高校生物 原形質分離—細胞壁と原形質の位置から水の移動を説明する｜武蔵野個別指導塾

細胞壁を基準に液胞と水の動きを追うと見えてくるのが原形質分離です。

よくあるのは、植物細胞の顕微鏡像で内側に隙間が見え、細胞壁が縮んだため隙間ができたとする場面です。観察前後の壁の輪郭が同じなら、その説明は像と合いません。壁を基準に、壁から離れた境界がどちらへ動いたかを追います。

問題には、前後の像から水の正味の移動方向を答える型、外液を替えた後の復帰を説明する型、観察した細胞の割合を比較する型があります。どの型でも、細胞壁と細胞膜を同じ線として扱わないことが出発点です。以下の数値と観察結果は、考え方を練習するための教材条件です。

壁を物差しにして内側を見る

植物細胞の外側には細胞壁があり、その内側を細胞膜が囲みます。細胞膜の内側には細胞質や液胞があり、液胞は膜で囲まれた区画です。成熟した植物細胞では液胞が大きな割合を占めることがあります。細胞壁は細胞膜の外にあるため、壁が見える位置と膜の位置は必ずしも一致しません。

細胞の外液に非透過性の溶質が多く、水が細胞から外へ正味で移動する条件では、細胞内の体積が減ります。液胞も小さくなり、細胞膜を含む原形質が壁から離れることがあります。この状態を原形質分離と呼びます。原形質は細胞壁を除いた生きた部分を指し、液胞を含みます。壁と離れた膜との間にできる空間は、空気が必ず入った場所ではなく、外液が入る場所として考えます。

図1のように、外側の枠を細胞壁、内側の境界を細胞膜として区別します。模式図であり、形や隙間の幅は観察像を見やすくしたものです。矢印は水の正味の移動方向を表し、膜や壁が動く向きではありません。

図1では、左から右へ水が出て原形質が縮んでいます。細胞膜は壁から離れても原形質の表面にあります。液胞の膜は細胞膜とは別なので、図中の液胞の境界を細胞膜と読み替えないようにします。細胞壁の位置がほぼ変わらなくても、内部の境界は移動できます。

水が細胞へ入ると、原形質が壁を押す状態になります。細胞内から細胞壁にかかる圧力を膨圧といいます。壁はその押す力に抵抗するため、細胞は張りを保てます。水が出て膨圧が低下し、原形質が壁から離れた状態では、壁が内側の原形質を支える位置関係も変わります。膨圧が低いことと、壁自体が消えたことは別です。

薄い外液に替えると水が細胞内へ正味で移り、原形質が再び壁に接することがあります。これを原形質復帰といいます。ただし、外液の交換後に必ず復帰すると決めてはいけません。細胞が損傷している場合や、観察時間が足りない場合には、期待した変化が見えないこともあります。復帰が見えたという事実はその条件での可逆的な変化を支持しますが、見えなかった原因は追加の比較が必要です。

水は膜を隔てて両方向に移動します。ここでいう水が出る、入るは、一定時間に移動する量の差である正味の方向です。水の移動がつり合った後も、個々の水分子が停止するわけではありません。また、壁の抵抗による圧力も関係するので、最終状態を溶質濃度の大小だけで単純に断定しないことが大切です。

基本例題：同じ細胞を前後で比べる

ある植物の表皮細胞を観察しました。外液を替える前は細胞膜が壁に沿い、液胞は大きく見えました。替えた後は壁の輪郭がほぼ同じで、膜が壁から離れ、液胞は小さく見えました。交換前後の変化の間の水の正味の移動方向と、隙間ができた理由を記述してください。外液の溶質は観察中に膜をほぼ通らないものとします。

図2のように、まず動かなかった基準と、位置の変わった境界を分けます。左側を交換前、右側を交換後とし、矢印は変化の間の水の正味の移動を示します。模式図の液胞の大きさは、数値を測定した結果ではありません。

図2の壁の輪郭は前後でほぼ同じです。一方、膜と液胞の境界は内側へ移っています。細胞内の体積が減ったという観察に合う方向は、細胞内から外液への水の正味の移動です。外液へ出た水によって原形質が縮み、膜が壁から離れたため隙間が見えます。

