高校生物 平衡覚—半規管と前庭が受け取る刺激を運動条件で見分ける｜武蔵野個別指導塾

回転を始めたときと止めた直後の液の相対運動を比べ、直線加速度や傾きとの違いを平衡覚から読み解きます。

よくあるのは、回転を止めた直後の体と液の動きを、どちらも同じ向きに描く場面です。回転していた容器が急に止まっても、内部の液は慣性のためにすぐには止まりません。体と液のどちらを基準にするかを決めると、この場面の矢印を整理できます。ここでは平衡覚に関わる器官と、運動の条件を読み取る方法を考えます。

要点（結論から）

• 半規管は回転の変化に伴う液と壁の相対運動を受け取ります。
• 回転開始直後と停止直後では、液の相対運動の向きが逆になります。
• 耳石器は直線加速度と頭の傾きに伴うずれに関わります。

どんな条件を比べるか

平衡覚の資料では、動きの名前を覚えるだけでなく、運動の変化と受容器の変形を結ぶことが求められます。まず、回転を始めた直後と止めた直後の比較です。半規管の壁と中の液の動きを別々に考え、その差から感覚毛の曲がる向きを推定します。一定の速さで回り続ける場合は、回転開始直後と同じ状態ではありません。

次に、直線加速度や頭の傾きと、前庭にある耳石器との対応を考える型があります。傾いた頭に対する重力の向きと、直線運動の速度の変化を区別します。半規管と耳石器の両方が内耳にあっても、受け取りやすい刺激の種類は異なります。

さらに、実験の条件を読み、どこまで言えるかを判断する問題もあります。液の相対的な動きと、神経の応答や本人の感じ方は別の段階です。図に矢印が示されても、それが床から見た動きなのか、器官から見た相対運動なのかを確認します。数字を使う以下の資料は、考え方を練習するための自作の条件であり、実在する器官の測定値ではありません。

液と感覚毛を別々に追う

図1のように、半規管には内部を満たす液と、膨大部にある感覚細胞が関わります。感覚細胞の感覚毛は、ゼリー状の構造であるクプラに包まれています。頭の回転が変化すると、半規管の壁と液の動きに差が生じ、クプラが変形し、感覚毛が曲がります。この変形に応じて感覚細胞の信号が変化し、神経を通して中枢へ伝わります。

図1の矢印は刺激から受容器への対応を示します。半規管は主に回転の加速度、つまり回転の速さや向きが変化するときに関わります。回転開始時には壁が先に動き始め、液は慣性のため壁に対して遅れます。回転を十分長く続けると、液も壁に近い動きとなり、相対的な流れは小さくなります。止めた直後は壁が止まる一方、液はそれまでの回転方向へ動き続けるため、開始時とは逆向きの相対運動になります。

前庭のうち耳石器には卵形嚢と球形嚢があり、感覚毛を含む感覚細胞の上に耳石を含む膜があります。頭が傾くと、重力による力の向きが器官に対して変わり、膜と感覚細胞の間にずれが生じます。直線加速度でも耳石を含む膜の慣性によりずれが生じます。感覚毛の変位が信号の変化へつながる点は半規管と共通ですが、液の回転に伴う相対運動と耳石を含む膜のずれは、別々の仕組みとして整理します。

注意したいのは、耳石器の出力だけから、傾きと直線加速度を常に一意に区別できるとは限らないことです。どちらも器官に対する力の向きや大きさを変えます。実際の姿勢の把握には、ほかの感覚情報や時間的な変化も関わります。問題文に与えられていない情報を補って、実際の姿勢や診断を断定しないようにします。

感覚毛には向きがあり、曲がる向きによって感覚細胞からの信号の変化も異なります。ただし、液の矢印がそのまま神経の発火の増減を示すとは限りません。どちら向きの変位で応答が増えるかが問題に与えられた場合に、その対応を使います。左右や個々の器官の配置まで指定されていないときに、増加か減少かを決めることはできません。

基本例題：開始と停止の矢印

図2は、上から見た半規管の模式資料です。右向きを正の接線方向とし、回転開始直後と、十分長く一定の回転を続けた後に急停止した直後を比べます。床から見た接線方向の速度を、練習用の相対的な数で次のように定めます。開始直後は壁が右へ4、液が右へ1です。停止直後は壁が0、液が右へ3です。いずれも同じ速度の単位とし、実測値ではありません。

問：各瞬間について、壁から見た液の速度を整数で求め、右向きか左向きかを答えてください。また、2つの相対運動の向きを比べてください。

図2の矢印は床から見た壁と液の動きです。相対速度は、液の速度から壁の速度を引いて求めます。基準となる壁の動きを引くのは、壁と一緒に動く人が液の動きを見るためです。

