心臓と肺はどのように連携して働くのか

1616年、ロンドンの王立内科医師会で、ウィリアム・ハーヴェイは志願者のむき出しの前腕に革製の止血帯を巻き、膨れ上がった静脈を指で押さえた。彼が示そうとしていたのは、あまりに単純すぎて取るに足らないように聞こえることだった。すなわち、静脈の血液は一方向にしか流れず、心臓へ向かって戻るだけで、決して心臓から離れる方向には流れないということである。浮き出た静脈に沿って指を手の方へ滑らせると、血管は空のままになる。血液は逆流して血管を満たし直すことはない。それから十二年後の1628年、ハーヴェイはこの主張の全容を De Motu Cordis（心臓の運動について）という題でフランクフルトにて発表し、西洋医学はそれ以前と同じではなくなった。

この場面を際立たせているのは、それが何に取って代わったかという点である。およそ千五百年にわたって、教養ある医師たちは血液についてまったく異なることを信じてきたのであり、ハーヴェイの一筋の革を使った静かな実験は、その大伽藍全体を崩しはじめるのに十分だった。なぜ彼の実演が重要だったのかを理解するために、そして自分自身の胸の中にある臓器系を理解するために、まずは医師たちがあれほど長きにわたって誤っていたことから始めよう。

ハーヴェイ以前に医師たちが信じていたこと

1628年以前、ヨーロッパの医学は、ギリシャの医師ガレノスから受け継がれたモデルに基づいて動いていた。ガレノスは二世紀に活動した人物であり、その権威はそれから千五百年の間ほとんど疑われることがなかった。ガレノスの描いた図では、血液はそもそもループ状にポンプで送られてはいなかった。肝臓が消化された食物から絶えず新鮮な血液を作り出し、この血液は一方向の潮流のようにゆっくりと身体の外側へにじみ出ていき、組織が火が薪を消費するようにそれを消費していくのだった。血液は作られ、使い果たされ、また作られる。血液が心臓の右側から左側へどう渡るのかを説明するため、ガレノスは心室の間の筋肉の壁に目に見えない小孔があると提唱した。

ハーヴェイの決定的な一手は、解剖学的なものではなく算術的なものだった。彼は心臓が一拍ごとにどれだけの血液を送り出すかを見積もり、それに一時間あたりの拍動の数を掛け合わせたところ、その総量は、その時間で身体が食物から作り出せる量をはるかに上回るものとなった。肝臓は、その速度で消費され捨てられるほど速く血液を生み出すことなど到底できなかった。この数字に合う唯一の説明は、同じ血液が閉じたループの中を巡り、何度も何度も心臓へ戻ってくるに違いないというものだった。そして止血帯の実演が目に見える証拠を与えた。静脈の弁は一方向、すなわち心臓へ向かう方向にしか流れを通さず、それはまさに再循環する系が必要とする通りだったのである。

四つの部屋、一つに融合した二つのポンプ

ハーヴェイが描写していた臓器は、単一のポンプとしてではなく、一塊の筋肉に融合した二つのポンプとして理解するのが最もよい。ヒトの心臓には四つの部屋があり、心室中隔と呼ばれる厚い筋肉の壁がその中央を縦に走っていて、右側と左側を完全に隔てている。この分離こそがすべての要であり、なぜならそれぞれの側が異なる循環路を担っているからだ。

心臓の右側は、すでに身体へ酸素を届け終え、いまや二酸化炭素で暗い色になった血液を受け取る。それはこの脱酸素化された血液を肺へと押し出し、また戻ってくる。これは肺循環として知られる短いループである。左側は、肺から戻ってきた新鮮に酸素化された血液を受け取り、それを脳から足の指先に至るまで全身へ押し出す。これは体循環として知られる、はるかに長いループである。左側ははるかに大きな抵抗に逆らって身体全体に血液を送り出さなければならないため、その筋肉の壁は右側よりも相当に厚い。

二つの循環路は直列に、一方が他方に続く形で走っており、心臓を交差点として共有する八の字の二つの周回路のようなものだ。あらゆる一滴の血液が両方を通り抜け、肺で酸素を拾い、組織でそれを降ろすことを、果てしなく交互に繰り返す。

