呼吸（^{[ 1 ]}または換気）は、主に二酸化炭素を除去して酸素を取り込むために、内部環境とのガス交換を可能にするために、空気を肺に（吸入）そして肺から（呼気）移動させるリズミカルなプロセスです。

すべての好気性生物は細胞呼吸のために酸素を必要とします。細胞呼吸は食物からエネルギーを抽出し、老廃物として二酸化炭素を生成します。外呼吸（呼吸）は空気を肺胞に取り込み、そこでガスは拡散によって移動します。その後、循環器系が肺と組織の間で酸素と二酸化炭素を輸送します。^{[ 2 ] [ 3 ]}

肺を持つ脊椎動物の呼吸は、鼻や口から肺胞へと空気を送る気道の分岐系を通じた吸入と呼気の繰り返しサイクルで構成されています。 ^{[ 4 ]} 1分間の呼吸サイクル数（呼吸数）は主要なバイタルサインです。^{[ 5 ]}正常な状態では、呼吸の深さと速度は、動脈内の二酸化炭素と酸素の分圧を維持する恒常性維持機構によって無意識に制御されています。動脈内の二酸化炭素を安定させることは、細胞外液のpHを維持するのに役立ちます。過換気と低換気は二酸化炭素とpHを変化させ、苦痛な症状を引き起こします。

呼吸は、発話、笑い、特定の反射（あくび、咳、くしゃみ）もサポートし、体温調節（たとえば、十分に汗をかくことができない動物のハアハアする動作） にも寄与します。

肋骨の「ポンプハンドル」と「バケツハンドルの動き」

胸郭を拡張する際の吸気筋の効果。ここで示されている特定の動作は、胸郭のポンプハンドル運動と呼ばれます。

この胸郭の図では、下肋骨が正中線から外側に向かって下向きに傾斜していることがはっきりと分かります。これにより「ポンプハンドル効果」に似た動きが生まれますが、この場合はバケツハンドル運動と呼ばれます。

呼吸

安静時の呼吸筋：左が吸気、右が呼気です。収縮する筋肉は赤で、弛緩する筋肉は青で示されています。一般的に、横隔膜の収縮は胸腔（水色）の拡張に最も大きく寄与します。しかし同時に、肋間筋が肋骨を上方に引っ張るため（その作用は矢印で示されています）、吸気時に胸郭が拡張します（ページ反対側の図を参照）。呼気時にこれらの筋肉がすべて弛緩することで、胸郭と腹部（薄緑）は弾性的に安静位置に戻ります。これらの図をページ上部のMRI動画と比較してみてください。

強制呼吸（吸気と呼気）の筋肉。カラーコードは右側と同じです。横隔膜がより強力かつ広範囲に収縮するだけでなく、肋間筋は吸気補助筋の助けを借りて肋骨を上方に大きく動かし、胸郭をより大きく拡張させます。呼気時には、吸気筋の弛緩に加え、腹筋が積極的に収縮して胸郭の下端を引き下げ、胸郭の容積を減少させると同時に、横隔膜を胸郭の奥深くまで押し上げます。

肺は自ら膨張するわけではなく、胸腔容積が増加した場合にのみ拡張する。^{[ 6 ] [ 7 ]}哺乳類では、この拡張は主に横隔膜の収縮によって生じ、程度は低いが、胸郭を持ち上げる肋間筋の収縮によっても生じる。強制吸入時には、呼吸補助筋が肋骨のポンプハンドル運動とバケツハンドル運動を補助し、胸郭容積をさらに増大させる。安静時の呼気は主に受動的であり、吸入筋が弛緩し、肺と胸壁の弾性反動によって胸郭が安静時の位置に戻る。この安静時、肺には機能的残気量（成人で約2.5～3.0 L）が残っている。^{[ 8 ]}

