心臓は血液を送り出す器官です。では、立っているときに脚から心臓へ戻る血液は、どのように上へ進むのでしょうか。中学入試では、静脈の中の弁と、周りの筋肉を組み合わせた模型が考えられます。「押す働き」と「逆向きに戻りにくくする働き」を分けると、弁の向きや装置の動きを読みやすくなります。
動脈・静脈は流れる方向で区別する
心臓から出ていく血液の通路が動脈、心臓へ戻る通路が静脈です。赤く描かれた血管は全部動脈、と色だけで決めてはいけません。酸素の多い少ないを色分けした図では、肺と心臓の間の血管が、その覚え方の例外になります。まず心臓を図の基準点にして、矢印の向きを見ます。
ここで扱うのは脚の静脈です。脚の静脈には、逆流を防ぐ弁があり、周囲の筋肉の動きと組み合わさって血液を心臓側へ戻す助けになります。これは循環を支える働きの一つであり、心臓の働きが不要になるという意味ではありません。また、体中のすべての静脈に、同じ間隔で弁が並んでいると一般化しないようにします。
弁だけで液体を押し上げるのではない
弁は、適した向きの流れを通し、逆向きに流れようとすると閉じる仕組みです。弁自身が電動ポンプのように液体へエネルギーを与え続けるわけではありません。周囲の筋肉が静脈を圧迫することが押し出す働きに関わり、弁が戻りを抑えることで、一方向へ進みやすくなります。
柔らかい管の途中を指で押す模型を想像してください。弁がなければ、押した場所から両側へ液体が動く場合があります。心臓側へ通す弁を組み合わせれば、押したときの進み方が変わります。「管を押す」と「一方向に流れる」は、同じ条件ではありません。押す場所だけでなく、弁の位置と向きも図に必要です。
例題1｜弁の向きをそろえる
下端を脚側、上端を心臓側とする縦の管の途中に、押し縮められる袋を置きます。袋の上と下に一つずつ弁を付けます。下から入った水を袋の圧縮と復元で上へ送るには、二つの弁は、それぞれ上向きと下向きのどちらの流れを通すようにすればよいでしょうか。
二つとも上向きの流れを通す向きです。 袋を縮めると、上の弁から水を押し出し、下の弁は下への逆流を防ぎます。袋が戻ると、下の弁から水が入り、上の弁は上方の水が袋へ戻るのを抑えます。二つの弁が同時に常に開いているという説明ではありません。押す段階と戻す段階を別々に描きます。
例題2｜送り出した量と、正味で進んだ量
計算用の模型で、袋を一回縮めると上側へ6mLの水が出ます。しかし、戻すときに弁から1mLが逆流しました。同じ動きを十回繰り返すと、上側に正味で増える水は何mLでしょうか。初めと終わりで袋の中の水量は同じとします。
答えは50mLです。 一回あたりの正味は6−1＝5mLで、5×10＝50mLです。送り出した延べ量だけなら6×10＝60mLですが、十回分で10mL戻っています。設問が求めるのは上側に残った増加量です。6mLと1mLを足した70mLは、正味の移動量にはなりません。
筋肉が戻る時間も一回の中に入れる
模型で一回の動作を定義するとき、押す動きだけを数えるのか、押して元へ戻るまでを一回にするのかを確認します。袋の復元中に水を補充する設定なら、押しっぱなしでは繰り返し送り続けられません。連続して動くポンプの図でも、満たす段階と送り出す段階が交互にある場合があります。
一分間に何回動かしたかという表があれば、一回で正味何mL送ったかと組み合わせます。ただし、回数を二倍にすれば、実際の血流が必ず二倍になるとは言えません。袋の戻り方、液体が入る時間、管の抵抗などを一定とした計算モデルの範囲で比例を使います。人体と模型の対応を学びつつ、模型の仮定を体全体へ広げないようにします。
逆流を防ぐ弁と、道をふさぐ栓の違い
栓で管を完全にふさぐと、逆流だけでなく必要な向きの流れも止まります。弁を「流れを止めるもの」とだけ説明すると、この違いが抜けます。「逆向きの流れを抑え、必要な向きには通す」と方向を含めて書くことが大切です。装置の矢印を逆に描いたとき、どちらの弁が閉じるかを考えると理解を確かめられます。
実物の血管を圧迫して調べる必要はありません。紙の模型図に、圧縮時は赤、復元時は青の矢印を描く方法で十分考えられます。この二色は動脈血と静脈血の色分けではなく、時間の段階の違いを示す約束です。図の色は何を意味するかも、凡例に合わせます。
脚の循環を考えるときは、心臓へ戻るという行き先、筋肉による圧迫、弁による逆流防止の三つをつなげます。どれか一つの名前だけを答えるより、それぞれの働きを短い文で分けて説明できることが、初めてのポンプ模型を読み取る力になります。