Biophysics · 27.01

循環の生物物理―血管系の機能

Circulatory biophysics — function of the vascular system

🧠 血管系は、心臓が与えた圧力差pressure difference圧力差（pressure difference）pressure difference（圧力差）を利用して血液を肺循環pulmonary circulation肺循環（pulmonary circulation）pulmonary circulation（肺循環）と体循環へ送り、輸送・交換・恒常性維持homeostasis恒常性維持（homeostasis）homeostasis（恒常性維持）を担う閉鎖回路である。大血管は輸送、細動脈は分配、毛細血管は交換、静脈は容量貯蔵と還流という異なる役割をもつ。

二つの循環と血管の役割

右心系right heart (right-sided)右心系（right heart (right-sided)）right heart (right-sided)（右心系）から肺へ向かう肺循環pulmonary circulation肺循環（pulmonary circulation）pulmonary circulation（肺循環）はガス交換を行い、左心系left heart (left-sided)左心系（left heart (left-sided)）left heart (left-sided)（左心系）から全身へ向かう体循環は酸素、栄養素、ホルモン、熱を組織へ運び、二酸化炭素carbon dioxide, CO₂二酸化炭素（carbon dioxide, CO₂）carbon dioxide, CO₂（二酸化炭素）と代謝産物metabolite代謝産物（metabolite）metabolite（代謝産物）を回収する。両者は直列serial (organ architecture, vs. parallel)直列（serial (organ architecture, vs. parallel)）serial (organ architecture, vs. parallel)（直列）につながるため、長時間平均では右心拍出量と左心拍出量が一致する必要がある。

血管区分	主な生物物理学的役割
動脈	高圧の血液を末梢へ輸送し、弾性で拍動を緩衝する
細動脈	半径を変えて局所血流と全末梢抵抗peripheral resistance末梢抵抗（peripheral resistance）peripheral resistance（末梢抵抗）を調節する
毛細血管	薄い壁と大きい総断面積total cross-sectional area総断面積（total cross-sectional area）total cross-sectional area（総断面積）により物質交換exchange of substances物質交換（exchange of substances）exchange of substances（物質交換）を行う
静脈	高い容量性で血液を貯留し、低圧で心臓へ戻す

毛細血管での交換

毛細血管壁capillary wall毛細血管壁（capillary wall）capillary wall（毛細血管壁）を通る体積移動は、スターリング濾過式Starling filtration equationスターリング濾過式（Starling filtration equation）Starling filtration equation（スターリング濾過式）で概念的に

J_v=K_f\left[(P_c-P_i)-\sigma(\pi_c-\pi_i)\right]

と表される。 $P_c-P_i$ は毛細血管内Endocapillary毛細血管内（Endocapillary）Endocapillary（毛細血管内）外の静水圧差hydrostatic pressure difference静水圧差（hydrostatic pressure difference）hydrostatic pressure difference（静水圧差）、 $\pi_c-\pi_i$ はタンパク質などによる膠質浸透圧差oncotic pressure difference膠質浸透圧差（oncotic pressure difference）oncotic pressure difference（膠質浸透圧差）、 $K_f$ は濾過係数、 $\sigma$ はタンパク質反射係数reflection coefficient反射係数（reflection coefficient）reflection coefficient（反射係数）である。浸透圧の基礎は浸透・浸透圧に、圧力差pressure difference圧力差（pressure difference）pressure difference（圧力差）と流れの関係は血管抵抗につながる。

flowchart TD
  A["心臓が<span class='jp-term jp-term-diagram' title='pressure difference'>圧力差</span>を作る"] --> B["動脈が血液を輸送"]
  B --> C["細動脈が臓器別に流量を分配"]
  C --> D["毛細血管で拡散・濾過などの交換"]
  D --> E["静脈とリンパが体液を回収"]
  E --> F["心臓へ還流"]

恒常性と浮腫

血管系は各組織への流量を変えることで、血圧、体温、酸塩基平衡acid-base balance酸塩基平衡（acid-base balance）acid-base balance（酸塩基平衡）、細胞外液extracellular fluid, ECF細胞外液（extracellular fluid, ECF）extracellular fluid, ECF（細胞外液）量の維持に関与する。毛細血管から間質への正味濾過がリンパ回収を上回ると間質液interstitial fluid間質液（interstitial fluid）interstitial fluid（間質液）が蓄積し、浮腫になる。原因は毛細血管圧capillary pressure毛細血管圧（capillary pressure）capillary pressure（毛細血管圧）上昇、血漿膠質浸透圧plasma oncotic pressure血漿膠質浸透圧（plasma oncotic pressure）plasma oncotic pressure（血漿膠質浸透圧）低下、透過性亢進、リンパ流障害impaired lymphatic drainageリンパ流障害（impaired lymphatic drainage）impaired lymphatic drainage（リンパ流障害）などに分けて考える。

循環の駆動源となる心臓の時間的制御は心臓の電気的活動から始まり、血管内の速度分布は血管総断面積total cross-sectional area総断面積（total cross-sectional area）total cross-sectional area（総断面積）と連続の式で理解する。

まとめ

肺循環pulmonary circulation肺循環（pulmonary circulation）pulmonary circulation（肺循環）と体循環は直列serial (organ architecture, vs. parallel)直列（serial (organ architecture, vs. parallel)）serial (organ architecture, vs. parallel)（直列）に連結し、ガス交換と全身への物質輸送を担う。
動脈、細動脈、毛細血管、静脈は、輸送・分配・交換・貯留という役割を分担する。
毛細血管交換は静水圧hydrostatic pressure静水圧（hydrostatic pressure）hydrostatic pressure（静水圧）と膠質浸透圧oncotic pressure膠質浸透圧（oncotic pressure）oncotic pressure（膠質浸透圧）の差、および壁の透過特性で決まる。
濾過と回収の不均衡は間質液interstitial fluid間質液（interstitial fluid）interstitial fluid（間質液）を増やし、浮腫を生じさせる。