四つの弁と心拍の音

二つのポンプが血液を前へ送り続け、決して逆流させないためには、心臓には弁が必要であり、それは四つあって、それぞれが一方通行の門である。二つの弁は心房（上部の受け入れの部屋）と心室（下部の送り出しの部屋）の間にある。右側の三尖弁と左側の僧帽弁だ。さらに二つの弁が心室の出口、すなわち血液が心臓を離れる場所を守っている。右心室が肺へ向けて血液を送り出す肺動脈弁と、左心室が大動脈へ、そして身体へと血液を送り出す大動脈弁である。

これら四つの弁こそが、聴診器を通して聞こえるあのおなじみの心拍の音の源だ。リズミカルな ドックン という音は筋肉が収縮する音ではない。それは弁がぱちんと閉じる音である。最初の音、ド は、心室が収縮しはじめるときに三尖弁と僧帽弁が閉じる音であり、二番目の音、クン は、心室が弛緩するときに肺動脈弁と大動脈弁が閉じる音だ。医師が心雑音に耳を傾けるとき、彼らはもはやしっかり閉じなくなった弁を通って血液が逆方向に漏れる、あの柔らかなシューという音を聞いているのである。

一滴の血液を両方の循環路にわたって追う

一滴の血液を完全なループに沿って追ってみると、閉じた循環全体がかちりと所定の位置に収まる。右心房から始めよう。ここには身体から暗く酸素の乏しい血液が届く。それは三尖弁を通って右心室へと落ち、右心室が収縮してそれを肺動脈弁を通して肺へと押し出す。肺の中で血液は酸素を積み込み、二酸化炭素を放ち、それからいまや鮮やかな赤になって左心房へと戻る。そこから血液は僧帽弁を通って左心室へと落ちる。左心室は最も力強い部屋であり、激しく収縮して血液を大動脈弁を通して大動脈へと送り込む。大動脈から血液は全身へ枝分かれし、あらゆる組織へ酸素を届けたのち、ふたたび暗い色になって、旅の始まった右心房へと流れ込む。

その経路を一度たどれば、ハーヴェイが1628年に発表した閉じた二重循環を理解したことになる。右心臓から肺へ、左心臓へ、身体へ、そしてふたたび戻る。同じ血液が果てしなく再循環していくのであり、それはまさに彼の算術が要求した通りである。

一拍の周期と、ペースを定める火花

各心拍は単一のぴくりとした動きではなく、協調した三段階の周期である。最初に心房収縮期が来て、ここでは二つの心房が収縮し、最後のひと押しの血液で心室を満たし切る。次に心室収縮期が来て、ここでは心室が力強く収縮し、血液を肺と身体へ送り出す。最後に拡張期、すなわち休息の段階が来て、ここでは四つの部屋すべてが弛緩して再び満たされ、次の拍動に備える。順序立てて開閉する弁のタイミングこそが、この周期が決して逆行しないようにしているのである。

リズムを安定させているのは、右心房の壁にある洞房結節と呼ばれる特殊な組織の小さな一片であり、これは1907年に解剖学者のアーサー・キースとマーティン・フラックによって特定された。洞房結節は心臓の天然のペースメーカーである。それは脳からの何の信号もなしに、自らの力で電気的インパルスを発し、そのインパルスは秩序立った波となって心筋全体に広がり、まず心房に収縮するよう、そして一秒のわずかな後に心室に収縮するよう伝える。これこそが、身体から取り出された心臓や、別の人へ移植された心臓が拍動を続けられる理由だ。火花は筋肉そのものの内側から来るのである。

三億個の小さな袋と、積荷を運ぶヘモグロビン

心臓はこの連携のなかばにすぎない。もうなかばは一対の肺であり、ここで実際の気体の交換が行われる。そして肺の見事さは、小さな空間に詰め込まれたその驚異的な表面積にある。奥深くで、気道は枝分かれを繰り返し、ついには肺胞と呼ばれる微小な空気の袋に終わる。成人の肺にはその数がおよそ3億から5億個ある。それらを合わせた表面積はおよそ70平方メートルに達し、これは小さなワンルームの床面積ほどであり、そのすべてが胸の中に折り畳まれている。肺胞内の空気と、それを取り囲む毛細血管内の血液とを隔てる膜は驚くほど薄く、わずか0.5から1マイクロメートルほどしかない。それによって酸素は血液の中へとすり抜け、二酸化炭素は反対側へとすり抜けていく。

