高校受験の理科 細胞分裂と成長—染色体と細胞数の変化を分けて成長の順序を読む｜武蔵野個別指導塾

根の先端付近の細胞を比べ、分裂後の細胞数と各細胞の染色体数を計算して、細胞が増えることと大きくなることを結び付けます。

よくあるのは、中学生が根の伸びを見て、細胞が分裂して数が増えることだけで体が大きくなると考える場面です。根の先端付近では細胞が盛んに分裂しますが、その後に細胞が大きくなることも根の成長に関わります。数と大きさを別々に追うと、観察図の違いを説明しやすくなります。

ここで扱うのは体細胞分裂と、それに伴う細胞数や染色体、成長の関係です。生殖細胞ができるときの分裂や、親から子への形質の組合せは扱いません。まず1個の細胞の中で起こることを追い、次に複数の細胞の数を計算します。

根の観察で問われること

出方の1つは、分裂中の細胞の図を並べ替える問題です。染色体が見え始めるところから、中央に並び、両側へ分かれ、2つの核ができるところまでを追います。見た目の似た図でも、染色体が中央に集まっているか、両側に分かれているかを確かめます。

もう1つは、分裂前後の染色体の数や細胞の数を問う問題です。染色体が複製されることと、できたそれぞれの細胞に同じ種類と数が受け渡されることを区別します。細胞の数は条件どおりに分裂が繰り返された場合に計算し、染色体数も同じ倍率で増えると考えないようにします。

さらに、根の異なる位置にある細胞の形から成長を考える問題があります。根の先端に近い部分で細胞数が増え、その後、細胞が大きくなるという順序に注目します。標本の1枚の図は異なる細胞を同時に見たものなので、1個の細胞を時間を追って直接撮影した記録とは区別します。

1個の細胞から2個になるまで

体細胞分裂は、1個の細胞から2個の細胞ができる分裂です。分裂に先立ち、核の中の染色体は複製されます。分裂が進むと染色体が見えやすくなり、細胞の中央に並んだ後、それぞれが両側に分かれます。両側に新しい核ができ、細胞質も分かれて2個の細胞になります。

図1のように、複製された染色体は両側に分配されます。図は位置関係を単純に示した模式図で、実際の細胞や染色体の大きさを表すものではありません。分裂の前に複製があるため、分裂後のそれぞれの細胞は、もとの細胞と同じ種類、同じ数の染色体を受け取ります。

図1の左から右へ、複製、中央への整列、両側への分配を読みます。染色体は分裂の時期によって見え方が変わるため、見えにくい時期に染色体が消えたと考えてはいけません。また、複製されたものが分かれる途中の数え方は図の表し方に注意し、問題が指定した時点で答えます。

植物の根では、分裂でできた細胞が大きくなることによっても根が伸びます。細胞数が増えることと、個々の細胞の大きさが増すことは異なる変化です。細胞が分裂すると常にすぐ大きくなる、あるいは根のあらゆる場所で同じ頻度で分裂すると決めることはできません。

観察では根の先端付近をうすく押し広げて細胞を見ます。染色体を見やすくする染色液を使うときや、根を処理するときは、薬品や器具の扱いについて授業の指示に従います。細胞の重なりが多い部分は境界が読み取りにくいので、数や形を比べる際は見分けられる部分を選びます。

観察図を順序に直す手掛かり

根の先端の標本では、隣り合った細胞が同じ段階にあるとは限りません。染色体がまとまって見える細胞、中央に集まる細胞、両側に分かれる細胞を探し、それぞれの特徴を比べます。分裂前の準備から分裂が終わるまでを1個の細胞の変化として考えると、異なる細胞の像を順序に並べられます。ただし、標本の図だけからそれぞれの段階にかかる時間を正確に決めることはできません。

中央に並んだ像と両側に分かれた像が紛らわしいときは、濃く見えるものが細胞の真ん中に集まっているか、離れた2組になっているかを見ます。2組が見えたら、その後にそれぞれの側に核ができると考えます。植物細胞では中央付近に仕切りができ、2個に分かれます。仕切りが見える図を、染色体が中央に並ぶ前に置かないようにします。

