高校生物 光屈性と重力屈性—刺激方向と左右の伸長差から曲がる向きを説明する｜武蔵野個別指導塾

光を当てる側の交換と水平に置いた根・茎の比較から、伸長差が生む光屈性と重力屈性を読み解きます。

よくあるのは、片側から光を受けた芽生えの図に、よく伸びる側へ曲がる矢印を描く場面です。左右の長さが違うと曲がることは捉えていますが、長い側は曲線の外側に回ります。紙の帯の両端をそろえ、片方を長くした形を想像すると、短い側が内側です。光の方向、オーキシンの分布、伸長の差、曲がる向きは別々に書いてからつなぎましょう。

問いの入り口を見分ける

資料の読み方には、大きく3つの型があります。第1は、一方向からの光を左右で入れ替え、茎の伸長差と屈曲方向を比べる型です。光が当たる面と反対の面を取り違えないことが出発点です。第2は、水平に置いた器官の上下を比較する型です。重力方向は変わらず、器官の姿勢が変わるために、器官のどちら側が下面になるかを読み直します。第3は、分布と成長の測定を組み合わせ、提案された説明がどこまで支持されるかを問う型です。

いずれも「刺激の向き」と「反応の向き」を同じ矢印にまとめると途中の判断が消えます。まず器官と伸長している部位を確認し、次に両側の伸長量を比較し、最後に曲線の内側を決めます。伸長差から曲がる向きは推論できますが、曲がったという結果だけから、ホルモンの量や移動経路まで一意には決まりません。測定や操作を加えて確かめる必要があります。

長い側は曲線の外側

光屈性は、方向性のある光に対して器官が一定方向に成長する応答です。茎が光源側へ曲がる場合は正の光屈性といいます。光が単に成長を速くするという意味ではありません。光を受ける方向と曲がる方向との関係を表す言葉です。茎の先端付近で光が受容され、その情報に伴いオーキシンの分布が偏ると、伸長部の両側に成長差が生じます。典型的な芽生えの茎では、光の当たらない側にオーキシンが多くなり、その条件で伸長が促進されるため、茎は光源側へ曲がります。

図1のように、受容から屈曲までを段階に分けます。矢印は説明の因果の順序を表します。光そのものが曲線の内側に引っ張るという図ではありません。先端で受けた刺激と実際に長さが変わる伸長部は区別して扱います。

図1のような説明にも条件があります。オーキシンの作用は器官、濃度、発達段階などに依存します。多い側が常により伸びるという法則ではありません。茎で伸長を促進する条件であっても、根では同じように扱えない場合があります。また、分布の偏りを直接測ったか、屈曲から推測したかも区別します。実験結果がある場合は、その資料に与えられた条件と測定値を優先します。

重力屈性は、重力の方向に対する成長の向きで表します。根が重力の方向へ成長する応答は正、茎が反対方向へ成長する応答は負の重力屈性です。水平に置いた器官では、重力の方向に面する側が下面です。重力の受容に伴ってオーキシンが下面に偏るモデルでは、茎の下面で伸長が促進されれば上向きに曲がります。一方、根の下面で伸長が抑制されれば、上面の方が長くなり、根は下向きに曲がります。

ここで述べた根と茎の違いは、その濃度域での応答に基づく説明です。光屈性で見た左右の移動を、そのまま重力屈性の移動経路に移してはいけません。重力の受容と分布の変化は別の刺激に対する過程として扱います。根や茎が傾いた場合も、紙面の左や右という固定の名前でなく、実際の上下と重力方向を図に書き込みます。

基本例題：光を当てる側を交換する

自作の芽生えの茎を同じ発達段階で用い、鉛直に置きます。光以外の条件をそろえ、Aでは左側から、Bでは右側から一方向の光を当てます。観察時間中、伸長部の左右の長さの増加はAで左が2 mm、右が6 mm、Bで左が6 mm、右が2 mmでした。光は図2の矢印の向きに進みます。各区でどちらへ曲がるか答え、長い側と短い側を使って40字程度で理由を述べてください。これらは問題のための数値であり、実在種の測定値ではありません。

