【生物基礎】自律神経とホルモンを図解で総まとめ—恒常性の調節・血糖量・体温の調節｜武蔵野個別指導塾

交感神経と副交感神経の区別から、血糖量・体温の調節までを3枚の図で整理します。ホルモンの分泌場所と作用を結び、例題と練習問題でフィードバックの矢印を自分で説明できるか確かめましょう。

よくあるのは、放課後の廊下の掲示板の前で生物基礎の学習範囲を見て、「交感神経もアドレナリンも心臓の拍動を促進するなら、同じものとして覚えてよいのだろうか」と手が止まる場面です。用語の一覧では別の欄に載っているのに、作用だけを見ると重なっています。さらに血糖量の調節図にはすい臓や肝臓も登場し、どこが情報を送り、どこが実際にはたらくのかが見えにくくなります。

この混乱は、情報を伝える経路と、情報を受けた器官の反応とを分けると整理できます。神経は決まった経路を通して情報を伝え、ホルモンは血液で運ばれて特定の細胞にはたらきます。両者は協力して体内の状態を調節します。名前の暗記から一歩進み、「最初に何が変わったか」「何が分泌されたか」「その結果どう戻るか」を順にたどりましょう。血糖量や体温の図を、自分の言葉で説明することが目標です。

この単元で身につけること

• 神経系の分類を説明します。脳・脊髄という位置による分け方と、体性神経系・自律神経系というはたらきによる分け方を区別します。
• 交感神経と副交感神経の作用を比べます。心臓と消化管など、同じ器官に対する作用を並べると、互いに反対向きにはたらく関係が読み取れます。
• ホルモンの分泌場所と作用先を結びます。内分泌腺、血液、標的細胞の順に追い、分泌した器官と反応する器官を取り違えないようにします。
• フィードバック調節を説明します。調節の結果が前の段階にはたらき返し、反応が過剰にならない仕組みを矢印で表します。
• 血糖量と体温の調節を比較します。どちらも変化を小さくする調節ですが、糖の出入りを変える場合と、熱の産生・放散を変える場合とを区別します。

中学校で学んだ神経による刺激と反応、消化・吸収の学習が土台になります。また、体液が細胞の周囲の環境をつくることや、呼吸で有機物からエネルギーを取り出すこともつながります。器官名があいまいな場合は、先に人体図で位置を確かめてから調節の矢印を足すと読みやすくなります。

基本の考え方

神経系は「場所」と「はたらき」を分けて整理します

外部の気温や食事の間隔が変わっても、体内の状態は一定の範囲に保たれています。この性質が恒常性です。完全に変化しないという意味ではありません。食後には血糖量が上がりますが、それを下げる調節がはたらくため、大きな変化が続きにくくなります。変動と、それを小さくする反応を組にして考えることが出発点です。

神経系は、情報をまとめる中枢神経系と、全身との連絡を担う末梢神経系に分けられます。中枢神経系は脳と脊髄からなります。末梢神経系は中枢と体の各部を結び、感覚の情報を中枢へ伝えたり、中枢からの情報を筋肉や内臓へ伝えたりします。「中枢」は脳だけの別名ではなく、脊髄も含む分類です。

末梢神経系は、はたらきによって体性神経系と自律神経系に分けられます。体性神経系には、感覚の情報を伝える感覚神経と、骨格筋にはたらきかける運動神経が含まれます。自律神経系は、心臓・消化管・血管などのはたらきを、通常は意識とは無関係に調節します。間脳の視床下部は、自律神経系と内分泌系の調節の重要な中枢です。場所による分類と役割による分類を、同じ段階の選択肢として並べないことが大切です。

自律神経系は交感神経と副交感神経からなります。交感神経は活動時や緊張時に優位になりやすく、副交感神経は休息時などに優位になりやすい神経です。ただし、一方が完全に停止して他方だけが動くスイッチではありません。多くの器官では両者が反対向きにはたらき、その関係を拮抗的な作用といいます。

図1のように、交感神経は心臓の拍動を促進し、消化管の運動を抑制する方向にはたらきます。副交感神経は心臓の拍動を抑制し、消化管の運動を促進する方向にはたらきます。「交感神経なら何でも促進」と覚えると、消化管で逆になります。図の横方向に同じ器官を比べ、何のはたらきが増減するのかを読むことが必要です。

