【生物】恒常性とホルモンを図解で総まとめ—内分泌系・フィードバック・血糖調節・体温調節｜武蔵野個別指導塾

血糖・体温・水分の調節を、ホルモンの分泌元と作用先から整理します。負のフィードバックの図と、濃度計算や調節経路を読む例題で、変化を打ち消すしくみをたどれます。

よくあるのは、体育館の隅のタイム表を見ながら、走った後に汗が出ることは説明できても、「同じときに尿の量はどう変わるか」と聞かれると、覚えたホルモンの名前が結びつかなくなるという場面です。汗をかく反応は体から熱を逃がすはたらきですが、汗として水を失うことは体液の状態にも影響します。体の中では、1つの変化に対して複数の調節が同時に進んでいます。

この単元は、器官と物質の名前を組にして覚えるだけでは、条件が変わった問題で迷いやすくなります。「何が変化したか」「どこが情報を受け取るか」「何が分泌されるか」「何が元の状態へ向かうか」を順にたどると、初めて見る図でも矢印の意味を説明できます。血糖・体温・水分を別々の暗記項目にせず、体内の状態を保つしくみとしてつなげて学びましょう。

この単元で身につけること

• 恒常性を、体内の状態を一定の範囲に保つ性質として説明します。数値が一切変化しないこととは区別し、変化した後に戻す反応を読み取ります。
• 内分泌腺、ホルモン、標的細胞の関係を整理します。血液で運ばれても、すべての細胞に同じ作用が起きるわけではない理由を受容体から説明します。
• 視床下部と脳下垂体を結ぶ経路をたどります。前葉と後葉の違いを確認し、ホルモンをつくる場所と血液中へ放出する場所を分けます。
• 負のフィードバックを矢印で表します。最終的な変化が、その変化を起こしたはたらきを弱める関係を、甲状腺や水分の調節で確かめます。
• 血糖値・体温・体液の濃さについて、変化と応答の向きを対応させます。問題文の条件から、分泌量、熱の放散、尿量の増減を根拠つきで判断します。

生物基礎で学んだ体内環境と、神経系の情報伝達の学習が土台になります。ここでは、神経による調節とホルモンによる調節が同じ体の中で協調することに注目します。

基本の考え方

体内環境を保つ情報の伝え方

多細胞動物の細胞は、外の空気や水に直接触れるとは限りません。細胞を取り巻く体液による環境を体内環境といい、血しょう、組織液、リンパ液がその維持に関わります。血しょうは血液の液体成分、組織液は細胞の間を満たす液体、リンパ液はリンパ管の中を流れる液体です。細胞は組織液を通して酸素や栄養分を受け取り、不要になった物質を渡します。

細胞のはたらきは温度や物質の濃度の影響を受けます。そのため、外の気温や食事の有無が変わっても、体内の状態を一定の範囲に保つ性質が必要です。これを恒常性、またはホメオスタシスといいます。恒常性があるからといって、食後も運動中も同じ数値が続くわけではありません。変化を検出し、そのずれを小さくする反応が続いていることが重要です。

調節には、自分の意思によらず内臓などのはたらきを調整する自律神経系と、ホルモンを介して情報を伝える内分泌系が関わります。自律神経系には交感神経と副交感神経があり、多くの器官で異なる方向の作用を示します。ただし、すべての器官が両方から同じように支配されるわけではありません。汗腺への指令などを、単純に「交感神経は体温を上げ、副交感神経は下げる」と置き換えないようにします。

ホルモンは、内分泌細胞から分泌され、体内の別の細胞のはたらきを調節する情報伝達物質です。ホルモンを分泌する内分泌腺には、甲状腺、副腎、脳下垂体などがあります。内分泌では導管を通さず体液中に分泌し、血液によって運ばれます。一方、汗腺やだ腺のように導管を通して分泌物を送り出すことは外分泌です。すい臓は、消化液を送る外分泌のはたらきと、ホルモンを分泌する内分泌のはたらきを併せもちます。

血液中のホルモンが作用する細胞を標的細胞といいます。標的細胞には、そのホルモンと結合する受容体があります。受容体は情報を受け取る分子で、ホルモンの種類によって細胞膜や細胞内に存在します。血液が通ったという理由だけで全細胞が反応するのではなく、対応する受容体をもつかどうかが、作用先を決める条件になります。

