高校生物 細胞の構造比較—観察像の根拠から原核と真核の違いを説明する｜武蔵野個別指導塾

核が写らない切片と同じ細胞の追加像を照らし、原核か真核かを判断する根拠を確かめます。

よくあるのは、核が写らない一断面だけで原核細胞と決めるという場面です。画像に写った範囲と細胞全体を同一視すると、切断位置のために核が見えなかった場合まで除外してしまいます。観察像を読むときは、何が見えたかに加え、見えなかった理由をどこまで調べたかが問われます。

出方には、核膜や膜小器官を示す像から細胞の特徴を判定する型、一断面で見えない構造について追加観察を選ぶ型、観察の成功率や標本の混入を考慮して結論の限界を書く型があります。ここでは原核細胞と真核細胞の構造を比べます。生物の分類や進化の歴史は扱わず、与えられた観察結果から言える範囲に焦点を当てます。

像と細胞全体をつなぐ

原核細胞は、DNAを核膜で囲んだ核を持たず、真核細胞は核膜に囲まれた核を持ちます。真核細胞にはミトコンドリアなど膜で仕切られた細胞小器官があり、原核細胞にはそのような膜小器官がありません。どちらにも細胞膜、細胞質、DNA、リボソームがあります。細胞壁の有無や形の違いだけで原核か真核かを決めることはできません。

核膜は核の内側と細胞質を隔てる境界です。膜小器官の膜も内部を周囲の細胞質から区切ります。区画があると、その内側と外側で異なる条件を保てます。構造と働きの関係を考える際は、膜が何を囲むのかを示すことが出発点です。膜があるという情報と、その内部の働きを実際に測ったという情報は別です。

図1のように、原核細胞のDNAは核膜に包まれていません。真核細胞の核は核膜に囲まれ、別の膜小器官も模式的に描いています。図は構造の関係を示す模式図であり、細胞の大きさや構造の個数の比を表しません。外側の線は細胞膜です。

図1の核膜と小器官の膜は、細胞内の区画を示します。DNAの存在だけは両方に共通するため、その像だけでは両者を区別できません。また、リボソームは膜に囲まれた小器官とは区別します。細胞膜は両者にあるので、膜が1本見えたというだけでも判定できません。

切片の画像は、立体の細胞を薄く切った一部分の像です。球に近い核が細胞の中央付近にあっても、端に近い断面は核を通らないことがあります。したがって「この断面に核が見えない」は観察事実ですが、「この細胞に核がない」は別の主張です。観察できた範囲を広げても、試料の欠損、染色の不足、像の不鮮明さがあれば、見えないことの意味は弱くなります。

逆に、核膜に囲まれた核が明瞭に見え、その像が対象細胞に属すると確認できれば、真核細胞の根拠になります。膜小器官を示す十分に明瞭な像も真核細胞を支持します。ただし、見かけ上の線が膜かどうか、隣の細胞や混入物を見ていないかを確かめる必要があります。画像の一部に名前を書き込む前に、境界と内外のつながりをたどりましょう。

基本例題：断面に見えない核

ある細胞Aの1枚の切片には細胞膜と粒状の構造が見えますが、核膜は見えません。別に同じ細胞Aの連続する切片を調べると、途中の切片で細胞膜の内側に核膜に囲まれた領域が明瞭に見えました。像の対応と膜の判定は確かだとします。Aを原核細胞、真核細胞、判定保留のいずれかで答え、最初の切片だけからの判断と比べて理由を記述してください。

図2のように、端の断面と中央を通る断面では、同じ細胞でも見える内容が異なります。矢印は切片を調べる順序を表し、物質の移動ではありません。細胞と核の形は説明用の模式図です。

図2を手がかりに、最初の切片の結果を「核膜が写っていない」と読みます。この段階では核膜を通らない位置で切った可能性が残るため、原核細胞と決めず判定を保留します。次に、同じ細胞の別の切片で核膜に囲まれた領域が認められたので、Aは真核細胞です。初めの像が間違いだったのではなく、その像の示す範囲を超えて結論を出すことが誤りです。

答案には「1枚目に核膜が見えなくても切断位置の影響がある。別の切片で同じ細胞内に核膜が認められたので真核細胞である」と書けます。粒状の構造が見えるという情報だけでは、その粒が何かを確定できません。根拠に使うのは、問題文で同一細胞に属すると確認された核膜です。

