高校生物 紡錘体と分裂溝—染色体移動と細胞質分裂の仕組みを分けて追う｜武蔵野個別指導塾

染色体の分配と細胞質分裂を分け、微小管・収縮環・細胞板をそれぞれの観察結果に対応させます。

よくあるのは、分裂溝も紡錘糸が締め付けて作るとする場面です。細胞の中央に染色体が並び、その後に細胞の中央がくびれる図を見ると、同じ糸が両方を動かしているように思えるかもしれません。しかし、染色体を両極へ分ける仕組みと細胞質を分ける仕組みは、位置も担う構造も違います。

問題では、染色体がどちらへ移るかを模式図から読む型、分裂溝ができない細胞の核の数を考える型、薬剤処理の結果から働きを推論する型が出ます。どれも、観察された結果と、その原因として考えられることを分けると整理できます。ここでは体細胞分裂を扱い、筋収縮の分子機構には立ち入りません。

糸の位置と仕事を結び付ける

分裂前に複製された1本の染色体は、結合した2本の姉妹染色分体からなります。分裂の途中、染色体は凝縮して観察しやすくなり、細胞のほぼ中央に並びます。姉妹染色分体が分かれると、それぞれは娘染色体として数えます。両極に分かれた後、娘核が形成されます。核の分裂と細胞質の分裂は関連しますが、同じ出来事ではありません。

紡錘体は主に微小管からなる構造で、両極の間にできます。染色体に結び付く紡錘糸は、染色体の動原体に接続します。後期には姉妹染色分体が分離し、娘染色体がそれぞれ反対側の極へ移動します。微小管の長さの変化などがこの移動に関わります。紡錘体は染色体を分配する装置として考えます。

動物細胞では、細胞の中央付近の膜の内側にアクチンフィラメントなどからなる収縮環ができ、収縮に伴って表面がくびれます。このくびれが分裂溝です。分裂溝は外側から中央へ深くなり、細胞質が分かれます。微小管とアクチンはどちらも細胞骨格を構成しますが、同じ繊維ではありません。

図1のように、染色体に向かう線と細胞の周囲の環を区別します。図は動物細胞の模式図で、矢印は娘染色体が移る方向を表し、物質の流れではありません。実際の構造を断面に単純化しているので、線の本数や長さを実測値と読み取らないでください。

図1では紺の線が紡錘体の微小管、緑の線が収縮環の位置を表します。染色体を運ぶ方向と、環が細胞の中央を絞る作用は別です。紡錘体の配置は分裂面の位置決定にも関わりますが、それを理由に紡錘糸が細胞の外周を直接締めると考えることはできません。

植物細胞にも染色体を分配する紡錘体があります。一方、細胞壁を持つ植物細胞では、動物細胞のように外側から深い分裂溝を作るのではなく、中央に細胞板が形成され、周辺に向かって広がります。細胞板は新しい細胞壁と細胞膜の形成につながり、娘細胞の間を仕切ります。細胞板を染色体そのものや紡錘糸と取り違えないことが重要です。

基本例題：染色体の行き先

ある動物細胞は、複製後に染色体を4本持ち、それぞれが2本の姉妹染色分体からなるとします。姉妹染色分体が正常に分離し、両極に等しく分かれた後、細胞質分裂も正常に完了しました。各娘細胞に入る染色体数を整数で求め、移動に関わる構造とくびれを生む構造を答えてください。図は教材用の模式図です。

複製後も、結合中の姉妹染色分体を合わせて染色体1本と数えます。したがって分離前の染色分体は4・2 = 8本です。分離するとそれぞれが娘染色体となり、正常に等分されるので8 ÷ 2 = 4本ずつです。答えは各娘細胞4本、移動には紡錘体の微小管、くびれにはアクチンを含む収縮環が関わります。

図2のように、分離した8本が左右4本ずつになっているか、分けた後の合計でも確認します。4 + 4 = 8本であり、分離直後に数えた娘染色体の総数へ戻ります。分離前の4本と分離後の8本を同じ単位のまま比較すると、数え方の切り替えを見落とします。

図2の矢印は染色体の移動方向です。左右に描いた4本ずつは娘染色体を表し、細胞膜を通って外へ出るという意味ではありません。図は分配を見やすくしたもので、染色体の形や微小管の全体を精密に描いたものではありません。