神経による調節は一般に速く、接続した経路に沿って情報が伝わります。ホルモンによる調節は血液の流れを利用し、比較的長く作用するものもあります。ただし、この違いは傾向です。副腎髄質から分泌されるアドレナリンのように、すばやい応答に関わるホルモンもあります。「速い反応ならホルモンではない」と決めつけず、問題に示された経路を読みます。

視床下部・脳下垂体と負のフィードバック

視床下部は間脳の一部で、体温や体液の状態などの調節に関わる中枢です。自律神経系にはたらきかけるとともに、脳下垂体を介して内分泌系のはたらきも調節します。脳下垂体は前葉と後葉でしくみが異なるため、「脳下垂体から出るホルモン」という1つの欄だけで覚えると、合成と分泌の場所を混同しやすくなります。

前葉は、視床下部から分泌される放出ホルモンなどの調節を受けて、甲状腺刺激ホルモンなどを合成・分泌します。甲状腺刺激ホルモンは甲状腺にはたらきかけ、甲状腺ホルモンの分泌を促します。甲状腺ホルモンの代表であるチロキシンは代謝を促進し、発生や成長にも関わります。脳下垂体前葉からは成長ホルモンも分泌されますが、すべての前葉ホルモンが別の内分泌腺だけを標的にするわけではありません。

後葉は、視床下部の神経分泌細胞で合成され、軸索を通って運ばれてきたホルモンを血液中へ放出します。神経分泌細胞とは、ホルモンを分泌する神経細胞です。水分調節に関わるバソプレシンはこの経路を通ります。「後葉から分泌される」は正しい表現ですが、「後葉で合成される」とは区別します。

図1のように、視床下部から前葉、甲状腺へと分泌を促す経路があり、増えたチロキシンは視床下部と前葉のはたらきを抑えます。図の紺の矢印は分泌を促す流れ、赤い線の先の横棒は抑制を表します。図では途中の放出ホルモンと甲状腺刺激ホルモンの名称を省略し、調節の向きを示しています。

このように、反応の結果が、その反応を起こす側にはたらいて変化を打ち消すしくみを負のフィードバックといいます。ここでいう「負」は、量が必ず減るという意味ではありません。チロキシンが減れば上流への抑制が弱まり、甲状腺刺激ホルモンが増える方向に調節されます。増えすぎを抑えることも、減りすぎを補うことも、同じしくみの中に含まれます。

血糖・体温・水分で何を保つのか

血糖とは血液中のグルコースのことで、その濃度を血糖値といいます。グルコースは細胞が呼吸によってエネルギーを取り出す材料です。食事から吸収される量と、細胞が取り込む量、肝臓が蓄えたり血液中へ供給したりする量の関係で、血糖値は変化します。濃度なので、血液全体に含まれるグルコースの総量とは区別します。

すい臓のランゲルハンス島には、インスリンを分泌するB細胞と、グルカゴンを分泌するA細胞があります。インスリンは筋肉や脂肪組織などでグルコースの取り込みを促し、肝臓や筋肉でグリコーゲンの合成を促進するなどして、血糖値を下げます。グリコーゲンはグルコースが多数つながった貯蔵物質です。グルカゴンは主に肝臓にはたらき、グリコーゲンの分解などを促して血糖値を上げます。

血糖値を上げるホルモンはグルカゴンだけではありません。副腎は外側の皮質と内側の髄質に分かれ、髄質のアドレナリンは肝臓でのグリコーゲン分解などを促します。皮質の糖質コルチコイドは、タンパク質に由来するアミノ酸などから糖をつくる糖新生を促し、血糖値の上昇に関わります。ホルモンを整理するときは、同じ副腎でも皮質と髄質を分け、すべてが脳下垂体の同じ経路に従うと考えないことが大切です。

体温調節では、体内でつくられる熱と、外へ失われる熱の収支が問題になります。暑いときには皮膚の血管が拡張し、皮膚へ流れる血液が増えて熱を放散しやすくなります。発汗が増え、汗が蒸発すると体表から熱が奪われます。汗が出るだけでなく蒸発することが冷却につながるため、湿度などによって熱の逃げやすさは変わります。

寒いときには皮膚の血管が収縮して熱の放散が抑えられ、骨格筋のふるえによって熱の産生が増えます。代謝の促進に関わるホルモンも熱の産生に関わりますが、血管の変化やふるえをすべてホルモンだけで説明することはできません。視床下部を中心に、神経と内分泌の調節が組み合わされています。

