【生物】生物の実験と観察を図解で総まとめ—顕微鏡・染色・対照実験の設計・データの処理・代表的な実験｜武蔵野個別指導塾

顕微鏡の目盛りの換算、カタラーゼの対照実験、平均とグラフの読み方を例題で確かめ、原形質分離や体細胞分裂の観察結果を根拠のある説明につなげましょう。

よくあるのは、駅のホームのベンチで実験プリントを読み返し、「泡が多かった」「細胞が小さく見えた」とは書けても、考察の欄で手が止まるという場面です。観察したことを並べるだけでは、何が原因で、その結果からどこまで言えるのかがつながりません。顕微鏡の倍率や酵素の性質を覚えていても、測り方や比較の組み立てが曖昧だと、知識を実験結果の説明に使えなくなります。

実験と観察では、対象を見る方法、条件を比べる方法、結果を整理する方法を一続きに考えます。顕微鏡の目盛りを実際の長さに直し、染色が何を見やすくするのかを押さえ、平均の背後にある個々の値まで見ることが目標です。原形質分離、カタラーゼ、体細胞分裂という代表的な題材を通して、観察事実とその解釈を分けて書く練習をしていきましょう。

この単元で身につけること

• 顕微鏡の倍率と実際の大きさを区別します。接眼レンズと対物レンズの倍率を掛けて総合倍率を求め、細胞の長さは目盛りを校正して測ります。校正とは、目盛りと既知の長さの対応を確かめることです。
• 観察の目的に合う標本と染色を考えます。核や染色体を見たいのか、生きた細胞の変化を見たいのかによって、処理の選び方も、結果から言えることも変わります。
• 対照実験を設計します。調べたい条件を変える実験区と、比較の基準となる対照区を置き、それ以外の条件をそろえる理由を説明します。
• 数値を平均とグラフに整理します。軸の名称、単位、反復した測定値をそろえて、増減の傾向とばらつきを区別して読み取ります。
• 代表的な実験の結果を細胞や酵素の性質につなげます。見えた事実を根拠にして説明し、測定していない条件にまで結論を広げない書き方を身につけます。

生物基礎で学んだ細胞の構造や酵素の性質が、ここで観察の根拠になります。用語だけを覚え直すのではなく、「その性質なら何を測れば確かめられるか」と問い直すと、知識と実験が結びつきます。

基本の考え方

顕微鏡は倍率を上げる前に対象をつかみます

光学顕微鏡は、光を利用して小さな対象の像を拡大する装置です。接眼レンズは目でのぞく側、対物レンズは標本に近い側にあります。総合倍率は「接眼レンズの倍率 × 対物レンズの倍率」で求めます。接眼レンズが10倍、対物レンズが40倍なら400倍です。ただし、大きく見えることと、近接する2点を区別できることは同じではありません。2点を見分ける能力を分解能といい、倍率を上げるだけで際限なく細部が見えるわけではありません。

観察は低倍率から始めます。低倍率では視野が広く、目的の組織や細胞を探しやすいためです。標本を載せたら、横から対物レンズとプレパラートの間隔を見ながら、接触しない範囲に調節します。のぞきながら焦点を探す際には、両者の間隔が広がる向きに動かすのが基本です。ステージを動かす機種と鏡筒を動かす機種があるので、操作部の働きは使用する機器の説明に従います。

高倍率に切り替える前には、見たい対象を視野の中央へ移します。高倍率ほど視野が狭くなり、少し外れた対象は見失いやすくなるからです。切り替え後は微動ねじで焦点を調節し、照明やしぼりも調節します。標本に対物レンズをぶつけるような粗い操作は避けます。像が暗いときも、焦点だけを動かし続けるのではなく、光の量や標本の厚さを確かめます。

実際の大きさの測定には、接眼ミクロメーターと対物ミクロメーターを使います。接眼ミクロメーターは接眼部に入れる目盛りで、その1目盛りに相当する実際の長さは、対物レンズの倍率によって変わります。対物ミクロメーターは既知の間隔の目盛りを刻んだ校正用のガラス板で、ステージに載せて使います。名前に「対物」とあっても、対物レンズの中に入れるものではありません。

図1のように2種類の目盛りを重ね、一方の一致点から別の一致点までの間隔を数えます。対物ミクロメーターの1目盛りを10 μmとすると、その4目盛りは40 μmです。この長さに接眼ミクロメーターの10目盛りが対応するなら、接眼1目盛りは40 ÷ 10 = 4.0 μmとなります。ここで数えるのは線の本数ではなく、線と線の間の数です。

