体液

体液濃度の調節

半透膜と水の移動

細胞膜は水などの小さな粒子は透過させるが、スクロースなどの大きな粒子は透過させないという性質を持っている。これを半透性といい、そのような膜を半透膜という。

半透膜

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浸透

半透膜を境に濃度の異なるスクロース溶液を置くと、濃度の低い方から濃い方へ水が移動する。この現象を浸透といい、浸透を受ける側の溶液にかかる圧力を浸透圧という。

sintou
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溶血

細胞を浸透圧の高い溶液(高張液)に浸すと、細胞の水が流出する(図左)。一方、浸透圧の低い溶液(低張液)に浸すと、水が細胞内に流入する(図右)。赤血球では、細胞の体積が増えすぎると細胞膜が破裂する。この現象を溶血という。

youketu

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原形質分離

植物細胞の場合、高張液に浸すと細胞質の水分が流出する。その結果、細胞質と細胞壁が分離する現象が起こる。この現象を原形質分離と呼ぶ。再度、低調液に浸して水分量が戻ることを原形質復帰と呼ぶ。なお、植物細胞は細胞壁があるため、細胞が破裂することはない。

原形質分離

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アクアポリンを通じての水移動

ひとつ抑えておかねばならないのは、極性分子である水分子は細胞膜の脂質二重層(非極性分子)を通過できないということである。そのため、水の移動は膜たんぱく質であるアクアポリンと呼ばれる穴を通じて行われる。

アクアポリン

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単細胞の体液濃度調節

ゾウリムシなどは収縮胞を使って体液の濃度調節を行う。

無脊椎動物の体液濃度調節

牡蠣やゴカイなどの海産無脊椎動物は体液の濃度調節を行わない。そのため、外液(海水)の濃度と、体液の濃度が等しい。つまり、外界の濃度が変化すると、自身の濃度も変化する。中には濃度調節能力を備えているものもいる。

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硬骨魚類の濃度調節

硬骨魚類はえらや腎臓の働きによって体液の濃度調節を行っている。海水魚は体液と同じ濃度の尿を出し、淡水魚は体液よりも薄い濃度の尿を排出する。

軟骨魚類の濃度調節

サメやエイなどの海産軟骨魚類は体液中に尿素を保有している。これによって、体液を海水よりも高濃度に保っている。

哺乳類の濃度調節

腎臓の働きによって血液中の水分量・塩分量が調節される。下画像は原尿から塩分や水が再吸収されて尿が作られている様子である。
腎臓

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体液の循環

体液の循環

体液の循環は、血液の循環リンパ液の循環に分けることができる。

体液の循環 血液の循環
リンパ液の循環

リンパ液の循環

リンパ液は骨格筋の収縮によってなだらかに循環する。

 

血液の循環

血液は心臓がポンプとなり力強く循環する。

 

心臓の構造

血液の循環は心臓の運動によってなされる。心臓は心筋と呼ばれる筋肉(横紋筋であるが不随意筋)でできている。

心筋

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哺乳類と鳥類の心臓は2心房2心室(右心房→右心室→左心房→左心室)であるが、生物種によって異なる。

魚類は1心房1心室、両生類・爬虫類は2心房心室である。爬虫類は心室を隔てる壁が不完全ながらにも形成され始めている。進化の順に循環効率が良い2心房2心室へと近づいている。
心臓

血液の循環-体循環と肺循環-

血液の循環は主に2つに分けることができる。体循環肺循環である。

体循環・肺循環

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体循環では左心室から大動脈を通り、各組織を経て、大静脈から右心房までを循環する。肺循環では、右心室から肺動脈を通り、ガス交換を終えてから、肺静脈を通り左心房に達する。
Untitled Diagram (5)
大動脈では酸素含有量が多く、肺動脈では酸素含有量が少ない。肺動脈では、「動脈」と名付けれられているのに酸素含有量が少ない静脈血が流れているので、混乱しないように注意。
肺循環 肺動脈 酸素少ない(静脈血)
肺静脈 酸素多い(動脈血)
体循環 大動脈 酸素多い(動脈血)
大静脈 酸素少ない(静脈血)

血管系の種類

血管系には2種類あり、閉鎖血管系開放血管系である。ミミズや脊椎動物は前者で、動脈と静脈が毛細血管でつながっている(閉鎖している)のが特徴である。

閉鎖血管系

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節足動物などは開放血管系であり、毛細血管を持たない(開放している)。

