【生物】受容器と感覚を図解で総まとめ—眼の構造と視覚・耳の構造と聴覚 平衡覚・適刺激｜武蔵野個別指導塾

眼のピント調節、錐体と桿体、耳の音の受容と平衡覚を3枚の図で整理します。暗順応のグラフや二点識別の問題を通して、構造と刺激の関係を自分の言葉で説明できるように学びましょう。

よくあるのは、理科室の実験台の脇で眼の模型を見ながら、「水晶体が厚くなるのは近くを見るとき」と答えたあと、毛様体の筋肉とチン小帯の動きを聞かれると手が止まるという場面です。部品の名前を覚えていても、それぞれが何を変えるのかがつながっていないと、筋肉が収縮したら水晶体も薄くなるように感じてしまいます。耳でも、鼓膜が振動することと音の情報が神経に伝わることを同じ段階だと考えると、音を受容する場所を取り違えやすくなります。

この単元では、外から届く刺激を受け取るしくみを、構造と変化の順序から考えます。光が通る場所と光を受け取る細胞、音を運ぶ部分と振動を受け取る細胞を分けると、図の矢印に意味が生まれます。さらに、明るさに慣れること、体の傾きや回転を感じること、皮膚で触れた位置を区別することも、受容器の性質として説明できるようになります。

この単元で身につけること

• 受容器と適刺激の関係を説明します。受容器は刺激を受け取るしくみで、適刺激はその受容器が特に鋭敏に反応する種類の刺激です。
• 眼の構造を光の通り道に沿ってたどります。虹彩による光量の調節と、水晶体によるピントの調節を別々に整理します。
• 錐体と桿体の特徴を比較します。色、明るさ、分布の違いから、中心窩・盲斑・明順応・暗順応の問題を解きます。
• 耳の構造を音の伝わる順序で説明します。空気の振動から耳小骨、内耳の液体、有毛細胞へと、伝わり方が変わる点を押さえます。
• 前庭と半規管、皮膚の感覚を対応させます。刺激の種類と、問題で実際に変化した条件を手がかりに判断します。

前の単元で学ぶ神経の興奮は、情報を伝えるしくみでした。ここでは、その情報が生まれる入口を学びます。感覚器官の形を丸ごと覚えるより、刺激の到達、受容、神経による伝達、脳での感覚の成立という順でたどると、初めて見る図にも対応できます。

基本の考え方

受容器は刺激を選んで受け取ります

受容器とは、体の内外の刺激を受け取り、神経系で扱える信号へ変える細胞や構造です。眼や耳のように受容に必要な構造がまとまった器官を感覚器官といいます。眼全体と、眼の中にある光を受け取る細胞とは、同じ大きさのまとまりを指す言葉ではありません。「光を受ける器官」と問われたら眼、「光を受ける細胞」と問われたら視細胞というように、問いの範囲を確認します。

受容器には、それぞれ特に受け取りやすい刺激があります。これが適刺激です。眼の視細胞では光、耳の有毛細胞では毛が曲がるような機械的な刺激、嗅覚や味覚の受容器では化学物質による刺激が対応します。「適刺激」は、弱い刺激でも受け取りやすい種類を指す言葉です。ほかの種類の刺激には絶対に反応しない、という意味ではありません。

刺激を受けた場所で、意識される感覚がすべて完成するわけでもありません。受容器で生じた変化が感覚神経を通って中枢へ伝わり、脳で処理されて、光が見える、音が聞こえるといった感覚になります。同じ神経の信号という形で運ばれても、どの受容器からどの経路へ伝わったかによって、受け取られる情報の種類は異なります。受容器、感覚神経、脳をひとつの流れにして考えてください。

眼では光量、ピント、受容を分けます

眼の表面で光が入る透明な部分が角膜です。その奥には、中央に瞳孔という穴をもつ虹彩があります。虹彩は瞳孔の大きさを変えて眼に入る光の量を調節します。瞳孔は透明な物体の名前ではなく、光の通り道となる開口部です。明るいときには小さく、暗いときには大きくなることで、入射する光量が変わります。

