【生物基礎】体内環境と体液を図解で総まとめ—血液・血液凝固・循環系・腎臓と肝臓｜武蔵野個別指導塾

血液・組織液・リンパ液のつながりから、酸素解離曲線の読み取り、腎臓の再吸収量の計算までを図と例題でたどり、肝臓と循環系の役割を整理して学べます。

よくあるのは、朝の通学路の坂を上って息が弾んだときに、「肺で取り込んだ酸素は血液で運ばれる」と思い出せても、血管の外にある筋肉の細胞へどう届くのかを説明できないという場面です。血液、心臓、腎臓、肝臓をそれぞれ覚えたつもりでも、細胞を中心にしてつなぐと、途中の道筋が抜けてしまいます。

この単元の出発点は、体の細胞がどのような液体に囲まれ、そこから何を受け取り、何を渡しているかです。酸素や栄養分を運ぶだけでなく、不要になった物質を回収し、水分や塩類の量を調節することも、同じ体液の流れに関係しています。臓器の名前を並べる前に、物質の行き先を追ってみましょう。

血管の内側と外側を区別できると、体液の分類から腎臓のはたらきまでが一本の道筋で読めるようになります。酸素解離曲線や原尿の資料も、数字の大小だけでなく、細胞へ渡した量や血液へ戻した量として意味をつけて扱えます。

この単元で身につけること

• 体内環境と体液の関係を説明します。血液・組織液・リンパ液を、主に存在する場所と互いのつながりから区別します。
• 血液の成分を役割と結びつけます。血しょう、赤血球、白血球、血小板の違いを押さえ、血液凝固で何が網目をつくるのかまで説明します。
• 心臓から出た血液の経路をたどります。肺循環と体循環をつなげ、動脈・静脈という血管の分類と、動脈血・静脈血という血液の分類を分けます。
• 酸素解離曲線を読みます。酸素濃度から酸素ヘモグロビンの割合を読み取り、肺と組織での差を酸素の受け渡しに結びつけます。
• 腎臓と肝臓のはたらきを説明します。ろ過・再吸収・尿の排出を区別し、肝臓による尿素の合成や物質の貯蔵との連携を整理します。

中学校で学んだ消化・吸収、呼吸、血液循環が土台です。さらに、細胞の呼吸では有機物からエネルギーを取り出すことを学びました。その活動を続けられるように、細胞の周囲の条件を整える仕組みへと視点を広げます。

基本の考え方

細胞の周囲を流れる体液

体内環境とは、体の細胞を取り巻く環境のことです。ヒトの多くの細胞は外界の空気や食べ物に直接触れておらず、体液を介して物質を受け渡しています。生物基礎では、血液・組織液・リンパ液を体液として整理します。細胞の内部にある液体と、細胞を取り巻く体液の位置を混同しないことが大切です。

血液は心臓と血管の中を流れます。その液体成分が血しょうで、水を主成分とし、タンパク質、無機塩類、栄養分、不要物などを含みます。毛細血管という非常に細い血管では、血しょうの一部が血管の壁を通って外へ出て、細胞の間を満たす組織液になります。赤血球や大部分の血しょうタンパク質が、そのまま一緒に外へ出るわけではありません。

組織液は細胞との物質交換の直接の場です。酸素や栄養分は血液から組織液を経て細胞へ向かい、細胞で生じた二酸化炭素などは逆向きに移動します。組織液の多くは毛細血管に戻り、一部はリンパ管へ入ります。このリンパ管内の液体がリンパ液で、やがて静脈へ合流します。図1のように、3種類の体液は互いに無関係な袋に入った液体ではなく、つながった流れとして捉えます。

図1の細胞へ向かう矢印は酸素や栄養分の受け渡し、戻る矢印は二酸化炭素などの受け渡しを表します。血管と組織液の間の矢印は、液体や溶けた物質の移動をまとめた模式的な表示です。リンパ管に入った分も血液へ戻るので、体液の流れを考えるときには、その合流点まで追います。

外の気温が変わったり、運動で細胞の活動が変わったりしても、体内環境の状態は一定の範囲に保たれます。この性質を恒常性、またはホメオスタシスといいます。「一定」とは、数値がまったく動かないという意味ではありません。変化が起こる中で調節が続き、細胞の活動に適した範囲が維持されるという意味です。