標準例題：複数の観察結果を照合する

細胞BとCについて、十分に鮮明な像を得ました。Bでは核膜に囲まれた領域が確認されました。Cでは調べた1断面に核膜が見えず、細胞膜とリボソームが確認されました。BとCそれぞれを原核、真核、判定保留から選び、Cについて次に確かめることを1つ挙げてください。

Bは真核細胞です。核膜に囲まれた領域が確認されたことが根拠です。Cは判定保留です。細胞膜とリボソームは原核細胞にも真核細胞にもあるため、両者を区別する証拠になりません。核膜が1断面に見えないことも、C全体に核膜がないことを意味しません。

Cについては、同じ細胞の残りの部分を連続切片で追い、各切片の像が十分鮮明かを点検します。別の方法で核膜の存在を調べ、その結果と位置が一致するか確かめる方法もあります。追加像で核膜が見えれば真核細胞を支持します。一方、全体を適切に調べても見えない場合は、観察の限界を明記したうえで核膜がないという判断を強めます。1枚の見えない像が増えただけでは、欠けた部分や検出の失敗を除けません。

別解として、各情報を「両方に共通」「真核細胞を支持」「判定に不足」の3欄に置いても整理できます。Cの細胞膜とリボソームは共通の欄、Bの核膜は真核を支持する欄、Cの1断面で核膜が見えない事実は不足の欄です。この整理では、観察されていないことと存在しないことを同じ欄に入れないのが要点です。

発展例題：検出漏れと割合

教材用の条件として、核を持つと別の方法で確認済みの細胞20個について、それぞれ1断面ずつ撮影しました。核膜が像に写った細胞は12個、写らなかった細胞は8個でした。核膜が写らなかった割合を分数と百分率で答えてください。また、この結果だけで、別の未知の細胞について核膜が写らないときに原核細胞である確率を求められるか、理由を記述してください。割合は正確な値で表します。

分母は核を持つと確認済みの20個であり、そのうち写らなかったのは8個です。したがって割合は (8)/(20) = (2)/(5)、百分率は (2)/(5)・100 = 40% です。答えを戻すと、20個の40%は8個で、残りの12個と合わせて20個になります。これは教材条件での割合であり、一般の検出率ではありません。

未知の細胞が原核細胞である確率は求められません。この20個は核を持つ細胞だけを調べた集団で、原核細胞の割合も、原核細胞を含む集団での観察結果も与えられていないからです。核を持つ細胞でも核膜が写らない場合があることは示せますが、写らない未知の細胞の内訳まではわかりません。分母にどの集団を置いたかを変えずに読むことが必要です。

実験を組み立てるときの対照と限界

核膜を観察する方法の信頼性を調べるには、核を持つと別の方法で確認された細胞を陽性対照として同じ手順で処理します。核膜を持たないと別途確かめた細胞を陰性対照として調べると、核膜らしく見える像が偽って現れないかも点検できます。対照の像が期待と合わなければ、未知試料の判定を先に確定せず、試料の取り違え、染色、切片、観察条件を調べ直します。

比較する条件を観察法の違いにするなら、独立変数は用いる観察法、従属変数は例えば核膜を確認できた細胞の割合です。同じ試料の対応する領域を用い、標本の準備や判定基準など比較に必要な条件をそろえます。細胞の選び方が偏ると、方法の差と標本の差を区別できません。像を判定する人が条件を知ることで判断が偏る可能性にも注意し、あらかじめ基準を決めて複数人で点検するとよいでしょう。

割合をグラフにするなら、横軸に観察法、縦軸に核膜を確認できた細胞の割合を%で示し、各割合の分母も併記します。同じ割合でも分母の小さい結果は偶然の影響を受けやすくなります。複数の標本で繰り返し、ばらつきと欠測数を記録してください。核膜が見えた割合の差があっても、それだけではどの操作が差の原因かは決まりません。学校の指導の下で観察し、準備や観察をやり直しても対照が成立しない場合は結果を保留します。

