かみの けの ふとさは、ひとの けで 70マイクロメートルほどです。1マイクロメートルは、1ミリメートルの 1000ぶんの 1です［3］。

PM2.5は、おおきい ものでも 2.5マイクロメートルです。かみの けを 10000ばいに ふくらませて 70センチに したら、PM2.5の いちばん おおきい つぶは 2.5センチほどです。

ただし これは、いちばん おおきい つぶの はなしです。PM2.5には、もっと ちいさい つぶも まざって います。

こんなに ちいさい つぶは、はなの なかで、とまって くれるのでしょうか。

髪の毛の太さは、平均でおよそ70マイクロメートルです。アメリカの環境保護庁（EPA）は、PM2.5のいちばん大きな粒でも、髪の毛の約30分の1だと説明しています［3］。70÷2.5を計算すると28なので、「約30分の1」とよく合います。

髪の毛を10000倍に引きのばして太さ70センチにすると、PM2.5の最大の粒は2.5センチになります。ただし、これは最大の粒との比べ方です。PM2.5には、これより小さい粒もたくさん含まれます。

日本でも、環境省の説明にそった自治体の解説で、PM2.5は髪の毛の太さの30分の1ほどで、肺の奥まで入りやすいとされています［4］。では、その「入りやすさ」は、体のどこで決まるのでしょうか。まず入り口の鼻から見ます。

PM2.5は粒径2.5μm以下の粒子で、EPAは平均的な髪の毛の直径を約70μmとし、PM2.5の最大粒径の約30倍としている［3］。70÷2.5＝28であり、数字は整合する。ただし「30分の1」は最大粒径との比で、粒径分布の中には0.1μm以下の粒も含まれる。

PM2.5の濃度は、空気1m³あたりの粒子の重さ（質量濃度）で表される［4］。福津（2014）が指摘するように、質量濃度は粒径を問わないが、吸い込む粒子の粒径分布は、呼吸器の部位ごとの沈着を大きく変える［6］。以下では、この粒径の効き方を、入口の鼻から順に追う。

くうきを すうと、はなの まえの ほうから ほとんど たてに はいって きます。そして 80〜90どほど まがって、よこに すすみます。さらに うしろの かべで、もう いちど したむきに かわります［1］。

くうきは カーブに そって まがれます。でも おおきくて おもい つぶは、まっすぐ すすもうと して、かべに ぶつかります。じてんしゃで きゅうな カーブを まがる とき、からだが そとへ ふくらむ のと にて います。

ただし ほんとうは、つぶに ちからが かかって いるのでは なく、じぶんの いきおいで まっすぐ すすむ だけです。

はなの けも、おおきな つぶを つかまえて くれると いわれます［8］。

では、このカーブを ぬけた つぶは、そのあと どこで おちるのでしょう。

鼻に入った空気は、鼻腔の前のほうからほぼ垂直に入り、80〜90度向きを変えて水平に進みます。さらに鼻咽頭の後ろの壁で、もう一度80〜90度向きを変えて下へ向かいます。この2回の急な方向転換と乱流で、5〜6マイクロメートル以上の粒子はほぼ完全に除かれると、環境省の検討会報告書では説明されています［1］。

理由は、物が持つ「動いているものは同じ向きに動き続けようとする」性質、慣性です。空気は曲がり角に沿って曲がれますが、大きくて重い粒は曲がりきれず、壁にぶつかって貼りつきます。自転車で急カーブを曲がるとき、体が外側にふくらむのと似ています。ただし本当は、粒を外へ押す力があるのではなく、まっすぐ進もうとする勢いが残るだけです。

この「慣性衝突」で落ちやすいのは、3〜20マイクロメートルほどの比較的大きな粒です。鼻の中や、太い気管支の分かれ目で最も多く落ちます［1］。鼻毛も、大きな粒を捕まえる役目をするとされます［8］。

鼻の関所を抜けた粒は、のどから気管へ進みます。その先には、枝分かれが続く道があります。

鼻腔では、吸気が前方からほぼ垂直に入り、80〜90度向きを変えて水平に進む。さらに鼻咽頭後壁で、もう一度80〜90度、下向きに変わる。この2回の急激な方向転換と乱流によって、5〜6μm以上の粒子はほぼ完全に除かれると、報告書は説明している［1］。