血液の成分と血液凝固

血液は、液体成分の血しょうと、有形成分である赤血球・白血球・血小板からなります。赤血球に含まれるヘモグロビンは酸素と結合するタンパク質です。酸素を多く含む場所で結合し、少ない場所で放出する性質が、酸素の運搬に役立ちます。ヒトの成熟した赤血球には核がないことも、細胞のつくりと関連する特徴です。

白血球は体内に入った異物を排除するなど、生体防御にかかわります。血小板は血液凝固にかかわる小さな細胞の断片です。「白い成分だから血しょう」「小さい赤血球が血小板」といった見た目だけの整理を避け、液体なのか、有形成分なのか、そのうえで何をするのかを順に確かめます。

血管が傷つくと、血小板が傷口に集まるとともに、血液を固める一連の反応が進みます。その結果、血しょう中の水に溶けるフィブリノーゲンが、水に溶けにくい繊維状のフィブリンに変わります。フィブリンが網目をつくり、血球などをからめ取ってできる固まりが血ぺいです。血ぺいが傷口をふさぐことで、血液の流出を抑えます。

血液が凝固した後に残る液体を血清といいます。血清は血しょうと似ていますが、フィブリノーゲンなど、凝固に使われた成分が除かれている点が違います。「血しょうから赤血球だけを除けば血清になる」という説明はできません。血しょうはもともと赤血球を含まない液体成分であり、血清との違いは凝固に伴う成分の変化にあります。

循環系と腎臓・肝臓の分担

ヒトの心臓は右心房・右心室・左心房・左心室の4つの部屋に分かれます。心房は心臓へ戻ってきた血液を受け取り、心室は血液を心臓の外へ送り出します。心臓や静脈にある弁は、血液の逆流を防ぐはたらきをします。左右はその人自身から見た向きなので、正面から見た図では紙面の左右と逆になることがあります。

右心室から肺動脈を通って肺へ行き、肺静脈を通って左心房へ戻る経路が肺循環です。肺では血液が酸素を受け取り、二酸化炭素を放出します。一方、左心室から大動脈を通って全身へ行き、大静脈を通って右心房へ戻る経路が体循環です。全身の組織での物質交換を終えた血液は、右心房、右心室を経て再び肺へ向かいます。

動脈は心臓から出る血液が通る血管、静脈は心臓へ戻る血液が通る血管です。これは流れる向きによる名称です。これに対して、酸素を比較的多く含む血液を動脈血、酸素を比較的少なく含む血液を静脈血といいます。肺動脈には静脈血、肺静脈には動脈血が流れるため、名前が似ていても分類の基準を分けます。

腎臓は、血液から不要物を排出し、水分や無機塩類の量を調節する臓器です。腎臓にはネフロンという尿をつくる基本単位が多数あります。毛細血管の集まりである糸球体と、それを包むボーマンのうを合わせて腎小体といい、腎小体とそれに続く細尿管がネフロンを構成します。

糸球体で血液中の液体成分の一部がボーマンのうへこし出されることをろ過といい、できた液体を原尿といいます。血球や大きなタンパク質は通常ほとんどろ過されませんが、水、無機塩類、グルコース、尿素などは原尿に含まれます。原尿が細尿管などを流れる間に、グルコースや体に必要な量の水・無機塩類が血液へ戻ります。この過程が再吸収です。残った液体が尿となり、輸尿管、ぼうこう、尿道を経て体外へ出ます。

肝臓は物質の合成・分解・貯蔵などを担います。小腸で吸収されたグルコースやアミノ酸などを含む血液は、肝門脈を通って肝臓へ入ります。肝臓はグルコースをグリコーゲンとして蓄え、必要に応じて分解して血液へ送り出します。また、アミノ酸の分解などで生じる有害なアンモニアを、毒性の低い尿素へ変えます。尿素は血液で腎臓へ運ばれ、尿中へ排出されます。

肝臓は血しょうタンパク質の合成、アルコールなどの分解、胆汁の生成にもかかわります。胆汁は胆のうに蓄えられて小腸へ送られ、脂肪の消化を助けますが、胆汁そのものに消化酵素が含まれるわけではありません。肝臓が物質を処理し、腎臓が排出や量の調節を担うという分担は、両者が血液で結ばれているから成立します。

