高校生物基礎 体温調節—寒い時と暑い時の反応を熱の出入りから考える｜武蔵野個別指導塾

低温の周囲へ熱を逃がす際に、皮膚血流とともに働くのは汗の蒸発を伴う発汗です。

よくあるのは、定期テスト前に、汗をかくと体が温まると考え、発汗自体が熱を作ると答えてしまう場面です。汗が出たことと体温が変わる理由の間には、汗が蒸発するときに熱が奪われるという過程があります。寒いときのふるえや皮膚の血流も、名前だけを並べず、体から出る熱と体内で生じる熱のどちらに関係するかを区別して考えます。

問題文で拾いたい3つの型

1つ目は、暑いときと寒いときに起こる反応を選ぶ型です。発汗、皮膚の血管の拡張や収縮、筋肉のふるえを見て、その反応が熱を逃がしやすくするのか、熱の流出を抑えるのか、熱産生を増やすのかを答えます。「暑い」という語を見た瞬間に選ぶのではなく、選択肢の反応がどの方向に働くかまで説明できると、言い換えにも対応できます。

2つ目は、条件の異なる資料を比べる型です。皮膚血流の増減や汗の蒸発の程度が示されたら、何を同じ条件にして、どこが異なるのかを先に確認します。皮膚血流が増えたという情報と、実際に体から外へ熱が移るかどうかは別です。周囲との温度関係が示されない資料から、熱の移動方向を無条件に断定することはできません。

3つ目は、変化を打ち消すしくみを文章で説明する型です。体温が上がる方向に変化したとき、調節によって熱を失いやすくなれば、初めの変化を抑える方向に働きます。反応をきっかけ、調節の中枢、器官の反応、熱の変化の順に書き、最初の変化と最後の作用が逆向きかを確かめます。

体内の熱と外へ移る熱を分ける

体内では代謝に伴って熱が生じます。この熱産生と、体から外へ移る熱との関係によって、体に蓄積する熱が変わります。体温は一定の値に固定されるのではなく、体内環境の一部として、変動が一定の範囲に収まるように調節されています。ここでは基準となる温度の数値を置かず、変化の向きを追います。

体温調節の中枢は間脳の視床下部にあります。体の温度に関する情報を受け取り、自律神経などを介して皮膚の血管や汗腺などの反応が調節されます。寒いときには骨格筋のふるえも熱産生に関わります。ふるえは筋肉の収縮が繰り返される反応で、筋肉の活動に伴って熱が生じます。

図1は、それぞれの反応と熱の関係を示した模式図です。矢印は反応が熱の出入りや産生に及ぼす作用を表します。左の暑い場合と右の寒い場合は別の条件であり、矢印が物質そのものの移動経路を示しているわけではありません。

図1のように、暑いときは汗が皮膚から蒸発する際に熱が奪われ、体から熱が逃げます。汗が皮膚に出ただけで蒸発がなければ、この蒸発による熱の損失は生じません。発汗の量と蒸発した量を混同しないことが、理由を説明する出発点です。

皮膚の血管が拡張すると皮膚を流れる血液が増え、体の内部から皮膚へ熱が運ばれやすくなります。周囲が皮膚より低温なら、その熱は外へ移りやすくなります。反対に寒いときは皮膚の血管が収縮して皮膚血流が減り、内部から皮膚へ運ばれる熱が減ることで、外への熱の流出が抑えられます。皮膚血流の変化と体全体の血液量の増減を同じ意味にしないでください。

暑いときの発汗と寒いときのふるえは、ともに体温調節に役立ちますが、熱に対する作用は異なります。前者は汗の蒸発による熱の放出、後者は筋肉の活動による熱産生です。体温が変化する原因が何であっても、資料にある条件を読み、どの反応のどの作用を問うているかを選びます。

基本例題：同じ環境で反応を比べる

次は学習用に作成した資料です。実際の測定値ではありません。周囲は皮膚より低温で、比較する間は周囲の条件が同じとします。体温が上がる方向に変化した後、2つの状態AとBを観察したところ、次の違いがありました。