答案は「水が細胞内から外液へ正味で移動し、原形質が縮んで細胞膜が細胞壁から離れたため」とまとめられます。壁が縮んだとは書きません。答えを元の像に戻すと、壁の輪郭はほぼ不変で、内側の膜と液胞は小さくなっており、両方の観察と一致します。

この問題は方向を問うので、水の分子数を計算する必要はありません。また、静止画が2枚あるだけなら途中の速さは求められません。前後の時刻が示されても、その間に一定の速さで変化したとは限らないためです。前後の像と移動の向きを混同しないことが、資料の読み取りを安定させます。

標準例題：割合を比較する

同じ材料から採った細胞を、外液Aと外液Bで同じ時間処理しました。Aでは観察できた40個中10個、Bでは観察できた50個中30個に原形質分離が見られました。各条件の割合を百分率で整数まで求め、比較から言えることを述べてください。外液の溶質は観察中ほぼ膜を通らないものとします。

分母は、その条件で観察できた細胞数です。原形質分離した数そのものは観察数の影響を受けるので、異なる分母をそろえるために割合に直します。

Aの割合 = (10)/(40)・100 = 25%
Bの割合 = (30)/(50)・100 = 60%

Bの方が、この観察では原形質分離した細胞の割合が高いといえます。検算として、40個の25%は10個、50個の60%は30個に戻ります。個数の差が20個という事実と、割合の差が35ポイントという事実は異なります。

別解では、Aの分数を(1)/(4)、Bを(3)/(5)に約分します。分母を20にそろえるとAは(5)/(20)、Bは(12)/(20)なのでBが大きいと比較できます。ただし、この結果だけでは外液濃度以外の条件が同一だったか、細胞の状態や観察位置が偏っていないかはわかりません。Bの溶質濃度が高いと問題に与えられていても、1回の比較だけで濃度以外の影響を除けたとは限りません。

発展例題：復帰が見えない理由を切り分ける

原形質分離を示した同じ材料を2群に分けました。片方は薄い外液に替え、他方は元の濃い外液のまま同じ時間置きます。前者では24個中18個が壁に再び接し、後者では24個中2個が壁に接しました。各群の復帰割合を百分率で整数まで求め、観察が支持する説明と、なお残る別の可能性を述べてください。復帰は観察開始時に分離していた細胞が壁に再び接することと定義します。

薄い外液の群 = (18)/(24)・100 = 75%
濃い外液の群 = (2)/(24)・100 ≒ 8%

薄い外液への交換後に復帰した割合が高いという観察は、水が細胞へ正味で入って原形質が広がる説明を支持します。75%を24個に戻すと18個です。もう一方は正確には(1)/(12)で、24個に掛ければ2個に戻ります。8%は四捨五入した表示なので、8%から個数を厳密に戻さず元の分数を使います。

ただし薄い外液への交換という操作には、液を動かすことや待つことも伴います。後者を濃い外液のまま同じ方法で交換する対照にすれば、交換操作自体の影響をより調べやすくなります。薄い外液でも復帰しない6個については、細胞の損傷、観察時間の不足、判定の難しさなどが候補です。この資料だけでいずれかに決めず、時間を延ばした観察や別の細胞の状態の確認と比べます。

逆に、濃い外液の群でも2個が接したことを無視してはいけません。判定のばらつきや局所的な条件差などが考えられますが、原因は測定していません。差があるという観察と、その差が生じた仕組みの仮説を分けると、結果が予想と異なった場合にも考察できます。

誤答を修正する

「隙間ができたのは細胞壁が内側へ縮んだから」という答えでは、隙間の外側の境界を説明できません。図3のように、壁の輪郭が変わらず膜が内側へ移った像では、縮んだのは壁ではなく原形質です。図の枠は壁、内側の線は膜を表す模式図です。

図3の矢印は膜の位置の変化を表します。外液への水の移動を矢印で表した図1とは矢印の意味が異なります。壁が変形する別の状況を一般に否定しているのではなく、この観察では壁の位置がほぼ同じという条件を使って誤答を直しています。

もう1つの誤りは、復帰後には水の移動が止まると考えることです。正味の移動がつり合う場合でも、水分子は双方へ移動します。さらに、細胞膜が壁に接したという像だけで、水分子の往復の量や膨圧の数値まで読み取ることはできません。観察した境界の位置と、そこから推論した水の移動を区別してください。