例題で解き方を確かめる

例題1　液体の名前を場所から決める

ある物質が、毛細血管内の液体成分Aから細胞の間の液体Bへ移動し、細胞へ取り込まれました。Bの一部はリンパ管に入り、液体Cとして流れました。A・B・Cの名称と、Cが最終的に合流する血管の種類を答えましょう。

1. Aの場所と「液体成分」という条件を確認します。血管内を流れる全体なら血液ですが、その液体成分に限っているため血しょうです。
2. Bが細胞の間にあることを確認します。細胞の外で細胞を取り巻き、物質交換の場となる液体なので組織液です。
3. Cが流れる管と合流先を確認します。同じ流れの一部でも、リンパ管に入った液体はリンパ液と呼び、やがて静脈に合流します。

この問題では「成分が似ているから同じ名称にする」のではなく、設問の場所の指定を優先します。また、Aを血液と答えると、赤血球などまで含む答えになってしまいます。問われた対象の広さをそろえることが、短い用語問題でも必要です。

答え：Aは血しょう、Bは組織液、Cはリンパ液で、Cは静脈へ合流します。

例題2　心臓を起点に循環の順序を決める

右心室を出た血液が、肺と全身の組織を通って右心房へ戻るまでの経路を答えましょう。さらに、肺動脈を流れる血液が動脈血か静脈血かを答えます。心臓の部屋と主要な血管を省略せず、全身の組織には肺を含めないものとします。

1. 右心室の次を肺循環としてつなぎます。右心室は肺へ血液を送るので、肺動脈、肺、肺静脈、左心房の順になります。
2. 左心房の次に左心室を置き、体循環へ進みます。心房は血液を受け取る部屋であり、全身へ押し出すのは左心室だからです。
3. 全身からの戻りを大静脈と右心房につなぎます。肺動脈内の血液については、肺で酸素を受け取る前であることから静脈血と判断します。

順序が不安なときは「右は肺へ、左は全身へ」と出口を先に決め、戻り先の心房を足すと整理できます。肺静脈から右心房へつなぐと、肺から受け取った血液を全身へ送る経路が切れてしまいます。暗記した語の並びだけでなく、酸素を受け取る場所と渡す場所が交互になるかも確認しましょう。

答え：右心室→肺動脈→肺→肺静脈→左心房→左心室→大動脈→全身の組織→大静脈→右心房で、肺動脈には静脈血が流れます。

例題3　酸素解離曲線から放出した酸素を読む

ヘモグロビンに酸素が結合したものを酸素ヘモグロビンといいます。酸素解離曲線は、酸素濃度と、ヘモグロビン全体に対する酸素ヘモグロビンの割合との関係を示したグラフです。縦軸の100%は、ヘモグロビンが結合できる最大量の酸素を結合している状態に対応します。血液全体の100%が酸素である、という意味ではありません。

図2は読み取り練習用の値を使った模式図です。横軸は酸素濃度の相対値で、測定の単位や人体の標準値を示すものではありません。温度や二酸化炭素濃度などの条件を固定し、肺に相当する点Aを横軸100・縦軸98%、組織に相当する点Bを横軸40・縦軸75%とします。同じ量のヘモグロビンがAからBへ移るとき、放出する酸素は最大結合量の何%でしょうか。

図2のように、酸素濃度の高い領域では酸素ヘモグロビンの割合が高くなり、濃度が下がると酸素を放出します。酸素を受け渡すときにヘモグロビン自体を組織へ捨てるわけではありません。赤血球内のヘモグロビンが酸素を離し、その酸素が組織液を経て細胞へ移動します。

1. 出発点Aの縦軸を読みます。酸素濃度100という横軸の数値と、酸素を結合している割合98%を取り違えないためです。
2. 到着点Bの縦軸75%を読みます。放出量は「最初の結合量」と「残った結合量」の差から求めます。
3. 98−75＝23と計算します。どちらも同じ最大結合量を基準にした割合なので、差は最大結合量の23%に相当します。

割合の変化としては23ポイントの低下です。一方、「Aで結合していた酸素の何%を放出したか」と聞かれれば、基準は98に変わり、23÷98×100で約23.5%になります。問いに「最大結合量」とあるか「最初に結合していた量」とあるかを見て、分母を決めます。