閉鎖血管系、開放血管系には次のようなメリット・デメリットがある。
閉鎖血管系 毛細血管でルートが張り巡らされているので効率よくガス交換できるが、狭い管を血液が通るためには強いポンプが必要。
開放血管系 ランダムに血球が通るので効率の悪いガス交換であるが、強いポンプは必要ない。

血液凝固

血液凝固とは

傷により血管が破壊されて血液が外にでると、血液流出を防ぐためのシステム(血液凝固)が働く。

 

血液凝固の仕組み

段階1:酸素が血液に触れる

血管が破れて血液が酸素に触れることがシグナルとなり、血液中のカルシウムイオンや、血小板から放出される凝固因子、組織液中から放出されるトロンボプラスチンによってプロトロンビントロンビンに変化する。

 

Untitled Diagram (4)

段階2:繊維状の物質フィブリン形成

トロンビンはフィブリノーゲンを繊維状のフィブリンに変化させる。下画像では、フィブノーゲン(最上段左)がフィブリンとなり多数結合して繊維となっている。

段階3:血餅の形成

フィブリンは血液中の白血球や赤血球を絡めて血餅を形成し、傷口を塞ぐ。

血清

この血球やフィブリンなどの物質を全て除いた血漿中の液体成分を血清という。

血清

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血清には抗体などは含まれている。馬などの動物に無毒化、弱毒化した毒素を注射し抗体を作らせ、取り出した血清(抗血清)をヒトに注射してマムシやハブなどの毒を無毒化する治療法もある。このような治療法を血清療法と呼ぶ。ちなみに、北里柴三郎は破傷風の血清療法を確立させた人物である。

血清療法

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血液凝固防止

血液凝固を防止する方法として、クエン酸ナトリウムを加えてカルシウムイオンを除去する方法がある。クエン酸イオンがカルシウムイオンにキレート結合(挟み込むようにカルシウムイオンを囲む結合)する。

クエン酸カルシウム

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また、肝臓で生成されるヘパリンはアンチトロンビンと呼ばれる物質の構造を変化させ、アンチトロンビンがトロンビンに結合しやすくする。アンチトロンビンはトロンビンの作用を妨害する。

ヘパリン作用

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もしくはヒルの唾液に含まれるヒルジンを加えてトロンビンの生成を阻害する方法、低温にして酵素の活性を低下させる方法がある。

酸素解離曲線

ヘモグロビン

赤血球はヘモグロビンを含み、ヘモグロビンのヘムにある鉄イオンが酸素と結びつき、酸素が少ない場所では酸素を放出する。また、酸素が多く、二酸化炭素が少ない場所では酸素と結びつく働きを持っている。

Hb(ヘモグロビン)+O2 → HbO2(酸素ヘモグロビン)

hemogurobin

酸素解離曲線

ヘモグロビンの酸素との結合率と、酸素分圧との関係は次のような表で表される。酸素分圧が上がるにつれて、ヘモグロビンと酸素の結合率が上昇する。

酸素分圧とは

普通、数種の気体が含まれている容器の、ある気体のみに注目した気圧を分圧と呼ぶ。下画像では、右が気体全体の圧力(全圧)で、左の2つがそれぞれの気体の圧力(分圧)を示している。
分圧
血液中の酸素分圧は、主に医学で使われる概念である。ある酸素を含む気体に血液を触れさせ、平衡状態(酸素が液体へ溶ける量と酸素が液体から出て行く量が同じ)となった時、その気体の酸素分圧を血液中の酸素分圧と考える。
平衡
例えば、血液は肺胞(酸素分圧100mmHg程度)の毛細血管を通過する間に、ほぼ平衡に達する。この血管の酸素分圧は約100mmHgと言える。
肺胞

平衡とは

液体中に溶ける分子と、出て行く分子の数が同じになった状態を指す。見かけ上は変化しているように見えない。
平衡

酸素解離曲線と二酸化炭素分圧

ヘモグロビンは二酸化炭素分圧が高い場所では、酸素を放出する性質を持つ。そのため、二酸化炭素分圧が高い場所では、酸素と結びつきにくく、酸素飽和度も低くなる。

酸素解離曲線

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ミオグロビンとヘモグロビンの酸素解離曲線

ミオグロビンはヘモグロビンに比べると酸素と非常に結合しやすく、酸素分圧が低くても酸素ヘモグロビンの割合が高い。これは逆に言うと、酸素を放出しにくく、組織でのガス交換が効率的ではないと言える。しかし、低酸素環境であっても酸素を蓄えることができる利点がある。

ヘモグロビン・ミオグロビン酸素解離曲線

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