標準例題：核と細胞の数を分ける

教材条件として、動物細胞6個がそれぞれ1回、核分裂を正常に終えたとします。そのうち4個は細胞質分裂も完了し、残り2個は細胞質分裂が起こりませんでした。途中で細胞の融合や消失はないものとします。観察時の細胞数と核の総数を整数で求めてください。

細胞質分裂を終えた4個からは、1核を持つ娘細胞が4・2 = 8個できます。終えなかった2個はそれぞれ1個の細胞のまま、2個の核を持ちます。したがって細胞数は8 + 2 = 10個、核の総数は8 + 2・2 = 12個です。もとの6個それぞれから核が2個できたので、6・2 = 12個とも求められます。

答えを場面へ戻すと、10個の細胞のうち8個は1核、2個は2核です。合計は10個、核は8 + 4 = 12個で条件に合います。核が2個見えることは核分裂後に細胞質が分かれていない状態と整合しますが、静止像だけでその経過や原因が確定するわけではありません。融合などを問題文で除外していることが、この計算の前提です。

発展例題：処理結果から言える範囲

同じ条件で育てた動物細胞を2群に分けます。教材用の観察で、処理群は80個中24個、対照群は80個中4個が2核細胞でした。両群とも細胞の消失や融合はないと仮定します。2核細胞の割合と、その差をそれぞれ百分率、百分率の差はパーセントポイントで求めてください。また、この結果から処理が収縮環に直接作用したと断定できるか説明してください。割合は整数で表します。

処理群は(24)/(80)・100 = 30%、対照群は(4)/(80)・100 = 5%です。差は30 − 5 = 25パーセントポイントです。各割合を80個に戻すと、80・0.30 = 24個、80・0.05 = 4個となり、元の観察数に合います。比を求める問いではないため、30 ÷ 5 = 6を差として書きません。

2核細胞が処理群で多いことは、細胞質分裂の失敗が増えたという仮説と整合します。しかし核が2個あるという観察だけでは、薬剤が収縮環のどの成分に直接作用したかは決まりません。分裂面を決める過程や細胞の状態など、別の過程への影響も考慮する必要があります。対照があるため処理条件と割合の関係は比較できますが、標的を特定するには別の証拠が必要です。

たとえば、生きた細胞で核分裂後のくびれと収縮環の形成を時間を追って観察し、処理群と対照群を比べます。変える条件は処理の有無、測る量は核分裂後に細胞質分裂を完了した細胞の割合とします。細胞の種類、培養条件、観察時間、判定基準はそろえます。処理以外に薬剤を溶かす液があるなら、対照にも同じ液を与えます。

グラフにするなら横軸を観察開始からの時間、縦軸を核分裂を終えた細胞のうち細胞質分裂を完了した割合として、時間の単位と%を明記します。各時点の分母を明示し、同じ細胞を追うか別の細胞を数えるかも記します。視野の選び方、細胞の重なり、段階の判定違いは誤差の原因です。複数の独立した観察でばらつきを調べ、処理による損傷も別に確かめます。観察が途中で終われば遅延と完全な失敗は区別しにくいため、結論を観察時間内の結果に限ります。実験は学校の指導の下で行います。

観察結果が予想と異なった場合にも、すぐに仮説を捨てるとは限りません。処理群と対照群の分裂前の状態がそろっていたか、観察の途中で細胞が見えなくなっていないか、判定に必要な像が得られたかを確かめます。像が不鮮明で核を数えられない細胞は、1核と決めて分母に入れるのではなく、判定不能として数を記録します。その数が群によって大きく異なるなら、判定できた細胞だけの割合は元の集団を代表しないかもしれません。

また、時間を追っても細胞質分裂が完了しなかった細胞と、観察終了後に完了する細胞は同じとは限りません。観察期間を延ばし、対照群でも同じ期間を追うと、遅れと持続的な停止を比較しやすくなります。それでも薬剤の直接の標的は別の検証を要します。データが得られなかった場合にも、その理由と除外数を残すことが、比較の限界を読む手がかりです。

