気管は空気を肺へ導く管ですが、その内側はただの滑らかなホースではありません。表面を覆う粘液と、小さな線毛の動きが、異物を取り除く働きに関わります。中学入試では、知らない細胞の名前が出てきても、その役割が説明されていれば図と表から考えられます。今回は「捕まえる」と「運ぶ」を分けるところから始めます。
粘液が捕らえ、線毛の動きが運ぶ
気管などの表面には粘液があり、吸い込んだ空気の中の小さな粒が付着します。その粘液を動かすのに関わるのが、細胞の表面から出た細い線毛です。たくさんの線毛が協調して動くと、粘液とそこに捕らえられた粒が、のどの方へ運ばれます。粘液は捕まえる役割、線毛の動きは移動を支える役割として整理できます。
線毛を鼻毛と同じものにしないようにしましょう。ここで扱うのは細胞の表面にある微細な構造です。また、肺胞の表面までこの装置が一面に並んでいる、と延長して考えてはいけません。気管などの通路で粒を運ぶ働きと、肺胞で酸素や二酸化炭素を交換する働きは、場所も役割も違います。
空気の向きと、粘液の向き
息を吸うとき、気管の空気は肺の方へ進みます。しかし、気管表面の粘液を運ぶ向きまで、その都度肺の方へ逆転するという説明ではありません。空気が管の中を移動する経路と、表面で粘液が運ばれる経路を別々の矢印にします。吸う息と吐く息を示す青い矢印だけで、異物の行き先を答えないことが大切です。
模型では、細い棒を並べて布を動かすような仕組みで、運搬を表すことができます。ただし、棒一本が粒をつかんでのどまで持って歩くわけではありません。線毛のある細胞自体が、粒と一緒に長距離移動するのでもありません。その場での動きが積み重なり、表面の物を送る関係を模型に表します。
例題1｜粒の移動距離から速さを求める
計算用の気道模型で、粘液に付けた目印の位置を記録しました。実際の人体の測定値ではありません。のど側へ進む方向をプラスとし、開始位置を0mmとします。二分後は6mm、五分後は15mmでした。この間ずっと同じ速さだったとして、一分あたりの移動距離と、開始から24mm進むまでの時間を求めてください。
一分あたり3mm、24mm進むまで8分です。 6÷2＝3と15÷5＝3で、二つの記録が同じ速さと一致します。24÷3＝8です。二分後と五分後だけの区間を使っても、距離15−6＝9mm、時間5−2＝3分なので9÷3＝3となります。位置の差と時刻の差を組にして計算しましょう。
例題2｜捕まえる働きだけでは足りない
模型Aは粘着性のある層に粒が付き、その層が動きます。模型Bは同じ層に粒が付きますが、層を動かす装置を止めています。五分後、Bには粒が付いたまま同じ場所に残りました。「Bでは粒を捕まえる働きがなかった」という説明は正しいでしょうか。
正しくありません。 Bでも粒は層に付いていますから、捕まえる働きは確認できます。違うのは、その後に運び出す動きです。捕まえた数が同じでも、出口へ到達した数が同じとは限りません。反対に、粒が出口へ届かないという結果だけから、付着していなかったと決めることもできません。
棒を速く動かすだけでよいのか
線毛の運動を調べる資料では、一つの線毛が動く速さと、集団として向きがそろうことを分けて読みます。模型の棒がそれぞれ別方向に動けば、一本ずつはよく動いていても、布が一方向へ進むとは限りません。運動回数が多いから運搬が必ず大きい、と一つの数だけから結論を出せないのです。
比べる模型で、棒の動く回数だけでなく、布の厚さや重さも変えてしまうと、移動距離の違いの原因が混ざります。回数の影響を調べたいなら、向き、布の条件、時間などをそろえます。人体のしくみを説明した文章でも、実験の比較では「一つ変え、ほかをそろえる」という読み方が役立ちます。
入り口・途中・出口を数える
粒の記録が表になったら、最初に入れた粒、層に付いた粒、出口まで運ばれた粒を分けます。入れた二十粒のうち十五粒が付着し、そのうち十二粒が出口へ達したなら、付着したまま途中に残るのは三粒です。十五と十二を足して二十七粒にしてはいけません。出口へ達した十二粒は、十五粒の中に含まれているからです。
このような段階を示す人数や個数は、足し算できる別集団とは限りません。矢印の途中で数えた値なのか、互いに重ならない行き先の値なのかを見分けます。粒の通り道を図に一本書いて、その途中に数を置けば、二重に数える間違いを減らせます。
気道の線毛を初めて知ったとしても、役割の説明から「捕らえる」「表面を動かす」「出口へ届ける」と段階を作れば、問題を整理できます。未知の用語をすべて暗記してから解くのではなく、その場で与えられたしくみを使って距離や個数を追う練習にしましょう。