二酸化炭素は廃棄ガスではない｜酸素を届けるボーア効果と脳血流から読み解く本当の役割

二酸化炭素がないと、酸素は「届かない」

酸素の輸送について、教科書ではこう習います。

肺で酸素を取り込み、血液中のヘモグロビンが酸素を受け取り、血流に乗って全身へ運ぶ。
ここまでは、多くの人が知っている呼吸の仕組みです。

しかし、ここで見落とされやすい問題があります。

それは、運ばれた酸素が、届いた先でどうやって手放されるのか、ということです。

酸素は、血液中にたくさんあればよいわけではありません。
必要な組織でヘモグロビンから離れ、細胞に渡されてはじめて意味があります。

この酸素の受け渡しに深く関わっているのが、二酸化炭素です。

ボーア効果とは、CO2が酸素の放出を助ける仕組み

体の組織では、細胞がエネルギーを作る過程で二酸化炭素が発生します。

このCO2が増えると、周辺のpHが下がります。
すると、ヘモグロビンは酸素を強く抱え込む力が弱まり、酸素を手放しやすくなります。

この現象を「ボーア効果」といいます。

ボーア効果は、1904年にクリスチャン・ボーアによって発見されました。
簡単にいえば、二酸化炭素が多く発生している場所ほど、酸素が組織に渡されやすくなる仕組みです。

たとえば、運動している筋肉では、代謝が活発になり、二酸化炭素が多く発生します。
その結果、ヘモグロビンから酸素が離れやすくなり、必要な場所に酸素が届きやすくなります。

2018年にMalteらがJournal of Applied Physiologyに発表した数理モデル研究では、ボーア効果を遮断すると、組織への酸素供給が大きく低下することが示されています[1]。

つまり、二酸化炭素は単なる排出物ではありません。
酸素を「運ぶ」だけでなく、必要な場所で「手放す」ために欠かせない存在です。

二酸化炭素がなければ、酸素は血液中にあっても、組織に届きにくくなります。
ここに、呼吸を考えるうえでの重要な視点があります。

脳は二酸化炭素にとても敏感に反応する

二酸化炭素は、酸素の放出だけでなく、血流にも深く関わっています。

特に敏感なのが、脳です。

脳は大量の酸素とエネルギーを必要とする臓器です。
そのため、脳血流はとても厳密に調整されています。

この脳血流の調整に、二酸化炭素が大きく関わっています。

CO2が下がると脳血流が減少する

過呼吸になると、血液中のCO2が急激に減ります。

このとき起きるのは、酸素不足ではありません。
多くの場合、問題はCO2不足です。

Battisti-Charbonneyらが2011年にThe Journal of Physiologyで報告した研究では、CO2分圧の変化に対する脳血管の反応が詳しく示されました[2]。

CO2が上がると、脳血管は拡張しやすくなります。
反対に、CO2が下がると、脳血管は収縮し、脳血流が減少します。

研究では、CO2の低下に対して脳血流が大きく変化することが示されています。
また、1mmHgのCO2低下につき、脳血流が約3％減少するという報告もあります。

過呼吸で、手足がしびれる。
頭がぼんやりする。
めまいがする。
不安感が強くなる。

こうした反応は、「酸素が足りないから起きている」と思われがちです。
しかし実際には、呼吸が多くなりすぎてCO2が減り、脳血流が低下している可能性があります。

ここで重要なのは、たくさん呼吸すれば体が楽になるとは限らない、ということです。

呼吸を増やしすぎると、酸素を多く取り込むどころか、二酸化炭素を失いすぎて、脳への血流を下げてしまうことがあるのです。

過呼吸による低CO2状態は、体にとって非常事態

二酸化炭素が下がりすぎた状態を、低CO2血症、またはhypocapniaといいます。

これは単に「少し息をしすぎた状態」ではありません。
体にとっては、さまざまな反応が連鎖する状態です。

2002年にLaffeyとKavanaghがNew England Journal of Medicineに発表したレビューでは、低CO2血症の臨床的リスクが体系的に整理されています[3]

過呼吸が続くと、血管・気道・神経にも影響する

では、デバイスを埋め込まなくても迷走神経を活性化する方法はあるのでしょうか。
そのひとつが、呼吸です。
GerritsenとBandが2018年にFrontiers in Human Neuroscienceで提唱した「呼吸性迷走神経刺激（rVNS）」モデルによると、ゆっくりした呼吸、特に吐く息を長くする呼吸は、迷走神経の求心性線維を持続的に刺激することが期待されています[4]。
瞑想やヨガで副交感神経が活性化するのは、「心が落ち着くから」だけではありません。
呼吸パターンが迷走神経を物理的に刺激している可能性がある。
つまり、順序が逆なのです。