問い：AとBのどちらが、汗の蒸発と皮膚血流の両面から見て、体温の上昇を抑える方向に働きますか。記号と、2つの反応が熱に及ぼす作用をそれぞれ1文で答えてください。

図2は問題の2条件を対比した模式図です。矢印は各反応が熱の放出に及ぼす作用を表し、矢印の長さは熱の量を表していません。

図2のように、まず表から汗の蒸発を比べます。Aは多く、Bは少ないので、汗の蒸発によって体から奪われる熱は、他の条件が同じならAのほうが多いと判断します。汗の分泌ではなく、蒸発が多いと示されている点が根拠です。

次に皮膚血流を比べます。Aは多く、Bは少ないという条件です。周囲は皮膚より低温なので、皮膚へ運ばれた熱は周囲へ移りやすい状況です。したがって皮膚血流が多いAは、Bより皮膚を通して熱を放出しやすいと考えます。周囲の温度条件を最初に確かめたのは、この判断をするためです。

ふるえは両方ともないので、この資料ではふるえによる熱産生の違いを根拠にできません。汗の蒸発と皮膚血流の両方がAで熱の放出を促すため、答えはAです。「A。汗が多く蒸発すると、その際に体から奪われる熱が増えます。皮膚血流が多いと、内部から皮膚へ熱が運ばれ、低温の周囲へ放出されやすくなります」と書けます。

答えを表へ戻すと、Aの汗の蒸発は多く、皮膚血流も多いという2条件に合っています。Bを選ぶと両方の比較が逆になるため、表と一致しません。また、ふるえの有無に差がないことも元の条件に戻して確認できます。「汗が熱を作る」と書いた場合は、反応の存在は拾えていても熱の向きが逆です。

応用例題：発汗と蒸発を別々に扱う

次も自作の資料です。同じ人について、周囲が皮膚より低温で、他の条件が同じ2つの場面CとDを比べます。Cでは汗は多く分泌されますが、皮膚から蒸発する量は少なく、皮膚血流は少ない状態です。Dでは汗の分泌はCより少ないものの、皮膚から蒸発する量はCより多く、皮膚血流もCより多い状態です。両場面でふるえはありません。

問い：汗の蒸発と皮膚血流の資料から、体温の上昇を抑える方向により働くと考えられる場面をCかDで答え、その理由を「蒸発」「皮膚血流」「熱」を使って説明してください。汗が分泌される量だけで決められるかも、短く答えてください。

最初の分かれ目は、汗の分泌量と蒸発量が逆の順になっていることです。Cでは皮膚に出る汗は多くても、蒸発する量は少ないと与えられています。蒸発によって奪われる熱を比較するには、分泌量ではなく蒸発量を見ます。Dの蒸発量が多いので、汗の蒸発による熱の放出はDのほうが大きいと考えます。

次に皮膚血流を見ます。DはCより多く、周囲は皮膚より低温です。Dでは内部から皮膚へ熱が運ばれやすく、周囲へも熱が移りやすくなります。したがって、2つの根拠はともにDを指します。答えは「D。汗の蒸発が多く、蒸発の際に体から奪われる熱が多い上、皮膚血流が多く、皮膚から低温の周囲へ熱が放出されやすいためです。汗の分泌量だけでは決められません」です。

条件を戻して確認すると、Cの分泌量は多くても蒸発量は少なく、Dではその逆です。Dの血流も多く、ふるえに差はありません。もし周囲が皮膚より高温だった場合、皮膚血流が多いことをそのまま周囲への放熱が増える根拠にはできません。その条件では熱の移動方向に注意し、資料にない結論を補わず、わかる範囲を答えます。

答えが逆向きになったときの直し方

誤答の例は「暑いとき、汗が出ると汗自身が熱を作り、体温が下がる」です。体温が下がるという結論を覚えていても、途中の因果がつながっていません。熱を作るという表現では、なぜ体から熱が失われるのかを説明できないからです。

図3はこの誤りを直す模式図です。矢印は反応から熱への作用の向きを示します。汗が出ることと、汗が蒸発して熱を奪うことを分けて読んでください。

図3のように「汗が出る」の次に「蒸発する」を入れ、その際に「体から熱が奪われる」と続けます。修正後は「汗が蒸発するときに体から熱が奪われ、体温の上昇を抑える方向に働く」です。発汗をそのまま熱産生に結び付けず、熱がどこからどこへ移るかまで書きます。