機構は慣性衝突である。気流は曲がり角に沿うが、質量のある粒子は慣性で直進しようとして壁に衝突し、沈着する。衝突による沈着は、3〜20μmの比較的大きな粒子について、鼻腔と中枢気管支の分岐部で最も頻度が高い［1］。気道での沈着経路は、慣性衝突のほか沈降・遮り・荷電・拡散の計5つとされる［1］。

鼻毛も大粒子の捕集に寄与するとされ、ICRPモデルによる計算例では、鼻・上気道での沈着が粒径1μmで約6.5%、10μmで約48%と、大きいほど増える。ただしこの数字はラドンのエアロゾルを対象にした計算例で、人の一般値として使うことはできない［8］。

では、この関所を抜けた粒子は、その先の気道でどう振る舞うのか。

のどから はいの なかへは、えだわかれが つづきます。えだわかれの たびに、1ぽんずつの みちは ほそく なります。でも みちの かずは ふえるので、ぜんぶを あわせた ひろさは、どんどん おおきく なります。

ひろく なる ぶん、くうきの ながれは ゆっくりに なります。ほうこくしょの、じっとして いる ときの けいさんれいでは、おくへ いくほど ゆっくりで、まんなかの みちで 1びょうに 50センチほど、おくの ほうで 5センチ、いちばん おくの ほうで 0.5センチほどです［1］。

1びょうで 5ミリしか すすまない ゆっくりさです。

ながれが ゆっくりだと、つぶは どう うごくのでしょう。

気管支は、肺に入るたびに枝分かれして細くなります。ところが、細い道の数が増えるので、全部を合わせた断面積はどんどん大きくなり、空気の流れは遅くなります。環境省の報告書の計算例では、気流の速さは9番目の枝の気管支で秒速50センチほど、15番目で5センチほど、呼吸細気管支にあたる19番目で0.5センチほどです［1］。これは安静にしているときの条件での計算で、いつも同じ値になるわけではありません。

秒速0.5センチは、1秒で5ミリしか進まない速さです。空気の流れが遅いと、粒は長い時間その場所にとどまります。すると、重力で少しずつ下へ落ちる「沈降」が効いてきます［1］。

では、沈降が効くほどでもない小さな粒は、この静かな場所でどう動くのでしょうか。

気管支は分岐を重ねるごとに個々の管は細くなるが、管の数が増えるため、積算断面積は大きくなり、気流速度は低下する。環境省報告書の計算例では、9次気管支で約50cm/s、15次で約5cm/s、19次（呼吸細気管支）で約0.5cm/sとされる［1］。これは安静時の条件での計算例で、固定値ではない。

気流が遅い末梢の気管支・細気管支や肺胞領域では、粒子が滞留する時間が長く、重力による沈降が沈着経路として効いてくる［1］。そして肺胞のレベルでは、もはや空気のかたまりの流れではなく、ブラウン運動による拡散が主な経路になると報告書は述べる［1］。

この「拡散」は、どのくらいの大きさの粒に効くのか。

ちいさな つぶは、くうきの ぶんしに、あちこちから ぶつかられます。そのため、じぶんでは あるいて いないのに、でたらめな ほうこうに ゆれ うごきます。これを ブラウン運動と いいます［1］。

1マイクロメートルの つぶが、でたらめに ゆれながら 1びょうで ひろがる はんいは、13マイクロメートルほどに なる けいさんです［1］。じぶんの おおきさの 13ばいくらいです。

ゆれて いる うちに、はいの かべに ぶつかると、そこに くっつきます。まっすぐ あるかず、よろよろ ゆれて いる うちに、いつか かべに ついて しまう ようすです。ただし ほんとうは、じぶんで うごくのでは なく、まわりの ぶんしに おされて いるだけです。

では、ちいさいほど、かならず はいの おくに くっつくの でしょうか。

1マイクロメートルより小さな粒子は、空気中のガスの分子に四方八方からぶつかられて、でたらめな向きに動きます。これがブラウン運動で、「拡散」ともよばれます。1マイクロメートルの粒が、でたらめに動きながら1秒間に広がる範囲は、平均で13マイクロメートルほどになるという計算が示されています［1］。自分の大きさの13倍くらいです。

拡散が主な沈着の原因になるのは、0.5マイクロメートル以下の粒です。特に0.1マイクロメートル以下の粒では、枝分かれの先で道の合計の広さが大きく、空気の流れが遅い末梢の気道や肺胞で、拡散が重要になります［1］。風がほとんどなくなった場所では、粒がでたらめに動き回るうちに壁に触れて、貼りつきやすいということです。