開始直後は 1 − 4 = -3 です。負の符号は左向きなので、壁から見ると液は左へ3の速さで動きます。液は床から見れば右へ動いていますが、壁の方が速く右へ動くため、壁に対しては左へ遅れて見えます。

停止直後は 3 − 0 = 3 です。壁から見ると液は右へ3の速さで動きます。したがって、開始直後と停止直後の相対運動は逆向きです。図2で停止時に壁の矢印がないのは、壁が静止している条件を示すためです。

答えを元の場面へ戻して点検します。開始時の相対速度 -3 に壁の速度 4 を足すと、液の速度 1 に戻ります。停止時の相対速度 3 に壁の速度 0 を足すと、液の速度 3 に戻ります。符号を付けずに速さだけで引くと方向を失うので、基準方向を最初に定めます。

標準例題：一定の回転と停止を分ける

ある模式モデルでは、同じ向きに回転する壁と液の接線方向の速度を、開始直後にはそれぞれ 6 と 2、十分長く一定の速さで回った後には 6 と 6、急停止直後には 0 と 5 とします。正の向きは回転方向です。値は同じ任意の速度単位で、実際の測定値ではありません。壁から見た液の速度を各時点について整数で求め、相対運動の大きさを比べてください。

開始直後は 2 − 6 = -4、一定の回転を続けた後は 6 − 6 = 0、停止直後は 5 − 0 = 5 です。よって、相対運動の大きさは順に4、0、5です。開始直後は回転方向と反対、停止直後は回転方向です。一定回転の後は、このモデルでは両者が同じ速度なので相対運動がありません。

別の整理法として、各時点の壁と液を同じ表の行に置き、速い方を先に見る方法があります。開始直後は壁が速いので壁から見た液は後ろ向きです。停止直後は壁が止まり液が進むので前向きです。この方法でも同じ結論に到達します。元の条件に戻すと、-4 + 6 = 2、0 + 6 = 6、5 + 0 = 5 となり、各時点の液の速度を再現します。

このモデルでは一定回転の後に相対速度を0と置きましたが、実際の変化を読むときは資料にある時点と値を使います。回転中であればいつでも液が壁と同じ速度だと決めたり、停止した後も相対運動が永久に続くと決めたりしてはいけません。摩擦などの影響で相対運動は時間とともに変わります。数値から直接言えるのは、指定した3時点の関係です。

発展例題：刺激の種類と推論の限界

同じ向きに頭を保った状態で、条件Aでは静止、条件Bでは直線方向に加速、条件Cでは定速直線運動、条件Dでは静止したまま頭を傾けるとします。モデル上、頭以外の条件は比較に必要な範囲でそろえられています。問いは、Aと比べて耳石器への刺激の変化が期待される条件を選び、その理由を60字程度で説明することです。Cの開始や停止の瞬間は対象に含めません。

条件を一行ずつ整理します。Aは比較の基準です。Bでは直線速度が変化し、耳石を含む膜の慣性によって感覚毛にずれが生じます。Cは定速であり、その区間では直線加速度が0です。Dでは頭に対する重力の向きが変化し、耳石を含む膜の位置関係が変わります。したがってBとDを選びます。

記述例は「Bでは加速度による慣性で、Dでは頭に対する重力の向きの変化で、耳石を含む膜と感覚細胞にずれが生じる」です。傾きを記述するときに「重力がなくなる」と書く必要はありません。重力は働いており、器官に対する向きが変わります。Cについても、定速に達する前の加速区間を含めたら、別の判定が必要です。

別解として、条件表を作り、速度の変化と頭の向きの変化の2列に有無を書き込めます。Bは前者あり、Dは後者あり、Cは指定された区間でどちらもなしです。この整理は、名前の印象から判断する誤りを防ぎます。ただし、耳石器の刺激が変化したという情報だけで、BとDのどちらだったかを必ず特定できるとは言えません。

もし2つの条件の応答を比べる資料を設計するなら、回転の有無や頭の初期姿勢をそろえ、直線加速度または傾きの一方を変える対照を用意します。測定の時点をそろえないと、刺激が始まった直後と落ち着いた後を混同します。記録のばらつき、頭の向きのずれ、加速の強さの違いも結果の差を生み得ます。観察する値と予想する向きをあらかじめ定め、繰り返した資料の幅を示すと、差が安定しているかを検討できます。動物を使う操作や危険を伴う実験の手順は扱わず、学校の指導の下で安全に扱える資料を検討します。