図2のように、まずAの差は右の6 mmから左の2 mmを引いて4 mmです。右が長いので右が外側、左が内側です。したがってAは左、すなわち光源側へ曲がります。Bは左が右より4 mm長く、左が外側になるため右へ曲がります。こちらも光源側です。答えの例は「長く伸びた側が曲線の外側となり、短い側へ曲がるため」です。

結果を元の数値に戻すと、Aの外側は6 mm、内側は2 mm、Bはその左右が逆です。どちらも外側と内側の差は4 mmで、問題の伸長差と一致します。ただし、伸長量の差だけから曲率や曲がる角度の数値は求められません。器官の幅や成長の分布などの情報が足りないためです。左右を入れ替えた際に結果も反転することは、光の方向と反応の関係を支持しますが、この資料だけでオーキシンの偏りが直接示されたわけではありません。

別の整理法は、左右を先に「光側」「反対側」に置き換えることです。AもBも光側が2 mm、反対側が6 mmです。どちらの区でも光側が短いので光側へ曲がる、と判断できます。座標を固定する方法と、刺激を基準にする方法で同じ結果になるかを照合しましょう。

標準例題：水平にした茎と根

ある条件で育った同じ発達段階の茎と根を、それぞれ水平に置き、光の方向による偏りを避けて観察しました。この条件では両器官ともオーキシンが下面に偏り、茎ではその偏りが下面の伸長を促進し、根では下面の伸長を抑制するとします。一定時間後の伸長量は、茎が上面3 mm・下面7 mm、根が上面5 mm・下面2 mmでした。各器官の曲がる向きと、下面に偏ったオーキシンの作用をそれぞれ50字程度で説明してください。数値は自作の条件です。

茎は下面が上面より4 mm長いので下面が外側となり、上向きです。根は上面が下面より3 mm長く、上面が外側となるため下向きです。答えの例は「茎では下面の伸長が促進され上向き、根では下面の伸長が抑制され下向きに曲がる」です。得た向きを図に戻すと、上向きの茎では下が外側、下向きの根では上が外側です。与えられた長短に対応します。

条件表で整理すると次のようになります。促進と抑制は問題の条件として与えられた作用であり、長さの差だけから単独で確定したものではありません。

もし同じ条件の根で上下の伸長量が等しければ、その測定区間には伸長差による屈曲は生じません。下面に物質が偏ったことと、測定可能な成長差が生じたことは別の観察です。また、根と茎を比較するときに発達段階や処理時間も変えると、器官の違いと他の条件の影響が混ざります。比較したい条件以外をそろえ、複数個体を観察してばらつきも確かめます。

発展例題：分布と伸長を別々に読む

同じ発達段階の茎について、片側照射後の伸長部の左右を測定した自作資料です。区Pでは光側と反対側のオーキシンの相対量がそれぞれ3、7、伸長量がそれぞれ2 mm、5 mmでした。区Qでは左右とも相対量5、伸長量3 mmでした。Qは、照射下でも左右の分布差が生じないようにした処理区です。相対量は同じ方法で測定した単位のない値です。両区の屈曲を予測し、PとQの違いから支持される説明と残る限界をそれぞれ50字程度で述べてください。

Pでは反対側が3 mm長いので光側へ曲がります。Qでは左右の伸長量が等しく、この区間の伸長差による屈曲はありません。Pでは反対側に多い分布と大きい伸長が対応し、Qでは分布差も伸長差もありません。したがって「この条件で、分布の偏りが伸長差に関係する」という説明を支持します。しかし、処理が分布以外の成長過程にも影響する可能性があるため、この比較だけで偏りが唯一の原因とは断定できません。

別解として、各区の反対側から光側を引きます。Pの相対量の差は4、伸長量の差は3 mm、Qはどちらの差も0です。差の符号と大きさを比較すると関係が見えますが、差が同じ向きという対応と、原因を直接証明したことは異なります。処理を施したこと自体の影響を調べる対照を設け、分布を変えた後に適切な方法で偏りを回復した区も比較すれば、説明をさらに吟味できます。操作の効果が偏り以外に及ばないかの検証も必要です。