観察図の細胞の大きさを比べる場合は、同じ倍率で描かれた図かどうかも条件になります。倍率が違う図では、紙の上で大きく描かれていても実際の細胞が大きいとは限りません。同じ倍率という条件がなければ、図の大きさだけから成長の程度を決めず、倍率や実際の大きさの情報を求めます。

数を数える場所を決める

染色体の問題では「1個の細胞に何本か」と「いくつの細胞に分かれたか」を区別します。さらに、全細胞に含まれる染色体の合計が問われたときは、各細胞の本数と細胞数の両方が必要です。各細胞の数が同じとわかっている場合は、1個あたりの本数に細胞数を掛けて合計します。

問題に分裂の回数だけが書かれ、毎回どの細胞が分裂したかが示されていない場合、最後の細胞数を1通りに決められないことがあります。たとえば一部だけが次の回に分裂するなら、全細胞が分裂する場合と結果が変わります。条件が足りないときに勝手に全細胞を倍にせず、どの細胞が分裂するかを確認することが必要です。

基本例題：分裂の回数と染色体

問題：ある生物の体細胞1個には、分裂前に染色体が6本あります。この1個から始め、できた細胞が毎回すべて体細胞分裂するものとします。2回の分裂が終わった直後の細胞数と、それぞれの細胞の染色体数を、整数と単位を付けて答えてください。途中で細胞が失われることはありません。数値はこの問題の条件です。

図2のように、まず枝分かれをたどって細胞を数えます。1回を終えた細胞が次の回にそれぞれ分裂するという条件に線を引いておきます。

最初の細胞は1個です。1回目には1個から2個になるので、1 × 2 = 2個です。2回目にはその2個がそれぞれ2個になるため、2 × 2 = 4個です。したがって答えの細胞数は4個です。

染色体は分裂前に複製され、両側へ分配されます。そのため、分裂後の1個あたりの染色体数はもとの6本と同じです。2回目も同じ仕組みなので、答えはそれぞれ6本です。4個をまとめた本数を聞かれているのではないため、ここで4を掛けた数を答えにはしません。

場面に戻して確かめます。2回目の直前には2個あり、その各1個から2個ずつ生じるので、合計は2 + 2 = 4個です。各細胞に6本ずつあれば、分裂前の各細胞の6本と対応します。4個全体では6 × 4 = 24本ですが、これは問題が求める「それぞれ」の数とは異なります。

数を倍にする計算が使えるのは、毎回すべての細胞が分裂し、失われないという条件があるからです。ある細胞が分裂しなかったり、途中で失われたりする場合には、この計算をそのまま使えません。どの細胞が何回分裂したかを、枝を描いて数え直します。

分裂しない細胞が混じるとき

問題：染色体を1個あたり8本もつ同じ生物の体細胞が3個あります。最初の回には3個とも1回ずつ分裂しました。次の回には、できた細胞のうち2個だけが1回ずつ分裂し、残りは分裂しませんでした。細胞は失われません。最後の細胞数と各細胞の染色体数を整数と単位で答えてください。これは計算のための条件です。

最初の回の後は3 × 2 = 6個です。次の回で分裂する2個は、それぞれ2個になるので合わせて2 × 2 = 4個になります。分裂しない細胞は6 − 2 = 4個のままです。したがって最後は4 + 4 = 8個です。

別の見方では、1個が2個になるたびに全体は1個増えます。6個のうち2個が分裂すると、6 + 2 = 8個です。各細胞の染色体は複製されて分配されるため、それぞれ8本です。分裂しなかった4個も、もとの1個あたりの染色体数を保ちます。

答えを条件に戻すと、最後の8個は分裂した2個からの4個と、分裂しなかった4個に分けられ、最初の回の後の6個を過不足なく扱っています。2回目に6個すべてを倍にして12個とするのは、分裂した数の条件を取り違えた場合です。全員が分裂するか、一部だけが分裂するかが計算の分かれ目です。

