高校生物 共生と寄生の関係—両者への影響を対照区との比較で判定する｜武蔵野個別指導塾

二種それぞれの対照区との差と、環境を変えたときの符号から共生を読む。

よくあるのは、2種を一緒にした区で一方がよく成長したという資料を見て、高校生が相利共生と判定する場面です。相手も利益を受けたかどうかは、その種自身の比較をしなければ判断できません。同じ場所で生活する2種の関係を調べるときは、それぞれが相手と一緒にいた場合と、相手がいなかった場合を比べます。何を利益とみなし、どの条件で測ったかまで添えると、判定の根拠が見えてきます。

どんな比較を求められるか

第一に、2種の成長や繁殖の資料から、相手の存在による影響をそれぞれ判定する型があります。混合区のAとBを直接比べても、Aの値が大きいという事実しか得られません。Aの混合区とAの対照区、Bの混合区とBの対照区をそれぞれ比べ、増加、変化なし、減少を記号に直します。

第二に、環境条件を変えた資料で、同じ組合せの関係が変わるかを問う型があります。水や養分などの条件が変われば、相手から受ける利益と相手を伴う費用の釣り合いも変わりえます。一度覚えた名前を固定して当てはめるのではなく、条件ごとに両者の差を出します。

第三に、比較の設計や判断の限界を述べる型があります。相手の有無以外に光や餌の量が違えば、結果の原因を相手の存在に絞れません。観察値に差がない場合も、厳密に影響がゼロだったのか、小さな影響を測り分けられなかったのかは別の問題です。

相手がいることの影響を2方向に分ける

異なる種の生物が密接に生活する関係を広く共生と呼ぶことがあります。その中で、両者が利益を受ける関係が相利共生、一方が利益を受け、他方には影響がない関係が片利共生です。寄生は、一方が宿主の体内や体表などを生活の場として宿主に依存し、利益を得る一方、宿主に不利益を及ぼす関係です。利益と不利益の組合せだけでは、捕食との区別はつきません。以下の自作資料で寄生を問う場合は、利益を受ける種が相手の体内または体表で生活し、その相手から栄養を得るという条件を置きます。図1の寄生の符号も、この生活関係を前提に読んでください。教科書や文脈によって共生を相利共生に近い意味で使うこともあるため、問題文の定義を確かめます。

ここでの利益と不利益は、単に個体が生きていることや体が大きいことではありません。相手がいない場合に比べて、生存、成長、繁殖などの指標がどう変わるかで評価します。たとえばある期間の平均乾燥質量を指標とするなら、相手がいる区の平均から、いない区の平均を引きます。正の差を「増加」、負の差を「減少」、同じ値を資料上の「変化なし」と読みます。差の単位は元の値と同じです。

図1のように、Aへの影響とBへの影響は別々の矢印で考えます。矢印は相手の存在がどちらに影響するかを示す模式図で、物質の移動や利益の大きさを示していません。図は自作資料です。

図1のAへの矢印には、Aの混合区とAの対照区の比較から得た符号を入れます。Bへの矢印にも同様にBの比較から得た符号を入れます。AとBの順に、正と正なら相利共生、正と変化なしなら片利共生、正と負ならAが利益を受ける寄生です。負と正ならBが利益を受ける向きです。双方が減る組合せは、ここで扱う3つの関係のどれにも当てはまりません。

植物と菌のように、ある条件で一方が養分を得て、他方が有機物を得る組合せを考えると、双方の利益を説明できます。ただし物質の受け渡しがあるという事実だけでは、全体として双方に利益があるとは決まりません。相手を維持する費用も含め、相手がいない場合と比べた結果を確かめます。宿主の体を利用する生物が利益を得て宿主の繁殖を減らすなら寄生の説明に合いますが、同じ種の組合せでも指標や環境によって見える影響は変わりえます。

比較に用いる区は、相手の有無以外の条件をできる限りそろえます。開始時の大きさ、観察期間、光、水、各種に与える資源、測定方法が違えば差の解釈が難しくなります。個体数が違うと総量も変わるため、総量と1個体当たりの値を混同しないことも必要です。以下の資料は条件を明示した自作の値であり、実際の測定結果ではありません。