活動が活発な組織では酸素が消費され、二酸化炭素が多く生じます。二酸化炭素濃度が高い条件では、同じ酸素濃度でもヘモグロビンは酸素を放しやすくなります。複数の曲線がある問題では、横軸だけを見ず、どの条件の曲線を読むかも確かめる必要があります。

答え：放出する酸素は、ヘモグロビンの最大結合量の23%です。

例題4　原尿と尿の量から再吸収を求める

ある資料では、1日当たりの原尿の量を150 L、同じ日の尿の量を1.5 Lとしています。液量の差を再吸収された水の量とみなす問題の条件で、1日当たりの再吸収量と、原尿のうち尿として排出された割合を求めましょう。ここでは提示された値による計算結果を示し、日常の測定値のばらつきは扱いません。

1. 原尿と尿の位置を区別します。原尿はろ過の直後、尿は再吸収などを経た後の液体なので、両者を同じ量として扱えません。
2. 原尿から尿の量を引きます。150−1.5＝148.5より、血液へ戻された量は1日当たり148.5 Lです。
3. 尿の量を原尿の量で割ります。1.5÷150×100＝1.0より、排出割合は1.0%です。割合にはLを付けず、再吸収量にはLを付けます。

原尿が大量にできるからといって、その全量が体外へ出るわけではありません。同じ体内の水が循環しながらろ過と再吸収を受けるので、1日の原尿の合計量を、ある瞬間に体内にある水の量と同一視しないようにします。また、再吸収はぼうこうで起こるのではなく、尿がぼうこうへ達する前に起こります。

答え：再吸収量は1日当たり148.5 L、原尿のうち尿として排出された割合は1.0%です。

つまずきやすいところと直し方

誤り1　動脈という名前だけで酸素の量を決める

誤った書き方は「肺動脈には、動脈なので酸素の多い動脈血が流れる」です。違うのは、血管の名前と血液の状態を同じ基準で判断している点です。動脈・静脈を決めるのは心臓に対する流れの向きであり、動脈血・静脈血を決めるのは酸素の含まれ方です。

正しい書き方は「肺動脈は心臓から肺へ向かう血管で、肺で酸素を受け取る前の静脈血が流れる」です。図の赤や青の色に頼る前に、心臓の出口と入口に矢印を付けます。その後で肺での気体交換を手がかりに血液の状態を決めると、色がない図でも答えられます。

誤り2　必要な物質はろ過されないと考える

誤った書き方は「グルコースは必要な物質だから原尿には含まれない」です。違うのは、ろ過を、体に必要か不要かを判断して選び分ける過程だと考えている点です。小さい分子であるグルコースはろ過されて原尿へ入り、その後、通常はほぼすべてが再吸収されます。

正しい書き方は「グルコースは原尿に含まれるが、通常は再吸収されるため、尿にはほとんど含まれない」です。図3のように、ろ過は血液から原尿へ向かう矢印、再吸収は細尿管から血液へ戻る矢印です。どちらも腎臓の中で起こりますが、向きも場所も異なります。

図3は経路を見やすくするために形を単純化しています。糸球体から出た血液は、細尿管の周囲の毛細血管へ流れ、再吸収された物質を受け取ります。原尿の通路と血液の通路を別々に指でたどり、その間を移動する矢印の名称を言うと、ろ過と再吸収を区別できます。尿はその後、集合管などを経て集められます。

誤り3　尿素をつくる場所と尿をつくる場所を同じにする

誤った書き方は「腎臓はアンモニアを尿素に変えて尿をつくる」です。違うのは、尿素という物質の合成と、尿という液体をつくって排出する過程をまとめている点です。肝臓がアンモニアを尿素に変え、その尿素を含む血液が腎臓へ流れます。

正しい書き方は「尿素は肝臓でつくられ、血液によって腎臓へ運ばれて尿中に排出される」です。肝臓と腎臓の間に「血液で運ぶ」と書き添えると、場所の暗記が物質の移動と結びつきます。同様に、胆汁をつくる場所は肝臓、蓄える場所は胆のうと、つくる・運ぶ・蓄える・排出するという動詞を分けることが有効です。

練習問題

練習1

血液の液体成分をA、酸素を主に運搬する有形成分をB、異物の排除などにかかわる有形成分をC、血液凝固にかかわる細胞の断片をDとします。A〜Dの名称を答えましょう。さらに、血液凝固でフィブリノーゲンからできる物質Eと、凝固後に残る液体Fの名称も答えます。

