高校生物 受容器と視覚—眼の構造と明暗への応答を模式図で説明する｜武蔵野個別指導塾

網膜の桿体と錐体、光を感じる閾値の変化を自作資料で読み、明暗への順応と視覚を結びます。

よくあるのは、明るい場所から暗所に入った直後と、しばらくたった後を同じ状態として答える場面です。初めは見えにくくても、暗所にいる間に弱い光を感じやすくなります。眼の部品の名前を覚えるだけでなく、光が届く場所と、時間とともに変わる感度を分けて考えましょう。学校の範囲表と授業ノートで眼と受容器の項目を確認し、授業で使った図に名称を書き戻してから取り組みます。

どの情報を拾う問題か

出方の1つは、眼球の模式図に名称と働きを対応させる問題です。光を屈折させる部分、光量を調節する部分、光を受け取る細胞のある部分を区別します。位置の暗記だけでは、光の通り道を逆に描いたときに迷いやすくなります。外から入る光と、受容後に神経系へ送られる情報を別の矢印で追ってください。

もう1つは、明るさを変えた後の資料から感度を読む問題です。縦軸が感度なのか、感じるために必要な最小の光の強さなのかで、上昇と下降の意味が逆になります。条件が同じ測定点を比べ、変化の方向を言葉に直します。

さらに、処理した部分と結果を比較して、どこまで結論できるかを記述する型もあります。視細胞の電気的な変化と視神経を通る信号は同じ測定値ではありません。結果を見た場所を先に示し、途中の細胞の働きを飛ばさず考えます。学習範囲としての受容器と視覚は、生物の環境応答に含まれます。

光を受ける場所からたどる

受容器は、外界や体内の変化を刺激として受け取る仕組みです。ある受容器が特に低い強さで反応しやすい種類の刺激を適刺激といいます。眼の視細胞の適刺激は光です。刺激には種類と強さがあり、名前を挙げるだけで、どんな強さにも必ず反応すると決めてはいけません。耳では音による機械的な刺激を受け取る細胞が働きます。

光は角膜を通り、瞳孔を経て水晶体などで屈折し、網膜に届きます。角膜と水晶体は光の進路を曲げ、網膜上に像が結ばれることに関わります。虹彩は瞳孔の大きさを変え、眼に入る光の量を調節します。瞳孔は物質が詰まった器官ではなく、虹彩の中央の開口部です。水晶体の厚さの調節は、距離の異なる物体に焦点を合わせる働きであり、明暗への順応そのものと混同しません。

網膜には光を受け取る桿体と錐体があります。桿体は弱い光に高い感度をもち、暗い場所での視覚に主に関わります。錐体は明るい場所で働き、色の識別や細部を見ることに関わります。両者の分布は網膜の位置によって異なり、中心窩には錐体が多く、盲斑には視細胞がありません。視神経が眼球から出る盲斑と、細部を見やすい中心窩の役割を取り違えないようにします。

図1のように、光が入る道と、網膜から脳へ向かう情報の道を分けて描きます。矢印は眼球の内部構造を細かく再現したものではなく、役割の順番を示すものです。

図1の網膜には視細胞のほかにも神経細胞があり、視細胞で受け取った情報が網膜内の細胞を経て視神経へ送られます。視細胞は光刺激を受けると膜電位が変化し、光によって過分極します。一方、視神経を構成する神経節細胞の軸索では活動電位が伝わります。視神経の活動電位の有無や頻度を、そのまま視細胞の膜電位の値と呼ぶことはできません。

明るい所から暗い所へ移ると、時間の経過とともに弱い光を感じやすくなる変化を暗順応といいます。逆に暗い所から明るい所へ移ると、強い光に適応する方向に感度が変わることを明順応といいます。瞳孔の大きさの変化も入射光量に関わりますが、視細胞に含まれる視物質の状態の変化も順応に関わります。桿体の視物質であるロドプシンは光によって変化し、暗所では再生されます。順応は場所を移った瞬間に完了するものではありません。