誤答を根拠から直す

「核が見えないので原核細胞です」という答案を考えます。この文は、1断面に見えないという観察を、細胞全体に存在しないという結論へ置き換えています。図3のように、断面が核を通る場合と通らない場合を比べると、同じ真核細胞から両方の像が得られます。図は模式図で、線は切断位置を示します。

図3の上側の緑線で切った断面には、核が現れません。下側の橙線で切った断面に核膜が確認されれば、真核細胞と判定できます。直した答案は「この断面では核膜が見えないが、核を通らない切断面かもしれないため、これだけでは判定できない」です。原核細胞と判断する問題では、細胞全体について核膜や膜小器官がないことを判断できる観察条件が与えられているかを読み取ります。

反対向きの誤りにも注意します。核のような丸い像が1つ見えただけで、必ず核膜に囲まれた核だと決めることもできません。膜の境界が明瞭か、対象細胞の内部にあるか、他の構造や重なりではないかを調べます。観察に成功したときの根拠と、像が不鮮明だったときに保留すべき理由を並べておくと、どちらの誤答も避けやすくなります。

練習問題

次の条件は教材用です。各像の構造は問題文に明示した範囲で確かに識別でき、細胞との対応も確認済みとします。

1. 細胞Dの切片に、細胞膜の内側で核膜に囲まれた領域が見えました。Dを原核、真核、判定保留から選び、根拠を記述してください。
2. 細胞Eの1断面にDNAとリボソームは見えましたが、核膜は写りませんでした。Eの判定と、判断を進めるために調べることを記述してください。
3. 核を持つと確認済みの細胞25個をそれぞれ1断面で観察したところ、核膜が写らなかったのは5個でした。写らなかった割合を約分した分数と百分率で正確に答えてください。
4. 未知試料の観察と同時に、核を持つと確認済みの細胞を同じ方法で調べました。対照の核膜も未知試料の核膜も見えませんでした。未知試料を直ちに原核細胞と判定してよいか、理由と次の対応を記述してください。
5. 細胞Fを異なる方法で調べたところ、対象細胞の内部に膜で囲まれた小器官が確認されました。一方、最初の切片には核が写りません。Fの判定と、2つの観察が矛盾しない理由を記述してください。

答えと解き方

1. 真核細胞です。対象細胞の内部に核膜で囲まれた領域があるからです。核膜という境界を直接の根拠にしており、細胞膜の存在だけを根拠にしていません。
2. 判定保留です。DNAとリボソームは原核細胞と真核細胞の双方にあり、核膜がその断面に写らない理由には切断位置もあります。同じ細胞の他の切片を追い、像の鮮明さと核膜の有無を調べます。核膜が確認されれば真核細胞を支持しますが、不鮮明な像が続く場合は保留のままです。
3. (5)/(25) = (1)/(5) で、20%です。25個の20%は5個で、残る20個と合わせて25個です。分母は調べた核を持つ細胞25個であり、未知の集団の原核細胞の割合ではありません。
4. 判定してはいけません。核を持つ対照でも核膜が見えないため、観察手順が核膜を検出できていたか疑われます。標本の状態や観察条件を点検し、対照で核膜が確認できる条件を確かめてから未知試料を再観察します。再観察でも対照が不成立なら結論を保留します。
5. 真核細胞です。膜で囲まれた細胞小器官が対象細胞内にあることが根拠です。最初の切片が核を通っていなければ核は写らず、小器官の存在と矛盾しません。膜のある区画を見た位置と核を探した断面が同じでないことを区別します。

覚えておくこと

• 核膜に囲まれた核は真核細胞を支持します。
• DNA、リボソーム、細胞膜は両者に共通します。
• 1断面に見えないことと、細胞全体に存在しないことは異なります。
• 対照と像の品質を調べ、判定できない場合は保留します。
• 割合は対象集団と分母を示して読みます。

答案を見直すとき、まず観察事実に線を引き、次に結論の語を囲んでください。両者の間に「同じ細胞か」「全体を調べたか」「膜を識別できたか」という条件が抜けていれば、判定を言い過ぎています。個別指導で確かめるなら、核のある立体の端と中央に切断面を描き、各断面に何が現れるかを説明してみます。さらに対照が失敗した場合に何を言えるかを口に出すと、結果と推論の境界が見えてきます。

像の範囲を確かめた根拠が、細胞の構造比較を支えます。