ここまでの話だけなら、「小さければ小さいほど、肺の奥に落ちやすい」と考えたくなります。でも、報告書は、そうではない大きさがあることを示しています。

粒径が1μm以下の粒子は、ガス分子の衝突により不規則に動く（ブラウン運動、拡散）。1μmの粒子はブラウン運動で1秒間に約13μmの範囲に広がる（拡散距離の尺度）計算である。拡散とは、このブラウン運動の結果として粒子が壁に近づく現象をいう。拡散は0.5μm以下の粒子で沈着の主な原因となり、特に0.1μm以下では、積算断面積が大きく気流速度が小さい末梢気道や肺胞領域で重要になる［1］。

慣性衝突は大きい粒に、沈降はそれより小さい粒に、拡散は微小な粒に効く。つまり、粒径によって沈着を決める機構が入れ替わる。ここまで読むと、「粒子が小さいほど深く沈着する」と単純化したくなるが、報告書はこの単純化が成り立たない大きさを示している。

おどろく ことに、0.2〜1マイクロメートルほどの つぶは、はいに いちばん のこりにくいと されます［1］。

ほうこくしょでは、この おおきさの つぶは、ぶつかったり おもさで おちたり する えいきょうが ちいさく、ゆれて うごいて かべに つくのにも すこし おおきすぎると されます。

そのため、すいこんだ くうきに のこる つぶが おおく、はく いきと いっしょに でて いきます。

PM2.5には、いろいろな おおきさの つぶが まざって います。その どの おおきさが おおいかで、はいの どこに おちるかが かわります［6］。

約0.2〜1.0マイクロメートルの粒は、報告書の説明では衝突や沈降の影響が小さく、拡散で動くには少し大きすぎるとされます。そのため、このサイズの粒の大部分は吸った空気の中にとどまり、肺に沈着する割合がいちばん低いとされています［1］。1マイクロメートルほどの粒も肺胞に達するものの、多くは吐く息で外に出ていくとも書かれています［1］。

つまり、「小さいほど深くまで届く」は半分だけ正しい考え方です。大きい粒は鼻や太い気管で落ち、極端に小さい粒は拡散で壁に触れ、ちょうどその間の粒が、通り抜けやすい大きさになります。

PM2.5は質量濃度で決められていて、粒の大きさは問われません。ですが、吸い込む粒の大きさの分かれ方は、呼吸器のどこにどれだけ沈着するかを大きく変えると、福津久美子さんが述べています［6］。口で息をするかどうかでも変わり、環境省の報告書では、鼻呼吸で1〜5マイクロメートルの粒のおよそ半分が下気道に沈着し、口呼吸だと10〜20マイクロメートルの大きな粒でも95%以上が下気道に沈着するとされます［2］。これは推定モデルの値で、個人や呼吸のしかたで変わります。

では、肺の奥にたどりついた粒を、体はどう扱うのでしょうか。

約0.2〜1.0μmの粒子は、報告書の説明では衝突や沈降の影響が小さく、拡散の影響も小さいため、大部分が吸入気中にとどまり、肺への沈着割合が最も低い［1］。1μm程度の微小粒子は肺胞に達するとされるが、多くは呼気で排出される［1］。沈着率は粒径に対して単調ではなく、極小を持つ。

したがって、PM2.5の質量濃度が同じでも、粒径分布が違えば、呼吸器の部位ごとの沈着は変わりうる［6］。呼吸の仕方の違いも効き、鼻呼吸では1〜5μmの粒子の約50%が下気道領域に沈着し、10μm以上の粒子は下気道に達することが少ない。口呼吸では、10〜20μmの大粒子でも95%以上が下気道に沈着し、1〜5μmの粒子の40〜60%が肺胞レベルに沈着するとされる［2］。ただしこれらは推定モデルに基づく値で、個人差や呼吸条件で変わる。

では、肺胞に沈着した粒子は、その後どうなるのか。

はいの いちばん おくには、はいほうと いう ちいさな ふくろが あります。ふくろの おおきさは 0.2〜0.5ミリメートルほどで、かべは とても うすく、血管けっかんの あみが まきついて います［7］。酸素さんそを とりこむ ばしょなので、かべが あついと こまります。

ふくろは とても たくさん あって、はいの おくに ぎっしり ならんで います。

ここの つぶを かたづけるのは、ねんえきでは なく、マクロファージと いう そうじやくの さいぼうです。つぶを とりこんで はこびます［5］。からだは、いくつもの ばしょで、ちいさな つぶを ふせぐ しくみを もって います。

