「風がなければ波もない」そして「風がなければ高さ 3 フィートの波もない」：動脈にも「乱波」は存在するのでしょうか?

「風がなければ波もない」や「風がなければ波は3フィートも立たない」は日常生活でよく使われる諺です。一見矛盾しているように見えるこの 2 つの主張には、実は科学的な理由があります。

これは、私たちの体の中にも「海」があることを思い出させました。それは、循環器系を流れる血液の海であり、これもまた「乱流」です。

今日は、動脈系における脈波の伝播の謎を探り、それが海での波の形成とどのように似ているかを見る特別な「海の旅」に出かけましょう。

1. 「風がなければ波もない」と「風がなければ波は3フィート」の科学的根拠

1. 「波がなければ風はない」という科学的理由

エネルギー伝達の観点から見ると、海の波は主に風によって供給されるエネルギーによって形成されます。風が海上を吹くと、そのエネルギーが水に伝わります。風が海を横切って吹くと、風と海水の表面の間に摩擦（粘性せん断力）が発生します。この力は大きな手のひらのように海水を「こする」のです。 「流体は摩擦に抵抗しない」というのは流体の重要な特性です。風は海水にこの「摩擦」力を加え、海水を動かして海面に小さな波紋を生じさせます。風のエネルギーが小さければ、海水面にはわずかな波動しか生じません。これは、クロストーク「八卦」にあるように、「風が吹くと、水面に波の層ができる」というものです (図 1)。風が強くなると、海水に伝わるエネルギーが増加し、それに応じて波の高さと波長が増加します。

図1 風による水面の「摩擦」により「水面の波の層」が生じる

波動理論の観点から見ると、風は海の波を発生させる外部の原動力です。風によって海面に生じる圧力差が波形成の重要な要因となります。風が海上を吹くと、海面の風下側に低気圧が発生し、風上側は相対的に高気圧になります。この圧力差により海水は高圧部から低圧部へ流れ、波が発生します（図2）。また、風の持続時間と強さによって、波の持続時間と大きさが決まります。風が長時間にわたって海上を安定して吹くと、波はエネルギーを蓄積し続け、より激しくなります。

図2 圧力差により海水が波を形成する

2. 「風がなくても3フィートの波がある」という科学的理由

海底の地形と海流を考慮してください。風がなくても、海底の地形の変化によって波が発生することがあります。例えば、浅い海域では、海底地形に隆起や窪みがあると、海水の流れが乱れます。海底の山々によって海水が上昇し、波が形成されます（図3）。川の岩が水に波を起こすのと同じように、海底の地形の凹凸によって水に波紋が起こります。海流も海の波に影響を与えます。温度や塩分濃度の異なる海流が出会うと、密度の違いが生じ、海水が流れ、変動します。たとえば、冷たい海流と暖かい海流が出会う場所では、海水の動きがより複雑になり、より大きな波が発生します。

図3 海底の山々が海水を上昇させ、波を形成する

遠くからの風と波の伝播を考えてみましょう。地球上の海は相互につながった全体です。遠方の海域で発生した波は、無風の海域まで伝播する可能性があります。波が広大な海を移動するとき、そのエネルギーはある程度保持されます。例えば、太平洋のいくつかの島々の周辺では、局所的に風がなくても、遠くの嵐の中心から広がった波が到達し、島々の周囲の海面に波を起こすことがあります。さらに、伝播の過程で波は屈折、反射などの現象を起こし、それによって波の形や大きさも変化するため、風がなくても波が発生します。