例題で差の向きをそろえる

基本例題

種Aと種Bについて、相手の有無だけが異なる区を設け、同じ期間後の1個体当たりの平均乾燥質量を調べた自作資料です。各区の開始時の大きさと各種の個体数はそろえ、光、水、各種に与える資源と測定法も共通にしました。区は外界との物質の出入りがある開放系です。面積当たりの量は扱いません。Aの対照区は4 mg、混合区は6 mg、Bの対照区は3 mg、混合区は5 mgでした。AとBそれぞれの差を整数と単位で示し、この指標に基づく関係を答えてください。

図2はこの資料の値を並べた模式図です。横に並ぶ2つの値を、同じ種の中で比べます。

差は混合区の値から対照区の値を引いて求めます。

Aの差 = 6 mg - 4 mg = 2 mg
Bの差 = 5 mg - 3 mg = 2 mg

AもBも、自分の対照区と比べて平均乾燥質量が増えています。この指標と条件では、両者に正の影響があるので相利共生と判定します。戻して確かめると、Aは4 mgに2 mgを加えて6 mg、Bは3 mgに2 mgを加えて5 mgとなり、混合区の値に一致します。

別の見方として、各種の対照区から混合区への変化を、それぞれ増減の向きだけで記録しても同じ判定になります。AとBの混合区の6 mgと5 mgを比べる方法では、相手がいない場合の値が抜け落ちるため、関係は決まりません。質量の増加だけを測った資料なので、生存や繁殖への影響まで測定済みであるとは書けません。

標準例題

別の自作資料で、種Cと種Dの1個体当たりの平均繁殖数を、同じ期間で比べました。各区は開放系で、開始時の個体数や環境条件はそろえています。Cは相手なしで8個、相手ありで12個、Dは相手なしで10個、相手ありで7個でした。相手ありから相手なしを引いた差を整数で示し、利益を受ける側と関係を答えてください。面積当たりの値ではなく、各種の1個体当たりの平均です。

Cの差 = 12個 - 8個 = 4個
Dの差 = 7個 - 10個 = -3個

Cには正、Dには負の影響があります。Cが利益を受け、Dが不利益を受ける寄生と判定します。逆算すると、Cは8個に4個を加えて12個、Dは10個から3個を引いて7個です。混合区のCの値がDより大きいことは、判定の根拠には使っていません。

この例の差は、指定された繁殖数という指標に関する差です。Dの値が7個だからDに利益がある、という読み方はできません。相手がいなければ10個だったという対照と比べて初めて、3個少ないといえます。Cが利益を受けた理由や、Dの繁殖が減った具体的な仕組みは、この数値だけでは決められません。

条件を変えた資料と実験の組み立て

発展例題

種Eと種Fを、養分が少ない条件と多い条件で比較した自作資料です。各条件にEだけの区、Fだけの区、両種を含む区を設けました。各区は開放系で、同一条件内では相手の有無以外をそろえ、同期間後の1個体当たりの平均乾燥質量を測っています。面積当たりの量ではありません。値は次の表のとおりです。各条件で両種の差を整数と単位で求め、関係を答え、条件変更だけからいえることといえないことを述べてください。

少ない条件のEの差 = 8 mg - 5 mg = 3 mg
少ない条件のFの差 = 6 mg - 4 mg = 2 mg
多い条件のEの差 = 7 mg - 9 mg = -2 mg
多い条件のFの差 = 8 mg - 6 mg = 2 mg

少ない条件では両種が増加するので相利共生、多い条件ではFが増加しEが減少するので、Fが利益を受ける寄生です。各対照値に差を加えると順に8、6、7、8 mgとなり、対応する混合区の値に戻ります。比較の基準は、それぞれ同じ養分条件の対照区です。少ない条件の対照と多い条件の混合を比べると、相手の有無と養分条件が同時に変わります。