水晶体は透明で弾力のあるレンズ状の構造です。角膜と水晶体などで光が屈折し、眼の奥の網膜に像を結びます。網膜は光を受容する視細胞を含む層で、眼球内を満たす透明な硝子体のさらに奥にあります。図1では、眼の前方を左、後方を右にして、主な位置関係を示しています。光の入口、ピント調節に関わる部分、受容する層の順に指で追ってみましょう。

図1の水晶体を、像ができる場所と読み違えないことが大切です。像ができる場所は網膜で、水晶体はそこに像が合うように光の進み方を変えます。網膜にできる像は、物体に対して上下左右が逆です。ただし、私たちは網膜上の像を直接のぞいているわけではありません。網膜から送られた情報を脳が処理することで、周囲の位置関係を認識します。

近くを見るとき、水晶体は厚くなり、光を屈折させるはたらきが強まります。遠くを見るときは水晶体が薄くなります。この厚さを調節するのが、毛様体の筋肉と、水晶体を周囲から支えるチン小帯です。近くを見るときには毛様体の筋肉が収縮してチン小帯が緩み、水晶体が自身の弾性によって厚くなります。遠くを見るときには毛様体の筋肉が弛緩してチン小帯が張り、水晶体が引かれて薄くなります。筋肉の収縮と水晶体の厚さの間に、チン小帯の張り具合を必ず挟んで考えます。

網膜の外側には脈絡膜があり、血管が多く、色素によって眼球内の余分な光の反射を抑えます。さらに外側の強膜は眼球を保護し、形を保つ丈夫な膜です。図1では構造を見やすくするため、すべての膜や血管を描いていません。断面図を読むときも、外側の保護、中間の栄養供給や遮光、内側の受容という役割の違いをもっておくと、名前だけの暗記から抜け出せます。

錐体と桿体は得意な明るさが違います

視細胞には錐体と桿体があります。錐体は明るいところでよくはたらき、色の識別に関わります。ヒトには、感じやすい光の波長が異なる3種類の錐体があり、それらの反応の組み合わせから色の情報が得られます。3種類というのは、見える色が3色しかないという意味ではありません。細部を見分けるはたらきにも錐体が重要です。

桿体は錐体より弱い光に反応し、暗いところでの視覚を支えますが、色の識別には直接関わりません。薄暗い場所で物の輪郭は見えても色がはっきりしないのは、桿体が中心となってはたらくためです。桿体に含まれる視物質のロドプシンは光によって変化し、暗いところでは再生が進みます。この変化が、暗さに応じた感度の調節に関わります。

網膜の中央付近には黄斑があり、その中心のくぼみが中心窩です。中心窩には錐体が密集し、細部の識別に適しています。一方、視神経が眼球から出ていく部分には視細胞がなく、この部分を盲斑といいます。「よく見える部分」と「見えない部分」は名前の響きではなく、視細胞の有無と分布から区別します。ふだん盲斑に対応する欠けを強く意識しないことも、左右の眼からの情報や周囲の情報が脳で処理されることと関係します。

明るい場所から暗い場所へ移ると、初めは周囲が見えにくくても、しばらくすると見えるようになります。暗い環境で光に対する感度が高まるこの変化を暗順応といいます。逆に、暗い場所から明るい場所へ移ったあと、まぶしさが落ち着いて見えるようになる変化を明順応といいます。瞳孔の変化も光量調節に役立ちますが、順応を瞳孔だけで説明することはできません。視物質の状態など、網膜側の感度の変化も関わります。

例題で解き方を確かめる

例題1　近くを見るときの調節をつなぎます

遠くの景色から手元の文字へ視線を移し、文字にピントを合わせました。毛様体の筋肉、チン小帯、水晶体の状態を順に答えなさい。また、瞳孔の大きさを変える部分を答えなさい。

1. 最初に「手元の文字を見る」という条件を拾います。明るさの変化を問う問題ではなく、近くの物体にピントを合わせる問題だからです。近くを見るときは、水晶体を厚くする必要があります。
2. 水晶体に働く引っ張りを考えます。水晶体が自身の弾性で厚くなるには、周囲から引く力が弱まる必要があるので、チン小帯は緩みます。「近く」と「厚い」の2語だけでなく、厚くなれる理由まで書きます。
3. 毛様体の筋肉の状態を決めます。近くを見るときには筋肉が収縮し、チン小帯が緩みます。水晶体そのものが筋肉として収縮するわけではないため、主語を取り違えないようにします。
4. 光量の調節を別に答えます。瞳孔の大きさを変えるのは虹彩であり、水晶体の厚さの調節とは役割が異なります。問題文に明暗の変化がないので、瞳孔が拡大したか縮小したかまでは決めません。