水分調節では、体液の浸透圧に注目します。浸透圧は、水が膜を隔てて移動しようとする傾向に関係し、体液が濃くなると高くなります。汗などで水を失って体液の浸透圧が上がると、バソプレシンの分泌が促されます。バソプレシンは腎臓の集合管などで水の再吸収を促し、体内に水を戻すため、一般に尿量は減少します。再吸収とは、尿のもとになる液体から、必要な物質を血液側へ戻すことです。

副腎皮質の鉱質コルチコイドであるアルドステロンは、腎臓でNa⁺の再吸収を促すなどして、塩類と水分の調節に関わります。バソプレシンとアルドステロンはどちらも体液の調節に関係しますが、直接注目する作用が異なります。水の再吸収が問われたのか、Na⁺の再吸収が問われたのかを読んで区別します。

例題で解き方を確かめる

例題1　血液中の濃度を単位から読む

ある条件で、血液100 mLにグルコースが90 mg含まれていました。同じ濃度の血液250 mLには何mg含まれますか。また、もとの濃度をg/Lで表してください。数値は計算用に与えた値として扱い、丸めずに答えます。

1. まず「100 mLあたり90 mg」を、90 mg ÷ 100 mLと書きます。濃度は一定の体積あたりの量なので、体積だけを見て90 mgを答えにしないためです。
2. 求める体積250 mLを掛け、90 mg ÷ 100 mL × 250 mL = 225 mgとします。mLが対応して消え、質量の単位mgが残ることを確認します。
3. 濃度の換算では100 mL = 0.100 L、90 mg = 0.090 gを使い、0.090 g ÷ 0.100 L = 0.90 g/Lとします。分子と分母の両方の単位を変えるため、質量だけをgに直して終わらないようにします。

答え：225 mg、0.90 g/Lです。

ここで使った1000 mL = 1 L、1000 mg = 1 gは単位の換算関係です。体積が増えれば含まれる量は増えますが、同じ濃度の血液を取り出す限り、血糖値そのものが高くなったことにはなりません。この区別が、表やグラフの縦軸を読む土台になります。

例題2　食後と空腹時の経路を選ぶ

図2の上段と下段は、血糖値の変化に応じた代表的な調節を示しています。食後に血糖値が上がったときに主にはたらくホルモンと、それを分泌する細胞を答えてください。また、空腹時に肝臓のグリコーゲン分解を促すホルモンと、その分泌細胞を答えてください。

1. 最初に血糖値の変化を決めます。食後の上昇に対して必要なのは、血液中のグルコースを取り込んだり蓄えたりして、血糖値を下げる方向の反応です。
2. 上段のインスリンに注目し、分泌元をすい臓のランゲルハンス島B細胞と対応させます。ホルモン名だけでなく、どこから出るかを合わせると、選択肢でA細胞と取り違えるのを防げます。
3. 空腹時には下段のグルカゴンを選び、分泌元をA細胞とします。肝臓がグルコースを血液中へ供給する方向だからです。筋肉に蓄えられたグリコーゲンは主にその筋肉自身で使われるので、肝臓と同じように血糖へ直接補給するものとして扱いません。

答え：食後はインスリン・B細胞、空腹時はグルカゴン・A細胞です。

図2の矢印は、ホルモンの作用によって起こる変化を表します。グルコースの分子がインスリンへ変わり、さらに別の物質へ変わるという物質変換の図ではありません。矢印が情報伝達なのか、物質の移動なのかを確認する習慣は、他の調節の図にも役立ちます。

例題3　抑制が弱まると何が増えるか

甲状腺のチロキシンをつくるはたらきだけが低下し、視床下部と脳下垂体前葉は正常にはたらいているとします。血液中のチロキシンが少ない状態が続くとき、甲状腺刺激ホルモンの分泌は増える方向と減る方向のどちらに変化しますか。図1の赤い経路を根拠に説明してください。

1. 変化の出発点を「チロキシンが減る」と決めます。甲状腺刺激ホルモンから読み始めると、原因と結果を逆に置きやすいためです。
2. チロキシンによる視床下部と前葉への抑制が弱まると考えます。負のフィードバックでは、最終産物が少なければ上流を抑えるはたらきも弱くなります。
3. 前葉からの甲状腺刺激ホルモンの分泌は増える方向になると判断します。ただし、甲状腺自体の合成能力が低下したという条件なので、刺激が増えたことだけを理由にチロキシンが十分に回復するとまでは結論しません。