練習2

左心室から出た血液が全身を通り、肺を経て左心房へ戻るまでに、次の血管を通る順序を答えましょう。選択肢は「肺静脈・大静脈・大動脈・肺動脈」です。このうち、静脈血が流れる血管をすべて選び、その判断の理由も説明します。

練習3

図2の条件で、肺に相当する点Aの酸素ヘモグロビンの割合は98%、別の組織に相当する横軸20の点では30%でした。Aからこの組織へ移るときに放出される酸素は、最大結合量の何%ですか。また、横軸40の点Bへ移る場合と比べ、最大結合量を基準にした放出割合は何ポイント大きいですか。

練習4

ある資料で、1日当たり原尿に入ったグルコースは180 g、尿中に出たグルコースは0 gとします。この経路ではグルコースの合成・分解や、再吸収以外による出入りはないものとして、血液へ再吸収された量と再吸収率を求めましょう。さらに、アンモニアから尿素をつくる臓器と、尿をつくる臓器をそれぞれ答えます。

答えと解説

練習1の答えは、Aが血しょう、Bが赤血球、Cが白血球、Dが血小板、Eがフィブリン、Fが血清です。フィブリンは網目をつくる物質で、血球などを巻き込んだ固まり全体は血ぺいです。血小板、フィブリン、血ぺいをすべて「血を固めるもの」とだけ覚えず、反応への関与、網目の材料、できた固まりという違いを説明しましょう。

練習2の答えは、大動脈→大静脈→肺動脈→肺静脈です。静脈血が流れるのは大静脈と肺動脈で、全身で酸素を渡した後、肺で酸素を受け取る前の経路に当たります。実際には大静脈と肺動脈の間に右心房と右心室があります。血管だけを選ぶ設問でも、間にある心臓の部屋を補って考えると順序が安定します。

練習3の答えは、最大結合量の68%、点Bへ移る場合より45ポイント大きい、です。98−30＝68、例題3の放出割合23%との差は68−23＝45です。点Bでの残存割合75%と今回の残存割合30%の差を取り、75−30＝45としても確かめられます。出発点が同じなので、到着点で残る量が少ないほど放出量は大きくなります。

練習4の答えは、再吸収量が1日当たり180 g、再吸収率が100%、尿素をつくる臓器が肝臓、尿をつくる臓器が腎臓です。量は180−0＝180、割合は180÷180×100＝100と求めます。尿に見られない物質でも、原尿には入っていた可能性があります。尿の成分だけから、ろ過されたかどうかを即断しないようにしましょう。

次の単元へのつながりと家庭での確かめ方

体液によって運ばれるのは酸素や栄養分だけではありません。次に学ぶホルモンも血液によって運ばれ、特定の細胞や器官にはたらきます。血糖量や体温の調節を学ぶ際には、今回の肝臓や循環系の知識が、その調節が実際に行われる場所を理解する土台になります。白血球のはたらきは、免疫の学習へつながります。

家庭では、1つ目として、5分で白紙に「血しょう・組織液・リンパ液・細胞」を置き、物質の移動を矢印でつなぎます。矢印を描けない場所があれば、用語の意味ではなく、その間の移動の説明を読み直します。2つ目として、別の5分で「グルコース・尿素・赤血球」を、通常の血液・原尿・尿のどこにあるか整理します。量の多少や再吸収も添えると、存在するかどうかだけの暗記から進めます。

個別指導では、酸素解離曲線で止まる場合は縦軸の割合の基準まで、腎臓の問題で止まる場合は血管と細尿管という2本の通路まで戻って確かめます。お子さまの説明を聞く際にも、用語を言えたかに加えて、「どこからどこへ動くのか」が続くかを手がかりにできます。

まとめ

朝の坂で活動する筋肉を考えるとき、肺から酸素が届く道には、心臓、血管、ヘモグロビン、組織液がつながっています。その活動で生じた物質の処理には、肝臓や腎臓もかかわります。一つの臓器の名称だけでは、細胞が活動を続けられる理由を説明しきれません。

資料の問題では、まず物質の場所を決め、次に移動の向きを示し、最後に量や割合を読み取ります。体内環境の理解は、細胞へ届く道と、細胞から戻る道がつながったところで形になります。