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高校生物興奮の伝導—局所電流と不応期から隣の膜へ興奮が移る過程を追う｜武蔵野個別指導塾

公開 2026.11.13更新 2026.11.13武蔵野個別指導塾の特徴生物を掘り下げる環境応答

向かい合う興奮の衝突を局所電流と不応期から説明し、衝突位置の記録と通過後の記録を区別します。

よくあるのは、1本の軸索の離れた2点を刺激し、向かい合った2つの興奮が衝突後も互いを通過すると描く場面です。動く波を線の上に描くと、物体がすれ違うように見えるかもしれません。しかし興奮の波の背後には、直前に興奮したために再び興奮しにくい膜が残ります。この膜の状態まで時間順に追うと、衝突後の予測が変わります。

どの膜を、いつ見るか

出方の1つは、興奮した部分から隣の静止した膜が興奮する理由を、電流と膜電位の変化で説明する問題です。矢印に「局所電流」と書くだけでは足りません。隣の膜が脱分極し、閾値に達すると新たな活動電位が生じるところまで結びます。

もう1つは、軸索の途中への人工刺激や2点刺激について、興奮が進む向きと記録の有無を問う問題です。刺激点の両側に興奮可能な膜があれば、最初は両向きに伝わります。一方、向かい合う波が出会う位置では、それぞれの前方に相手が直前に興奮させた膜があるため、通り抜けるとは予測しません。

3つ目は、刺激や記録の条件を変えたときの結果を比較する問題です。記録がない場合には、興奮が届かなかった場合だけでなく、記録装置の問題も考えます。以下の資料は条件を明示した自作のモデルであり、実在する軸索の測定値ではありません。伝導速度の算出は扱わず、位置と膜の状態の関係に集中します。

隣へ渡るのは何か

神経細胞の軸索の膜では、静止時に内側が外側に対して負の電位を示します。刺激によって膜が十分に脱分極して閾値に達すると、その場所に活動電位が生じます。電位依存性のNa⁺チャネルが開くとNa⁺が流入し、膜の内側の電位が上がります。続いてチャネルの状態が変わり、K⁺の流出などによって再分極します。これは1か所の膜についての時間変化です。

図1のように、興奮した部分と、まだ静止している隣の部分との間には電位の差ができます。この差によって、軸索の内部と外部を通る局所電流が生じます。図の矢印は正電荷の移動の向きを表し、物質が矢印に沿って軸索の端まで運ばれるという意味ではありません。内側では興奮部から隣へ向かう電流が、隣の膜を脱分極させます。

図1では、内側の矢印が静止部へ向き、外側の矢印が戻る向きです。隣の膜が閾値に達すると、そこ自身のNa⁺チャネルが開いて新しい活動電位が生じます。さらにその隣へ同様の変化が広がるため、活動電位が次々と再生されて伝わります。最初の電位がそのまま遠くまで流れ、途中で薄まったものが伝導の正体ではありません。

ただし、隣に電流が流れれば必ず興奮する、と一般化することもできません。膜が閾値まで脱分極する必要があり、その膜が興奮できる状態であることも必要です。刺激の強さや膜の状態を変えた資料では、どちらの条件を満たしたかを分けて読みます。

興奮の直後には不応期があります。絶対不応期には通常の刺激では新しい活動電位を生じず、続く相対不応期には普段より強い刺激が必要です。進行中の波のすぐ後ろは直前に興奮したため、通常はその波による局所電流で再び興奮しません。この後ろ向きの再興奮の起こりにくさが、一方へ進む波を理解する鍵です。Na⁺チャネルの不活性化からの回復には時間が必要で、再分極したという言葉だけで回復完了と決めないようにします。

人工的に軸索の途中を刺激すると、刺激点の左右には、それぞれまだ興奮していない膜があります。そこで左右へ波が生まれます。これは生体内で通常、情報が受容側から軸索終末へ進む経路の向きと矛盾しません。また、軸索上の伝導と、化学シナプスでの細胞間の伝達は異なる過程です。シナプスの一方向性を、途中刺激で片側にしか伝わらない根拠には使えません。

