魚は、水に溶けた酸素をえらで取り込みます。その説明の次に、えらの細かな図を見ると、水と血液の矢印が反対向きに描かれていることがあります。「同じ向きに流れた方が、ぶつからず都合がよさそう」と思うかもしれません。しかし、水と血液は同じ管の中を流れているのではありません。
薄い隔たりを挟んだ別々の通り道で、反対方向へ流れています。このような流れ方を対向流と呼びます。名前の暗記に進む前に、図のどこが水の通り道で、どこが血液の通り道かを分けてみましょう。
矢印が反対でも、正面衝突ではない
水はえらの表面を通り、血液はえらの中の細い血管を流れます。酸素は薄い組織を隔てて移りますが、水全体が血液の中へ流れ込むわけではありません。図に二本の矢印があるときは、先にその間の境界を確かめます。
逆方向の流れというだけで、水が血管を逆流していると解釈すると、呼吸と血液循環の経路を混ぜてしまいます。口から入る水の道と、心臓から送り出される血液の道は別です。酸素がどこで両者の間を移るかを、矢印の交差ではなく、隔たりを挟んだ受け渡しとして描きます。
えらの薄い部分は広い面積で水に接します。その形と、流れの向きが組み合わさって酸素を取り込むのに役立っています。「逆向き」という言葉だけで、どんな形の器官でも同じだけ交換できると考えないことも大切です。
出口の血液は、入りたての水と接する
対向流の図で、水が左から右へ流れるなら、血液は右から左へ流れます。水の入口がある左側は、血液にとっては出口です。血液が酸素を受け取りながら進んだ先でも、酸素を多く含む入りたての水に接する配置になります。
この仕組みによって、各場所で水から血液へ酸素が移るための差を保ちやすくなります。同じ向きに流す模型では、両方が流れるにつれて酸素を移す差が小さくなりやすいことと比べてください。対向流は、水に含まれる酸素をすべて必ず取り切る魔法ではありません。流れる速さや器官の状態などにも影響されます。
なお、血液には酸素を結び付けるヘモグロビンがあるため、水と血液の酸素の総量をそのまま同じ尺度で比較して説明するのは適切ではありません。本稿の図は移る方向を示す模式図で、血液中の酸素濃度を計算する図にはしていません。
例題1：二つの入口はどこにある？
図の左端をP、右端をQとします。水はPから入りQへ出ます。血液を水と対向流になるように流す場合、血液の入口と出口はどちらですか。また、水の入口と接している側は、血液にとって入口と出口のどちらですか。
答え・解説： 血液はQから入り、Pへ出ます。水の入口があるP側は、血液の出口に当たります。二本ともPを入口にすると、同じ向きに流す配置になってしまいます。図の左をいつも入口と覚えるのでなく、それぞれの矢印の根元と先端で決めます。
入口と出口という言葉には、「何の」という主語が必要です。Pを単に入口と書かず、「水の入口・血液の出口」と二行で書くと、配置の意味が明確になります。図が左右反転されても、この読み方なら答えは崩れません。
取り込んだ量は、水の前後から求められる
えらを通る前後の水を比べると、酸素がどれだけ減ったかを測れます。ただし、濃度の差だけでは、取り込まれた酸素の総量はまだ分かりません。どれだけの水が通ったかを掛ける必要があります。
1Lあたりの差が同じでも、1L通った場合と3L通った場合では、減った酸素の総量は違います。これは食塩水で、濃さが同じでも液の量によって食塩の量が変わることと似ています。単位に「1Lあたり」があるかを確認し、量の計算へ進みます。
さらに、測定区間に別の生物がいたり、空気と酸素を交換したりすると、水から減った分をすべて魚が取り込んだ分とはできません。例題では、減った理由を一つに限定した模型にします。
例題2：1Lあたりの差を、全体の量へ
架空の装置で、同じ時間内にえらを通った水が3Lでした。入口の水は1Lあたり酸素8mg、出口は1Lあたり6mgを含んでいます。水の量は変わらず、この区間で酸素が減る原因は魚による取り込みだけとします。取り込まれた酸素は何mgですか。
答え・解説： 1Lあたりの減少は8−6＝2mgです。3L通ったので2×3＝6mgです。入口の総量は8×3＝24mg、出口は6×3＝18mgで、その差も6mgになります。2mgという答えでは、水1L分しか数えていません。
もし同じ濃度差で6Lが通ったという条件なら、取り込み量は12mgです。ただし、実際に流量だけを増やしたとき、出口の濃度が同じままになるとは限りません。計算上の条件付き比較と、現実の魚の反応の予測を分けて答えます。
呼吸の図を、線の数だけで覚えない
水の矢印、血液の矢印、酸素が移る矢印は、それぞれ意味が違います。水や血液がどの方向へ流れるかと、酸素がどちらへ渡るかを、一種類の矢印で済ませないようにします。図に凡例を書くだけでも、逆向きの理由が読みやすくなります。
取り込む酸素の出どころは魚と水に溶けた酸素で、全身へ運ぶ経路は魚などの呼吸と血液の流れで確認できます。えらの細かな部分での交換と、体全体の循環を別の大きさの図としてつなげると、同じ血液の矢印でも何を表しているかが分かります。