図1の上下の目盛りは、実際には視野の中で重ねて比べるものを、対応が見やすいように上下へ離して示しています。倍率を変えたら、その条件で再び校正する必要があります。1 mm = 1000 μmという単位の関係も確認しておきましょう。写真の中の細胞を測る場合は、印刷や画面表示で画像の大きさが変わるため、撮影時の倍率だけに頼らず、実際の長さを示すスケールバーを基準にします。

染色は見たい構造を選び、標本の状態も変えます

染色は、色のつき方の違いを利用して細胞の構造を見分けやすくする操作です。酢酸オルセインや酢酸カーミンは、核や染色体を観察するときに用いられます。メチレンブルーは核などを見やすくする染色に使われ、ヨウ素液はデンプンの存在を調べるときに用いられます。どの染色液でも細胞のすべてが同じように見やすくなる、という理解は正しくありません。

また、染色した標本で見えた構造と、生きた細胞の動きを観察した結果は区別します。固定とは、細胞や組織の構造をできるだけ保つための処理です。固定や染色などを施した標本について、観察中も通常の生命活動を続けていると考えることはできません。原形質分離からの回復を確かめるような、生きた膜の性質を利用する観察では、その目的に適した標本を用意します。

体細胞分裂の観察では、分裂が盛んな根の先端付近の分裂組織を材料にします。根のどの部分にも同じ割合で分裂中の細胞があるわけではありません。材料を固定し、細胞を離れやすくする解離の処理を行い、染色して薄く広げることには、それぞれ目的があります。薄くするのは、細胞どうしの重なりを減らし、染色体の配置を読み取りやすくするためです。

薬品の濃度や処理時間、加熱の有無は、学校で示された手順に従います。保護眼鏡など指示された保護具を使い、薬品の混合や加熱を自己判断で追加しません。カバーガラスを押して標本を広げる操作も、ガラスの破損を避けるため、教員の指示のもとで行います。実験の意味を理解することと、薬品操作を独自に試すことは分けて考えます。

対照実験は原因を絞るための比較です

対照実験は、調べたい条件以外をできるだけそろえ、比較からその条件の影響を調べる実験です。実験者が変える条件を独立変数、結果として測定する量を従属変数と呼びます。例えば、温度がカタラーゼの反応に与える影響を調べるなら、温度が独立変数、一定時間に発生した酸素の体積が従属変数になります。酵素液の量や濃度、過酸化水素水の量や濃度、反応時間などはそろえる条件です。

カタラーゼは、過酸化水素を水と酸素に分解する反応を促進する酵素です。反応は「2H₂O₂ → 2H₂O + O₂」と表せます。酸素の発生を測れば反応の進み方を比べられますが、泡の高さには泡の壊れにくさや容器の形も関わります。泡の多さをそのまま正確な酸素の体積とみなすのではなく、何をどう測った値なのかを確認します。

同じ酵素液を分け、一方は加熱せず、もう一方は加熱後に同じ温度まで戻して反応させれば、事前の加熱処理の影響を比べられます。熱いまま混ぜると、酵素の状態に加えて反応時の温度も違ってしまいます。一方、酵素液を加えない対照では、酵素液の代わりに対応する溶媒を同量加えて、液量の差を避けます。何を確かめる対照なのかによって必要な比較は変わり、対照区は常に何も入れない容器というわけではありません。

生物材料には個体差や組織ごとの差があるため、条件をそろえても測定値は完全には一致しません。別々に反応液を準備して繰り返すと、結果の再現性、つまり同じ条件で同じ傾向が得られるかを確かめられます。同じ測定記録を何度も読み直すことだけでは、材料の違いによるばらつきを確かめたことにはなりません。

例題で解き方を確かめる

例題1　接眼目盛りから細胞の長さを求めます

接眼レンズ10倍、対物レンズ40倍で校正したところ、接眼ミクロメーターの10目盛りと、1目盛り10 μmの対物ミクロメーターの4目盛りが一致しました。同じ光学条件で細胞の長さが接眼18目盛りだったとき、総合倍率と実際の長さを求めましょう。目盛りは線の間隔を数え、与えた値の精度に合わせて長さを2桁で示します。

1. 総合倍率を求めます。接眼と対物の両方で拡大するため、10 × 40 = 400倍です。この値は見える像の倍率であり、目盛りの換算値とは別に扱います。
2. 校正に使った実際の長さを求めます。対物4目盛りに対応する長さは10 × 4 = 40 μmです。長さが既知なのは対物側なので、こちらを出発点にします。
3. 接眼1目盛りの長さを求めます。40 ÷ 10 = 4.0 μmです。細胞は接眼の目盛りで測るため、この換算値を先に用意します。
4. 細胞が占める目盛り数を掛けます。4.0 × 18 = 72 μmとなります。すでに実際の長さに直しているため、さらに400で割る必要はありません。