実験とグラフを読むときの注意

外液濃度と分離の関係を調べるなら、独立変数は外液の濃度、従属変数は一定時間後の分離細胞の割合とします。材料の種類、処理時間、温度、観察と判定の方法をそろえます。水を含む薄い外液で処理した群も比較に置くと、操作前後の変化を見やすくなります。実施は学校の指導の下で行い、観察の条件と手順を記録します。

グラフでは横軸を外液濃度、縦軸を原形質分離した細胞の割合とし、濃度の単位と割合の%を明記します。各点の分母も記録します。点が右上がりなら、その条件で濃度が高い群ほど割合が高かったと読めますが、点の間に測定していない濃度の値や、別の植物に共通する限界濃度は確定しません。点を滑らかに結んでも測定値が増えるわけではありません。

観察視野が偏る、重なった細胞の境界を見誤る、液の交換に時間差がある、といった誤差も考えます。複数の視野や材料で反復し、各回の分母と判定を残すと、平均だけでは見えないばらつきを調べられます。細胞が見えない場合は分離していない細胞として数えず、観察可能な数と除外した理由を分けて記録します。

外液が混ざって濃度が不明になった場合、名目上の濃度だけで結果を解釈しないようにします。また、細胞が損傷した場合は水の移動を正常な膜の性質だけで説明できません。分離の有無が判定できない像は、無理にどちらかへ分類せず再観察し、再観察しても不明なら不明として扱います。これらは、きれいな結果が出た場合と同じように結論の範囲を定める情報です。

練習問題

次の5問はそれぞれ独立した教材条件です。割合は指定に従って求め、記述では根拠も示してください。

1. 細胞壁の輪郭が変わらず、細胞膜が壁から離れて液胞が小さくなりました。水の正味の移動方向と膜の位置の変化を記述してください。
2. 原形質分離を示した細胞を薄い外液に移すと、液胞が大きくなり膜が壁に接しました。水の正味の移動方向と、この変化の名称を答えてください。
3. ある条件で観察できた80個中28個が分離していました。分離した割合を百分率で整数まで求め、元の細胞数に戻して確認してください。
4. 処理Cでは60個中15個、処理Dでは20個中8個が分離しました。各割合を百分率で整数まで求め、どちらの割合が高いか答えてください。
5. 分離した細胞を薄い外液に替えても、短い観察時間では膜が壁に戻りませんでした。この事実から細胞が死んだと断定できるか答え、確かめるための比較を1つ述べてください。

答えと解き方

1. 水は細胞内から外液へ正味で移動し、原形質が縮んで細胞膜が壁から離れました。壁がほぼ動かず、内側が小さくなったという条件に戻すと、この向きと一致します。壁そのものの収縮ではありません。
2. 水は外液から細胞内へ正味で移動し、原形質復帰が起こりました。水を受けた原形質が広がると、問題の膜が壁に接する像に戻ります。水分子の移動が一方向に限られるという意味ではありません。
3. (28)/(80)・100 = 35%です。80個の35%は28個で、分母と分離した数に戻ります。分離していない数は52個で、28個と合わせて80個です。
4. Cは(15)/(60)・100 = 25%、Dは(8)/(20)・100 = 40%です。Dの割合が高く、差は15ポイントです。60個の25%は15個、20個の40%は8個に戻ります。分離した個数はCの方が多くても、分母が異なるので割合の順位は逆です。
5. 断定できません。観察時間が不足している可能性もあるため、他の条件をそろえて、より長く観察した群と比べます。長時間でも戻らなければそれは追加の観察事実ですが、それだけで死んだ原因まで決まりません。細胞の状態を別の方法でも確かめる必要があります。

覚えておくこと

細胞壁を基準に、細胞膜と液胞の境界を区別します。 水が外へ正味で移ると、原形質が縮み壁から離れることがあります。 水が内へ正味で移り、膜が再び壁に接する変化を原形質復帰といいます。 膨圧は原形質が細胞壁を押す圧力です。 割合は観察できた細胞数を分母とし、判定不能な像を区別します。

壁と膜を取り違えているかどうかは、前後の像でそれぞれの線を指し示して説明できるかで見分けられます。割合の問題でつまずくときは、分子と分母を細胞の個数に戻し、処理ごとに対応させると原因が見えます。個別指導では、実際に描いた境界と水の矢印を使い、観察事実とその説明を順に言葉にできるかを確かめます。細胞壁を動かない基準として読む視点が、原形質分離の像を説明へつなげます。