時系列グラフでは、横軸が時刻、縦軸が何の量かを先に読みます。壁の速度、壁に対する液の速度、神経の応答は別の量です。回転開始と停止を同じ縦軸のまま追う場合、基準方向と0の位置を確認します。単位の違う曲線を同じ高さだから同じ値だと比べることはできません。応答の符号と感覚毛の曲がり方の対応が示されていなければ、グラフの正負から発火の増減までは決められません。

間違いを矢印の基準から直す

図3のように、回転停止直後に壁と液を両方とも静止と描く答案は、壁の停止を液にもそのまま適用しています。誤答の原因は、壁と液が別の物体であり、液には慣性があることを落としている点です。停止直後は壁を0、液を停止前の回転方向へ描いてから、液の速度から壁の速度を引きます。時間が十分にたった後の状態と直後の状態は分けます。

別の誤答は「液が床から見て右向きなら、壁から見ても必ず右向き」です。図3とは別の開始時の条件で、液が右へ1、壁が右へ4なら、壁から見た液は左へ3です。床から見た向きと相対的な向きは一致する場合も異なる場合もあります。矢印のそばに基準を記せば、どちらの意味かを答案で伝えられます。

「耳石器は傾き専用で加速度に関係しない」という誤りもあります。耳石を含む膜が重力や慣性の影響を受けることに戻り、静止した傾きと直線加速の両条件を考えます。一方で「耳石器の信号が変わったから必ず加速した」とするのも行き過ぎです。傾きなど別の条件が残るため、追加の情報や対照が必要です。

練習：条件を読み替える5問

次の数値はすべて問題用に定めたもので、実在の測定値ではありません。速度は同じ任意の単位とし、右を正とします。計算結果は符号付きの整数で答えてください。

1. 回転開始直後、壁の速度が右へ8、液が右へ3です。壁から見た液の速度を求め、向きも記してください。
2. 別の回転で停止直後の壁の速度は0、液は左へ4です。壁から見た液の速度を求めてください。
3. 一定の回転を十分長く続けた時点で、壁と液がともに左へ7です。壁から見た液の速度を求め、相対運動の有無を答えてください。
4. 頭の向きを変えず、静止状態から直線方向へ加速する条件と、一定速度で直進する区間を比べます。耳石器の刺激が基準の静止状態から変わると予想する条件を選び、理由を40字程度で記してください。
5. 回転停止直後に、液の相対運動が開始直後と逆向きになりました。この情報だけで感覚神経の発火が増加したと決められるか、必要な追加情報に触れて50字程度で答えてください。

解答と確かめ

1. 3 − 8 = -5 です。壁から見た液は左へ5です。-5 + 8 = 3 と戻すと、床から見た液の速度を再現できます。壁も液も右向きでも、壁の方が速ければ相対運動は左向きです。
2. 左向きを負として、-4 − 0 = -4 です。壁から見た液は左へ4です。-4 + 0 = -4 と戻り、停止直後も液が左へ動くという条件に合います。
3. 左へ7は -7 なので、-7 − (-7) = 0 です。この時点の相対運動はありません。0 + (-7) = -7 とすると、液が壁とともに左へ7で動く元の条件に戻ります。
4. 加速する条件です。直線加速度に伴う慣性によって耳石を含む膜がずれ、感覚毛が変位するためです。定速区間は加速度が0です。ただし定速に達するまでの加速区間は、この比較から外しています。
5. 決められません。液の向きから感覚毛の曲がりを考えるには器官の配置が必要で、さらに曲がる向きと発火の増減の対応も必要です。相対運動が逆向きという事実と、神経の応答の増減を混同しません。

要点を短く

• 半規管は回転の変化に伴う液と壁の相対運動を受け取ります。
• 回転開始直後と停止直後では、液の相対運動の向きが逆になります。
• 耳石器は直線加速度と頭の傾きに伴うずれに関わります。
• 相対速度は、同じ基準で表した液の速度から壁の速度を引いて求めます。
• 神経の応答や運動の原因は、与えられた対応と対照の範囲で判断します。

答案のどこでつまずいたか

矢印が合わないときは、まず答案に床と壁のどちらを基準にしたかを書き込んでみます。開始直後に液と壁の両方が床から見て同じ向きでも、速度差によって相対運動が反対向きになることを、具体的な数で確かめられるかが判断の分かれ目です。

個別指導では、停止直後の図を本人に描いてもらい、壁、液、感覚毛、神経の信号を一段ずつ区別して説明できるかを確かめます。耳石器の問題では、定速と加速、傾きの条件を表に整理し、同じ信号から複数の原因が考えられる場面で断定を避けられるかを見ます。基準を明示した矢印が、平衡覚の資料を読み直す足場になります。