答え：毛様体の筋肉は収縮し、チン小帯は緩み、水晶体は厚くなります。瞳孔の大きさを変える部分は虹彩です。

例題2　視細胞の分布から場所を判定します

網膜の3か所を調べたところ、Aは錐体が密集し桿体がなく、Bは視細胞がなく視神経が出ていき、Cは桿体が多く分布していました。AとBの名称を答え、弱い光の検出に関わる細胞をCの記述から答えなさい。

1. Aの条件のうち「錐体が密集」に注目します。色や細部の識別に適した場所を問われていると考えられるので、中心窩に対応させます。黄斑全体と中心窩を同じ範囲として扱わず、条件が最もよく合う名称を選びます。
2. Bは「視細胞がない」と「視神経が出る」の2条件を組み合わせます。光を受容できない場所なので盲斑です。視神経が多く集まるから光によく反応する、と判断しないようにします。
3. Cでは、場所の名称を追加で推測する前に、問われた細胞名を答えます。弱い光に反応しやすいのは桿体です。問題文にない正確な位置や細胞数まで書き足す必要はありません。

答え：Aは中心窩、Bは盲斑、Cの記述に対応する細胞は桿体です。

例題3　音が伝わる道筋と受容する場所を分けます

音が外から届いて聴覚の情報として脳へ伝わるまでを、鼓膜、耳小骨、うずまき管、有毛細胞、聴神経の語を使って説明しなさい。また、頭の回転の変化を主に受容する部分を答えなさい。

音を受け取る耳は、外耳、中耳、内耳に分けられます。耳介は音を集め、外耳道を通った音が鼓膜を振動させます。中耳の耳小骨は、つち骨、きぬた骨、あぶみ骨という3つの骨からなり、鼓膜の振動を内耳側へ伝えます。中耳の耳管は咽頭につながり、鼓膜の内外の圧力の差を小さくすることに役立ちます。耳管は、音が脳へ伝わる経路の続きではありません。

図2では、上段を聴覚の経路、下段を平衡覚の担当として分けています。内耳には音を受け取るうずまき管と、平衡覚に関わる前庭・半規管があります。同じ内耳にあることと、同じ種類の刺激を担当することは別です。

1. まず振動として伝わる区間を並べます。鼓膜から耳小骨へ振動が伝わり、あぶみ骨の振動が前庭窓を介して内耳の液体へ伝わります。外耳道の空気が、そのまま聴神経に流れ込むわけではないため、媒質が変わる点を押さえます。
2. 次に、うずまき管の内部で起こることを加えます。液体の振動によって基底膜が振動し、その上のコルチ器にある有毛細胞の毛が曲がります。有毛細胞は、機械的な変化を神経へ伝わる信号に変える受容細胞です。
3. 神経による伝達を最後に置きます。有毛細胞の変化が聴神経に伝わり、情報が脳へ運ばれることで聴覚が生じます。図2の有毛細胞から先は、音波そのものが通る道として読まないようにします。
4. 回転は聴覚の経路と分けて判断します。頭の回転の変化では半規管の内部の液体の動きによって有毛細胞の毛が曲げられます。前庭は頭の傾きや直線的な加速度を受け取るため、刺激の条件で選び分けます。

答え：鼓膜→耳小骨→うずまき管内の液体・基底膜→有毛細胞→聴神経→脳の順に伝わります。頭の回転の変化は半規管が主に受容します。

音の高低は振動数、音の強弱は振幅と関係します。うずまき管では、基底膜の位置によってよく反応する振動数が異なり、入口に近い部分は高い音、奥の頂部に近い部分は低い音に対応します。音が強くなったときに、1つ1つの活動電位の大きさがそのまま大きくなるわけではありません。神経の全か無かの法則と、刺激の強さの区別をここでも保ちます。