運動時などの激しい呼吸（過呼吸）時には、呼気時に腹筋の能動収縮も起こり、横隔膜が押し上げられ、呼気終末肺容積が減少します。通常の哺乳類は、最大限に呼気した場合でも肺に残留空気を保持します。^{[ 8 ]}

横隔膜呼吸（または腹式呼吸）では、腹部の動きが目に見えて現れます。鎖骨を挙上した呼吸補助筋の使用は、重度の喘息や慢性閉塞性肺疾患（COPD）の増悪時などの呼吸困難時に見られます。

空気は理想的には鼻から吸い込まれ、吐き出されます。^{[ 9 ]}鼻腔は鼻中隔によって仕切られ、内側は回旋状の甲介で覆われています。吸い込まれた空気は広い粘膜表面に晒されるため、温められ、湿潤し、粒子状物質は下気道に到達する前に粘液に捕捉されます。熱と水分の一部は、呼気時に空気がより冷たく、部分的に乾燥した粘液の上を通過する際に回収されます。^{[ 8 ] [ 10 ]}

上気道より下の哺乳類の呼吸器系は、一般的に呼吸樹または気管気管支樹として説明される。大きな気道は、より小さな気管支と細気管支へと繰り返し分岐する。ヒトでは、平均して約23世代の分岐がある。近位の分岐は空気を送り、終末の分岐（呼吸細気管支、肺胞管、肺胞）はガス交換に特化している。気管と主気管支は肺の外側から始まり、ほとんどの分岐は肺胞に達するまで肺内で起こる。この配置により、解剖学的死腔、つまりガス交換に関与しない気道の容積（成人で約150 ml）が生じる。^{[ 8 ] [ 11 ]}

呼吸の主目的は肺胞の空気をリフレッシュし、肺胞の空気と肺毛細血管の血液との間のガス交換が拡散によって起こるようにすることです。呼気後も肺には機能的残気量が残っています。通常の吸入では、比較的少量の新しい大気がFRCと混ざるため、肺胞ガス組成は呼吸を通してほぼ一定に保たれます。したがって、肺毛細血管の血液は比較的安定した肺胞ガス組成で平衡を保ち、末梢および中枢の化学受容器は溶存ガスの急激な変化ではなく緩やかな変化を感知します。このように、呼吸の恒常性制御は、動脈血のCO₂およびO₂分圧と血液pHの維持を中心に行われます。^{[ 8 ]}

呼吸の速さと深さは、中枢および末梢化学受容器からの入力を受け取る脳幹の呼吸中枢によって調節されている。延髄の中枢化学受容器は、血液と脳脊髄液のpHと CO₂に特に敏感であり、大動脈小体と頸動脈小体にある末梢化学受容器は、主に動脈血 O₂ に敏感である。これらの受容器からの情報は橋と延髄で統合され、そこで換気が調節されて血液ガス圧が回復する（たとえば、運動中に動脈血 CO₂ を正常に戻す））。横隔膜への横隔膜神経などの運動神経は、呼吸中枢の出力を呼吸筋に伝える。呼吸は主に自動的であるが、話す、歌う、泳ぐ、または息止めの訓練のために随意に修正することができ、意識的な呼吸法はリラクゼーションを促進する可能性がある。潜水反射などの反射は、水中に潜っている間に呼吸と循環を変化させ、酸素を節約する。^{[ 8 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

吸入される空気は、体積比で窒素が78％ 、酸素が20.95％、その他アルゴン、二酸化炭素、ネオン、ヘリウム、水素などのガスが少量含まれています。^{[ 18 ]}

呼気中の二酸化炭素量は4～5%で、吸入量の約100倍に相当します。酸素量は総空気量の約4分の1、つまり4～5%減少します。典型的な組成は以下のとおりです。^{[ 19 ]}