別の誤りとして「寒いときは皮膚血流が増え、熱を逃がしにくくする」があります。皮膚へ運ばれる熱が増えると、低温の周囲へ熱を失いやすくなるので、結論と反応の向きが合いません。皮膚血管の収縮により血流が減り、皮膚へ運ばれる熱が減ると直します。反応の名前を直したら、周囲が低温という条件を添えて、熱の流出を抑えるという結論までつなげます。

練習：条件と熱の向きを言葉にする

次の4問は自作です。各問は互いに独立しており、実際の測定結果ではありません。まず問題をまとめて解き、その後に解答を確認してください。

問1

冷たい空気の中で、体温が下がる方向に変化した人に筋肉のふるえが生じました。ふるえが熱産生に与える作用と、その作用が体温の変化に対してどの方向に働くかを、2文で説明してください。

問2

周囲が皮膚より低温で、それ以外の条件が同じ2場面EとFを比べます。Eでは皮膚の血管が収縮し、Fでは拡張しています。皮膚を流れる血液が少なく、周囲への熱の流出を抑える方向に働くのはどちらですか。記号と理由を答えてください。

問3

同じ条件で比べた場面GとHがあります。Gでは皮膚に汗が出ましたが蒸発しませんでした。Hでは皮膚に出た汗の一部が蒸発しました。汗の蒸発によって体から熱が奪われる場面を記号で答え、「蒸発」を使って理由を1文で書いてください。

問4

ある資料には、体温が上がる方向への変化に対して、視床下部が関わり、汗腺の反応が起こったとあります。汗は蒸発したものとします。この調節が負のフィードバックと呼ばれる理由を、最初の変化と反応後の作用を対比して説明してください。

練習の答えと確かめ方

問1の答え

「筋肉がふるえると、その活動に伴う熱産生が増えます。この熱産生は、体温が下がる変化を抑える方向に働きます」です。筋肉が動くことを、外へ熱を逃がすことと取り違えないようにします。問題の冷たい空気という場面に戻すと、下がる方向の変化に対して熱を生じさせるため、応答の向きが対応しています。

問2の答え

「E。皮膚の血管が収縮すると皮膚血流が減り、内部から皮膚へ運ばれる熱が減るため、低温の周囲への熱の流出が抑えられます」です。表現の中心は血管の収縮と血流の減少の対応です。Eが収縮、Fが拡張という元の条件に戻し、Fを選ぶと皮膚へ熱が運ばれやすい側になることも確認します。

問3の答え

「H。Hでは汗が蒸発する際に体から熱が奪われるからです」です。Gにも汗は出ていますが、蒸発しないという条件です。GとHの汗の有無ではなく蒸発の有無に答えを戻すと、この資料に示された違いを理由に使えていると確認できます。

問4の答え

「体温が上がる方向の変化に対し、汗の蒸発で体から熱が奪われ、その上昇を抑える方向に反応するからです」です。最初の変化をさらに強めるなら負のフィードバックとはいえません。元の資料の視床下部、汗腺、蒸発という順にもどして、反応の結果が上昇を抑えることを確かめます。

覚えておく要点

• 汗の蒸発は体から熱を奪います。
• 低温の周囲では、皮膚血流の増加は熱の放出を助けます。
• 寒いときの皮膚血流の減少は熱の流出を抑えます。
• 筋肉のふるえは熱産生を増やします。
• 調節の結果が初めの変化を抑える向きなら負のフィードバックです。

どこで判断が止まるかを確かめる

反応の名前は選べても理由が書けない場合は、「発汗」「蒸発」「熱が奪われる」を別々のカードのように並べて順番を説明します。蒸発が省かれるなら、汗が出たことと熱が失われる過程の間を確認します。寒い場面で血流の向きが逆になる場合は、血管の収縮、皮膚血流の減少、皮膚へ運ばれる熱の減少の順でたどります。

個別指導では、まず図を見ずに暑い場面と寒い場面の反応を言葉で示し、次に周囲と皮膚の温度関係を問題文から探してもらいます。最後に、その反応が初めの体温の変化を強めるのか抑えるのかを説明してもらえば、用語の暗記で止まっている箇所と因果の向きが逆になっている箇所を区別できます。体温調節の記述は、反応と熱の移動を結ぶと筋道が通ります。