グラフで表すなら、横軸に区と側、縦軸に伸長量をmmでとり、同じ尺度の棒を並べます。相対量は単位が異なるため伸長量の軸に混ぜず、別の図か表にします。0から始まらない軸は差を大きく見せることがあり、目盛りと単位を先に読みます。平均値が同じでも個体差が大きければ結論の確かさは変わります。測定部位や観察時刻がずれる誤差にも注意し、植物を扱う観察は学校の指導の下で行います。

矢印を直して誤答をほどく

「よく伸びる右側へ茎が曲がる」という答えでは、長い方を内側に置いています。図3のように、長い側を外周、短い側を内周として描き直すと、曲がる先は短い側です。左右の長さを線で書き、両端を結んだ形に戻すと、矢印の向きだけを覚えるより誤りに気づきやすくなります。

別の誤りは「根の下面にオーキシンが多いなら下面は必ず長くなる」というものです。茎での促進を、器官と濃度を確認せずに根へ移しています。根の条件で伸長が抑制されると与えられたなら、下面が短くなると判断します。作用が与えられていない場合は、分布だけから伸長量を断定せず、その器官の濃度応答の資料を探します。

さらに「光側へ曲がったから光側の細胞がより伸びた」という逆転もあります。光源側へ曲がる典型的な茎では、伸長差を生じた部分の光と反対側が長くなります。刺激、分布、作用、伸長、屈曲の順番を答案に書き、どこまでが観察でどこからが推論かを分けてください。

練習：条件から描き直す

次の数値と条件はすべて問題用の自作資料です。答えは下にまとめてあります。記述は指定の語を使い、各40字程度を目安にしてください。

1. 鉛直な茎に右から光を当てたところ、伸長部の左が8 mm、右が3 mm伸びました。曲がる向きと伸長量の差を整数と単位で答えてください。
2. 同じ茎で照射側を左へ交換した結果、左が4 mm、右が9 mm伸びました。曲がる向きを答え、「外側」「内側」を使って理由を書いてください。
3. 水平な根の上面が6 mm、下面が2 mm伸びました。重力は下向きです。曲がる向きと、重力に対する屈性の正負を答えてください。
4. 水平な茎で下面のオーキシンが多く、その条件で下面の伸長が促進されました。「下面」「短い側」を使い、曲がる向きを説明してください。
5. 光を当てた茎の反対側が長く伸びたことだけを観察しました。「分布」「測定」を使い、オーキシンについてこの観察だけでは断定できないことと、追加で調べることを書いてください。

答えと考え方

1. 右向き、差は5 mmです。左の8 mmが右の3 mmより長く、右が内側です。右へ曲げた図に戻すと左が外側で、与えられた長短と一致します。
2. 左向きです。「9 mm伸びた右側が外側、4 mm伸びた左側が内側になるため」です。左右を入れ替えると、光側が短い点は変わらず曲がる向きが反転します。
3. 下向き、正の重力屈性です。上面が4 mm長く外側になり、下面が内側になります。下向きに曲げた形に戻せば、外側の上面が長いという条件に合います。
4. 「下面が長く伸びて外側になり、短い側の上面へ曲がる」です。上向きの曲線では下面が外側になることを確認します。促進という作用は問題の条件です。
5. 「分布の偏りは断定できず、左右のオーキシン量を測定する」です。伸長差と分布差は異なる情報です。測定で偏りが見えても、それだけで因果関係を確定せず、条件を変えた比較が必要です。

覚えておくこと

• 伸長の長い側が曲線の外側、短い側が内側です。
• 光受容、オーキシンの分布、伸長差、屈曲を順に結びます。
• 重力に対する根と茎の応答は器官と濃度の条件を確かめます。
• 屈曲の観察だけで物質の分布や原因を断定しません。

自分の図でつまずきを探す

曲がる向きが逆になったら、刺激方向を読む段階と、長い側を外側に置く段階を分けて確認します。照射面を左右交換した図を自分で描き、両側の長さと光源の位置を書き込むと、どちらで混乱したかが見えます。個別指導では、その図に加えて水平な根と茎の答案を見せ、下面の定義と促進・抑制の根拠を口頭で説明してみましょう。観察から言えることと追加の測定が必要なことを区切れれば、未知の資料にも判断を移せます。伸長差の内側と外側が、屈性の向きを決めます。