• 5.0～6.3%の水蒸気
• 窒素79% ^{[ 20 ]}
• 13.6～16.0%の酸素
• 4.0～5.3%の二酸化炭素
• 1%アルゴン
• 大腸内の微生物の代謝活動から、100万分の1（ppm）の水素が生成されます。 ^{[ 21 ] [説明が必要]}
• ヘムタンパク質の分解による一酸化炭素のppm 。^{[説明が必要]}
• メタノール4.5ppm ^{[ 22 ]}
• アンモニア1ppm 。
• 数百種類の揮発性有機化合物、特にイソプレンとアセトンが微量に含まれています。特定の有機化合物の存在は病気の兆候です。^{[ 23 ] [ 24 ]}

テクニカルダイビングを行う水中ダイバーは、空気に加えて、酸素を多く含む、酸素を少なくした、あるいはヘリウムを多く含む混合ガスを呼吸することがあります。酸素ガスや鎮痛ガスは、医療ケアを受けている患者に投与されることもあります。宇宙服内の空気は純酸素です。しかし、吸気速度を調節するため、地球上の大気圧の約20%に保たれています。^{[ 25 ]}

大気圧は海抜（高度）とともに低下します。肺胞は気道を通して外気に開放されているため、肺内の圧力も高度とともに同じ割合で低下します。高地でも、海面と同様に、肺に空気を送り込み、肺から空気を排出するためには圧力差が必要です。高地での呼吸のメカニズムは、海面における呼吸と基本的に同じですが、以下の違いがあります。

呼吸ごとに約67個の分子があり、そのうち41個は有毒で、残りは21セルと呼ばれるものです。大気圧は高度とともに指数関数的に低下し、高度が5,500メートル（18,000フィート）上昇するごとにほぼ半分になります。^{[ 26 ]}ただし、天候による継続的な混合効果の結果として、高度80km以下では大気の組成はほぼ一定です。^{[ 27 ]}したがって、空気中の酸素濃度（空気1リットルあたりのミリモルO ₂）は、大気圧と同じ割合で低下します。^{[ 27 ]}周囲圧力が約100  kPaの海面では、酸素は大気の21％を構成し、酸素分圧（P _{O 2}）は21 kPa（つまり100 kPaの21％）です。エベレスト山の頂上（標高8,848メートル、29,029フィート）では、全気圧が33.7 kPaですが、酸素は依然として大気の21%を占めていますが、その分圧はわずか7.1 kPa（つまり、33.7 kPaの21% = 7.1 kPa）です。^{[ 27 ]}そのため、一定期間内に同じ量の酸素を呼吸するためには、高地では海面よりも多くの空気を吸い込まなければなりません。

吸入の際、空気は鼻と咽頭を通過して肺胞に入る前に温められ、水蒸気で飽和します。水の飽和蒸気圧は温度のみに依存し、体温37℃では高度など他のいかなる影響にも関わらず6.3 kPa（47.0 mmHg）です。^{[ 28 ]}その結果、海面では気管内の空気（吸入された空気が肺胞に入る直前）は水蒸気（P _{H 2 O} = 6.3 kPa）、窒素（P _{N 2} = 74.0 kPa）、酸素（P _{O 2} = 19.7 kPa）、微量の二酸化炭素とその他のガス、合計100 kPaで構成されています。乾燥空気中のP _{O 2}は海面で21.0 kPaですが、気管内空気中のP _{O 2}は19.7 kPa（[100 - 6.3]の21% = 19.7 kPa）です。エベレスト山頂では、気管内空気の全圧は33.7 kPaで、そのうち6.3 kPaは水蒸気です。そのため、気管内空気中のP _{O 2}は5.8 kPa（[33.7 - 6.3]の21% = 5.8 kPa）まで低下し、大気圧の低下（7.1 kPa）だけでは説明できない値となります。