基本例題：2つの波の境目

1本の一様な軸索に、左から順に端L、刺激点P、中央C、刺激点Q、端Rがあります。PとQを同時に十分な強さで刺激します。PからCとQからCまでの条件は対称で、両方の内向きの波は同時にCへ達します。波の直後の膜は、相手の波が到着した時点で絶対不応期にあるものとします。端からの反射はなく、記録装置は正常です。Cで出会った後、PとQの間で波は互いを通り抜けますか。理由を「不応期」「再興奮」を使って60字程度で答えてください。端Lと端Rへ向かう波の有無も答えます。

図2のように、最初に各刺激点から左右へ分けて矢印を描きます。内向きの2本と外向きの2本を別々に扱うと、衝突の影響を受ける範囲を見落としません。

Pから右向きの波とQから左向きの波はCへ近づきます。C付近で出会うと、それぞれが進もうとする先の膜は、相手の波によって直前に興奮した部分です。問題の条件では絶対不応期なので、そこに局所電流が及んでも新しい活動電位を生じません。したがって内向きの波は互いを通り抜けません。

記述例は「互いの進行先の膜が直前に興奮して不応期にあるため、局所電流が流れても再興奮が起こらず、波は通過しません」です。Pから左向きの波はLへ、Qから右向きの波はRへ向かいます。外向きの波は中央の衝突より前に反対方向へ進んでいるので、中央での消失を理由に消すことはできません。

別の確かめ方は、Cの両側について「直前にどちらの波が通ったか」を表にする方法です。Cの左側はPからの波、右側はQからの波が先に通りました。右向きの波にとって右側は相手が通った後、左向きの波にとって左側も相手が通った後です。両側とも不応期という条件に戻るので、通過しない結論が得られます。

標準例題：記録の組合せからたどる

別の1本の軸索に左からA、B、C、D、Eの順に点を置きます。BとDを同時に刺激し、内向きの波はCで同時に出会います。衝突する波の直後は絶対不応期で、波はそこで消失します。端の反射はなく、全記録点は正常に働きます。刺激後にA、C、Eで活動電位を記録するか、各点について「記録あり」か「記録なし」で答えてください。Cは衝突位置自体を記録する点とします。

AにはBから左へ進む波が届きます。EにはDから右へ進む波が届きます。Cは内向きの波が到達して興奮する位置なので、そこでも記録があります。答えはA、C、Eの3点とも記録ありです。衝突後に波が通過しないことと、衝突位置が興奮しないことは別です。記録があるという結果だけから、波が相手を通過したとは言えません。

条件表で整理すると、AにはBからの外向きの波、Cには両側からの内向きの波、EにはDからの外向きの波が対応します。到着源を各点に戻して照合すると、どの記録も問題の配置と矛盾しません。もしCから少し左の点でQ側に相当する波を区別して記録できるという別条件なら、衝突後の通過の有無を直接検討できますが、単なるCの記録だけでは区別できません。

発展例題：消えた記録の理由を絞る

直線状の1本の軸索に、左から刺激点S、刺激点M、記録点Tを置きます。Sだけを刺激するとTに活動電位が記録されます。別の試行ではMを先に刺激し、そこから左へ進む波がSへ届く前に、興奮可能なSを十分な強さで刺激します。Sから右へ進む波とMから左へ進む波はSとMの間で出会い、各波の直後の膜は絶対不応期にあるものとします。Mから右へ進む先行波のTでの記録は、S刺激に対応する時間帯と区別できます。反射や別経路はなく、記録は正常です。S刺激に対応するTの記録を予測し、「衝突」「不応期」を使って理由を80字程度で述べてください。

Sから右へ進む波は、Mから左へ進む先行波と途中で衝突します。それぞれの進行先は相手の波が直前に興奮させた膜で、絶対不応期のため再興奮できません。したがって両波は通過せず、S刺激に対応するTの記録はありません。Mから右へ進んだ波による先行記録とは区別します。

比較には、Sのみを刺激した試行と、Mの先行刺激を加えた試行を使います。Sが刺激時に興奮可能であること、刺激と記録が正常なこと、先行記録を時間的に識別できることが、このモデルで衝突の影響を判断する条件です。単なる無記録だけから、実際の原因を衝突と断定することはできません。

位置を横軸、時刻を縦軸にした資料では、波の位置を時刻ごとに点で結ぶと、2本の線が出会う位置を読めます。線がそこで終わるモデルと、交差して続くモデルを区別してください。測定点が粗いと出会う位置の幅が残り、記録の時間分解能が低いと近接した波を区別しにくくなります。学校の指導の下で観察・実験の資料を扱う際も、結果と装置の限界を同じ図に読み込むことが大切です。

