生徒： 先生、この前の理科のテストに出てきた問題で、どうしても気になるところがあるんです。
先生： ほう、どんな問題だい？
生徒： 両生類は皮膚呼吸をするって話です。その理由として「両生類は心房と心室になっていて酸素のガス交換の効率が良くない」「動脈血と静脈血が混ざってしまう」から、それを補うために皮膚呼吸をする、っていうのが問題に出てました。そもそも皮膚呼吸ってどういう仕組みなんですか？
先生： おっ、いいところに目をつけたね！両生類の呼吸の弱点をカバーする仕組みだ。皮膚呼吸の本質は、物理的な「拡散（濃度勾配による移動）」なんだよ。肺呼吸と同じで酸素を取り込んで二酸化炭素を出すんだけど、それが体表の毛細血管と外界の間で直接行われるんだ。
生徒： へえー、皮膚で直接やってるんですね。
先生： そう。皮膚呼吸が成立するには3つの条件がある。 1つ目は「皮膚が常に濡れていること」。酸素や二酸化炭素は一度水分に溶けないと細胞膜を通り抜けられないんだ。両生類の皮膚にある粘液腺がいつも体表を湿らせている。 2つ目は「皮膚や表皮が非常に薄いこと」。移動距離を最小限にするためだね。 3つ目は「毛細血管が皮膚の直下まで発達していること」。通過した酸素がすぐ赤血球と結合して全身へ運ばれるように、すぐ下に密な血管網があるんだ。
生徒： なるほど、外の酸素濃度が高いから、濃度差で自動的に中に入ってくるわけですね。
先生： パーフェクト！外界のほうが酸素濃度が高いから、自動的に毛細血管内へと溶け込む。逆に体内で発生した二酸化炭素は濃度が高いから外へ放出される。この「濡れた薄い膜を通した拡散」が呼吸の基本なんだよ。
生徒： そうすると、普通の肺呼吸の時についても、肺胞のところに毛細血管が張り巡らされていて、その毛細血管に、口から気道を通って肺に吸い込んだ酸素と直接触れ合っているっていうわけですかね？つまり、肺胞に張り巡らされている毛細血管と空気が直接触れ合って、肺の中の酸素が肺胞の水分に溶けて、そこから毛細血管の方に自然に入っていくというような感じになってるんでしょうか。
先生： そのご理解で完全に正解だよ！肺呼吸も皮膚呼吸と本質的な物理メカニズムはまったく同じで、舞台が体内にあるか体外にあるかの違いだけだ。
生徒： よかった！じゃあもう少し詳しく知りたいんですけど、肺胞まで吸い込まれた酸素は、一旦そこの粘液というか水分に溶けますよね。で、溶けたあと、肺胞の細胞の中に入っていき、さらに奥に毛細血管があって、そこから吸収されるってことですか？
先生： おっ、いいステップだね。正確な道筋を追うと、こうなる。
- 肺胞の水分に溶ける：吸い込んだ空気が、肺胞表面を覆う薄い液層に溶け込む。
- 肺胞の細胞を通り抜ける：肺胞の内側にある1層の薄い細胞（肺胞上皮細胞）の中を通り抜ける。
- 毛細血管の壁を通り抜けて吸収される：肺胞細胞のすぐ裏側にある毛細血管の壁も通り抜けて、血管の中へ入り込む。
「奥にある」というよりは、肺胞の細胞の裏側に、毛細血管の壁がペタッと隙間なく張り付いているイメージだな。この2つの壁が合わせて「血液-空気関膜」と呼ばれていて、わずか数ミクロンしかないから酸素はスルッと通り抜けられるんだ。
生徒： なるほどなあ。そうすると、魚の「鰓（えら）呼吸」については、さらに簡単な方法になるでしょうか？つまり、海水に含まれている酸素を鰓から呼吸していく。で、その鰓には毛細血管が張り巡らされていて、そこを通過するときに、酸素が、海水の方が多いので、その拡散の作用によって、鰓の中の毛細血管に入っていく……。
先生： そのご理解も完全にその通り！肺呼吸や皮膚呼吸とまったく同じで、「水に溶けた酸素が、薄い膜を挟んで毛細血管へ拡散する」という物理メカニズムがベースになっているんだ。