潮汐、地震、津波などの天文学的および地理的要因を考慮してください。潮汐は、地球、月、太陽の重力相互作用によって引き起こされる海水の周期的な上昇と下降です。満潮と干潮の際には、海水の大規模な水平方向の動きが起こり、波が発生します。風の影響を受けなくても、潮の満ち引き​​によって海水が海岸に向かって押し寄せたり、海岸から海へ後退したりして、波が形成されます。例えば、銭塘江の満潮時には、巨大な潮水が狭い河道に流れ込みます。川の水路が狭くなると、潮汐のエネルギーが集中し、非常に高い波が形成されます（図4）。このタイプの波の形成は、主に風ではなく潮汐力によって起こります。さらに、海底地震は津波の主な原因の一つです。海底で地震が発生すると、地殻変動により瞬間的に巨大なエネルギーが放出され、海底の水に激しい乱れが生じます。この擾乱は津波の形で外側に伝播します。津波は深海では非常に速く移動し、波長は非常に長いですが、波の高さは比較的小さいです。津波が海岸に近づくと、海水深が浅くなるため波高が急激に増加し、巨大な波を形成します。これらの波の発生は風とは何の関係もなく、完全に海底地震による地殻変動によって引き起こされます。例えば、2011年に日本で発生した福島地震による津波は、高さ数十メートルにも達し、沿岸地域で甚大な災害を引き起こしました。

図4 銭塘江の潮汐

さらに、大気の温度や気圧の変化、船舶などの大きな物体の動きによっても波が発生することがあります。

2. 人体の「乱流波」

循環器系が体全体に血液を運ぶことができるのは、心臓という「動力ポンプ」があるからです。血管の複雑なネットワークは「川」のようなものです。循環器系にも「乱流」現象があり、それが脈波です。

1. 動脈に「風がなければ波もない」

「風がなければ波もない」というのは海辺ではよくある光景です。海風が海を吹き抜け、まるで見えない大きな手が水をこすって波を起こしているようでした。人体では、心臓が海風のように血液を送り出す働きをしています。疲れを知らない「パワーポンプ」である心臓は、収縮期に強く収縮し、動脈系に急速に血液を送り出します (図 5)。この力は、海風が海水に与える最初の力に似ており、血液が動脈内で「旅」を開始し、最初の脈波を生成します。研究によると、心臓が収縮するたびに送り出される血液の量はおよそ60～80mlです。この力は、ちょうど海風によって海面に生じる波紋のように、大動脈壁を拡張させるのに十分であり、脈波の伝播の第一歩が始まります。

図5 心臓は血管系に血液を送り出す

風が強くなるにつれて、波はさらに激しくなります。同様に、心臓の収縮力の変化も脈波の強さに影響を及ぼす可能性があります。運動すると、心臓はより激しく働く必要があり、収縮力が増し、血圧が上昇し、それに応じて脈波の強度も増加します。ちょうど風が吹くときのように、海の波も高くうねります。科学者たちは、さまざまな運動強度の運動選手の脈拍をモニタリングすることで、激しい運動中は安静時に比べて脈波の振幅が 50% ～ 100% 増加することを発見しました。これは「驚異的」と言えます。これは、風が波の大きさを決定する要因の 1 つであるのと同様に、心臓が脈波の「動力源」として重要な役割を果たしていることを完全に示しています。

2. 動脈内の「風のない3フィートの波」

「風がないのに波が3フィートも立つ」というのも、海でよく起こる不思議な現象です。風がなくても海は荒れることがあります。中でも海底地形と海流は「縁の下の力持ち」です。海底の山、海溝、そして冷たい海流と暖かい海流の合流はすべて海水の変動を引き起こす可能性があります。私たちの動脈系では、心臓から離れた血管の壁が、海底の地形と同じように重要な役割を果たしています。血管壁は弾力性があり、脈波が動脈に沿って伝播すると、血管壁は非常に弾力性のある「トランポリン」のように機能します。脈波の圧力により、血管壁は弾性変形を起こし、エネルギーを蓄えます。研究によると、動脈壁の弾性率は 1 ～ 10 MPa であり、この弾性により壁はエネルギーを効果的に蓄積および放出できることがわかります。脈波の圧力ピークが過ぎると、心臓ポンプの「海風」の直接駆動がなくなり、血管壁が弾性収縮して蓄積されたエネルギーを放出し、血液を押し出して前方に流れ続け、脈波の伝播を維持します。これは、海底の地形によって海水がエネルギーを蓄積し、風がなくても波が発生するのと同じくらい魔法のようです。

