高校生物基礎 細胞周期とDNA量—分裂前後の変化を一細胞当たりの量で読み取る｜武蔵野個別指導塾

複製後の染色分体を数え、一細胞のDNA量と細胞集団全体の合計を分けて計算する練習に使えます。

よくあるのは、定期テスト前の高校生が、DNA量が増えると染色体数も倍になると答える場面です。複製によってDNAは増えますが、複製直後の染色体は、同じ情報をもつ2本の染色分体がつながった状態です。何を1個と数えるのかを決めてから、複製と分配を追いましょう。細胞全体の量と、一細胞当たりの量を取り違えないことも鍵です。

問われ方を見分ける

まず、細胞周期の各時期の名前や、DNAが複製される時期を選ぶ問題があります。間期を「分裂していないので何も起きない時期」と考えず、次の分裂へ向けてDNAが複製される時期を含むと押さえます。分裂期には核分裂に続いて細胞質分裂が起こり、通常、2個の娘細胞が生じます。

次に、一細胞当たりのDNA量を時間に沿った資料から読む問題があります。増加する部分、増加後に保たれる部分、分裂に伴って減る部分を分け、縦軸の単位と横軸の意味を確認します。集団全体のDNA量ではなく一細胞当たりの量なら、分裂後にそれぞれの細胞に分かれた量を読みます。

さらに、DNA量と染色体数の違いを説明させる問題があります。DNAの複製と、染色分体が分かれて娘細胞へ分配されることを別の出来事として書くと、理由が明確です。ここでは体細胞分裂を扱い、減数分裂や組換えには立ち入りません。

間期から次の間期まで

細胞周期は、細胞が分裂してから次に分裂するまでの一連の過程です。間期にはG1期、S期、G2期があり、DNAの複製はS期に進みます。G1期には複製前の量で、S期に量が増え、複製を終えたG2期には複製前の2倍のDNA量があります。G2期の後に分裂期が続きます。

図1のように、複製前の一細胞当たりのDNA量を基準の1と置くと、複製後は2です。分裂によって複製されたDNAが2個の娘細胞へ等しく分配されると、各娘細胞の量はそれぞれ1に戻ります。図の矢印は時間に沿った過程の順序を表す模式図です。実際のDNA量の単位や細胞周期の長さを示す数値ではありません。

染色体はDNAを含む構造です。複製された1個の染色体は、同じDNAを含む2本の姉妹染色分体がつながった形になります。染色体数を数えるときは、つながった2本を2個と数えず、1個の染色体として扱います。分裂期の途中で姉妹染色分体が分かれると、それぞれが染色体となり、両極へ移動します。この瞬間には、まだ分かれきっていない1個の細胞内で数えれば染色体数は一時的に倍になります。

したがって「染色体数は変わらない」と書く場合にも、何と何を比較するかが必要です。複製前の親細胞と、分裂後の各娘細胞の染色体数は等しくなります。一方、分裂期の途中で分離した直後の細胞全体まで含めて、常に同じ数だとは言えません。DNA量と染色体数は別の量であり、どちらも比較する時点と範囲を明示します。

分裂期には染色体が凝縮して見えやすくなり、細胞の中央付近に並んだ後、姉妹染色分体が分かれて両極へ移動します。その後、核が形成され、細胞質分裂を経て娘細胞ができます。染色体が見えにくい間期にもDNAは存在します。見えやすさの変化を、DNAそのものの有無と混同しないようにします。

基本例題：量の基準を置く

次は自作の資料です。ある生物の体細胞は、G1期の1細胞に染色体を6個もち、そのDNA量を3単位とします。DNAが複製され、通常の体細胞分裂によって2個の娘細胞ができます。G2期の1細胞と、分裂後の各娘細胞について、DNA量を単位付きの整数で、染色体数を個数で答えてください。また、G2期の染色分体の本数を答えてください。

図2のように、まずG1期の量と染色体数を出発点に書きます。左から右への矢印は時間に沿った過程を示します。図は染色体の形を省略した模式図であり、同じ条件でDNA量と染色体数を別々に追うためのものです。