例題4　二点識別の資料を読みます

皮膚上の2点への刺激を2点と感じられる最小の間隔を、ここでは二点識別のしきい値とします。同じ条件で調べた資料で、部位Pでは2 mm、部位Qでは20 mmでした。どちらが細かな位置の違いを識別できるか答え、Qのしきい値がPの何倍か求めなさい。数値はこの問題で与えた値であり、人のどの部位でも一定になる値ではありません。

1. 「最小の間隔」の意味を確かめます。間隔が小さくても2点と感じられるほど、近い2点を分けて受け取れるので、識別は細かいと判断できます。数値が大きいほど優れている、とは限りません。
2. 2 mmと20 mmを比較します。より小さいPのほうが細かな位置の違いを識別できます。触覚の受容器の分布や、1本の感覚神経が情報を受け持つ皮膚の範囲などが、この違いに関わります。
3. Qを基準となるPで割ります。20 mm ÷ 2 mm = 10となり、同じ単位同士の比なので、答えにmmは付きません。ただし、しきい値の比だけから受容器の個数の比を決めることはできません。

答え：細かな位置の違いを識別できるのはPで、Qのしきい値はPの10倍です。

つまずきやすいところと直し方

誤り1　暗順応を瞳孔だけで説明します

誤った書き方は「暗い場所で瞳孔が開くことだけを暗順応という」です。瞳孔が大きくなれば眼に入る光は増えますが、網膜の光に対する感度が変わる過程を説明していません。正しい書き方は「暗い場所では、視物質の再生などに伴って光に対する感度が高まり、弱い光も受容しやすくなる」です。

図3は、暗い場所へ移った後の経過時間と、光を感じるために必要な最小の強さである光のしきい値の関係を示す模式図です。曲線の形は説明用であり、測定値や一定の所要時間を示していません。縦軸が下がるほど、より弱い光を感じられ、感度が高くなっています。

図3のように、錐体は比較的早く感度が高まって、その後の変化が小さくなります。桿体は感度の回復が遅いものの、十分に暗順応すると、錐体より弱い光を感じられるようになります。両者が関わる条件で全体のしきい値を考えると、その時点で低いほうのしきい値が検出の目安です。初めに錐体、その後に桿体のはたらきが目立つため、暗順応の曲線が途中で折れ曲がる理由を説明できます。

ただし、常に同じ折れ曲がり方をするとは限りません。中心窩だけを調べる条件と、桿体の多い領域も含めて調べる条件では、結果の見方が変わります。「時間がたつほど上がる」と丸暗記せず、縦軸が感度なのか、しきい値なのかを最初に確かめることが、グラフ問題の基本です。

誤り2　鼓膜を音の受容細胞と考えます

誤った書き方は「鼓膜が音を神経の信号に変える」です。鼓膜は音によって振動し、その振動を耳小骨へ伝える部分であり、受容細胞ではありません。正しい書き方は「うずまき管の有毛細胞が機械的な刺激を受容し、その変化が聴神経へ伝わる」です。鼓膜が振動する段階と、有毛細胞の毛が曲がる段階を分けて書きます。

平衡覚でも有毛細胞がはたらきますが、うずまき管の有毛細胞と同じ場所にあるわけではありません。前庭には耳石を含む構造があり、重力や直線的な加速度によって有毛細胞の毛が曲げられます。半規管は互いにほぼ直交する3つの方向に配置され、頭の回転の変化を受け取ります。「体を動かした」という表現だけでは判断せず、まっすぐ加速したのか、回転し始めたのかを読み分けます。

誤り3　皮膚感覚をすべて同じ受容器で説明します

誤った書き方は「皮膚は1種類の受容器で、触れたことも温度も痛みも感じる」です。皮膚感覚には触覚、圧覚、温覚、冷覚、痛覚などがあり、刺激の種類に応じた受容のしくみがあります。正しい書き方は「皮膚には異なる刺激に応じる受容器が分布し、感覚の種類や位置の情報が神経を通して伝わる」です。痛みは、組織を傷つけるような強い機械的・温度的・化学的な刺激などによって生じます。

皮膚のどこでも、同じ細かさで触れた場所を区別できるわけではありません。指先のように細かな違いを識別しやすい部位と、そうでない部位があります。例題4の二点識別はこの違いを考えるための資料ですが、痛みへの強さや温度の感じ方まで同じ順序になるとはいえません。ひとつの感覚の結果を、別の感覚へ広げすぎないことが大切です。

