長頸鹿的血壓為什麼是人的 2 倍？
― 頭部高達 2 公尺，心臟得連血液的重量一起推上去
血液是液體，所以有重量。血液被送得越高，這份重量就越壓在心臟身上。長頸鹿的腦比心臟高出大約 2 公尺，所以一般認為，長頸鹿的心臟送出血液的壓力大約是人的 2 倍。那麼，如果牠想喝水而把頭低到地面，會發生什麼事呢？
你蹲著綁鞋帶，突然站起來的那一瞬間，眼前一片發白、身體晃了一下。你有過這種經驗嗎？
這就是頭暈（姿勢性低血壓）。頭只是移到比心臟高一點的位置，送到腦部的血液就會暫時不足。以人來說，這個高度差頂多只有 30～40 公分。
那麼，頭比心臟高出 2 公尺的長頸鹿是怎麼辦到的呢？而且長頸鹿每次喝水，都要把頭降到地面，再抬高 2 公尺。就算這樣，牠也不會頭暈跌倒。
原因大致有兩個
要把血液抬高 2 公尺，光是這件事就需要額外的壓力。長頸鹿的心臟壁很厚，據說送出的壓力大約是人的 2 倍。
低頭時防止血液逆流的瓣膜、緊緊勒住腿部的皮膚等等，身上到處都有承受強大壓力的機關。
首先，我們來看看「高度」為什麼會變成壓力。
要把血液抬高，就需要和血液重量相當的力
把裝滿水的水管一端舉高，水只會升到某個高度就上不去了，因為上方水的重量會把下方的水壓回來。血管裡的血液也一樣。從心臟往上送的血液，必須頂開自己上方那一段血液的重量才能前進。
血液重量造成的壓力，大致與高度成正比。每升高 1 公尺，以血壓的單位來算，大約會減少 77 mmHg（毫米汞柱）。人的頭比心臟高約 35 公分，所以減少約 27 mmHg。但長頸鹿的 2 公尺高度，就要減少約 150 mmHg。
腦需要持續有一定壓力的血液送到。因此，長頸鹿的心臟平常就以很強的壓力送出血液。據說牠心臟出口的血壓超過 200 mmHg，是人的大約 2 倍。換成人類，這是需要立刻治療的高度。
請看圖 1。它顯示了抬高或放低長頸鹿的頭時，腦部高度的血壓會怎麼變化。
低頭的時候，腦為什麼沒事？
把圖 1 的滑桿一路移到最左邊，腦部高度的血壓會達到約 340 mmHg。因為用強大壓力送血的心臟，和從上方壓下來的血液重量，這次都朝著腦部的方向作用。人若承受這麼大的壓力，細小的血管可能會受傷。
但真實的長頸鹿喝水時卻安然無事。頸部粗大的靜脈裡，排列著好幾個阻止血液逆流的瓣膜。一般認為，即使低下頭，本該流回心臟的血液也不會逆流到頭部而積聚。此外，據說頭部血管周圍還有緩和壓力劇烈變化的機制。不過，這個機制實際發揮了多少作用，目前仍在研究中。
另一個難關是腿。長頸鹿的腳尖比心臟還要低大約 2 公尺。血液的重量因此再加上去，算起來腳部承受的壓力遠高於心臟出口。換成人的話，水分會從血管滲出，腿就會水腫。長頸鹿腿部的皮膚和底下的筋膜非常堅硬，像一雙緊繃的長筒襪，從外側勒住血管。有報告指出，這種勒緊的作用可以抑制水分滲出。
已知蛇的心臟位置會隨生活方式而不同。爬樹的蛇會花很長時間把身體豎起，讓頭抬得很高，所以心臟偏向頭部，以縮短到腦的高度。相對地，生活在海裡的蛇有水托住身體，血液的重量不太成問題，心臟就在身體中間偏一點的位置。面對血液重量這個同樣的物理問題，生物各有各的解法。
如果長脖子的大型恐龍把頭抬得很高，腦就會比心臟高出好幾公尺。據估計，這時需要的血壓會達到長頸鹿的好幾倍。因此也出現了「牠們其實沒有把頭抬得那麼高」的說法。由於只剩下骨頭，目前還沒有定論。
總結
血液有重量，所以送得越高，需要的壓力就越大。長頸鹿讓心臟壁變厚，以大約是人 2 倍的血壓把血液送到腦部。此外，為了不讓低頭時或腳尖的壓力過高，牠用瓣膜和堅硬的皮膚來承受。我們的頭暈，其實就是同樣的物理現象，在只差幾十公分的情況下稍微露了臉。
個子高，就是得一直把沉重的血液往上抬。
長頸鹿的高血壓不是疾病，而是身體的設計。