図1は2つの器官での代表的な関係を表したものです。すべての器官が両方の神経から同じように支配されるわけではありません。たとえば汗腺は交感神経によって発汗を調節されます。「暑いときは休んでいるから、汗は副交感神経」というように、気分や活動の印象だけで分類しないようにしましょう。

ホルモンは血液を通じて標的細胞へ届きます

ホルモンは、体のはたらきを調節する情報伝達物質です。ホルモンを血液中へ分泌する器官を内分泌腺といい、その仕組みによる調節を内分泌系による調節といいます。血液に入ったホルモンは全身を巡りますが、どの細胞にも同じ作用を示すわけではありません。そのホルモンを受け取る受容体をもつ標的細胞に作用します。標的細胞が集まった作用先を、標的器官と呼ぶこともあります。

分泌物を導管によって消化管の内部や体表などへ出す外分泌と、血液中へ出す内分泌とは区別します。すい臓はその両方を行う器官です。消化酵素を含むすい液は外分泌されます。一方、すい臓のランゲルハンス島という細胞の集まりでは、A細胞がグルカゴン、B細胞がインスリンを内分泌します。「すい臓から出る物質」というだけでは、行き先も役割も決まりません。

神経による調節は一般に反応が速く、決まった経路の先へ情報が伝わります。ホルモンによる調節は血液で運ばれるため、一般に作用の発現が比較的ゆっくりで、作用が長く続く傾向があります。ただし、これは基本的な比較であり、すべてのホルモンがゆっくりとは限りません。副腎髄質から出るアドレナリンのように、比較的速く作用するものもあります。

代表的な内分泌腺とホルモンは、次のように組にして整理できます。副腎は腎臓の上に位置しますが、副腎と腎臓は別の器官であり、副腎の皮質と髄質から出るホルモンも異なります。

水分量の調節で学ぶバソプレシンは、視床下部でつくられ、脳下垂体後葉から放出されるホルモンです。腎臓で水の再吸収を促進します。この例では「つくられる場所」と「血液中へ放出される場所」が異なります。前葉と後葉を一つにまとめず、問題が何を尋ねているかに合わせて答えましょう。

調節の結果が前の段階にはたらき返します

ある反応の結果が、その反応を起こす前の段階にはたらき返す仕組みをフィードバック調節といいます。そのうち、最初の変化を打ち消す方向にはたらくものが負のフィードバックです。ここでの「負」は、体に悪いという意味ではありません。増えすぎたら増やすはたらきを弱める、といった反対向きの調節を指します。

たとえば視床下部からの放出ホルモンが脳下垂体前葉にはたらくと、甲状腺刺激ホルモンが分泌されます。その作用で甲状腺からチロキシンが分泌され、代謝が促進されます。血液中のチロキシンが増えると、視床下部や脳下垂体前葉にはたらき返して、上流のホルモン分泌を抑えます。そのため、甲状腺への刺激が弱まり、分泌が過剰になることを防げます。

血糖量の調節も、変化を小さくする仕組みです。血糖量とは血液中のグルコースの濃度で、教科書では血液100 mL中のグルコースの質量などで表します。食後の上昇によってインスリンの分泌が促され、血糖量が下がると、最初の分泌刺激も弱まります。血糖量が正常な範囲に近づいても同じ強さで下げ続ける、という仕組みではありません。

例題で解き方を確かめる

例題1　神経の分類と器官の反応を結びます

ある人が緊張した場面で、心臓の拍動が速くなり、消化管の運動が抑制されました。この調節で優位になっていると考えられる神経を答え、それが属する神経系を2段階で説明しましょう。また、休息時に副交感神経のはたらきが優位になると、同じ2つの器官はそれぞれどの方向に変化するか答えましょう。

1. まず、心臓と消化管という作用先を確認します。どちらも意識して直接動かす骨格筋ではないので、自律神経による調節を考えます。
2. 次に、心臓の拍動の促進と消化管の運動の抑制を図1に照らします。同じ2つの変化に当てはまるのは交感神経なので、一方の器官だけで判断せず確かめられます。
3. 最後に、分類と反対向きの作用を分けて書きます。交感神経は末梢神経系のうち自律神経系に属し、副交感神経は心臓の拍動を抑制し、消化管の運動を促進する方向にはたらきます。

