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2015年10月15日

身体の中の社会|生体としての人体(3)

ナースのための解剖生理の解説書『身体のしくみとはたらき―楽しく学ぶ解剖生理』より
今回は、生体としての人体についてのお話の3回目です。

〈前回の内容〉

人間の身体を構成する細胞|生体としての人体(2)

前回は、人間の身体を構成する細胞について学びました。

今回は、細胞が活動している内部環境について解説します。

 

増田敦子
了徳寺大学医学教育センター教授

 

〈目次〉

 

身体の中の海

高度な機能をもつヒトの身体も、実は、細胞という微小な部品が60兆個も集まってできた集合体にほかなりません。私たちは生きていくためにさまざまな栄養素をとったり、呼吸によって酸素を取り込んだりしていますが、こうした物質を本当に欲しているのは、実は、身体を構成している一つひとつの細胞たちともいえるのです。つまり、細胞が生命体の最小単位なのです。

ヒトの身体を構成する物質で最も多いのが水で、成人では体重の約60%を占めています。体内の水を体液とよび、細胞の中にある細胞内液と細胞の外にある細胞外液に分けられます。その3分の2、つまり体重の40%に相当する水は細胞内にあります。細胞外液は細胞に直接触れる環境で、皮膚の外の外部環境と区別するために内部環境とよんでいます。

 

memo内部環境

内部環境という言葉は、生理学の父とよばれるフランス人のクロード・ベルナール(Claude Bernard;1813-1878)が提唱しました。ベルナールは、個体がおかれる外部環境が大きく変化しても、細胞にとっての生活環境である内部環境には大きな変化がないことを指摘しました。

ハーバード大学のキャノン(Walter B. cannon;1871-1945)は後にこれをホメオスタシス(homeostasis;恒常性の維持)と名づけました。ホメオ(homeo)は「同質な」、スタシス(stasis)は「均衡状態」という意味です。

 

生命体は原始の海で単細胞生物として誕生したと考えられています。図1で示すように、細胞は細胞膜をとおして海から栄養素や酸素を取り込み、細胞内の代謝によってエネルギーを生成し、それを生命活動に利用していました。

図1水中に生息する単細胞動物

水中に生息する単細胞動物

 

栄養素がブドウ糖の場合、1分子のブドウ糖が6分子の酸素で燃焼してエネルギーを生成するときに、6分子の二酸化炭素と6分子の水が生成されます。老廃物である二酸化炭素は海に捨てていました。海は非常に大きいので、栄養素や酸素が減ったり、老廃物がたまることもありません。また、水は空気と比べると(比熱が大きく)、温まりにくく冷めにくいので、水温は気温ほど大きく変化することはありません。

このように海水中の単細胞生物は、細胞外液である海水という比較的安定した快適な環境の中で生命活動を営んでいました。

進化の過程で陸に上がっても海のように快適な環境に囲まれて生活したいと思い、細胞は細胞の外に海と同じような成分の液体を洋服のように身にまとって陸上に上がってきました。つまり、私たちの皮膚の下にある60兆個もの細胞はいまでも細胞外液という海の中で生活しています。

細胞内液と細胞外液の電解質組成には大きな差がありますが(図2)、細胞外液は海水とよく似た組成であることがわかります。

図2電解質組成

電解質組成

 

これが、生命が海で誕生したといわれるゆえんです。ただ、海水の総イオンの濃度が細胞外液より約3倍高いので、海水が長い歴史の中でしだいに濃縮されていったと思われます。

多細胞生物の細胞は、まず外部環境から細胞外液に栄養素や酸素を取り込んでから、細胞膜を介して細胞外液からそれらを取り込んでいます。身体の奥のほうにある細胞にも栄養素と酸素を届けるために、輸送用に流動性のある細胞外液をつくりました。これが血液中の液体成分で血漿といいます。そして、細胞間を満たし、細胞に直接接している細胞外液を間質液(組織液)といいます(図3)。