G1期は、DNA量が3単位、染色体数が6個です。S期の複製でDNA量は2倍になるため、G2期のDNA量は3 × 2 = 6単位です。このとき各染色体は2本の姉妹染色分体からなりますが、つながっているので染色体数は6個のままです。染色分体は1個につき2本ですから、6 × 2 = 12本です。

次に分裂を追います。姉妹染色分体が分かれ、それぞれが両側へ分配されます。2個の娘細胞へDNAが等しく分かれるので、各娘細胞のDNA量は6 ÷ 2 = 3単位です。各娘細胞には各組から1本ずつ届き、染色体は6個です。答えはG2期が6単位、6個、染色分体12本、各娘細胞が3単位、6個です。

条件に戻して確かめます。各娘細胞のDNA量3単位を2個分合わせると6単位で、分配前の複製後の量に戻ります。各娘細胞の染色体6個も、出発点のG1期の数と一致します。両娘細胞の染色体数の合計12個を、1個の娘細胞の数として答えないことが重要です。

途中で答えが合わない場合は、計算の前に単位と「1細胞」の範囲へ戻ります。例えば6単位を各娘細胞の量としたなら、2個分では12単位となり、分配前の6単位と一致しません。染色分体12本をG2期の染色体12個とした場合は、つながっている2本を別々に数えていないか見直します。

少し難しい例題：細胞の数と割合

次も自作の資料です。ある組織から取り出した体細胞80個を調べたところ、G1期が30個、S期が20個、G2期が24個、分裂期が6個でした。この資料のG1期の1細胞当たりのDNA量は4単位です。各時期の細胞を足すと80個になるものとし、G2期の細胞の割合を既約分数で答えてください。また、G2期の1細胞当たりのDNA量と、G2期の24細胞に含まれるDNA量の合計を、それぞれ単位付きの整数で答えてください。

まず割合の分母は調べた細胞の全数80個、分子はG2期の24個です。よって24/80を約分して3/10です。分母をG1期とG2期の合計に変えると、問題で指定された「調べた細胞全体に占める割合」ではなくなります。表の4つの数を足して30 + 20 + 24 + 6 = 80個となることも先に確認します。

G2期では複製が終わっているので、1細胞当たりの量は4 × 2 = 8単位です。24細胞の合計を尋ねられた後半では、1細胞当たりの量に細胞数を掛け、8 × 24 = 192単位とします。答えは3/10、8単位、192単位です。192を24で割れば8単位に戻り、8を2で割ればG1期の4単位に戻ります。割合も80個の3/10が24個となり、資料に戻せます。

分かれ目は、1細胞を尋ねているか、複数細胞の合計を尋ねているかです。G2期の細胞が多いことと、各細胞内のDNA量が多いことは別の条件です。またS期の細胞のDNA量は複製途中の位置によって異なるため、この資料だけからS期の20細胞それぞれの量や合計を決めることはできません。細胞数の割合を時間の割合と読み替えることも、この資料の条件だけではできません。

誤答から数える対象を直す

誤答の例は「DNAが2倍になったので、G2期の染色体数も2倍になる」です。原因は、DNAの量と染色体の個数を同じものとして数えていることです。複製直後は2本の姉妹染色分体がつながり、1個の染色体を作っています。複製前の染色体1個を、複製後も1個と数え直します。

図3のように、1本の染色分体からなる染色体が複製されると、つながった2本になります。矢印は複製の順序を示し、図形は模式的に描いています。2本という数は染色分体の数で、染色体の数は複製前も後も1個です。分裂期に2本が分離した後は各々を染色体と呼ぶため、分離前後を区別して数えます。

別の誤りは「分裂後の2細胞を合わせてもDNA量は半分になる」です。これは1細胞当たりの量と2細胞の合計を混ぜた答えです。各娘細胞は複製後の親細胞の半分ずつ受け取りますが、2個分を合わせると分配前と同じ量です。問題が指定する範囲を丸で囲み、1個分か合計かを式の横に書くと修正できます。