答え：交感神経で、末梢神経系のうち自律神経系に属します。副交感神経は心臓の拍動を抑制し、消化管の運動を促進します。

この問題で「脳」と答えると、調節に関わる中枢と、器官へ情報を伝える神経を混同しています。設問が中枢の場所を尋ねているのか、末梢の神経名を尋ねているのかに印を付けると、解答の粒度がそろいます。

例題2　食後と空腹時の血糖量の調節を読みます

図2の上段は食後に血糖量が上昇した場合、下段は空腹時などに血糖量が低下した場合の代表的な調節です。上段で分泌を増すホルモンとその分泌細胞、下段で分泌を増すホルモンとその分泌細胞を答えましょう。また、上段と下段で、肝臓のグリコーゲンはそれぞれ合成と分解のどちらが促進されるか説明しましょう。

1. 出発点の変化を読みます。図2の上段は血糖量を下げる反応、下段は血糖量を上げる反応が必要です。調節後に進むべき方向を先に決めれば、ホルモン名を逆にする誤りを減らせます。
2. ホルモンと分泌細胞を対応させます。上段はB細胞から出るインスリン、下段はA細胞から出るグルカゴンです。インスリンは血糖量を下げるので、食後の上昇に対応します。
3. 肝臓での物質の変化を読みます。グリコーゲンは多数のグルコースがつながった貯蔵物質です。合成して蓄える方向は血液中のグルコースを減らし、分解してグルコースを血液へ送り出す方向は増やすため、上段では合成、下段では分解が促進されます。

答え：上段はB細胞のインスリンでグリコーゲン合成を促進し、下段はA細胞のグルカゴンでグリコーゲン分解を促進します。

インスリンは肝臓での貯蔵だけでなく、筋肉などへのグルコースの取り込みも促進します。一方、図2の下段で血液へグルコースを送り出す役割を考えるときは、肝臓に注目します。筋肉にもグリコーゲンはありますが、筋肉の貯蔵分を肝臓と全く同じ扱いにしないようにしましょう。

図2はランゲルハンス島の細胞が血糖量の変化に応じる経路を中心にしています。実際の調節には自律神経も関わります。血糖量が低下したときには、交感神経を通じてグルカゴンや副腎髄質のアドレナリンの分泌が促されます。食後などには、副交感神経もインスリンの分泌を促す方向にはたらきます。神経とホルモンは競合する説明ではなく、同じ調節を支える経路です。

例題3　ホルモンが増えた後の変化を予測します

視床下部、脳下垂体前葉、甲状腺の間で、正常なフィードバック調節がはたらいているとします。血液中のチロキシンの濃度が上昇したとき、脳下垂体前葉からの甲状腺刺激ホルモンの分泌は増加・減少のどちらに向かいますか。また、甲状腺への刺激はどうなりますか。

1. チロキシンを分泌する場所を確認します。甲状腺刺激ホルモンは名前に「甲状腺」が入りますが、分泌場所は脳下垂体前葉なので、両者を別の段階に置きます。
2. 上流へ戻る作用を考えます。チロキシンが増えたときは、視床下部や脳下垂体前葉のホルモン分泌が抑制されるため、甲状腺刺激ホルモンは減少する方向になります。
3. その結果を下流へたどります。甲状腺刺激ホルモンが減れば甲状腺への刺激が弱まるので、チロキシンの過剰な分泌を抑える方向に進みます。

答え：甲状腺刺激ホルモンの分泌は減少する方向になり、甲状腺への刺激は弱まります。

「チロキシンが増えたから、関連するホルモンも全部増える」と判断しないことがポイントです。原因と結果は一方通行ではなく、結果が原因側へ戻って作用しています。なお、この問題は調節が正常にはたらくという条件で考えるもので、個人の検査値を判定する問題ではありません。

例題4　暑さと寒さへの反応を熱の出入りで説明します

暑い環境で見られる発汗と皮膚の血管の拡張、寒い環境で見られる皮膚の血管の収縮と骨格筋のふるえについて、それぞれ体温の調節にどう役立つか説明しましょう。さらに、発汗とふるえがどちらも同じ種類の運動神経だけで起こる、という説明が正しいか考えましょう。