腳上的血液如何回到心臟，請見「久站為什麼腳會水腫？」；高處造成的身體變化，則在「高山症的文章」中也有解說。
- 把透明塑膠水管（1～2 公尺）裝滿水，用手指堵住兩端。
- 把一端沉入裝了水的水桶後放開手指，另一端仍然堵著，慢慢把它舉高。
- 比較看看，堵住上端的指尖會依高度不同被吸得多緊。
舉得越高，手指就被吸得越緊，因為上方水的重量在往下拉。長頸鹿的心臟每秒都在把這份 2 公尺高的重量推回去。玩水時，請在戶外或浴室進行，避免弄濕周圍。
想知道更多的人 ― 名詞、算式與課本的關聯從國中理化到大學專業課程，明確標示每段屬於哪個程度
- 國中國中理化學到的範圍
- 高中高中「物理」「生物」學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或課本專欄的內容
- 大學高中不會學到的大學專業課程（比較生理學、生物流體力學）的內容
- 研究連大學也不會當成「定論」來教，研究者目前正在探討的話題
國中名詞：這個現象是有名字的
- 水壓（靜水壓）：液體重量造成的壓力，越深越大。血液裡也會發生同樣的事。
- 血壓：血管內的血液推擠血管壁的力道。通常用「能把水銀推高幾毫米」（mmHg）來表示。
- 姿勢性低血壓（頭暈）：站起來時，頭部高度的血壓暫時下降，導致身體搖晃的狀態。
國中高中用算式確認：長頸鹿心臟需要的血壓
假設我們希望腦部高度還剩下大約 70 mmHg 的血壓（這是以人頭部高度的數值為參考的假設）。心臟出口需要多少壓力？我們用液體壓力的公式來估算。
| 用符號寫 | P心臟 ＝ P腦 ＋ ρ × g × h |
| 用文字寫 | 心臟出口的血壓 ＝ 腦部所需的血壓 ＋ 血液密度 × 重力加速度 × 心臟到腦的高度 |
| 這個公式從哪來 | 液體內部的壓力平衡（靜水壓公式）。高度 h 的一柱血液的重量，會變成往下壓的壓力。 |
| 符號 | 意義與單位 |
| ρ | 血液密度（kg/m³）。比水稍重 |
| g | 重力加速度（m/s²） |
| h | 心臟到腦的高度（m） |
| P | 血壓（mmHg）。1 mmHg 為 133.3 Pa |
| 血液密度 | 約 1050 kg/m³ |
| 重力加速度 | 9.8 m/s² |
| 長頸鹿心臟到腦的高度（成年個體的參考值） | 約 2 m |
| 人的心臟到腦的高度 | 約 0.35 m |
| 腦部高度希望保留的血壓（假設） | 約 70 mmHg |
| 每 1 m 血液柱的壓力（Pa） | 1050 × 9.8 ＝ 10290 |
| 長頸鹿 2 m 的壓力（Pa） | 10290 × 2 ＝ 20580 |
| 換算成 mmHg | 20580 ÷ 133.3 ≒ 154 |
| 長頸鹿心臟需要的血壓 | 154 ＋ 70 ＝ 224 |
| 人 0.35 m 的壓力（Pa） | 10290 × 0.35 ＝ 3601.5 |
| 換算成 mmHg | 3601.5 ÷ 133.3 ≒ 27 |
| 人的心臟需要的血壓 | 27 ＋ 70 ＝ 97 |
| 長頸鹿是人的幾倍 | 224 ÷ 97 ≒ 2.3 |
心臟出口約 224 mmHg，估算結果是人的 2 倍多一點。這和長頸鹿實際測得的數值（200 mmHg 多）大致吻合。反過來，如果把頭降到比心臟低 1.5 m，就會多出 10290 × 1.5 ＝ 15435 Pa，也就是約 116 mmHg。腦部高度算起來大約是 224 ＋ 116 ＝ 340 mmHg，這就是圖 1 最左端的數值。
高中高中＋心臟是幫浦，血管是水管
高中高中物理會學到，液體在深度 h 處的壓力是「ρ × g × h」。這和在泳池底部耳朵會痛是同一個公式。血管裡的血液也是液體，所以這個公式可以直接套用。生物課會學到，心臟的左心室把血液送往全身。長頸鹿的左心室壁特別厚。