生徒： 水の中の酸素も、ちゃんと拡散で血に入っていくんだですね。でも、ちょっと待ってください。えーと、その水の中に溶けることができる酸素の量っていうのは、海水だとしても、肺の粘膜の液体のところだとしても、溶けてる量は変わらないんじゃないかなと思うんですけど……えー、それは、うーん、魚が酸素をあまり必要としないっていうことですか？
先生： おっ、素晴らしい着眼点だね！実は、「水（海水）に溶けている酸素の量」は、空気（肺でやり取りする酸素）に比べて圧倒的に少ないんだ。
生徒： え、そうなんですか！？
先生： 空気中の酸素濃度は約21%だけど、水に溶け込める酸素の量は水温にもよるけれど1リットルあたり数ミリグラム程度で、空気の何分の1〜何十分の1しかない。だから水中の環境は肺呼吸に比べて圧倒的に酸素が手に入りにくい過酷な場所なんだよ。
生徒： そんなに少ないのに、魚はどうやって生きてるんですか？
先生： 理由は大きく二つある。ひとつは、魚が変温動物だから代謝が低いこと。人間みたいに自分で体温を維持する必要がないから、哺乳類に比べて体全体の基礎代謝や酸素消費量がはるかに少ないんだ。 もうひとつが、これから話すエラの驚異的な回収効率さ。
生徒： エラの回収効率……？
先生： そう。水中の酸素が少ないからこそ、魚のエラには「カウンター・カレント（対向流）」という巧妙な仕組みが備わっていて、水中にあるわずかな酸素の80〜90%以上を吸い取ることができるんだよ。
生徒： カウンター・カレント……？ なんかすごそうな名前ですね。もうちょっと詳しく説明してもらえますか？
先生： よし、詳しく見ていこう。カウンター・カレントとは、「水が流れる方向」と「血液が流れる方向」を真逆（反対向き）にするシステムのことなんだ。もしこれが同じ方向（平行流）だったらどうなると思う？
生徒： ええと、同じ向きに流れたら……どうなるんだろう？
先生： 水と血液が同じ向きに進むと、エラの入り口付近では酸素が移動するけれど、途中で水と血液の酸素濃度がちょうど半分ずつで釣り合って（平衡状態に）しまうんだ。濃度が同じになると、それ以上は拡散が起きなくなって、水中に残っている半分ほどの酸素を回収できずにそのまま外へ逃してしまうのさ（効率の限界は約50%）。
生徒： あ、それじゃもったいないですね！半分も逃げちゃうんだ。
先生： そうなんだ。でも、「逆方向（対向流）」に流れると、驚異的な現象が起きるんだよ。
生徒： 逆向きだと、どうなるんですか？ ええと、こうですかね？ 前から海水が鰓に入ってきますと。で、後ろの方から、血液が流れていきますと。したら、まず、その後ろの方にいる血液は、すでに前のほうにいた血液に酸素を渡してはいるけれども、お残りの酸素があるわけで、それをまずもらいますと。ま、出口付近というところで、そこからまずおこぼれをもらって、それがちょっと先に進むと、血液は鰓の真ん中ぐらいに行きますと。その時も、鰓から入ってきた、今度は一番先頭の血液には酸素は奪われてしまったけれども、そのおこぼれをまたもらって、前に進むと。で、血液が鰓の先頭の方まで行くと、今度は、まあ、血液の中では酸素は結構いっぱいになってるけれども、あともうちょっと含めると。その頃には一番先頭に来てる鰓の先頭に来てるから、まあ、濃度の高い、酸素の濃度が高い海水が入ってくるので、そこでまた最後に満タンまで酸素をもらうと。そういう仕組みですかね？
先生： おっと、流れのイメージが少しだけ逆になっている部分があるね。でも、すごくいいところまで考えている！水と血液の動きを整理してみようか。
生徒： はーい、お願いします！
先生： まず、
- 海水（水）の流れ：前（入り口）から後ろ（出口）へ流れる
- 血液の流れ：後ろ（入り口）から前（出口）へ流れる（水とは完全な逆向き）
この位置関係を意識しながら、血液の一生を追ってみよう。
生徒： はい！
先生：