基本例題：閾値の表を読む

次の表は、明るい所から暗室へ移った人について、同じ網膜の位置に短い光を当て、感じられた最小の光の強さを調べた自作の模式資料です。数値は比較のための任意単位であり、実測値ではありません。刺激の位置、面積、色、時間は一定とし、各時点で測定できたものとします。

問1　直後とさらに後では、どちらが弱い光を感じられますか。また、最小の強さは直後の何分の1ですか。正確な分数で答えてください。

問2　この変化を何と呼びますか。表の値と感度という語を用いて、40字程度で理由を説明してください。

まず比較する対象は、光を感じるための最小の強さです。光の強さそのものを感度と呼ぶのではありません。直後は80、さらに後は5なので、必要な強さが小さい後の方が弱い光を感じられます。比の分母は基準である直後の80、分子は後の5です。

5 ÷ 80 = 1/16

したがって問1は「さらに後、1/16」です。元に戻すと80に1/16を掛けて5となり、表の値に一致します。途中の20も直後より小さく、最後の5より大きいため、この資料の3時点では必要な強さが順に下がっています。表にない時刻について、同じ割合で連続的に下がるとは決められません。

問2は「暗順応。最小の光の強さが小さくなり、弱い光への感度が高まったため」です。図2のように、必要な最小の強さが下がる方向と、弱い光への感度が高まる方向を対応させます。値が小さいことをそのまま「感度が低い」と読まないのがポイントです。

図2の80、20、5は同じ尺度の自作値です。光を感じるかどうかの境目を示しており、網膜に入った光の量が時間とともに自動的に変わったという意味ではありません。例えば強さ10の光をこの表の条件で当てると、直後の閾値80より小さいため感じられず、さらに後の閾値5以上なので感じられると判断します。この比較は測定条件が同じという前提の下での読み取りです。

この資料は眼全体の感度の変化を表すため、各時点の反応を桿体と錐体のどちらが担ったかまでは単独で決められません。細胞ごとの働きまで問われたら、別々の反応を調べた資料や、問題文に与えられた条件が必要です。数値が細かく並んでいても、測定していない項目を付け足さないことが記述の根拠になります。

比較を増やしたときの分かれ目

ある模式実験では、同じ人の網膜の2か所A、Bについて、同じ大きさ・色・時間の光を当て、暗所への移動直後と十分な時間の経過後に最小の光の強さを調べました。位置以外の条件は同じです。自作の結果は、Aが直後60、後に6、Bが直後30、後に15でした。単位は共通の任意単位です。

問　各位置の後の値は直後の何分の1ですか。正確な分数で示し、変化の割合が大きい位置と、そこに桿体が多いと断定できるかを「別の根拠」を使って60字程度で答えてください。

Aは6 ÷ 60 = 1/10、Bは15 ÷ 30 = 1/2です。元に戻すと60に1/10を掛けて6、30に1/2を掛けて15です。減少した割合はAが9/10、Bが1/2なので、割合としての減少はAの方が大きいといえます。後の値そのものもAの方が小さいですが、変化の割合を問われたときは、それぞれの直後の値を基準にします。

答えは「Aの方が減少の割合は大きい。順応後の反応を担う細胞を特定する別の根拠がないため、桿体が多いとは断定できない」です。暗順応に桿体が関わることは知識として使えますが、この表には細胞の数も種類別の応答もありません。位置による差が観察された事実と、細胞の種類を原因として確定する判断を分けます。

もし2か所で刺激の面積まで違っていたら、表の差を位置の差に結びつけにくくなります。位置と刺激面積の両方が変わるためです。また、直後の値が小さい位置が、変化の割合も必ず大きいとは限りません。比較の基準をそろえることと、結果の原因を確定できることは別の条件です。

間違いを図に戻して直す

誤答「暗室ではすぐに最大の感度になり、その後は変化しない」。原因は、暗い場所にいるという条件と、その場所にいた時間を同一視したことです。図3のように、暗所へ移る直後と時間がたった後に区切り、弱い光を感じやすくなる変化を矢印で書きます。個々の時間や値は問題の資料を使い、図だけから読み取らないようにします。