高中＋管壁越厚的管子，越能承受高壓。這是因為管壁所受的張力與壓力和半徑成正比（拉普拉斯定律）。據說長頸鹿的心臟相對於體型並沒有特別大。取而代之的是，一般認為牠把心臟壁加厚、內部腔室縮小，來產生高壓。
大學靜水壓與防止水腫的機制
本文的算式是流體靜力學的基本公式（靜水壓公式）。腿部會不會水腫，取決於血管內外的壓力差，與血液中蛋白質把水拉回來的力量之間的平衡（斯塔林定律）。有報告指出，在長頸鹿的腿上，堅硬的皮膚與肌筋膜讓外側壓力維持在高處，使這個平衡不被破壞（哈根斯等人的研究）。至於低頭時腦部血流如何維持，關於「虹吸」（液體越過管子最高點流動的現象）是否成立，目前仍有爭論。
📖 公式的推導與更進一步的內容：流體靜力學（靜水壓） ― 維基百科（日文版） ／ 血壓 ― 維基百科（日文版）
研究目前還不清楚的事
- 低頭時，腦是怎麼被保護的？ 已知頸部靜脈的瓣膜會發揮作用，但腦血管周圍的調節發揮了多少效果，目前仍難以測量。
- 長脖子恐龍的心臟。 如果牠們把頭抬得很高，就需要非常大的壓力。關於頸部的角度和心臟的構造，有好幾種說法。
- 長頸鹿為什麼有高血壓卻不會傷身？ 人如果持續高血壓，心臟和血管會受損。長頸鹿的細胞如何承受，包括基因方面的研究在內，目前仍在探討中。
也就是說，本文的內容也只是「就目前所知範圍內的說明」。尤其是低頭時的機制，說明可能會隨今後的研究而改變。
與課本的關聯（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 本文的哪個部分 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化「水壓」／生物「血液循環」 | 血液重量變成壓力的說明 |
| 高中 | 物理「液體的壓力」／生物「心臟與循環系統」 | 用算式確認、左心室壁 |
| 高中＋ | 物理進階「管壁的張力」 | 加厚管壁以產生高壓的機制 |
| 大學 | 比較生理學・生物流體力學 | 防止腿部水腫的機制、虹吸的爭論 |
| 研究 | 古生物學・比較生理學 | 長脖子恐龍、低頭時的調節 |
| ― | 與生活的連結 | 頭暈、腿部水腫 |
- Hargens AR, Millard RW, Pettersson K, Johansen K (1987) Gravitational haemodynamics and oedema prevention in the giraffe. Nature 329: 59–60.
- Mitchell G, Skinner JD (2009) An allometric analysis of the giraffe cardiovascular system. Comparative Biochemistry and Physiology Part A 154: 523–529.
- Lillywhite HB (1988) Snakes, blood circulation and gravity. Scientific American 259(6): 92–98.
- Seymour RS, Lillywhite HB (2000) Hearts, neck posture and metabolic intensity of sauropod dinosaurs. Proceedings of the Royal Society B 267: 1883–1887.
※本文是寫給一般大眾的科學解說。文中的數值是為了幫助理解機制的參考值與概算。長頸鹿的血壓值會因測量方法與個體而有差異。如果經常頭暈，請諮詢醫療機構。