酸素はいったん血液の中へ渡ると、運び手が必要になる。なぜなら酸素はただの血漿にはあまりよく溶けないからだ。その運び手がヘモグロビンであり、これは赤血球を満たし、それに色を与える鉄に富んだタンパク質である。各赤血球はおよそ2億7千万個のヘモグロビン分子を運んでおり、各分子は四つのサブユニットから成り立っていて、そのいずれもが一つの酸素分子と結合できるヘム基を持っている。巧妙なのは、この四つの部位が協力し合うという点だ。最初の酸素分子が結合すると、それはタンパク質をわずかに作り変え、次の部位がより結合しやすくなる。この協同的結合こそが、ヘモグロビンの酸素飽和度を酸素分圧に対してグラフにしたものが、直線ではなくS字状、すなわちシグモイド状になる理由である。そしてその形は単なる物珍しいものではない。それによってヘモグロビンは、酸素が豊富な肺では貪欲に酸素をつかみ取り、酸素の乏しい組織では気前よくそれを放出することができるのだ。

二十五兆個の運び手と、青い血の俗説

この配達船団の規模は思い描くのが難しい。成人の身体にはおよそ25兆個の赤血球が含まれており、これは天の川銀河の星の数の三倍以上であって、それらは絶えず置き換えられている。各細胞は両凹の円盤であり、穴のない小さなドーナツのように両面がへこんでいて、直径はおよそ7から8マイクロメートルだ。これは細胞が折れ曲がり、身体の最も細い毛細血管を一列縦隊ですり抜けるのにちょうど十分なほど細く、その膜を血管壁にぴたりと近づけることで、酸素が組織へと出ていくのに進むべき距離が可能な限り短くなるようにしている。

これはまた、子供時代の最も根強い俗説の一つが生まれる場所でもある。子供たちは決まって、静脈は青い血を運んでいると教えられ、自分の手の甲もそれを証明しているように見える。なぜならそこの静脈ははっきりと青みがかって見えるからだ。しかし、その中にある血液は青くないし、これまで青かったこともない。脱酸素化された静脈血は、動脈血の鮮やかな緋色よりも暗く、くすんだ赤だが、それでもまぎれもなく赤いままである。青みがかって見えるのは光のいたずらだ。皮膚と組織は、より波長の短い青い光よりも、より波長の長い赤い光を散乱させ吸収する度合いが大きいため、表面の下にある静脈から目に跳ね返ってくる光は青の側へと偏る。静脈を切れば、血液は赤であって、青ではない。

なぜこの仕組みを理解する価値があるのか

この解剖学があらゆるカリキュラムに含まれるべきだという、考えさせられる理由がある。心血管疾患は何十年もの間、世界中で死因の第一位であり続けており、世界保健機関によれば毎年およそ1800万人の命を奪っている。心臓発作、脳卒中、心不全は、つまるところ、ハーヴェイが1628年に初めて描き出したまさにあの連携の破綻なのだ。冠動脈が詰まって心筋が飢える、脳の血管がふさがれてその先の組織が死ぬ、心臓が弱りすぎて循環を動かし続けられなくなる。この仕組みが本来どう働くはずなのかを理解することが、それがどう壊れるのかを理解するための第一歩である。

要点

心臓と肺は閉じた二重循環を形作っており、これは1628年にウィリアム・ハーヴェイによって初めて証明された。彼の算術は、身体がガレノスの古い一方向モデルが正しいと言えるほど速くは血液を作り出せないことを示したのである。心臓は一つの臓器に融合した二つのポンプであり、心室中隔によって隔てられている。右側は脱酸素化された血液を肺循環で肺へと送り、より壁の厚い左側は酸素化された血液を体循環で身体へと送り、四つの一方通行の弁が流れを前へと保ちながら、あのおなじみの ドックン を生み出している。各拍動は心房収縮期、心室収縮期、拡張期を経て進み、右心房で自らの力で火花を発する洞房結節によってペースが定められる。気体の交換は、合わせた表面積が小さなアパートに匹敵し、その膜が1マイクロメートルにも満たない厚さの、3億から5億個の肺胞にわたって行われ、そして酸素はその後、一分子あたり四つの協同的結合部位を持つヘモグロビンによって運ばれる。これがシグモイド状の飽和曲線を生み出し、肺で酸素を積み込み、組織でそれを降ろすのである。およそ25兆個の赤血球が、それぞれ毛細血管を一列縦隊ですり抜けられる形に整えられていて、その積荷を運んでいる。そして静脈血は皮膚を通して青く見えるものの、それはどこまでもより暗い赤にすぎない。心血管疾患は年間およそ1800万人の死をもたらし、世界最大の死因であり続けているのだから、これは抽象的な解剖学ではなく、あなたの命がそれに依存している仕組みの、実際に働く描写なのである。