誤答を直す：中央という場所だけで決めない

「中央にある紡錘糸が輪になって縮むので分裂溝ができる」という答えを考えます。中央という位置は似ていますが、染色体に結び付く微小管と膜の内側にある収縮環を混同しています。図3のように、染色体の移動には紡錘体を、動物細胞のくびれにはアクチンを含む収縮環を対応させます。

図3の矢印は誤った対応から正しい対応への修正を示します。染色体を分ける装置が正常でも、細胞質分裂が起こらなければ2核の細胞が残り得ます。反対に、分裂溝が見えることだけから染色体が正確に分配されたと決めることもできません。それぞれを別の観察で確かめる必要があります。

植物細胞について「分裂溝が中央から外へ伸びる」と書くのも、方向と構造を混ぜた誤りです。植物では細胞板が中央から周辺へ形成されます。動物では分裂溝が外側から内側へ深くなります。どちらも最終的に細胞質を仕切りますが、その過程を同じ線で表さず、細胞壁の有無と合わせて説明します。

練習問題

次の数値はすべて教材用の条件です。数は整数、割合は整数の%で答え、計算の過程も示してください。

1. 複製後の染色体が6本ある動物細胞で、姉妹染色分体が正常に分かれました。両極に移る娘染色体はそれぞれ何本ですか。
2. 動物細胞5個が核分裂を終え、うち3個は細胞質分裂を完了し、2個は完了しませんでした。融合や消失がないとき、細胞数と核の総数はいくつですか。
3. 処理群50個中15個、対照群50個中5個が2核細胞でした。それぞれの割合と差を求めてください。差にはパーセントポイントを用います。
4. 植物細胞の分裂を観察すると、中央に仕切りが現れ、周辺へ広がりました。この仕切りを何と呼びますか。また、動物細胞の分裂溝が深くなる方向との違いを述べてください。
5. 薬剤を加えた動物細胞で染色体が中央から両極へ移らなかったとします。この観察と整合する仮説を1つ挙げ、薬剤が特定の構造に直接作用したと確定できない理由を述べてください。

練習の答えと考え方

1. 6・2 = 12本の染色分体が分離して娘染色体となり、12 ÷ 2 = 6本ずつです。両極の6 + 6 = 12本は分離直後の総数に戻ります。分離前の染色体6本はそれぞれ2本の染色分体を含むことが出発点です。
2. 完了した3個から6個の1核細胞、完了しなかった2個から2個の2核細胞ができます。細胞は6 + 2 = 8個、核は6 + 2・2 = 10個です。もとの5個が各2核を作ったので5・2 = 10個とも確かめられます。
3. 処理群は(15)/(50)・100 = 30%、対照群は(5)/(50)・100 = 10%、差は20パーセントポイントです。50・0.30 = 15個、50・0.10 = 5個と戻せます。割合の差と割合どうしの比は異なります。
4. 細胞板です。細胞板は中央から周辺へ広がり、動物細胞の分裂溝は外側から内側へ深くなります。仕切りが中央に現れたという条件は細胞板の形成と整合しますが、最終的な細胞壁の形成まで一枚の像から直接観察したことにはなりません。
5. 紡錘体の働きが妨げられたという仮説が立ちます。移動には複数の過程が関わり、動かなかったという結果だけでは、薬剤が微小管自体へ直接作用したのか、別の過程に作用したのか区別できないためです。対照群と比較し、紡錘体の状態や細胞の生存状態も調べる必要があります。

覚えておくこと

• 紡錘体の微小管は染色体の分配に関わります。
• 動物細胞の分裂溝はアクチンを含む収縮環の働きで深くなります。
• 植物細胞では細胞板が中央から周辺へ広がります。
• 染色体、核、細胞は数える対象と時点を明示します。
• 観察結果と原因の仮説を分け、対照と別の証拠で調べます。

図の線を全部「糸」と呼んでしまうときは、まず染色体に接続する線と細胞の周囲の環を別々に指してみてください。数の問題で迷うときは、分離前の染色体、分離後の娘染色体、分裂後の細胞を別の欄に書くと、数える対象の切り替えが見えます。個別指導で確かめるなら、図を隠して動物と植物の仕切りが進む方向を描き、矢印の意味を口で説明できるかを手がかりにします。構造と働きを対応させれば、分裂中の同じ中央にも異なる役割を読み取れます。