高校生物 光受容体と花芽形成—明暗処理の結果から開花の条件を判断する｜武蔵野個別指導塾

暗期中断と赤色光・遠赤色光の処理から、花芽形成を考える軸は光周性です。

よくあるのは、短日植物の開花を昼の短さだけで判定する場面です。明るい時間が短い区を選んだのに、夜の途中で光を当てた条件を見落として答えが合わないことがあります。昼の長さに加え、暗い時間が途中で切れたかどうかを表に書き込むと、見える条件が変わります。

学校の範囲表と授業ノートで、光周性、フィトクロム、暗期中断の扱いを確かめてから取り組みましょう。学習指導要領の「生物」には生物の環境応答が含まれます。ここでは花芽形成を中心に、明暗処理から言えることを練習します。

問われる条件を先に拾う

出方の1つは、明期と暗期の時間を表から読み、花芽が形成される区を選ぶ問題です。明期は光が当たる時間、暗期は暗い時間です。各区で連続した暗期を取り出し、問題で与えられた条件と比べます。暗期が2つに分かれたら、それらの合計ではなく、途切れず続いたそれぞれの長さを調べます。

2つ目は、暗期の途中に赤色光や遠赤色光を当てる実験から、処理の効果を比較する問題です。光を当てる時刻と順序を見て、比べる2区の違いを特定します。赤色光の後に遠赤色光を当てたときの結果まで与えられていれば、光の種類と順序が結果に関わることを読み取れます。ただし、実験で示されていない条件の結果まで決めることはできません。

3つ目は、葉に光を当てた条件と花芽ができる場所を区別して記述する問題です。葉で光周条件を受け取り、その情報が茎の先端に伝わって花芽形成に関わります。どの部分に処理をしたか、どの部分を観察したかを別々に書くと、受容と反応を混同しにくくなります。

暗期と光受容体を結びつける

光周性とは、昼夜の長さの組合せに応じて起こる生物の反応です。花芽形成では、短日植物と長日植物が代表的な分類です。短日植物では、花芽形成に一定の長さを超える連続した暗期が必要な場合があります。長日植物では、一定の長さより短い暗期が花芽形成に適する場合があります。境界の扱いは問題の条件を読み、等しい場合を勝手に含めないようにします。

図1のように、フィトクロムには赤色光を吸収しやすい型と遠赤色光を吸収しやすい型があり、光によって互いに変化します。赤色光を吸収しやすい型をPr、遠赤色光を吸収しやすい型をPfrと表します。赤色光はPrからPfrへの変化を、遠赤色光はPfrからPrへの変化を促します。実際には両方の型が存在し得るので、光を当てた瞬間に全分子が必ず一方へ変わるという意味ではありません。

図1は光受容体の型の変化を表し、花芽が必ず形成される方向を示す図ではありません。短日植物と長日植物では、光周条件に対する花芽形成の反応が異なります。光受容体の型の変化と、与えられた植物で観察された花芽形成とを、問題の結果に沿って結びつけます。

暗期中断とは、暗期の途中に短時間の光を当てる処理です。例えば夜が長くても途中で赤色光を当てると、短日植物の花芽形成が抑えられる場合があります。暗期中断に続けて遠赤色光を当てると、その抑制が打ち消される場合があります。これは処理の結果として読む説明であり、どの植物にも同じ結果が出るという決まりとして扱いません。

基本例題：連続した暗期を数える

次は自作の条件です。ある短日植物では、連続した暗期が10時間を超えると花芽が形成され、10時間以下では形成されないとします。毎日同じ処理を続け、暗期中断の短い光の照射時間は計算に含めません。区Aは明期12時間の後に暗期12時間、区Bは明期14時間の後に暗期10時間です。区Cは明期12時間の後、暗期を5時間続けて赤色光を短時間当て、さらに暗期を7時間続けます。この赤色光は暗期を中断するとします。AからCの各区について花芽形成の有無を答え、区Cは計算と理由も示してください。

図2のように、暗期を明期と分けて横に並べ、光を当てた場所で暗期を切ります。区Cの5時間と7時間は合計すると12時間ですが、途中で赤色光が入るため連続した12時間ではありません。

区Aでは連続暗期が12時間です。12時間は10時間を超えるので、花芽が形成されます。区Bでは連続暗期が10時間です。条件は10時間以上ではなく10時間を超えることなので、等しい区Bでは形成されません。

区Cでは、照射前が5時間、照射後が7時間です。5時間も7時間も10時間以下なので、花芽は形成されません。時間の合計は5 + 7 = 12時間ですが、この合計を連続暗期として比較することはできません。結果を元の図に戻すと、花芽が形成されるAの暗期には途中の照射がなく、Cには照射があります。AとCは明期と暗期の合計が同じなので、この設定では途中の処理が判断の分かれ目だと確認できます。

この例題の基準値は問題のために置いた値です。実在する植物にそのまま適用せず、別の問題ではその問題で与えられた基準を読み直します。照射前後をそれぞれ区間として数えたうえで、赤色光が暗期中断になるという条件を根拠に判断します。