図3細胞と間質液(組織液)、血管

細胞と間質液(組織液)、血管

 

このように細胞外液には主として血漿と間質液があり、体液の残り3分の1を占めています。

 

memo体液の体重比

体液は体重の60%で、細胞内液が40%、細胞外液が20%を占めています。

主要な細胞外液は15%を示す間質液(組織液)と4%を占める血漿(血液の液体成分)ですが、残り1%を占めるものにリンパ液や脳脊髄液があります。

 

細胞内液は外側にある間質液(組織液)と行ったり来たりしています。間質液は血管の中を通る血液とも行ったり来たりしているので、細胞はこの間質液を通じて、血液から必要な物質を取り込んだり、不要になった物質を排出したりしているのです。

図3を見てわかるように、すべての細胞が毛細血管に接しているわけではありません。細胞と毛細血管との間の「間質」を間質液が常に緩やかに流動している(灌流している)ことで、毛細血管に接していない細胞でも平等に酸素と栄養素を恒常的に供給してもらえるのです。道路に面していない家には配送車から配達員が下りて細い路地を歩いて玄関先まで荷物を届けてくれるのと同じです。

 

memoヒトの構成成分

身体を構成する主な元素は、酸素が約65%、炭素が約18.5%、水素が約9.5%、窒素が約3.2%で、たった4種類の元素だけで体重の約96%を占めています。

そのほか骨やに含まれるカルシウム、核酸やエネルギー化合物であるATP の構成要素であるリン、細胞内液の主要な陽イオンであるカリウム、細胞外液の主要な陽イオンであるナトリウムなどがあります。

 

COLUMN生命を支える水の特性

体液は生命活動を営むうえで重要な物質ですが、それは水の特性によります。

まず、水は空気と比べると比熱が大きく、温まりにくく冷めにくいので、水温は気温ほど大きく変化することはありません。

 

*:比熱とは、ある物質1gの温度を1℃高めるのに必要な熱量です。比熱が大きい物質ほど温めるのに必要な熱量が多いので、温まりにくく、冷めにくい。つまり、温度が変化しにくいのです。逆に、比熱が小さい物質ほど温まりやすく、冷めやすい。水が1(cal/g)であるのに対して空気は0.24(cal/g)です。

また、水が栄養素や酸素、二酸化炭素といったガス、そして老廃物などを溶かすことができるすぐれた溶媒であるということです。つまり、生命活動にかかわる物質は水という溶媒に溶けて運ばれています。また、生命を維持するために必要な化学反応を総称して代謝と呼んでおり、細胞内では絶えず化学反応が起こっています。この反応の場は水の中であり、そこでは酵素が触媒としてはたらき、精密に反応が制御されています。つまり、水は生命活動を支える化学反応の場をも提供しています。

そして、水は豆腐をパックで買うとクッションとして入っている水と同じ保護するはたらきをしています。神経組織はとてももろく、壊れやすく、修復もできません。そこで、脳と脊髄をそれぞれ頭蓋骨と脊椎で覆い、髄膜で包み、さらに脳脊髄液がクモ膜下腔を満たし、外からの衝撃から保護しています。同じように、羊水は母体の中で成長する胎児を包み、外からの衝撃をやわらげています。

 

memo内陸と海辺の気候

気温の上下変動を緩衝する水辺が少ない地域の日較差・年較差が比較的大きい気候を内陸性気候といいます。よく、盆地は朝晩の気温差が大きく、夏暑く冬寒いといわれます。一方、海岸・沿岸では昼間と夜間に暖まりやすく冷めやすい陸地と暖まりにくく冷めにくい海との間に温度差が起こり、海風と陸風が吹くので気温の日較差が小さいのが海洋性気候の特徴です。

ちなみに、朝と夕方、陸風と海風が切り替わる時間帯は無風となり、これを凪といいます。

 

細胞が過ごしやすい環境とは?