通過する線をどう直すか

誤答は、図3の上段のように、2つの波の軌跡を交差させてその先まで延ばす描き方です。波を独立した粒の移動として扱い、膜が直前に受けた変化を消してしまうことが原因です。図3の下段では、出会う位置で内向きの線を止めています。軌跡の矢印は興奮の進行を表します。

修正するときは、線を消す前に進行方向のすぐ先を指で追い、その場所を相手の波がいつ通ったかを書きます。直前に通過して絶対不応期なら、再興奮できません。条件に不応期の長さや到着時の状態が与えられない場合、資料から読める範囲と仮定を区別します。相対不応期を絶対不応期と同一視し、強さに関係なく興奮しないと書くのも誤りです。

別の誤答は「不応期があるから刺激点から一方向へしか進まない」です。刺激直後には左右の未興奮の膜がそれぞれ前方にあり、そこに局所電流が及びます。片方へ進む波の後ろが不応期であることと、最初に2方向へ波が生じることを、別々の時刻で描き直してください。

練習：膜の状態を手がかりにする

各問の軸索は1本で、端からの反射はありません。数や配置は問題のために定めた条件です。

軸索の途中の点Hを1回刺激しました。左右の膜は刺激前に興奮可能です。刺激直後の伝導方向を答え、その理由を「局所電流」を用いて40字程度で書いてください。
左からJ、K、Lの順に位置する膜で、Jから右へ波が進んでいます。Kが興奮した直後、Lはまだ静止状態です。KからLへ波が進む理由を「閾値」「活動電位」で50字程度にまとめてください。
左右の2点を同時刺激し、中央の点Nで内向きの波が出会いました。相手の波が通った直後の膜は絶対不応期です。Nでの興奮の有無と、波が互いを通過するかをそれぞれ答えてください。
点Uを刺激したところ、右側の点Vで記録がありません。UとVの間を通る波を想定したとき、記録がない理由として膜の状態に関する可能性を1つ、記録系に関する可能性を1つ挙げてください。どちらも15字程度で答えます。
軸索上の点Wを刺激し、直後と十分に時間を置いた後に同じ強さの刺激を再び与えます。直後は絶対不応期、後の時点では興奮可能性が回復しているとします。刺激強度は回復後の閾値以上です。2回目の活動電位の有無を各時点で答え、違いを40字程度で説明してください。

練習の答えと道筋

左右の両方向です。例は「Hから左右の興奮可能な膜へ局所電流が流れ、それぞれが脱分極するため」です。左右とも閾値に達する条件であることを前提にします。片側が興奮できない条件なら、両方向という答えは保証されません。
例は「Kからの局所電流でLが脱分極し、閾値に達するとL自身に活動電位が生じるため」です。Lの膜をまだ静止状態として問題に戻せば、再生の対象が興奮可能な前方にあると確認できます。
Nは興奮しますが、内向きの波は互いを通過しません。Nに到達することと、Nの先の膜に再興奮を起こすことは別の判定です。両側の進行先には相手が直前に興奮させた膜があるという条件に戻します。
例は「途中の膜が絶対不応期」と「記録装置の接続不良」です。いずれも記録がないことと両立しますが、結果だけでは選べません。正常に記録できる対照を設けるなどして候補を絞ります。
直後は活動電位なし、回復後は活動電位ありです。例は「直後は絶対不応期で再興奮できず、回復後は閾値以上の刺激で興奮するため」です。刺激の強さが同じでも膜の状態が異なるという条件に戻して確認します。

要点を残す

局所電流は隣の膜を脱分極させ、閾値に達すると活動電位が再生されます。波の直後の不応期は、直前に興奮した膜の再興奮を妨げます。途中の人工刺激では、興奮可能な両側に波が生じます。向かい合う波は、不応期の膜に阻まれて通過せず、衝突位置は興奮します。

答案のどこを見るか

方向を間違えたときは、まず刺激点の直後に左右の膜を描き、次に波の後ろの膜を別の印で示してみてください。個別指導では、その図に局所電流の向きと閾値に達する位置を書き加え、同じ時刻の状態を混ぜていないか確かめます。記録の有無を問う答案では、記録点が衝突位置そのものなのか、その先なのかを指し示してもらいます。興奮の位置と、その直後の膜の状態を組にすると、波の行方を根拠を持って追えます。