別解では、各条件の表で対照から混合への矢印を種ごとに引き、上向きか下向きかを記録します。少ない条件はEもFも上向き、多い条件はEが下向きでFが上向きです。この方法は関係を判定できますが、差の大きさを答えるには引き算が必要です。

この資料から、測定した条件と乾燥質量に限って関係の判定が変わったといえます。しかし、養分がどう作用してEの差を反転させたかは特定できません。養分の変化がE自身に直接及ぼす影響も、EとFの相互作用を通じた影響もありえます。仕組みを調べるなら、受け渡される資源などについて別の指標を立て、対照を設けた資料が必要です。

グラフにする場合、横軸を養分条件、縦軸を平均乾燥質量 mg とし、各種の対照と混合を区別します。同じ条件、同じ種の2点の縦の差が相手の影響です。Eの混合値は8 mgから7 mgへ下がりますが、それだけでは相互作用の符号の変化を読めません。Eの対照も5 mgから9 mgへ変わるからです。点を結んでも、中間の条件でどこが境界になるかは、この2条件だけでは決められません。

実験を計画するなら、各条件で対照区と混合区を複数設け、区の配置を偏らせず、各区を独立に測ります。区ごとのばらつきを見ずに平均値だけを比べると、個体差や測定誤差による違いを相手の効果と取り違えるおそれがあります。混合区で両種の密度を増やしたため資源が不足した場合も、相手固有の効果と密度の影響を分けにくくなります。密度をそろえた比較などを追加し、何を一定にしたのかを記録します。生物を扱う実施は学校の指導の下で行い、ここでは資料上の設計にとどめます。

測定の途中で試料が失われたり、記録が欠けたりした場合、欠けた値を0として計算してはいけません。どの区のどの値が欠けたかを示し、その比較が成立するか検討します。観察を予定より早く終えた区も、同じ期間を測った区とそのまま比べられません。測定器の不具合が疑われれば記録と測定条件を点検し、信頼できる値がそろうまで判定を保留します。

まちがいを比べる軸から直す

ある自作資料で、種Gの対照区は2 mg、混合区は5 mgでした。種Hの対照区は8 mg、混合区は8 mgです。いずれも同じ期間後の1個体当たりの平均乾燥質量で、相手の有無以外の条件をそろえた開放系の区です。面積当たりの値ではありません。「Gが増えたので両者が利益を受ける」と答えると、Hの比較が抜けています。

図3のように、Gは5 mgから2 mgを引いて3 mgの増加ですが、Hは8 mgから8 mgを引いて0 mgです。図は自作資料の模式図で、矢印は各種の対照から混合への比較を示します。資料上はGが利益を受け、Hには変化がないので片利共生と判定します。GとHの値を互いに引いても、相手の影響は求まりません。

同じ数値を得たときでも、実測のばらつきが大きければ、Hへの影響が厳密にゼロとまではいえません。問題が「変化なしとして判定する」と指定している場合の符号と、実験からの慎重な結論を区別します。測定精度より小さい差は検出できないかもしれず、期間を変えると影響が現れる可能性もあります。

もう一つの誤りは、対照区のない種について、混合区で生存したから利益を受けたとすることです。相手がいない場合も同じように生存するかもしれません。この場合は対照が不足しており、相利か片利か寄生かを決める材料が足りません。まず不足している比較を明示し、対照を加えた資料を求めます。

割合で比較するときにも分母に注意します。たとえば対照が0 mgの場合、混合との差は求められても、対照を分母にした増加率は定義できません。差と割合は別の量なので、計算できない割合を無理に出さず、指標や条件を見直します。負の値や単位の違う値が資料に混ざった場合も、そのまま符号だけを読まず、測定・転記の条件を確かめます。

5問で判定を練習する

次の資料はすべて自作です。各区は開放系で、同一条件内では相手の有無以外の環境と開始条件をそろえています。乾燥質量は同期間後の1個体当たりの平均で、面積当たりの値ではありません。表の同じ値は、問題上、変化なしと扱います。差には混合から対照を引く向きを使ってください。

