もし君が動物をつくるなら？灯油ポンプからひもとく心臓の「壁」と「弁」
サイエンストレーナーの桑子研です。毎日が実験。
今回は、「もし自分が新しい動物をつくるなら、血液をどう循環させる？」という問いから、心臓の不思議な構造に迫った授業を紹介します。実習生のY先生と一緒に頭を捻らせながら考えた授業です。心臓の授業はどうしても壁があって、心室と心房があって、と知識を流して、覚えることになりがちですが、理屈で心臓の構造の素晴らしさに気がつけるというところがおすすめのポイントです。
思えば
・なぜ心房は必要なのか？、
・なぜ血管はこんなにも捻れているのか？
・なぜ動脈は上を向いているのか？
など気になるところがたくさんあります。
1時間目：灯油ポンプで「弁」の必要性を知る
1時間目は、灯油ポンプを使った実験です。ポンプで液体を一方向に送り出すには、逆流を防ぐ「弁」が欠かせないことを体験して学びました。
あわせて、血液の種類も確認しました。酸素を多くふくむ血液を動脈血、酸素の少ない血液を静脈血といいます。
2時間目：新しい動物の循環を自由にデザインする
2時間目は、「心臓」「肺」「全身の細胞」と書いた3枚のカードを用意し、ホワイトボードを配りました。
血液の流れは、動脈血を赤いペン、静脈血を青いペンで描きます。全身の細胞には、赤い矢印が入り、青い矢印が出ていくことだけを先に示しました。
そのうえで、次の3つの条件を示しました。
条件1：心臓が1つある
条件2：肺またはエラがあり、呼吸を行う
条件3：全身の細胞を血管が通る
「自分が新しい動物をつくる設計者になったつもりで、循環を自由に描いてみよう」と投げかけたところ、生徒の発想は大きく2つに分かれました。
生物A：心臓 → 肺 → 全身の細胞 → 心臓、と1本のルートでつながる循環
生物B：「心臓 → 肺 → 心臓」と「心臓 → 全身の細胞 → 心臓」の2つの循環をもつ
設計図から心臓の中身が見えてくる
次に、それぞれの生物の心臓の構造をみんなで考えました。
生物Aは、ポンプが1つあれば十分です。1時間目の灯油ポンプの実験から、逆流を防ぐ弁が必要だということもわかります。
一方、生物Bについては、まずは１つのポンプを書いた生徒もいました。
生徒から次のような意見が出ました。「動脈血と静脈血が混ざらないように、心臓の真ん中に壁をつけたらいい。そして、弁も2つ必要だ」。
弁の位置はどこがいいのだろうか？
つまり、生物Bの心臓は「2つのポンプが1つにくっついた構造」になるわけです。これは、私たち人間の心臓の構造そのものです。教科書で「心臓には壁がある」と習うだけでは、なぜ壁が必要なのか実感しにくいものです。自分で循環を描くことで、心臓の構造をメカニカルな側面から納得できるのがこの授業の良さです。
さらに、描いてみると別の発見もあります。肺から心臓に戻る血管（肺静脈）には動脈血が、心臓から肺へ向かう血管（肺動脈）には静脈血が流れています。「動脈には動脈血が流れているとは限らない」ということも、自分の手で矢印を描くことで腑に落ちるのです。
本物の心臓を、AとBに分けてみると？
ここで、実際の生き物の心臓（魚類・両生類・爬虫類・哺乳類）を提示し、「あなたなら、生物AとBのどちらに分ける？」と問いかけました。
分け方は生徒によってさまざまで、とても面白かったです。そして、分けた理由もあわせて考えてもらいました。
ちなみに、魚類は心臓から出た血液がエラを通って全身をめぐる「生物A型」、哺乳類は肺と全身の2つの循環をもつ「生物B型」です。両生類や爬虫類は、その中間のような構造をしています。分類に迷うところに、生き物の進化の道すじが見えてくるのが楽しいところです。
血管がねじれているのは、なぜ？
最後に、もう一つ考えたことがあります。実際の心臓を見ると、血管がねじれるように走っています。「なぜ、きれいに整っていないのだろう？」と疑問に思いませんか。
そこで、心臓の構造をすっきりと整理して描き直してみると、
同じ向きにしてあげたほうが効率的かな？
肺の向きや頭に血を送るためには、動脈が上を向いていて、強い弁がついていたほうがいいのかな？
つなぎ方を成り立たせるためには、血管がねじれる必要があることがわかりました。
一見ごちゃごちゃして見える形にも、ちゃんと理由があったのです。
「当たり前」を疑い、自分で設計してみることで、教科書の図が一気に意味をもって見えてきます。みなさんもぜひ、自分だけの「新しい動物」の循環を描いてみてください。
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