吸入時に肺に空気を送り込む圧力勾配も高度によって減少する。肺の容積を倍にすると、どの高度でも肺内の圧力は半分になる。海面気圧（100 kPa）では圧力勾配は50 kPaとなるが、大気圧が50 kPaの高度5500メートルで同じことをすると、肺の容積が倍になっても圧力勾配はわずか25 kPaとなる。実際には、我々は2～3 kPaの圧力勾配しか生じない穏やかで周期的な呼吸をするため、これが肺への実際の流入速度にほとんど影響せず、少し深く呼吸することで簡単に補うことができる。^{[ 29 ] [ 30 ]}高度では空気の粘性が低いため空気は流れやすく、これも圧力勾配の損失を補うのに役立つ。

低気圧が呼吸に及ぼす上記すべての影響は、通常、呼吸分時換気量（1分間に吸い込む、または吐き出す空気の量）を増やすことで対処され、これを行うメカニズムは自動的です。必要な正確な増加量は、動脈血P _{O 2}およびP _{CO 2}を調整する呼吸ガス恒常性維持機構によって決まります。この恒常性維持機構は、海面での酸素よりも動脈血P _{CO 2}の調整を優先します。つまり、海面での動脈血P _{CO 2}は、さまざまな状況下で5.3 kPa（または40 mmHg）に非常に近い値に維持され、動脈血P _{O 2}は、補正換気応答を誘発するまで、非常に広い範囲の値内で変化することが許されます。ただし、大気圧（したがって大気P _{O 2}）が海面での値の75%未満に低下すると、酸素の恒常性が二酸化炭素の恒常性よりも優先されます。この切り替えは、高度約2,500メートル（8,200フィート）で起こります。この切り替えが比較的急激に起こると、高地での過換気により動脈血P _{CO 2}が急激に低下し、動脈血漿pHが上昇して呼吸性アルカローシスを引き起こします。これは高山病の一因です。一方、酸素恒常性への切り替えが不完全な場合、低酸素症が臨床像を複雑化し、致命的な結果をもたらす可能性があります。

圧力は水深とともに約1気圧の割合で増加します。これは10メートルごとに100kPa（1バール）強、つまり約1気圧です。ダイバーが水中で呼吸する空気は周囲の水と同じ気圧であり、これは生理学的および生化学的に複雑な影響を与えます。適切に管理されていない場合、水中で圧縮ガスを呼吸すると、肺気圧外傷、減圧症、窒素酔い、酸素中毒など、いくつかの潜水障害を引き起こす可能性があります。加圧ガスを呼吸することによる影響は、1つまたは複数の特殊な混合ガスを使用することでさらに複雑になります。

空気はダイビング レギュレーターによって供給され、ダイビング シリンダー内の高圧が周囲圧まで下げられます。レギュレーターの呼吸性能は、行うダイビングの種類に適したレギュレーターを選択する際の要素です。大量の空気を供給する場合でも、レギュレーターからの呼吸に少ない労力しか必要としないことが望ましいです。また、吸入または呼気中に突然の抵抗変化がなく、スムーズに空気を供給することも推奨されます。右のグラフでは、排気バルブを開くために呼気時に最初に圧力が急上昇し、吸入時に最初に圧力が低下することに注意してください。レギュレーターには、空気を容易に吸い込めるようにベンチュリー効果が設計されているためです。多くのレギュレーターには、呼吸が楽になるように吸入のしやすさを調整する機能が付いています。

呼吸パターン
正常およびさまざまな病的な呼吸パターンを示すグラフ

異常な呼吸パターンには、クスマウル呼吸、ビオ呼吸、チェーン・ストークス呼吸などがあります。

その他の呼吸障害には、息切れ（呼吸困難）、喘鳴、無呼吸、睡眠時無呼吸（最も一般的なのは閉塞性睡眠時無呼吸）、口呼吸、いびきなどがあります。多くの病状は気道閉塞に関連しています。慢性的な口呼吸は病気に関連している可能性があります。^{[ 31 ] [ 32 ]} 低呼吸は過度に浅い呼吸を指し、過呼吸は運動などによりより多くの酸素が必要になることで起こる速くて深い呼吸を指します。低換気と過換気という用語は、それぞれ浅い呼吸と速くて深い呼吸を指しますが、これらは不適切な状況や病気のもとで行われます。ただし、この区別（例えば、過呼吸と過換気の間）は必ずしも厳守されているわけではなく、これらの用語は頻繁に互換的に使用されます。^{[ 33 ]}

