］。

ボールを じゅんばんに わたして いく 列を おもいうかべて ください。いちばん さいごの 人が いなければ、ボールが つかえて、列ぜんたいが とまります。酸素さんそは、その いちばん さいごの 人です。ボールを うけとって、水に なります［1］。

ただし ほんとうは、わたして いる ものは 「電子」と いう 小さな つぶです。酸素さんそそのものが エネルギーに なるわけでは ありません。

肺はいで 空気を とりかえる はたらきと、細胞さいぼうの 中の はたらきは、ちがう ものと して くべつ されます［1］。

息をする本当の理由は、肺ではなく、体をつくる一つひとつの細胞の中にあります。肺で空気と血液のガスを入れかえる働きを外呼吸といい、細胞の中で酸素と栄養素からエネルギー（ATP）を取り出す働きを細胞呼吸と呼んで、区別します［1］。

ブドウ糖（グルコース）が分解されるとき、最初の段階は細胞質で行われ、酸素は使いません。続きの反応はミトコンドリアという細胞の小さな部品の中で進み、最後の電子伝達系という段階で、酸素が電子の最終的な受け手になって水ができます［1］。

電子のリレーのいちばん最後に、酸素がいると考えると分かりやすいでしょう。最後の受け手がいなければ、リレーはそこで詰まります。ただし、酸素そのものがエネルギーになるわけではありません。

ATPの数は、昔は「ブドウ糖1分子から38個」と習いましたが、近年の見積もりでは条件によって変わる目安とされ、およそ30個前後といわれます［1］。

呼吸には二つの意味がある。肺などで空気と血液の間でガスを交換する外呼吸と、各細胞の中で酸素や栄養素から化学エネルギー（ATP）を取り出す細胞呼吸である。人が息をする理由は、後者にある［1］。

グルコースの分解のうち、解糖系は細胞質で行われ、酸素を使わない。クエン酸回路はミトコンドリアの基質で、電子伝達系とATP合成はミトコンドリア内膜で行われる。電子伝達系では、酸素が電子の最終的な受け手になって水ができる［1］。酸素が使われるのは、この最終段階の一箇所である。酸素が無ければ、電子の受け渡しの最後が詰まり、手前の反応もそれに伴って進まなくなる。ただし、酸素そのものがエネルギー源になるわけではない。

ATPの収量は、従来グルコース1分子あたり38と教えられてきたが、近年の測定や理論からは、この解釈は支持されていない。条件によって変わる目安であり、およそ30分子前後とされる［1］。

2019年の ノーベル賞しょうは、「細胞さいぼうが 酸素さんその 少なさに 気づく しくみ」の はっけんに おくられました［5］。3人の 科学者が いっしょに 受賞しょうしました。

細胞さいぼうの 中には「HIF」と いう たんぱく質しつが あります。酸素さんそが 十分 ある ときは、HIFは すぐに こわされます。酸素さんそが へると、こわされずに ふえます［6］。

HIFが ふえると、赤血球を ふやす ホルモンを つくる もとなどが はたらく、と 説せつ明されて います［6］。赤血球は、酸素さんそを はこぶ 血の 中の つぶです。

この しくみは、酸素さんそが 少ない ときに 体が かわる、その 入り口の 一つです。

酸素の量を感じているのは、首の受容器だけではありません。2019年のノーベル生理学・医学賞は、ケーリン、ラトクリフ、セメンザの3人に、「細胞の低酸素応答の仕組みの発見」で贈られました［5］。

細胞の中にはHIFというたんぱく質があります。酸素が十分あるときは、HIFに目印がつけられ、すぐに壊されます。目印をつける酵素は酸素がないと働けないため、酸素が減ると目印がつかず、HIFが増えます［6］。

HIFが増えると、赤血球を増やすホルモン（エリスロポエチン）などの遺伝子が働き始めます。酸素が少ない環境に、体が適応していく流れの入り口になると説明されています［6］。

ただし、ここでの細部は解説記事による説明です。

延髄や頸動脈体のほかに、細胞自身も酸素の量を感知する。2019年のノーベル生理学・医学賞は、ケーリン、ラトクリフ、セメンザの3人に「細胞の低酸素応答の仕組みの発見」として贈られた［5］。

鍵になるのはHIF（低酸素誘導因子）というたんぱく質だ。酸素が十分にあると、HIFには目印がつけられ、VHLたんぱく質に認識されて分解される。目印をつける酵素の働きに酸素が必要なので、細胞の酸素量に応じて、HIFが分解される速さが変わる［6］。

酸素が減ると目印がつかず、HIFが増える。すると、赤血球を増やすホルモンであるエリスロポエチンなどの遺伝子が働く［6］。呼吸中枢による換気の調節が秒単位の応答だとすれば、こちらは細胞が長い目で体を酸素の少なさに合わせる仕組みと整理できる。なお、ここでの細部は解説記事による説明である。