1. 体温を、熱の産生と放散の釣り合いから考えます。体内でつくる熱が多くなれば上昇しやすく、体外へ逃がす熱が多くなれば低下しやすいので、反応を2つに分類できます。
2. 暑い場合を読みます。皮膚の血管が拡張して皮膚への血流が増えると、体内の熱を体表へ運びやすくなります。汗が蒸発するときには体表から熱が奪われるため、熱の放散が増します。
3. 寒い場合を読みます。皮膚の血管が収縮すると体表への熱の運搬が減り、熱を逃がしにくくなります。骨格筋のふるえは筋肉の活動によって熱の産生を増やします。
4. 最後に、反応する器官を見て神経の種類を区別します。汗腺の調節には交感神経が関わり、骨格筋のふるえには体性神経系の運動神経が関わるため、意識せず起こるという点だけで同じに分類できません。

答え：暑いときは発汗と皮膚の血管拡張で熱の放散を増やし、寒いときは皮膚の血管収縮で放散を減らし、ふるえで産生を増やします。発汗とふるえを同じ神経の作用とする説明は誤りです。

体温調節の中枢は視床下部にあります。寒いときには交感神経やホルモンのはたらきによる代謝の促進も熱の産生を支え、チロキシンやアドレナリンなどが関わります。すべての反応が同時に同じ速さで起こると考えず、熱を保つ経路が複数あると捉えましょう。

つまずきやすいところと直し方

「交感神経はすべて促進し、副交感神経はすべて抑制します」

誤った書き方は「交感神経が優位になると、心臓も消化管も活動が促進される」です。どこが違うかというと、「活動時に優位」という説明を、全器官への同じ向きの作用に置き換えています。活動時には心臓の拍動が促進される一方、消化管の運動は抑制されます。

正しい書き方は「交感神経は心臓の拍動を促進し、消化管の運動を抑制する」です。直すときは、神経名だけの暗記カードを作るより、器官名と作用を組にした表を埋めます。副交感神経の欄も同じ器官の横に置けば、どの作用が拮抗的なのかが明確になります。

「ホルモンは血液で全身へ行くので、すべての細胞に作用します」

誤った書き方は「血液が届けば、どの細胞も同じホルモンに反応する」です。どこが違うかというと、運ばれる範囲と、反応できる細胞の範囲を混同しています。反応するには、そのホルモンに対応する受容体が必要です。

正しい書き方は「ホルモンは血液で運ばれ、対応する受容体をもつ標的細胞に作用する」です。また、血糖量を調節するホルモンがすべてすい臓から出るわけではありません。分泌場所、ホルモン名、作用先を3列に分けて書けば、副腎髄質のアドレナリンと、すい臓のグルカゴンを混ぜずに整理できます。

「フィードバックは、上がった値を必ずさらに上げます」

誤った書き方は「チロキシンが増えると、甲状腺刺激ホルモンも増え、さらにチロキシンが増える」です。どこが違うかというと、下流へ進む促進と、上流へ戻る抑制を、同じ意味の矢印として読んでいます。負のフィードバックでは、結果が最初の変化を小さくする方向にはたらきます。

図3のように、青い矢印は分泌を促進する向き、赤い線の先の横棒は分泌を抑制する向きを示します。チロキシンから視床下部と脳下垂体前葉へ戻る赤い経路を、下向きの青い経路と分けてたどりましょう。

正しい書き方は「血液中のチロキシンが増えると、上流のホルモン分泌が抑えられ、甲状腺への刺激が弱まる」です。図3の横棒を普通の矢印へ描き換えてしまうと、調節の意味が逆になります。矢印の形と凡例まで読むことが、用語の暗記と同じくらい必要です。

血糖量でも、調節が十分にはたらかない場合を考えると仕組みが確かめられます。糖尿病は、インスリンの分泌が不足したり、インスリンの作用が十分でなかったりするために、高い血糖の状態が続く病気です。1型ではインスリンを分泌するB細胞が破壊されることなどにより分泌が著しく不足し、2型ではインスリンの効きにくさや分泌の不足が関わります。「糖を食べたからだけ」「必ずインスリンが全く出ないから」と一つの原因に決めつけないようにします。

尿に糖が出ることだけを、血糖量上昇の出発点と考えるのも逆です。高血糖によって、腎臓で再吸収しきれなかったグルコースが尿に含まれる場合があります。この単元では、細胞への取り込みや貯蔵を促す調節が不十分になると、血液中にグルコースが多く残るという因果関係を押さえます。症状から病名を決めたり、治療法を選んだりする話とは分けて学びます。