答え：総合倍率は400倍、細胞の長さは72 μmです。

例題2　加熱処理の影響を比べる条件を選びます

カタラーゼを含む同じ抽出液を2つに分けました。Aは加熱せず、Bは教員の指示に従って加熱処理しました。どちらも20 ℃にそろえた後、同量・同濃度の過酸化水素水と反応させます。酵素液の量、容器、反応時間は同じです。Aでは酸素が明らかに発生し、Bでは測定器で検出できる酸素の発生がありませんでした。調べた条件と、適切な考察を答えましょう。

1. 違う条件を1つ取り出します。反応時の温度は同じなので、独立変数は反応前の加熱処理の有無です。Bの結果を「20 ℃より高温で反応させた結果」と読むと、実験の設計を取り違えます。
2. 測定結果をそのまま書きます。Bでは、今回の条件と測定方法で酸素の発生を検出できませんでした。検出できないことと、分子の反応が完全にゼロであることを、同じ表現にしないためです。
3. 酵素の性質につなげます。カタラーゼはタンパク質であり、加熱によって立体構造が変わる変性が起こると、働きが低下することがあります。この結果は、加熱による変性で酵素の働きが低下したという説明と整合します。ただし、測ったのは酸素の発生であり、立体構造そのものではありません。

答え：調べた条件は事前の加熱処理の有無で、Bの結果は加熱によるカタラーゼの働きの低下を支持します。

加熱しない区があることで、抽出液に反応を促進する働きがあったことを確かめられます。さらに酵素液を入れない区を設けると、酵素液のない場合の酸素発生を比較できます。それぞれの対照が、違う問いに答えている点に注目しましょう。

例題3　平均をグラフにして温度との関係を読みます

同じ調製法のカタラーゼ液を使い、各温度で別々の反応液を3つずつ準備しました。反応開始から1.0 minに発生した酸素を、同じ測定温度・圧力の条件で体積として比較します。温度以外の反応条件をそろえ、次の測定値が得られたとします。これは関係を読むための問題のデータであり、カタラーゼの普遍的な数値ではありません。

各温度の平均体積、30 ℃での単位時間当たりの平均の酸素発生量を求め、最も反応が進んだ温度を答えましょう。さらに、この結果だけで最適温度を30 ℃と断定できるかを考えます。

1. 温度ごとに平均を求めます。平均は「測定値の合計 ÷ 測定回数」です。20 ℃では6.0 ÷ 3 = 2.0 mL、30 ℃では12.0 ÷ 3 = 4.0 mL、40 ℃では9.0 ÷ 3 = 3.0 mLです。異なる温度の値を一緒に平均すると、温度の影響が見えなくなります。
2. 酸素発生量を時間で割ります。30 ℃では4.0 ÷ 1.0 = 4.0 mL/minです。これは測定した1.0 minの間の平均であり、反応開始直後の瞬間の速さを直接示す値ではありません。
3. 横軸を反応温度、縦軸を平均の酸素体積として点を置きます。変えた条件を横軸、測った結果を縦軸にすると、問いと結果の対応が明確になります。図2では各回の値も小さい丸で示し、大きい丸を平均としています。
4. 測定した範囲内で結論を書きます。3条件の中で平均が最大なのは30 ℃です。ただし、25 ℃や35 ℃などは測定していないため、真の最大値が30 ℃で生じるとは確定できません。

図2の横軸は10 ℃ごと、縦軸は1 mLごとの等間隔です。点を線で結ぶとしても、その線上のすべての温度で測定したことにはなりません。この図では未測定の部分の形を決めつけないよう、点だけを示しています。平均だけでなく、小さい丸の広がりも比較すると、測定値がどの程度そろったかを読み取れます。

答え：平均は順に2.0、4.0、3.0 mL、30 ℃では4.0 mL/minで、測定した3条件では30 ℃が最大ですが最適温度の断定はできません。

例題4　体細胞分裂の観察結果を割合に直します

根の分裂組織を固定した標本で、重ならない範囲を決めて細胞を数えました。対象の200個のうち、間期が160個、前期が20個、中期が8個、後期が4個、終期が8個でした。分裂期の細胞の割合を求め、その値から何が言えるかを答えましょう。ここで分裂期は前期から終期までを指します。