さらに、血管の分岐、曲がり、直径の変化は、海の中の岩礁、島、海峡のようなものです。脈波がこれらの「障害物」に遭遇すると、反射と干渉が発生します。血管壁の弾力性はこれらのプロセスにおいて特に重要な役割を果たします。反射波と元の脈波を重ね合わせ、脈波の形状と強度を調整します。海の波が伝播する過程でサンゴ礁からの反射に遭遇するときと同じように、元の波と干渉し、複雑で変化に富んだ波形を形成します。医学研究者は、血管造影法と血行動態シミュレーション技術を使用して、血管の分岐における脈波の反射係数が0.3〜0.6に達する可能性があることを発見しました。これは、反射現象が脈波に与える影響を過小評価できないことを示しています。興味のある学生は、私の個人 WeChat 公開アカウント「医療バイオメカニクス」の記事を参照してください。なぜ脈波波形はねじれや曲がりがあるのでしょうか?

この大航海「海の旅」の途中で、私たちはいくつかの興味深い「海洋生物」現象も発見しました。たとえば、深海魚の中には、深海の巨大な水圧に適応するのに役立つ特殊な構造を持つものがあります。私たちの動脈系では、内皮細胞はこれらの「海洋生物」のようなものです。分泌される物質の中には、血管の緊張や弾力性を調節し、脈波の伝播に影響を与えるものがあります。研究により、血管内皮細胞から分泌される一酸化窒素は、血管平滑筋を弛緩させ、血管の直径を広げ、脈波伝播に対する抵抗を減らすことができることがわかっています。これは、一部の海洋生物の特殊な構造が複雑な海洋環境での生存に役立っているのと同じです。

海の潮汐について考えてみましょう。潮汐は、地球、月、太陽の重力の相互作用によって引き起こされる海水の周期的な上昇と下降です。これは私たちの体内の血圧調節とある程度類似しています。人体の血圧も、潮の満ち引き​​と同じように概日リズムで変化します。夜眠っているときは血圧が比較的低くなりますが、日中に活動しているときは血圧が上昇します。この血圧のリズミカルな変化は脈波にも影響を与えます。研究によると、脈波の周波数は夜間の睡眠中にわずかに低下し、日中は比較的高くなり、血圧の概日リズムの変化と一致しています。

また、海底の地震が津波を引き起こすと、海底地殻の変動により瞬間的に巨大なエネルギーが放出され、海底の水が激しくかき乱されて津波が形成されます。私たちの体において、動脈硬化などの血管壁の病気が起きて、血管壁が硬くなったり、動脈瘤が破裂したりすると、まるで海底で「地質災害」が起きているような状態になります。このとき、脈波の伝播は重大な影響を受けます。本来滑らかな血管壁が凹凸になり、脈波が伝播する過程で反射や散乱が多くなり、血圧が異常に高くなり、心血管疾患のリスクが高まります。統計によると、動脈硬化症患者の心血管イベントのリスクは健常者より3～5倍高く、その中で異常な脈波伝播が重要な要因となっています。

3. まとめ

マクロな人体循環系からミクロな血管壁細胞まで、心臓の強力な拍動から血管壁の弾性反動まで、動脈系における脈波の伝播は、海における波の形成と伝播に似ており、素晴らしい物理原理と複雑な生理学的メカニズムに満ちています。私たちの体は、生命の正常な機能を維持するためにさまざまな部分が協力して機能する、美しい「海の世界」のようなものです。

これらの謎を理解することで、私たち自身の生理機能に対する理解が深まるだけでなく、医学研究や心血管疾患の予防と治療のための重要な基盤も得られます。この動脈的な「海の旅」の後、誰もが自分自身の体、この魔法のような「海の世界」を大切にし、生命の「脈動」がいつまでも健康で力強く鼓動するように願っています。