グラフでDNA量が増え始めた点を、分裂が始まった点と読む誤りもあります。増加はS期の複製による変化です。分裂に伴って一細胞当たりの量が元に戻る変化とは、増減の向きも出来事も異なります。軸を見ずに形だけ覚えた場合は、まず縦軸が何の量か、横軸が何を表すかを読み上げてから区間を判定します。

練習：条件を言葉と式にする

以下は自作の資料です。通常の体細胞分裂を前提とし、DNAは各娘細胞に等しく分配されるものとします。数値は実測値ではありません。問題を通して読み、答えは後の解答欄で確認してください。

1. ある体細胞のG1期の1細胞当たりのDNA量は5単位です。G2期と分裂後の各娘細胞のDNA量を、単位付きの整数で答えてください。DNA量が増える時期の名称も答えてください。
2. 別の生物のG1期の体細胞は染色体を8個もちます。G2期の染色体数と染色分体数、分裂後の各娘細胞の染色体数を整数で答えてください。G2期の染色体数をそのように数える理由も1文で書いてください。
3. 細胞60個の自作資料では、G1期が18個、S期が15個、G2期が21個、分裂期が6個でした。G2期の細胞が全体に占める割合を既約分数で答えてください。G1期の1細胞当たりのDNA量が7単位のとき、G2期の21細胞のDNA量の合計も単位付きの整数で答えてください。
4. ある細胞で、複製後から細胞質分裂が終わるまでの変化を調べました。「複製後の1細胞のDNA量と、分裂後の各娘細胞のDNA量は等しい」という記述の正誤を答え、分配に触れて1文で直してください。

解答と道筋

1. G2期は10単位、各娘細胞は5単位、増える時期はS期です。5 × 2 = 10単位となり、分裂後は10 ÷ 2 = 5単位です。娘細胞2個分を合わせると5 × 2 = 10単位で、複製後の量に戻ります。S期全体を通じて複製が進むため、増加途中の量をG2期の量と同じと決めることはできません。

2. G2期は染色体8個、染色分体16本、各娘細胞は染色体8個です。理由は「複製後の姉妹染色分体2本はつながり、1個の染色体として数えるから」です。8 × 2 = 16本が分離し、各娘細胞へ8本ずつ届きます。2個分では8 + 8 = 16個となり、分離した染色分体の本数に対応します。

3. 割合は21/60 = 7/20、合計は294単位です。細胞数は18 + 15 + 21 + 6 = 60個で、分母に使う全数と一致します。G2期の1細胞当たりは7 × 2 = 14単位なので、14 × 21 = 294単位です。60個の7/20は21個、294 ÷ 21は14単位、14 ÷ 2は7単位となり、与えられた条件に戻ります。

4. 誤りです。「複製後のDNAが2個の娘細胞へ等しく分配されるので、各娘細胞のDNA量は複製後の1細胞の半分です」と直します。2個の娘細胞が受け取ったDNAを全量足せば、分配直前の親細胞と等量になります。2個分の合計なら等しいという比較範囲の違いが、判断の境目です。

要点を手元に

間期のS期にDNAが複製され、G2期の1細胞当たりの量はG1期の2倍です。
複製直後の姉妹染色分体2本は、つながった1個の染色体として数えます。
体細胞分裂後の各娘細胞は、複製前の親細胞と同じ染色体数とDNA量をもちます。
比較する時点と、1細胞か複数細胞の合計かを先に確かめます。

どこで迷ったかを調べる

自分の答えが違ったときは、まず時期の名前を間違えたのか、量の基準を間違えたのかを分けます。G1期からG2期への矢印に「複製」、分裂期から娘細胞への矢印に「分配」と書き、各時点に1細胞当たりの量を置いてみます。矢印の上に両方の言葉を書いてしまうなら、2つの出来事の区別から戻るとよいです。

個別指導では、図3のつながった2本を指して染色体と染色分体の数をそれぞれ説明できるかを確かめます。続いて、基本例題の娘細胞2個分を元に戻し、なぜ複製後の量と一致するかを言葉にします。数値を変えたときにも、比較する細胞数と時点を自分で指定できれば、細胞周期の資料を根拠に読めます。