1. 分裂期に含まれる細胞を合計します。20 + 8 + 4 + 8 = 40個です。間期には次の分裂の準備も行われますが、今回の区分では分裂期に含めません。
2. 全細胞数で割り、百分率に直します。40 ÷ 200 × 100 = 20％です。分母を160個とすると、全体に占める割合ではなく、間期の細胞数との比になってしまいます。
3. 観察した範囲を明示します。「この標本の、数えた範囲では20％が分裂期だった」と書けます。固定した細胞集団の一場面なので、1個の細胞が分裂期に要した時間を直接測定した結果ではありません。

答え：分裂期の細胞は20％で、これは観察した200個の細胞に占める分裂期の割合です。

各段階の細胞数から所要時間の長短を推測する問題では、細胞が同調せずに分裂を続けていることや、特定の段階だけを選ばずに数えたことなどの前提を確認します。1枚の標本に異なる段階が見えることは、同じ細胞が観察中に順番に変化したことを意味しません。

つまずきやすいところと直し方

誤り1　原形質分離で細胞壁が縮んだと書いてしまいます

誤った書き方は「濃い溶液に入れたので、細胞壁が縮んで細胞が小さくなった」です。どこが違うかというと、細胞壁の輪郭と、その内側の細胞膜に囲まれた部分の輪郭を区別していません。植物細胞を適切な高張液に入れると、細胞から水が出て液胞などの体積が減り、細胞膜が細胞壁から離れる原形質分離が起こります。高張液とは、ここでは細胞内より浸透圧が高い外液を指します。

正しい書き方は「外液に水が移動し、細胞膜で囲まれた部分が収縮して、細胞壁から離れた」です。浸透とは、水を通しやすく溶質を通しにくい膜を隔てた水の移動です。この観察では、細胞膜を通りにくい溶質を含む適切な溶液を使うことが前提になります。「濃い」という言葉だけで、どんな溶質でも必ず同じ結果になるとは考えません。

図3では外側の紺の枠が細胞壁、内側の緑の枠が細胞膜に囲まれた部分です。細胞壁の大きさをそろえ、内側の変化だけを強調しています。細胞が生きていて膜の機能が保たれていれば、水へ戻すと吸水し、原形質分離から回復することがあります。これを原形質復帰といいます。長時間の処理などで傷んだ細胞が必ず回復するとは限りません。

また、細胞壁と細胞膜の間に見える隙間は、単なる空気の袋ではありません。細胞壁を通って外液が入り得る部分です。色のついた細胞液が中央へ集まって見えた場合にも、色の輪郭をそのまま細胞壁とせず、動かない外側の輪郭と比べると読み違いを減らせます。

誤り2　平均が違えば原因が決まったと書いてしまいます

誤った書き方は「Aの平均がBより大きいので、必ず温度が原因である」です。どこが違うかというと、平均の差だけでは、条件のそろえ方や値のばらつきが示されていません。AとBで酵素液の量まで違えば、その影響を温度の影響と分けられません。同じ平均でも、各回の値がよくそろう場合と、大きく散らばる場合があります。

正しい書き方は「温度以外をそろえた今回の測定では、Aの平均がBより大きかった」です。そのうえで各回の値を確かめ、反復しても傾向が保たれるかを見ます。極端な値が出た場合は、望む結論に合わないという理由で消しません。測定器の読み違いなどの根拠があるかを記録し、必要なら同じ条件で測定し直します。

平均を求める前には、単位と測定時間をそろえることも必要です。1.0 minで集めた酸素体積と、異なる時間で集めた体積をそのまま比べると、反応の速さと測定時間の違いが混ざります。時間で割って比較するときも、その間に反応の進み方が大きく変化していないかを考えます。

誤り3　染まらないものは存在しないと書いてしまいます

誤った書き方は「間期の細胞には染色体がない」です。どこが違うかというと、棒状の染色体として見えないことを、遺伝情報をもつ物質そのものがないことと同じにしています。間期にはDNAとタンパク質からなる構造が分裂期ほど凝縮しておらず、個々の染色体を明瞭に見分けにくくなっています。

正しい書き方は「間期にもDNAは存在しますが、分裂期のような凝縮した染色体としては見分けにくい」です。観察では、染色の濃さ、焦点の位置、細胞の重なりでも見え方が変わります。染まらなかった場合には、対象の有無を断定する前に、染色液の目的や標本の状態を確かめます。

分裂の段階を判定するときは、色の濃さだけでなく、染色体の配置を根拠にします。中央付近に並ぶのか、両極へ分かれているのか、2つの核ができつつあるのかを読み取ります。スケッチでも、周囲の細胞を細かく描き込むより、判断に使った構造が伝わるように描くと、観察と考察の対応が明確になります。