呼吸法はなぜストレスや気分に影響するのか

過呼吸によってCO2が急激に低下すると、まず脳血流が減少します。

しかし影響は、それだけではありません。

冠動脈の収縮。
気管支の痙攣。
電解質バランスの変化。
神経の興奮性の変化。

こうした反応が重なることで、動悸、息苦しさ、しびれ、めまい、不安感などが起こることがあります。

もちろん、医療の現場では、一時的にCO2を下げることが必要になる場面もあります。
たとえば、頭蓋内圧のコントロールなどです。

しかし、低CO2状態が長く続くことは、体にとって望ましい状態ではありません。
Laffeyらのレビューでも、持続的な低CO2状態には注意が必要であることが示されています[3]。

ここで問題になるのが、慢性的に呼吸量が多すぎる状態です。

本人は過呼吸をしているつもりがなくても、口呼吸が多い、ため息が多い、肩で息をしている、常に呼吸が浅く速い。
こうした状態が続くと、二酸化炭素が必要以上に失われやすくなります。

「息苦しいから、もっと吸う」
この反応が、さらにCO2を減らし、息苦しさを強めることがあります。

呼吸は、多ければ多いほどよいわけではありません。
必要なのは、体に合った呼吸量です。

二酸化炭素は「廃棄物」ではなく「情報」でもある

二酸化炭素の役割は、酸素輸送や脳血流の調整だけではありません。

近年の研究では、二酸化炭素は生体内でさまざまな情報を伝えるシグナル分子としても注目されています。

二酸化炭素は体の状態を伝えるシグナル分子

2014年にCumminsらがCellular and Molecular Life Sciences誌で発表したレビューでは、二酸化炭素が細菌から哺乳類に至るまで、幅広い生物でシグナル分子として働いていることが整理されています[4]。

二酸化炭素は、免疫応答の調整、病原体の毒性発現、昆虫の宿主探索行動などにも関わっています。

つまり、二酸化炭素は単なる排出物ではありません。
生物は、二酸化炭素を「情報」として利用しているのです。

人体においても、二酸化炭素はpHの調整、血管の拡張、呼吸中枢の働き、ミトコンドリアのエネルギー産生などに関係しています。

呼吸のたびに吐き出しているガスが、これほど多くの役割を持っている。
この事実は、呼吸を考えるうえで見落とされやすい重要なポイントです。

「酸素を吸うこと」だけを呼吸だと考えると、呼吸の半分しか見えていません。

呼吸とは、酸素を取り込み、二酸化炭素を適切に調整する仕組みでもあるのです。

二酸化炭素が酸素供給を助けることを示した「人工ボーア効果」の実験

二酸化炭素が酸素の放出に関わることは、ボーア効果として知られています。

では、二酸化炭素を外から加えることで、実際に酸素供給を変えることはできるのでしょうか。

この点を示した研究があります。

皮膚からCO2を透過させ、酸素解離を促した研究

2011年にSakaiらがPLoS ONEに発表した研究では、皮膚から二酸化炭素を透過させることで、ヘモグロビンからの酸素解離が促進されることが示されました[5]。

これは「人工的なボーア効果」として報告されています。

二酸化炭素が増えることで、ヘモグロビンが酸素を手放しやすくなる。
つまり、二酸化炭素は酸素供給を邪魔するものではなく、適切な範囲では酸素を組織へ届けるために必要な存在なのです。

ただし、ここで注意が必要です。

二酸化炭素は多ければ多いほどよい、という話ではありません。
高すぎても、低すぎても、体には負担になります。

大切なのは、二酸化炭素を「増やすこと」ではなく、呼吸を整えて「適切に保つこと」です。

鼻呼吸や静かな呼吸が大切なのは、無理に二酸化炭素を増やすためではありません。
呼吸量を整え、過呼吸によるCO2の失いすぎを防ぐためです。

「深呼吸＝たくさん吸う」という直感とは逆の方向に、生理学の答えがあります。

参考文献

[1] Malte H, Lykkeboe G. The Bohr/Haldane effect: a model-based uncovering of the full extent of its impact on O2 delivery to and CO2 removal from tissues. Journal of Applied Physiology. 2018;125(3):516-524. doi:10.1152/japplphysiol.00140.2018

[2] Battisti-Charbonney A, Fisher J, Duffin J. The cerebrovascular response to carbon dioxide in humans. The Journal of Physiology. 2011;589(12):3039-3048. doi:10.1113/jphysiol.2011.206052

[3] Laffey JG, Kavanagh BP. Hypocapnia. New England Journal of Medicine. 2002;347(1):43-53. doi:10.1056/NEJMra012457

[4] Cummins EP, Selfridge AC, Sporn PH, Sznajder JI, Taylor CT. Carbon dioxide-sensing in organisms and its implications for human disease. Cellular and Molecular Life Sciences. 2014;71(5):831-845. doi:10.1007/s00018-013-1470-6

[5] Sakai Y, Miwa M, Oe K, et al. A novel system for transcutaneous application of carbon dioxide causing an “artificial Bohr effect” in the human body. PLoS ONE. 2011;6(9):e24137. doi:10.1371/journal.pone.0024137