虫は、体の よこに ある 小さな あな「気門」から 空気を いれます［7］。あなの 中には ふたが あり、あけたり しめたり できます［7］。空気は、えだわかれした 細い くだ「気管きかん」で、体じゅうへ はこばれます［7］。

虫の 中には、あなを 何時間も、ときには 何日も とじる ものが います。その わけの 一つとして、「酸素さんその どくを さける ため」と いう 考えが 2005年に 出されました［8］。まだ 決まった 答えでは ありません。

魚の えらは、ひだひだに なって 水と ふれる 面が 広く なって います。水の 流れと 血の 流れが 反対むきに なって いて、酸素さんそを とりこみやすく なって います［9］。

イカや エビ、カニの 血は、銅どうを ふくむ「ヘモシアニン」で 酸素さんそを はこびます。酸素さんそと くっつくと 青く なります［10］。

酸素の取り入れ方は、動物によってかなり違います。昆虫は体の表面にある気門から空気を取り入れ、枝分かれした気管で体の各部へ酸素を送ります。気門のすぐ裏には弁があり、開け閉めができます［7］。

昆虫の一部は、気門を数時間から数日も閉じて、断続的に呼吸します。水分の蒸発を防ぐという説に加えて、酸素の毒性（活性酸素）を避けるためという説が、2005年に提案されました［8］。ただし、どれか一つに決まった話ではありません。

魚のえらは、ひだ状で表面積が広く、水の流れと血流が逆向きになることで、効率よく酸素を取り込みます［9］。イカやタコ、エビやカニは、鉄ではなく銅を含むヘモシアニンで酸素を運び、酸素と結合すると青くなります［10］。

道具はちがっても、細胞の中の最後の受け手として酸素を使うという目的は、同じだと考えられます。

酸素の取り入れ方は、体の構造に応じて異なる。昆虫は体表の気門から空気を取り入れ、枝分かれした気管で各部に直接酸素を送る。気門の直後には弁があり、開閉できる［7］。

昆虫の一部は気門を数時間から数日にわたって閉じ、断続的に呼吸する。理由として、水分の蒸発を防ぐという説に加え、酸素の毒性、つまり活性酸素の害を避けるという説が、2005年のHetzとBradleyの報告で提案された［8］。これは仮説であり、決着した事実ではない。

魚類のえらは、ひだ状に表面積を増やし、呼吸水の流れと二次鰓弁内の血流が逆向きになる。この向流によって、水中の酸素を効率よく取り込む［9］。軟体動物や甲殻類は、銅を含む色素たんぱく質ヘモシアニンで酸素を運び、酸素と結合すると青、離すと無色に戻る。人のヘモグロビンは鉄を使う［10］。

運搬の構造は多様だが、細胞内で酸素が電子の受け手になるという点は共通していると考えられる。

いすに すわって、1ぷんかん、じぶんの 息の 数を かぞえて みましょう。1回 すって はくのを、1回と かぞえます。おうちの 人に 時計を 見て もらうと やりやすいです。

つぎに、その場で 足ぶみを 30びょう くらい します。そのあと、また 1ぷんかん かぞえて、さっきの 数と くらべて みます。

運動すると 息が はやく なるのは、運動も 息を はやめる 合図の 一つだからです［2］。

むりに 息を とめては いけません。気分が わるく なったら、すぐ やめましょう。

家の中で、座って1分間、自分の呼吸の数を数えてみましょう。息を吸って吐くまでを1回と数えます。時計を見る係を、家の人に頼むとやりやすくなります。

次に、その場で30秒ほど足ぶみをして、すぐにもう一度1分間数えます。運動のあとは、呼吸の数が増えていないでしょうか。運動も、呼吸を速める刺激の一つとされています［2］。

息を無理に長く止める必要はありません。具合が悪くなったら、すぐにやめてください。

ノーベル賞の発表を伝える科学技術振興機構のサイエンスポータルの記事［5］には、細胞が酸素を感じる話が、短くまとまっています。

息を吸う回数が、体の中の何を知らせているのか。その答えの一部は、延髄の信号と、細胞の中のHIFに書かれています。

家庭でできる観察として、安静時と軽い運動直後の呼吸数を、各1分間ずつ数えて比べられる。呼吸数が増えるなら、運動が呼吸を速める刺激の一つだという資料の説明［2］と整合する。ただし、二酸化炭素・pH・体温のどれがどの程度寄与したかは、この方法では分けられない。無理な息止めはせず、体調が悪ければ中止する。

資料を読むなら、換気の調節は日本呼吸器学会の関連ガイドライン［3］、細胞の低酸素応答はJSTのサイエンスポータル［5］、昆虫の気門を閉じる仮説はNature系の紹介記事［8］が入り口になる。

呼吸の調節には、延髄の化学受容器と、細胞内のHIFの仕組みという、時間の尺度が違う二つの系が関わる。では、標高の高い場所に着いた人の呼吸数は、数日のうちにどう変わっていくのだろうか。