答え：チロキシンによる抑制が弱まるため、甲状腺刺激ホルモンは増える方向に変化します。

この問題で確定できるのは、指定された条件のもとでの調節の向きです。上流が正常という条件を取り除くと、同じ結論が使えるとは限りません。実験考察では、変えた部分と正常とされる部分を先に書き分けると、根拠の範囲を守れます。

例題4　発汗と尿量の変化をつなぐ

発汗によって水を失い、体液の浸透圧が上昇したとします。腎臓は正常にはたらき、ほかの条件は同じとすると、バソプレシンの分泌、水の再吸収、尿量はそれぞれどちら向きに変化しますか。

1. まず体液の浸透圧が高くなったという条件を読みます。単に「運動した」という情報から推測せず、問題で明示された水分の状態を起点にします。
2. 体液を薄める方向には、水を体内に保つ必要があると考えます。このため、脳下垂体後葉からのバソプレシンの分泌が増える方向になります。
3. 腎臓で水の再吸収が増え、尿として体外へ出る水が少なくなるとつなぎます。血液へ戻る量と、体外へ出る量は反対向きに変化するため、両方に同じ「増える」を入れないようにします。

答え：バソプレシンの分泌は増加、水の再吸収は増加、尿量は減少する方向です。

実際の尿量は水分摂取量などにも左右されますが、この問題では条件がそろえられています。文章に示されていない条件を勝手に足さず、与えられた変化から説明できる反応を答えます。

つまずきやすいところと直し方

誤り1　「負のフィードバックなら全部の分泌量が減る」

誤った書き方は「負のフィードバックがはたらくので、関係するホルモンはすべて減る」です。どこが違うかというと、「負」を個々の量の減少と読み替え、最初の変化を打ち消すという意味を失っている点です。チロキシンが減ったときには、上流の分泌を抑える作用が弱まり、甲状腺刺激ホルモンは増える方向になります。

正しい書き方は「チロキシンが増えると上流を抑え、減ると上流への抑制が弱まる」です。解答では、どの量が出発点として変化したのかを明記します。負のフィードバックという用語だけを書いても、増減の判断に至る理由は十分には伝わりません。

誤り2　「インスリンは血液中で糖を分解する」

誤った書き方は「インスリンが血液中のグルコースを直接分解する」です。どこが違うかというと、ホルモンを消化酵素のような物質として扱っている点です。インスリンは標的細胞に情報を伝え、グルコースの取り込みや貯蔵などを調節します。インスリン自体が血液中で糖を分解するという説明にはしません。

正しい書き方は「インスリンが標的細胞にはたらき、グルコースの取り込みやグリコーゲン合成などを促して血糖値を下げる」です。この作用が不足する場合だけでなく、標的側で作用が十分に現れない場合にも、血糖値を下げる調節がうまく進まなくなります。

糖尿病は、インスリンの作用が不足して高血糖が続くことを特徴とする疾患です。教科書では、1型は主にB細胞が失われてインスリンの分泌が著しく不足するもの、2型はインスリンの効きにくさや分泌の不足が関わるものと説明されます。「糖を多く食べたから起こる病気」と1つの原因でまとめたり、すべてをインスリンの完全な欠如と説明したりするのは不適切です。

腎臓では、ろ過されたグルコースは通常再吸収されます。血糖値が高くなり、再吸収できる量を超えると尿にグルコースが現れることがあります。ただし、授業で扱う仕組みの説明と個人の診断は別です。問題では、指定された分泌量や作用の条件に基づいて調節を考えます。

誤り3　「再吸収が増えると尿も増える」

誤った書き方は「バソプレシンで水の再吸収が増えるので尿量が増える」です。どこが違うかというと、再吸収される水の行き先を逆に読んでいる点です。再吸収では、水は尿のもとになる液体から血液側へ戻ります。腎臓が水を吸い集めて尿として増やすという意味ではありません。

正しい書き方は「水の再吸収が増えると、体外へ失う水が減り、尿量は減る」です。図3のように、体液が濃くなる変化を起点に、バソプレシン、水の再吸収、尿量を順にたどります。緑の矢印は調節の結果が次の変化につながることを示し、最後の抑制線は、体液が薄まる方向への変化によって最初の分泌刺激が弱まることを示します。