食物不耐症などの疾患の診断には、様々な呼気検査が用いられます。鼻腔内圧測定器は、音響技術を用いて鼻腔内の空気の流れを調べます。^{[ 34 ]}

「精神」という言葉は、ラテン語の 「スピリトゥス」（息）に由来します。歴史的に、息は生命力の概念として捉えられることが多かったです。ヘブライ語聖書には、神が土に命の息を吹き込み、アダムを生ける魂（ネフェシュ）にしたという記述があります。また、人が死ぬと息が神のもとに還ることも言及されています。「スピリット」、「プラーナ」、ポリネシアの「マナ」、ヘブライ語の「ルーアハ」、心理学における「プシュケ」といった用語は、呼吸の概念に関連しています。^{[ 35 ]}

太極拳では、有酸素運動と呼吸法を組み合わせることで、横隔膜の筋肉を強化し、姿勢を改善し、体内の気をより有効に活用します。様々な瞑想法やヨガでは、様々な呼吸法が推奨されています。仏教瞑想の一種であるアナパナサティ（呼吸への気づき）は、釈迦によって初めて提唱されました。呼吸法は、瞑想、プラナヤマなどのヨガ、そして喘息などの治療におけるブテイコ法などにも取り入れられています。 ^{[ 36 ]}

音楽では、管楽器奏者の中には循環呼吸法と呼ばれる技法を用いる人もいます。歌手も呼吸法を使います。

呼吸に関連する一般的な文化的表現には、「息を整える」、「息を呑む」、「インスピレーション」、「息を吐く」、「息を取り戻す」などがあります。

特定の呼吸パターンは、特定の気分と結びついて起こる傾向があります。この関係性から、様々な分野の実践者は、特定の気分と最も一般的に結びついて起こる呼吸パターンを採用することで、その気分の発生を促進できると主張しています。例えば、おそらく最も一般的な推奨事項は、横隔膜と腹部をより多く使用する深い呼吸がリラクゼーションを促進するというものです。^{[ 12 ] [ 37 ]}異なる分野の実践者は、呼吸調節の重要性とそれが気分に及ぼすと認識されている影響について、多くの場合異なる方法で解釈します。仏教徒はそれが心の平和感を促進すると考えるかもしれませんし、ホリスティックヒーラーはそれが全体的な健康状態を促進すると考えるかもしれません^{[ 38 ]}そしてビジネスアドバイザーはそれが仕事によるストレスからの解放をもたらすと考えるかもしれません。

運動中は、より多くの酸素を吸収するために、より深い呼吸パターンが適応されます。より深い呼吸パターンを採用するもう一つの理由は、体のコアを強化することです。深呼吸の過程では、胸郭横隔膜が体幹内でより低い位置を占め、腹腔内圧を発生させ、腰椎を強化します。^{[ 39 ]}一般的に、これによりより力強い身体動作が可能になります。そのため、重いウェイトを持ち上げる際には、深呼吸をしたり、より深い呼吸パターンを採用することが推奨されることが多いです。

• ネスター、ジェームズ（2020年）『ブレス：失われた芸術の新たな科学』リバーヘッドブックス。ISBN 978-0-7352-1361-6。
• Parkes, M (2006). 「息止めとその限界点」 . Exp Physiol . 91 (1): 1– 15. doi : 10.1113/expphysiol.2005.031625 . PMID  16272264 .

• ウィキメディア・コモンズにおける人間の呼吸に関するメディア
• ウィキクォートの「呼吸」に関する引用