細胞は、実はとってもデリケートです。ずばり、細胞が過ごしやすい環境とは、まず細胞外液に必要なもの、つまり酸素と栄養素が多すぎず少なすぎず必要な量だけあることです。栄養素が少なすぎると飢え死にしてしまいますが、糖尿病のように栄養素のブドウ糖が多すぎても困ります。そして、細胞外液にゴミ(老廃物)がたまっていないことです。体内でつくられた不要な老廃物を体外に排出するのはそのためです。そして、物質がスムーズに運ばれていることです。

このように、生体には生命活動を維持するために、外界が変化しても体内の状態を比較的一定に維持するホメオスタシスという能力が備わっています。たとえば、体温が上昇すると、下げて元に戻そうとする反応が起こります(図4)。

図4負のフィードバック機構の例

負のフィードバック機構の例

 

memo恒温動物と変温動物

人間は体温が一定範囲に維持されている恒温動物です。変温動物は外気に合わせて体温が下がると代謝も下がり動けなくなり、冬眠します。一方、恒温動物でも、秋のうちに巣穴に貯えた餌で春まで過ごせるようにエネルギーの消費を極限にまで抑えるために冬眠する動物もいます。発熱で体温が上昇すると代謝が亢進し体力が消耗してしまうのはよく経験することです。

 

この反応を起こすしくみは結果を原因に差し戻しており、餌(feed)をもとに返す(back)という由来からフィードバック機構といい、ブレーキをかけるように作用するので、負のフィードバック機構といいます。

天秤で2つの重さが同じで、バランスがとれている状態を正常とみなすと、天秤の片方が重く、あるいは軽くなることで一方に傾く状態が異常といえます。そして、重いほうを軽くするか、軽いほうを重くするかして釣り合った状態に戻す負のフィードバック機構が作用してホメオスタシスが維持されています。ですから、疾病はホメオスタシスの失調の結果であり、天秤のバランスが崩れた状態といえます(図5)。

図5ホメオタシスの失調

ホメオタシスの失調

 

たとえば、血液中に酸性物質が増えてもアルカリ性物質が減っても酸血症になります。このとき、酸性物質の排泄を増やすかアルカリ性物質を再吸収して増やすことで血液のpHを元に戻そうとするしくみが備わっています。

 

memoアシドーシスとアルカローシス

血液のpHが7.35以下に下がった状態を酸血症、7.45以上に上がった状態をアルカリ血症といいます。そして、血液のpHが酸血症になるような病態をアシドーシス、アルカリ血症になるような病態をアルカローシスといいます。さらに、呼吸器が原因で起こる病態を呼吸性アシドーシス・アルカローシス、それ以外を代謝性アシドーシス・アルカローシスといい、分けています。

 

生体には、生命活動を支える化学反応を円滑に進める触媒として酵素が存在しています。

この酵素が作用する速度はいろいろな要因によって左右されますが、その中で最も重要なのは水素イオン濃度(pH)と温度です。

通常の化学反応の速度は温度に依存して変化します。酵素は蛋白質ですから、ある温度を超えると変性し活性を失います。ある酵素が最大活性を示す温度を至適温度といい、体内でつくられる酵素の至適温度はだいたい体温くらいです。そのため体温は酵素のはたらきが最も効果的に行われるように調節されています(図6)。

図6反応温度と酵素反応速度

反応温度と酵素反応速度

 

memo動物性機能と植物性機能

人体の機能のなかで、外界の変化をキャッチしてそれに対応した行動を起こす機能を動物性機能といいます。感覚系、神経系、骨格筋がそれに当たります。一方、消化や循環、呼吸、排泄といった個体の生命を維持するために必要不可欠な機能や、生殖や内分泌といった種の保存にかかわる機能を、植物性機能とよんでいます。

 