練習問題

練習1

ある倍率で、接眼ミクロメーターの25目盛りが、1目盛り10 μmの対物ミクロメーターの10目盛りと一致しました。同じ条件で細胞の長さは接眼15目盛りでした。細胞の長さをμmとmmで答えましょう。長さは2桁の精度で示します。対物レンズを変えた後にも同じ換算値をそのまま使えるか、理由も説明しましょう。

練習2

カタラーゼの加熱処理の影響を調べるため、同じ酵素液からAとBを用意しました。Aは加熱せず20 ℃で反応させ、Bは加熱後に冷まさず、そのまま反応させました。過酸化水素水の量と濃度、酵素液の量、測定時間は同じです。比較の問題点と、直し方を答えましょう。

練習3

同じ条件の別々の反応液から1.0 minに発生した酸素を、同じ測定温度・圧力で測ると、2.4、2.8、3.2 mLでした。平均体積と、単位時間当たりの平均の酸素発生量を求めましょう。さらに、平均体積だけを記録すると失われる情報を1つ挙げましょう。

練習4

根の分裂組織で240個の細胞を数えると、間期が192個、前期が24個、中期が12個、後期が6個、終期が6個でした。分裂期の細胞の割合を求めましょう。また、別の植物細胞を高張液に入れると、細胞壁の輪郭はほぼ変わらず、内側の部分が壁から離れました。この現象の名称と、水が移動した向きを答えましょう。

答えと解説

練習1の答えは60 μm、0.060 mmです。対物10目盛りは100 μmなので、接眼1目盛りは100 ÷ 25 = 4.0 μm、細胞の長さは4.0 × 15 = 60 μmです。μmからmmへ直すときは1000で割ります。対物レンズを変えると、接眼1目盛りが表す実際の長さが変わるため、その条件で校正し直します。

練習2の答えは「事前の加熱処理だけでなく反応時の温度も異なるので、BをAと同じ20 ℃まで戻してから反応させる」です。加熱したものを使ったという事実だけで、温度の条件がそろったことにはなりません。何を変え、何を同じにするかを、反応させる時点まで追って確認します。

練習3の答えは平均2.8 mL、単位時間当たり2.8 mL/minです。合計8.4 mLを測定回数3で割り、さらに1.0 minで割ります。平均だけでは、個々の値が2.4～3.2 mLに広がっていたことなど、ばらつきの情報が失われます。平均と元の測定値を両方残せば、結果を後から確かめられます。

練習4の答えは20％、原形質分離、水は細胞内から外液へ移動した、です。分裂期は24 + 12 + 6 + 6 = 48個なので、48 ÷ 240 × 100 = 20％となります。原形質分離では主に内側の体積が減り、細胞壁の輪郭との間に離れた部分が生じます。この2つの観察でも、数えた対象と見ている輪郭を明確にすることが正答につながります。

次の単元へのつながりと家庭での確かめ方

実験の読み方は、酵素や細胞だけで終わりません。植物の環境応答では光や温度を変えて成長を比べ、生態の調査では場所や季節を区別して個体数を整理します。操作する条件、測る量、そろえる条件を分ける習慣があれば、題材が変わっても、結果から結論へ進む筋道をたどれます。

家庭では、薬品を使わずに各5分ほどでできる確認を2つ試せます。1つ目は、手元の実験プリントから「変えた条件」「測った量」「そろえた条件」をそれぞれ書き抜く方法です。そろえた条件が記載されていなければ、推測で事実として埋めず、確かめたい項目として横に残します。2つ目は、例題3の測定値から平均を計算し、軸の名前と単位を付けて3つの点を描く方法です。その図から言えることを1文、まだ言えないことを1文書きます。

個別指導では、計算で止まる場合は目盛りの間隔や単位の対応まで戻り、考察で止まる場合は実験区と対照区の条件表まで戻って確かめます。文章を整える前に、どの観察事実を根拠にしたのかを言葉にすると、直す場所を具体的に見つけられます。

まとめ

考察の欄を埋めるときは、覚えた用語から書き始めるより、観察した輪郭、数えた細胞、測定した体積を先に置くと説明が定まります。予想と異なる結果でも、条件と測定方法が記録されていれば、次に何を確かめるべきかを考えられます。結果に合う説明を選ぶだけでなく、その説明を確かめる次の比較まで考えることが、生物の実験を理解する道筋です。

細胞壁と細胞膜を描き分け、比べた条件を言葉にできた一行には、観察を根拠に変える力があります。