練習問題

練習1

次の3つのはたらきに対応する眼の構造を答えなさい。Aは瞳孔の大きさを変えて光量を調節し、Bは厚さが変わってピント調節に関わり、Cは視細胞を含み像ができる場所です。また、手元から遠くへピントを移すとき、チン小帯とBがどう変化するか答えなさい。

練習2

暗い場所へ移った後の、同じ時点での光のしきい値を比較します。説明用の相対値で、錐体が8、桿体が2でした。より弱い光を検出できるのはどちらですか。また、錐体のしきい値は桿体の何倍ですか。両方の視細胞が関わる条件で、検出の目安となる低いほうの値も答えなさい。

練習3

次の条件に最も関わる内耳の部分を、うずまき管、前庭、半規管から選びなさい。Aは音によって基底膜が振動したとき、Bは頭を傾けたとき、Cは頭が回転し始めたときです。さらに、これらに共通して刺激の受容に関わる細胞を答えなさい。

練習4

同じ条件での二点識別のしきい値が、部位Rでは4 mm、部位Sでは12 mmでした。細かな位置の違いを識別しやすい部位と、Sのしきい値がRの何倍かを答えなさい。また、この結果だけで「Rの受容器の個数はSの3倍」と結論してよいか、理由も含めて説明しなさい。

答えと解説

練習1の答え：Aは虹彩、Bは水晶体、Cは網膜です。遠くを見るとき、チン小帯は張り、水晶体は薄くなります。毛様体の筋肉が弛緩してチン小帯が張るため、水晶体が引かれます。瞳孔の大きさは光量の調節なので、遠近の条件だけから決めません。

練習2の答え：桿体、4倍、2です。8 ÷ 2 = 4です。しきい値が小さいほど弱い光を検出できるので、この時点では桿体が検出を支えます。縦軸を感度と取り違えると、値の大小の判断が逆になります。

練習3の答え：Aはうずまき管、Bは前庭、Cは半規管で、共通する受容細胞は有毛細胞です。同じ種類の細胞が関わっていても、周囲の構造によって何が毛を曲げるかが異なります。音、傾き、回転の変化をそれぞれの構造に結び付けます。

練習4の答え：R、3倍、個数が3倍とは結論できません。12 mm ÷ 4 mm = 3ですが、この3はしきい値の比です。位置の識別には受容器の分布だけでなく、感覚神経が受け持つ範囲や中枢での処理も関わるため、しきい値の比を個数の比へ置き換えられません。

次の単元へのつながりと家庭での確かめ方

受容器で受け取った情報は、中枢神経で処理され、筋肉などの効果器へ伝えられます。効果器とは、神経などからの情報を受けて反応を起こす部分です。次に筋収縮を学ぶときには、刺激を受ける入口から体を動かす出口までがつながります。音の方向へ顔を向ける場合も、耳が受け取る段階と筋肉が動く段階を分けて考えると、動物の行動を説明しやすくなります。

家庭で5分ほど使うなら、1つ目は眼の光の通り道を紙に描き、虹彩、水晶体、網膜の役割を1行ずつ添える方法です。近くを見るときの毛様体、チン小帯、水晶体の変化も横に書き、3つをつないで声に出します。2つ目は図2を隠し、鼓膜から脳までの経路と、前庭・半規管の担当を別々に書き出す方法です。音や光を実際に強くして確かめる必要はなく、図と説明の対応を確かめれば十分です。

個別指導では、構造名が出ないのか、変化の向きが逆なのか、刺激の種類を読み取れていないのかまで戻って確かめます。保護者の方がお子さまの説明を聞く場合も、名称を続けて尋ねるより、「そこで何が変わるのか」と1か所だけ尋ねると、つながっていない部分を見つけやすくなります。

まとめ

眼や耳の図は、名称を埋めるだけの図ではありません。光を曲げる部分、振動を運ぶ部分、刺激を受容する細胞、神経へ伝える部分を見分けることで、構造の配置が因果関係として読めます。順応や二点識別の資料も、しきい値が何を表すかに戻れば、数字の大小に意味を与えられます。

「水晶体が厚くなる」と答えた先で、チン小帯が緩む理由までたどれたとき、暗記していた眼の図が、見えるしくみの説明に変わります。