ある酵素の活性が最高になるpHを至適pHといいます(図7)。

図7酵素の至適pH

酵素の至適pH

 

正常な血漿のpHは7.4前後(7.35~7.45)で、きわめて狭い範囲で一定に保たれています。体液のpHがこのように一定に保たれているのは、生命機能を維持するための酵素のほとんどすべてが血漿pH7.4で活性が最大となり、pHがこの値から逸脱すると酵素活性が低下し、代謝が円滑に行われなくなるからです。

 

COLUMN水素イオン濃度(pH)とは

水素イオン濃度(power of hydrogenあるいはpotential hydrogen;pH)とはという概念は、1909年、デンマークの生物学者セーレンセンによって考案されました。その指標になるのがpHで、種々の水素イオン(または水酸化イオン)の相対的な濃度を表します。水素イオン濃度が高い状態を酸性、逆に水酸化イオン濃度が高い状態をアルカリ性とよびます。

数字の意味は、pH=-log[H]で、水素イオンの濃度が10のマイナス何乗か、という数字です。pH=6なら、水素イオン濃度が10のマイナス6乗、という意味です。pHが1小さくなると、水素イオンの濃度が10倍になります。

pHの数字は、0から14までで、その中間の7が、水素イオンと水酸化イオンの数が同じ状態、つまり中性になります。

 

体内社会を支える物流システム

海に棲む単細胞生物は小さな島に住んでいる一人の人間のようなものです。生きていくために必要な物は、島の外(海)から得られます。漁業により魚をとり、焼いて食べます。ゴミは島の外に捨てています。多細胞生物とは、大きな島にたくさんの人が住んでいるようなもので、山奥の人は魚を食べることが困難となります。人間は移動することができますが、細胞は動けません。

そこで、すべての人(細胞)が必要な物を島の外から取り込めるように、輸送システムを構築しました。たとえば、道路をつくりトラックで運搬したり、川を利用して船で運ぶなどです。

生産者から消費者に至るまでの商品の流れで、私たちが生活するうえで不可欠な社会システムを物流システムといいます。身体を構成する細胞を消費者とすると、体内にも個々の細胞に必要な物質が運ばれる物流システムが構築されています。

物流システムの機能には輸送、保管、荷役、包装、流通加工という5つの大きな機能があります(図8)。

図8物流システムに例えると

物流システムに例えると

 

memo物流とは

物流とは物的流通の略で、physical distributionに由来します。生産物を生産者から消費者へ引き渡す物流という言葉は高度経済成長期に公に用いられるようになりました。その後、経済的背景の変化から市場のニーズやタイミングに合わせて的確に、無駄のない物流を推し進める企業の経営システムとしてロジスティクスというビジネス用語が産まれました。

 

文化活動を可能にする肝臓のはたらき

体内に摂取された糖質、蛋白質、脂質はすべてそれぞれの経路を経て必ず肝臓を通ります。肝臓は、たくさん食べても急激に体内の血糖値などが上がらないように、必要な栄養分だけを流して、余分なものはストックに回す分別作業をしているのです。肝臓が代謝の関所といわれるのもそのためです。

肝臓の機能が弱い人間の赤ちゃんや小動物は、血糖値を維持するために、いわゆる「食っては寝、食っては寝」の生活を強いられます。人間が、運動したり、勉強したり、安心して長時間寝たりすることができるのも、肝臓が余分な栄養分をちゃんとストックしてとっておいてくれるからなのです。

そう考えると、何の関係もないようにみえる「食べる」という行為と、「考える」という行為が、実は人体の複雑なしくみの中で相互に連携し合い、成り立っていることがわかるのではないでしょうか。

 

memoプロメテウスの苦痛

プロメテウスとは、ギリシャ神話に登場する「火の神」です。太陽から火を盗んで人間に与えたため、太陽神ゼウスの怒りをかって、岩山の頂上に鎖で縛りつけられました。はげたかはプロメテウスを襲って彼の肝臓を餌にしましたが、翌日には肝臓は元通りになったため、プロメテウスは永遠の苦しみを与えられたといわれます。