1. 種Pの乾燥質量は対照7 mg、混合10 mg、種Qは対照6 mg、混合9 mgです。両種の差を整数と単位で求め、関係を答えてください。
2. 種Rは対照11 mg、混合8 mg、種Sは対照4 mg、混合9 mgです。両種の差を整数と単位で求め、利益を受ける種と関係を答えてください。
3. 種Tは対照3 mg、混合7 mgですが、種Uは混合で6 mgとしか記録されていません。相利共生と断定できない理由と、追加したい比較を述べてください。
4. 種Vと種Wについて、乾燥した条件ではVの対照が4 mg、混合が6 mg、Wの対照が5 mg、混合が5 mgでした。湿った条件ではVの対照が8 mg、混合が7 mg、Wの対照が3 mg、混合が7 mgでした。それぞれの条件の関係と、湿った条件で利益を受ける種を答えてください。
5. 相手がいる区の種Xの平均乾燥質量が12 mg、いない区が8 mgでした。ただし、相手がいる区には相手がいない区より多くの養分が与えられています。この差を相手の効果と断定できない理由と、比較を改善する方法を述べてください。相手の種についての判定は求めません。

解答と考え方

1. Pは10 mg − 7 mgで3 mg、Qは9 mg − 6 mgで3 mgの増加です。両者に正の影響があるので相利共生です。対照の7 mgと6 mgにそれぞれ3 mgを加えると、混合の10 mgと9 mgに戻ります。

2. Rは8 mg − 11 mgで-3 mg、Sは9 mg − 4 mgで5 mgです。Sが利益を受け、Rが不利益を受ける寄生です。11 mgから3 mgを引くと8 mg、4 mgに5 mgを加えると9 mgとなり、資料に戻ります。混合区の値がどちらも正であることと、影響の符号は別です。

3. Tは4 mg増えていますが、Uの対照値がないためUへの影響を求められません。Uが相手なしで同じ期間にどの値になるかを、条件をそろえた対照区で調べます。Uの対照が6 mgなら資料上は変化なし、6 mgより大きければ減少、小さければ増加です。混合の6 mgに各場合の差を逆算しても、それぞれの対照に戻ることを確かめられます。

4. 乾燥条件の差はVが2 mg、Wが0 mgで、資料上はVが利益を受ける片利共生です。湿った条件の差はVが-1 mg、Wが4 mgで、Wが利益を受ける寄生です。乾燥条件では4 mgと5 mgに差を加えて6 mgと5 mg、湿った条件では8 mgと3 mgに差を加えて7 mgと7 mgに戻ります。条件をまたいだ値の比較ではなく、各条件内で対照を選びます。

5. 12 mg − 8 mgは4 mgですが、相手の有無と養分量が同時に変わっているので、その4 mgを相手の効果と断定できません。養分量をそろえた相手ありと相手なしの区を設け、同期間後のXを比較します。養分自体の効果も調べたいなら養分条件を別に設け、それぞれで対照と混合を比べます。元の2値については8 mgに4 mgを加えると12 mgに戻りますが、計算が合うことは原因の特定を意味しません。

覚えておくこと

• 相手ありと相手なしを、種ごとに同じ指標と条件で比べます。
• 両者が増加なら相利、一方が増加し他方が変化なしなら片利です。
• 一方が増加し他方が減少なら、利益を受ける側と宿主側を明示して寄生と判定します。
• 環境、期間、指標が変われば、同じ組合せでも判定が変わることがあります。

比較の抜けを見つけるには

個別指導では、まず生徒が表のどの2値を引いたかを線で結んでもらいます。異なる種の値を結んでいれば、同じ種の対照と混合へ線を引き直し、差の符号が何を表すかを言葉にします。次にもう一方の種にも同じ操作を行い、2つの符号から関係名まで説明できるか確かめます。

条件が変わる問題では、同じ条件の対照を選んだか、欠測や測定期間の違いを見落としていないかを点検します。差が出た理由を尋ねたとき、数値から読める変化と、追加の比較が必要な仕組みを分けて述べられれば、資料に根拠を置いた説明になります。共生と寄生の判定は、両者の比較から始まります。