なお、体液が薄まることと、尿が薄まることは同じではありません。バソプレシンがはたらくと、一般に少量の濃い尿を生じる方向になります。体内に残る液体の変化と、体外へ出る液体の変化を別々の欄に書くと、説明が整理できます。

練習問題

練習1　受け取る側の条件

あるホルモンを含む血液が細胞Pと細胞Qの近くを流れています。Pだけがそのホルモンに対応する受容体をもち、Qはもたないとします。直接の標的細胞となるのはどちらですか。また、血液で全身を巡っても作用が限定される理由を1文で説明してください。

練習2　濃度と含有量

血液100 mL中にグルコースが80 mg含まれています。同じ濃度の血液150 mL中に含まれるグルコースの質量と、g/Lで表した濃度を求めてください。計算用に与えた値として扱い、丸めずに答えます。

練習3　前葉と後葉

次の文の空欄を埋めてください。「チロキシンの分泌を促す甲状腺刺激ホルモンは、脳下垂体の（ア）で合成・分泌されます。バソプレシンは（イ）の神経分泌細胞で合成され、脳下垂体の（ウ）から血液中へ放出されます。」

練習4　熱と水分の調節

暑い環境で、皮膚の血管の変化と発汗が熱の放散を促しています。さらに、水を失って体液の浸透圧が上昇しました。皮膚の血管は拡張と収縮のどちらに変化しますか。汗が体を冷やす過程を述べ、水の再吸収と尿量の変化も答えてください。腎臓は正常で、ほかの条件は同じとします。

答えと解説

練習1の答えはPです。対応する受容体をもつ細胞がホルモンの情報を受け取るため、血液が近くを流れるだけでは同じ作用は起こりません。ホルモンの分泌元と標的細胞を分けて説明できているかを確認します。

練習2の答えは120 mg、0.80 g/Lです。含有量は80 mg ÷ 100 mL × 150 mL = 120 mg、濃度は0.080 g ÷ 0.100 L = 0.80 g/Lです。150 mL分を考えても、血液の濃度自体は変わりません。

練習3の答えはアが前葉、イが視床下部、ウが後葉です。前葉のホルモンの合成・分泌と、後葉からの放出を区別します。後葉という答えを覚えた後にも、「どこで合成するか」という問いには同じ答えを使えない点を確かめます。

練習4の答えは、皮膚の血管が拡張し、汗の蒸発によって熱が奪われ、水の再吸収は増加、尿量は減少する方向です。熱を外へ逃がす調節と、水の損失に応じて水を体内に保つ調節は、対象にする状態が異なります。汗が増えるから尿も増える、という連想だけで結論しないようにします。

次の単元へのつながりと家庭での確かめ方

恒常性の学習は、体内環境を守る免疫のしくみを理解するときにも役立ちます。ホルモンの標的細胞で確認した「対応する分子を受け取って応答する」という見方は、細胞どうしの情報のやり取りを読む足場になります。ただし、ホルモンの受容体と免疫に関わる分子を同一のものとして扱わず、それぞれの役割を確かめます。

家庭で5分ほど使うなら、1つ目は白紙に「血糖値が上がる」と書き、分泌細胞、ホルモン、作用、結果を順につなぐ方法です。書いた後に、インスリンという名前を隠しても、作用から名前を復元できるか確かめます。2つ目は「体液が濃くなる」と「寒くなる」を並べ、それぞれが戻そうとしている状態と、応答する器官を口頭で説明する方法です。

個別指導で答えが止まったときには、ホルモン名の暗記に戻る前に、「血液中の濃度」と「含まれる総量」、または「再吸収される水の行き先」のどちらで迷ったかを確かめます。矢印1本の意味まで戻ると、その先の増減も自分で組み立てやすくなります。

まとめ

調節の問題では、ホルモン名が正しくても、作用の向きや場所が抜けると理由を説明しきれません。血糖値の上昇から取り込みと貯蔵へ、体液の濃さの変化から水の再吸収へと、途中のはたらきを文章でつなげてみましょう。誤った矢印を1本見つけられれば、覚え直すべき関係も具体的になります。

恒常性の理解は、最初の変化からそれを打ち消す結果まで、因果の道筋がつながったところに成立します。