練習問題

練習1

脳、脊髄、交感神経、副交感神経を、中枢神経系に属するものと末梢神経系に属するものに分けましょう。また、交感神経と副交感神経が共通して属する、はたらきによる分類名を答えましょう。心臓の拍動を抑制する方向にはたらくのはどちらかも答えます。

練習2

食後に血糖量が上昇しました。「B細胞」「インスリン」「グリコーゲン」「減少」の4語をすべて使い、肝臓での変化を含めて説明しましょう。また、血糖量が低下した場合にA細胞から分泌されるホルモン名と、肝臓のグリコーゲンに起こる変化を答えましょう。

練習3

図3の仕組みが正常にはたらく条件で、血液中のチロキシンが減少しました。脳下垂体前葉への抑制は強まるか弱まるか、甲状腺刺激ホルモンの分泌は増加と減少のどちらに向かうか、順に答えましょう。「減った物質に関連するものは全部減る」とは限らない理由も説明します。

練習4

寒い環境で体温を保つ反応として、次のうち適切なものをすべて選び、熱の産生・放散のどちらに関わるか答えましょう。アは皮膚の血管の収縮、イは発汗の増加、ウは骨格筋のふるえ、エは皮膚の血管の拡張です。また、体温調節の中枢の名前を答えましょう。

答えと解説

練習1の答え：中枢神経系は脳と脊髄、末梢神経系は交感神経と副交感神経です。後者2つは自律神経系に属し、心臓の拍動を抑制するのは副交感神経です。位置による分類を先に行い、その後ではたらきによる分類を重ねます。

練習2の答え：B細胞からインスリンが分泌され、肝臓でグリコーゲンの合成が促進されて、血糖量は減少します。低下時にはA細胞からグルカゴンが分泌され、肝臓のグリコーゲンの分解が促進されます。糖を血液から蓄える向きと、血液へ送り出す向きを比べると整理できます。

練習3の答え：抑制は弱まり、甲状腺刺激ホルモンの分泌は増加する方向になります。減ったチロキシンによる抑制が弱まるため、上流では分泌が増えます。その結果、甲状腺への刺激が強まって最初の減少を補うので、単純にすべてが同じ向きへ変化するわけではありません。

練習4の答え：アとウです。アは熱の放散を減らし、ウは熱の産生を増やします。中枢は視床下部です。イとエは熱を逃がす方向なので、寒さに対応して体温を保つ反応としては選びません。皮膚の血流と熱の移動を結び付けて説明できるか確かめましょう。

次の単元へのつながりと家庭での確かめ方

恒常性を保つ仕組みを学んだ後は、体内に入った異物などから体を守る免疫の学習につながります。ホルモンの調節も免疫も、細胞が情報を受け取り、決まった相手に反応する点が手掛かりになります。ただし、ホルモンと抗体は役割が違うので、「どちらも血液で運ばれる」だけで同じ物質と考えないようにします。

家庭での確かめ方は、次の2つを合わせて5分程度で行えます。最初の2分では、白い紙の左右に「食後」「空腹時」と書き、すい臓の細胞、ホルモン、肝臓の反応を矢印で結びます。残りの3分では、暑いときと寒いときの反応を各2つ挙げ、熱の産生か放散かを説明します。実際に食事を抜いたり、暑さや寒さを我慢したりする必要はなく、紙の上で因果関係を確認できます。

個別指導では、ホルモン名が出ないのか、肝臓とすい臓の役割が混ざるのか、糖の合成と分解が逆になるのかを分けて確かめます。必要なら消化・吸収やグルコースの貯蔵まで戻り、図の矢印に短い説明を添えられるところから進めます。

まとめ

用語を思い出せても矢印を説明できないときは、出発点の変化を一つだけ決めて、最後にその変化が小さくなるかを点検します。血糖量が上がったのに、結論でも上げ続けているなら、途中の分泌細胞や合成・分解の向きを見直す場所が見つかります。

学習の到達点は、臓器名を空欄へ入れることから、器官どうしの連絡を理由付きで語ることへ移ります。体内の安定は、変化がないことではなく、変化を受けて戻すはたらきによって保たれています。