肺の一番奥には、肺胞という、直径0.2〜0.5ミリメートルほどの小さな袋があります。壁には、毛細血管の網と、薄い細胞があります［7］。酸素と二酸化炭素を交換する場所なので、壁がとても薄いのです。

鼻や気管のように、粘液で粒を押し出す仕組みは、肺胞にはありません。気管では、線毛が毎分1000回を超えて動き、粘液の層を毎分0.5〜1センチほどの速さで押し上げ、粒はせきで出るか飲み込まれます。肺胞は、ガス交換のために粘液の層で覆われない代わりに、肺胞マクロファージという細胞が粒を取り込みます［5］。沈着した粒は、マクロファージに取り込まれて運ばれますが、一部は肺の組織を通ってリンパ系に運ばれると、環境省の報告書にあります［1］。

EPAは、2.5マイクロメートル未満の粒は肺の奥深くまで入り、一部は血流にまで入りうると説明しています［3］。体への影響については、この記事の範囲を超えるので、ここでは「懸念されている」という公的な説明［4］だけを示しておきます。

鼻のカーブ、枝分かれ、そして肺胞。粒が落ちる場所には、それぞれ理由があります。

肺胞は直径0.2〜0.5mmほどの中空の袋で、壁には、毛細血管網と薄いI型肺胞上皮細胞がある［7］。壁が薄いのは、ガス交換の効率のためである。

肺胞は、ガス交換のために粘液層で守られない。気管では、線毛が毎分1000回超の速さで動き、粘液層を毎分0.5〜1cm程度で押し上げて、粒子は咳で出されるか飲み込まれる。一方、肺胞では、肺胞マクロファージが粒子を取り込む［5］。環境省の報告書は、沈着した粒子がマクロファージに貪食されて運ばれる一方、一部は間質を経てリンパ系に運ばれると述べる［1］。

EPAは、2.5μm未満の粒子は肺の奥深くまで入り、一部は血流にまで入りうると説明する［3］。健康影響そのものは、本記事の範囲外とし、ここでは「呼吸系や循環器系への影響が懸念されている」という日本の公的な説明［4］の紹介にとどめる。

鼻の曲がり角、気道の分岐、肺胞。粒径ごとに沈着を決める機構と場所は異なる。「奥まで入りやすい」とは、この機構のどれにも捕まりにくい粒が、一部あるという意味でもある。

今日できること

かみの けを 1ぽん、ものさしの よこに ならべて みましょう。ふとさは 0.07ミリメートルほどで、ものさしの めもりでは みえません。PM2.5は、その 30ぶんの 1より ちいさいと いう ことです。

出かけてできること

バスや でんしゃが カーブを まがる とき、からだが どちらへ かたむくか、おうちの ひとと いっしょに みて みましょう。てすりに つかまって、すわって やります。おもい ものほど、まっすぐ すすもうと する ようすが わかります。

こうしきの じょうほう

かんきょうしょうの ページに、PM2.5の ことが のって います。

今日できること

髪の毛を1本、ものさしの横に置いてみます。太さは0.07ミリメートルほどなので、目盛りでは読めません。2.5マイクロメートルは0.0025ミリメートルです。この小ささを、目で見る数字に置きかえる練習になります。

出かけてできること

バスや電車がカーブを曲がるとき、自分の体がどちらへ傾くかを観察します。手すりにつかまり、座って行います。慣性で、体はまっすぐ進もうとします。

公式情報

環境省の検討会報告書の「生体内沈着」の章に、粒径ごとの沈着のしかたと、気流の速さの計算例が載っています。日本語で読めます。英語が読める人は、EPAのParticulate Matter Basicsも補足になります。

資料を読むなら

環境省の微小粒子状物質健康影響評価検討会報告書の第4章（生体内沈着）に、主な沈着経路（本記事では慣性衝突・沈降・拡散を扱った）と、気流速度の計算例がある［1］。粒径分布の意味は、福津（2014）の「吸入されるPM2.5の粒径について考える」（エアロゾル研究29巻3号）が、ICRPの気道モデルで示している［6］。

自分で確かめるなら

髪の毛1本の太さを、ものさしで見比べるとよい。0.07mmほどなので、読み取れないことが分かる。さらにバスや電車のカーブで、体が傾く向きを観察すれば、慣性の向きを体で確かめられる。観察は座って手すりにつかまり、家の人と一緒に行う。