誤答を図に戻して直す

誤答の例は「細胞が2個になったので、各細胞の染色体数も2倍になる」です。細胞数と1個あたりの染色体数を同じ量として扱ったことが原因です。分裂前に染色体が複製されることは正しいのですが、複製されたものが2つの細胞へ分かれるところまで追えていません。

図3のように、左右に分かれた後の1個ずつを見ると、分裂前と同じ種類と数がそれぞれに入っています。図の線は染色体の対応を簡略化したものです。細胞全体の数と、各細胞の中の数を別の欄に書くと混同を避けられます。

もう1つの誤答は「根の細胞が増えれば、細胞の大きさは関係なく根が伸びる」です。細胞数の増加は成長の一面ですが、できた細胞が大きくなる変化も見落としています。根の先端付近の小さな細胞が並ぶ部分と、そこから離れた大きな細胞が見られる部分を比べ、数の増加と大きさの変化の両方を言葉に直します。

ただし、図に細胞の大きさしか示されていないのに、分裂回数を断定することはできません。どこをいつ観察したか、細胞数や分裂像が示されているかも確かめます。観察できることと、そこから考えられることを分けて書きます。

分裂像を探すときに境界が見えない細胞を無理に数えると、隣の細胞の染色体を合わせてしまうことがあります。まず細胞の輪郭を確かめ、1個ずつの範囲を決めてから内部を読み取ります。

自分で追う4問

次の数値はそれぞれの問題の条件です。細胞は途中で失われず、答えの数は整数と単位で書いてください。記述は1文で答えてください。

1. 染色体が1個あたり10本の体細胞2個があり、両方とも1回分裂しました。分裂後の細胞数と各細胞の染色体数を求めてください。
2. 体細胞1個から始め、できた細胞が毎回すべて分裂します。3回終わった直後の細胞数を求めてください。
3. 体細胞5個のうち3個が1回ずつ分裂し、残りは分裂しませんでした。最後の細胞数を求めてください。
4. 根の先端近くで細胞数が増え、その後に各細胞が大きくなるとします。この根の成長に関わる2つの変化を1文で説明してください。

答えと道筋

1. 細胞数は4個、各細胞の染色体数は10本です。2 × 2 = 4個で、染色体は複製後に分配されます。4個をもとの2個から2個ずつできたものに戻すと、2 + 2 = 4個となり、各細胞の10本ももとの細胞と対応します。
2. 答えは8個です。1回目は1 × 2 = 2個、2回目は2 × 2 = 4個、3回目は4 × 2 = 8個です。最後の8個を2個ずつの組に分けると4組なので、3回目の直前の4個から生じたという条件に戻ります。
3. 答えは8個です。分裂した3個から3 × 2 = 6個ができ、分裂しなかった5 − 3 = 2個が残ります。6 + 2 = 8個です。最後の8個は、分裂した細胞からの6個と残った2個に分かれ、もとの3個と2個に対応します。
4. 答えの例は「根の先端近くで細胞分裂により細胞数が増え、その後に細胞が大きくなることが根の成長に関わります」です。条件にある数の増加と大きさの増加を両方含みます。分裂だけを挙げた答えでは、後半の条件を説明できていません。

手元に残す要点

• 体細胞分裂の前に染色体が複製され、分裂時に分配されます。
• 分裂後の各細胞の染色体は、もとの細胞と同じ種類、同じ数です。
• 細胞数は実際に分裂する細胞を数えて求めます。
• 根の成長には細胞数の増加と細胞の成長が関わります。

どこで考えが止まったか

お子さまが答えを間違えたときは、最初に図1の複製と分配を指でたどれるかを見ます。中央に並ぶ前後を逆にしたなら、位置の変化を言葉で説明してから図を並べ直します。各細胞の染色体数を倍にしたなら、複製の後に両側へ分かれるところをもう一度追います。

個別指導で確かめる際は、図2の枝の1本が何個の細胞を表すか、また図3のどの範囲が「1個あたり」かを本人に説明してもらいます。計算が合っていても、一部しか分裂しない条件を読み落とす場合があります。分裂する細胞と残る細胞を印で分け、最後の数を元の場面に戻して確かめます。根の伸びは、細胞の数と大きさを別々に見ることで説明できます。