肝臓はヒトの臓器で唯一、再生機能をもつ臓器ですが、このことがすでにギリシャ時代に知られていたのは驚きです。

 

身体の中の社会を理解しよう

単細胞生物はすべての作業を一人で行っています。パンが食べたければ、農業で小麦をつくり、パンをつくらなければなりませんし、ご飯が食べたければ稲作をし、稲刈りしてご飯を炊かなければなりません。服も自分でつくり、家も自分で建てるのです。単細胞生物はすべて自分でやらなければなりませんが、多細胞生物は分業(役割分担)しながら生活(代謝)しています。

人間の身体は細胞という人間が集まってできた多細胞生物という集団です。同じ構造と機能をもつ細胞の集団を組織といいます。2つ以上の組織が集まると器官ができ、特殊で複雑な機能を果たすようになります。そして、1つの目的のためにいくつかの器官が集まって器官系になります。生体はこれらすべての器官系が集まって特有の形態と機能をもっています。

細胞外液に栄養素を供給するのは消化器系の機能で、細胞外液に酸素という燃料を供給するのは呼吸器系の機能です。細胞内での代謝の結果、生じた老廃物を細胞外液から除去するのは排泄系と呼吸器系の機能です。

そして、これらの物資が細胞外液を介して全身の細胞に運ばれるように循環させる機能を果たしているのが循環器系です。

さらに、それぞれの器官系の機能が身体の中の社会全体で円滑に進むように調整しているのが神経系と内分泌系になります。

生体はこれら器官系が互いに協力しながら、それぞれが機能(仕事)して生きています。つまり、これら器官系は互いに協調し合って全身のはたらきがうまくいっているといえます。いくら呼吸をして酸素を血液に取り込んでも、循環系が機能していないと個々の細胞に運ばれなくなります。

逆をいえば、いくら血液循環が機能していても、呼吸器系がはたらいていなければ酸素は血液に供給されないので、個々の細胞に酸素は運ばれません。ですから、各器官系は決して単独では機能しないともいえます。

人間社会でも、イチゴ農家が一生懸命に美味しいイチゴを栽培しても、イチゴを入れる容器が製造されないと傷つけることなく運べませんし、トラックや道路が整備されていないと消費者にまで届けられません。

 

memo一人の人間から社会へ

細胞:イチゴを作る人

組織:イチゴ農家集団、リンゴ農家集団、ミカン農家集団など

器官:果物農家、野菜農家、米農家など

器官系:農業、製造業、運輸業、医療・福祉

個体:すべての業種が集まり統合され一つの国の生活の形態と機能をもつ

 

一つひとつの細胞が集まって生体が出来上がって全体としてうまく機能しているのを、一人ひとりの人間が集まって社会をつくって機能しているのと対比させて考えると、身体のつくりとはたらきを全体として理解するときの助けになります(図9)。

図9身体のしくみ

身体のしくみ

 

解剖生理学を学ぶにあたり、私たちは個別の器官にばかり関心が向いてしまいがちになります。そうすると全体を把握できなくなり、このような状況を格言で「森を見て、木を見ず」といいます。

物事を理解するには、全体を捉えることが大切で、鳥瞰図的な物の見方が大切です。これは、地図や図法の一種で上から斜め下を見下ろしたように描かれたものをいい、鳥が上から下を見る風景としてたとえられています。身体のつくりとはたらきを理解するときにも、特定の器官にこだわらず、他の器官系との関連性を押さえることが大切です。

 

〈次回〉

全身の血管|血液の流れから理解する(1)


本記事は株式会社サイオ出版の提供により掲載しています。

[出典] 『身体のしくみとはたらき』 (編著)増田敦子/2015年3月刊行/ サイオ出版

参考文献

著作権について

この連載

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