図3は暗順応の向きを示しています。逆向きの明順応では、暗所から明所に移って強い光に適応する方向を考えます。どちらも、移動前と移動後の条件を答案に書くと、名称の取り違えを減らせます。

誤答「網膜で光を受けると、視細胞に視神経と同じ活動電位が生じる」。原因は、受容する細胞と信号を送り出す細胞をまとめてしまったことです。光を受けた視細胞の膜電位変化と、網膜内の情報処理を経て視神経に生じる活動電位を別々に書きます。視神経の信号の変化だけから視細胞の膜電位の変化量をそのまま読み取ることはできません。

誤答「瞳孔が像を感じ取る」。原因は、光の通り道と光を受容する場所を混ぜたことです。瞳孔は光の通る開口部、網膜の視細胞は光を受け取る細胞です。図に光の矢印を描き、各部の横に「通す」「屈折」「受容」と役割を添えて直します。

練習：条件と答えを対応させる

次の資料と数値はすべて自作の模式条件です。測定した位置や刺激条件は各問の中で一定とします。

1. 暗所に入ってすぐの閾値が48、時間経過後が12でした。どちらが弱い光を感じられるか、後の閾値は直後の何分の1かを正確な分数で答えてください。単位は共通の任意単位です。
2. 暗所から明所に移った人の眼で生じる順応の名称を答え、「光」「感度」を使って40字程度で変化の方向を説明してください。
3. 眼の構造について、虹彩、瞳孔、網膜のうち、光を受ける視細胞がある部分と、入射光量の調節に関わる部分をそれぞれ挙げてください。調節に関わる部分は、開口部の大きさを変える組織を答えます。
4. ある刺激によって視神経の活動電位が変化したという資料があります。この結果から視細胞の膜電位の変化量をそのまま決められるか、「網膜内」「活動電位」を使い50字程度で答えてください。

練習の答えと考え方

1. 時間経過後、1/4です。12 ÷ 48 = 1/4で、48に1/4を掛けると12に戻ります。必要な最小の光の強さが48から12へ下がったため、後の方が弱い光を感じられます。これは眼に実際に当てた光が4分の1になったという意味ではありません。

2. 明順応です。「明所に移ると、強い光に適応する方向に眼の感度が変化する」と説明できます。暗所への移動なら暗順応ですが、この問では移動先が明所です。瞳孔の変化と視物質の状態の変化はともに関わりますが、どちらか一方の結果だけで順応の全過程を説明する必要はありません。

3. 視細胞があるのは網膜、開口部の大きさを変える組織は虹彩です。瞳孔は虹彩の中央にある光の通り道で、虹彩そのものではありません。問の「開口部の大きさを変える組織」という条件に戻して、答えが組織の名になっているか点検します。

4. 決められません。「網膜内で情報が処理され、視神経の活動電位は視細胞の膜電位そのものではないため」です。測った結果は視神経の信号であり、視細胞の膜電位を直接測った値ではありません。途中の細胞による情報の受け渡しがあるため、数値をそのまま移す根拠がないと説明します。

覚えておくこと

光は角膜・瞳孔・水晶体を通って網膜へ届きます。
桿体は弱い光、錐体は明所の色や細部に関わります。
暗順応では時間とともに弱い光への感度が高まります。
閾値が低いほど弱い光を感じられます。
視細胞の膜電位と視神経の活動電位を区別します。

答案のどこで迷ったか

図の名称が合っていても説明が逆になる場合は、光が進む矢印と情報が伝わる矢印を別に描いてみます。閾値の問題で迷う場合は、2つの測定値のうち小さい方を指し、その強さの光をそれぞれの時点で感じられるか口に出して確かめます。個別指導では、答案の「感度」と「最小の光の強さ」が同じ向きに変わるように書かれていないか、また視細胞と視神経の測定場所が明記されているかを確認できます。暗所に入った時刻とその後を分けると、順応の変化が答案に現れます。