- 旅の終わり（エラの先端側 / 水にとっては入ってきたばかりの場所） 血液はすでに酸素をいっぱいいかだに積み込んでいるけれど、そこですれ違う水は「今まさに外から入ってきたばかりの、一番フレッシュで酸素が満タンの水」なんだ。だから、最後に「ダメ押しの満タン（高濃度）」まで酸素をもらって、血管へと送り出される。
- 旅の途中（エラの真ん中付近） 血液が真ん中あたりまで進むと、少し酸素を持った状態になる。すれ違う水も少し酸素を使い果たしているけれど、まだ血液よりは濃度が高い状態を保っている。だから、ここでも「おこぼれ」ではなく、濃度差に従ってスムーズに酸素を受け取り続けるんだ。
- 旅の始まり（エラの後ろ側 / 水にとっては出ていく直前の場所） 酸素をほとんど持っていない「お疲れの血液」がエラに入ってきたときに出会うのは、すでに前の方で酸素を吸い取られてしまって、酸素がスカスカになった水だ。一見すると「これじゃ酸素をもらえないのでは？」と思うよね？
生徒： あ、それってさっき僕が言った「おこぼれをもらう」ところですよね？でも、水もスカスカなんですよね？
先生： そう思うだろう？でも、血液自体の酸素もゼロ（極めて低い）だから、スカスカの水からでもわずかな酸素をちゃんと引き抜くことができるんだ。
生徒： ああ！なるほど！つまり、血液の酸素がゼロだから、水に少しでも残っていれば、ちゃんとそっちに移動してくれるわけですね！
先生： その通り！だから、まとめるとこうなるんだ。
- 前側（先端）：水が「入ってくる」場所であり、同時に血液にとっては旅の「終わり（酸素をたっぷり積んで全身へ出発する場所）」だ。一番フレッシュな水と、すでに酸素をほぼ満載した血液が出会うから、最後のダメ押しのガス交換ができる。
- 後ろ側：水が「出ていく」場所であり、同時に血液にとっては旅の「始まり（全身を巡って酸素を使い果たし、エラに到着したばかりの場所）」だ。酸素が減った水であっても、血中の酸素がほとんどゼロの血液が出会うから、わずかな濃度差を逃さずしっかり酸素を受け取れる。
(図解イラスト4：魚のエラのガス交換：水と血液がすれ違うことで限界まで酸素を回収する仕組み)
生徒： ええと、だから！血液の旅の終わりっていうのは、鰓の先端の方で、それは水が入ってくる側であると。で、水が出ていくところっていうのは、鰓の後ろの方で、水が出ていくところですね。そこは血液の旅の始まりじゃないですか！
先生： 大正解！！完全に完璧なご理解だね！素晴らしい！
生徒： やったあ！すっきりしました。水と血液が逆向きにすれ違うことで、どんなに血液が酸素でパンパンになっても、最後に出会う水が「一番最初のピカピカの水」だから、限界まで詰め込めるんですね。
先生： その通り。この美しい位置関係と濃度勾配の維持があるからこそ、魚は酸素の少ない水中でも生き抜くことができるのさ。皮膚呼吸、肺呼吸、そして鰓呼吸。どれも基本原理は「濡れた薄い膜を通した拡散」だけど、生きている環境に合わせてこんなに巧妙に進化しているんだね。
生徒： 生物の体の仕組みって、本当に理にかなっていて面白いですね！ありがとうございました！
編集後記
中学受験テキストに載っている、魚類の一心房一心室、両生類の二心房一心室。動脈血と静脈血が交じり合ってしまう、とっても効率の悪い気体の交換。両生類は酸素不足を補完するために皮膚呼吸をおこなっている、皮膚呼吸って人間もしているのか？ほぼしていない。この辺りのことを授業でお話している最中にそもそも皮膚呼吸ってどんな仕組みなんだろう。さらには肺呼吸ってえら呼吸や皮膚呼吸と何が違うんだろう。。。という疑問が出てきました。そういった素朴な疑問を子供たちにも持って欲しいし、堂々と質問してもらうととってもいい授業になります。
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