光の順序を変えた比較

別の自作実験です。ある短日植物を同じ長い暗期に置き、同じ時刻に短い処理をします。区Dは暗期中に光を当てず花芽を形成しました。区Eは赤色光を当てると形成しませんでした。区Fは赤色光の直後に遠赤色光を当てると形成しました。区Gは遠赤色光の直後に赤色光を当てると形成しませんでした。光の種類と順序以外の条件は等しく、各区の結果が繰り返し確認されたとします。

問1は、区Eと区Fの違いを「遠赤色光」「赤色光」を用いて40字程度で説明することです。問2は、区Fと区Gを比較して、結果に関係する条件を20字程度で答えることです。

問1の答えの例は「赤色光の後に遠赤色光を当てると、赤色光による花芽形成の抑制が打ち消された」です。EとFの差は、赤色光の後に遠赤色光を加えたかどうかです。Dを対照にすると、Eでは暗期中の赤色光に伴って形成が抑えられたと読めます。Fでは赤色光の後に遠赤色光を加えた結果、Dと同じく形成されました。よって、この条件では後から加えた遠赤色光が抑制を打ち消したと判断できます。

問2の答えの例は「赤色光と遠赤色光を当てる順序」です。FとGは両方の光を受けていますが、順序が逆です。この2区の結果が異なるため、単に両方の光を当てたかでは説明できません。最後に当てた光の種類と結果が対応することも、この4区から読み取れます。

ここでの分かれ目は、結果として示された範囲と、まだ試していない範囲です。DからGには遠赤色光だけを当てた区がないため、その処理だけで花芽が形成されるかは決められません。また、この表だけから光受容体の各型の量を正確に計算することもできません。型の変化という説明は光の順序による結果と整合しますが、表が直接測ったのは花芽形成の有無です。

答えを直す3つの手掛かり

誤答の例は「区Cは暗い時間の合計が12時間なので花芽を形成する」です。原因は、合計時間と連続した時間を同じものとして扱ったことです。図3のように照射の位置に区切りを入れ、5時間と7時間を別々に基準と比べます。するとどちらも10時間を超えず、例題の条件では形成されないと直せます。

別の誤答は「区Bの暗期は10時間だから形成される」です。原因は「超える」を「以上」と読み替えたことです。境界の数値に線を引き、等しいときも条件を満たすのか文章に戻って確かめます。図3の合計12時間という数も、それだけでは連続暗期の条件を満たした根拠になりません。

さらに「区Fは遠赤色光が花芽を直接作った」と書くと、観察していない仕組みまで断定しています。原因は処理と結果の対応から、途中の作用をすべて推測したことです。赤色光を加えたEと、その後に遠赤色光も加えたFを比べ、この条件では赤色光による抑制が打ち消された、と観察に即して直します。

練習：条件を読み分ける

以下はすべて自作の条件です。光照射は短時間とし、その長さは時間の計算に含めません。解答は問題をまとめた後にあります。

問題1

ある短日植物は、連続暗期が9時間以上なら花芽を形成し、それ未満なら形成しません。毎日同じ処理を行います。区Hは明期15時間と暗期9時間、区Iは明期13時間と暗期11時間、区Jは明期13時間の後に暗期を4時間続け、赤色光で中断し、さらに暗期を7時間続けます。赤色光は暗期を中断します。各区の形成の有無を答え、Jでは連続暗期の長さをそれぞれ時間で示してください。

問題2

ある長日植物は、連続暗期が8時間未満のとき花芽を形成し、8時間以上では形成しません。区Kは明期16時間と暗期8時間、区Lは明期17時間と暗期7時間です。区Mは明期15時間の後の暗期9時間を赤色光で3時間と6時間に分けます。この植物では赤色光が暗期を中断し、中断後はそれぞれの連続暗期で条件を判定できるとします。各区の形成の有無と理由を答えてください。

問題3

同じ短日植物を用いた自作実験です。区Nは長い暗期を中断せず花芽を形成しました。区Oは暗期中に赤色光を当てて形成しませんでした。区Pは赤色光の直後に遠赤色光を当てて形成しました。処理以外の条件は同じです。NとOの比較から言えることと、OとPの比較から言えることを、それぞれ「赤色光」「遠赤色光」のうち必要な語を用いて各40字程度で書いてください。

問題4

ある短日植物の葉に、花芽形成に適する明暗処理を与えました。茎の先端はすべての区で同じ環境に置きます。区Qは葉を残し、区Rは処理前に葉を取り除いたところ、Qでは花芽が形成され、Rでは形成されませんでした。葉を取り除くこと以外の条件は同じで、処理中も個体は生存していたとします。この結果から葉の役割について言えることを「葉」「情報」を用いて40字程度で答えてください。また、この比較だけでは確定できないことを1つ、30字程度で挙げてください。

練習の答えと根拠

問題1の答えは、HとIは形成し、Jは形成しません。Hは9時間で、9時間以上という条件に等号が含まれます。Iは11時間なので9時間以上です。Jの連続暗期は4時間と7時間で、いずれも9時間未満です。Jは4 + 7 = 11時間と、Iと暗期の合計が同じですが、照射で分かれています。答えを条件に戻すと、HとIは基準を満たし、Jの各区間は満たさないことを確認できます。

問題2の答えは、Kは形成せず、LとMは形成します。Kの8時間は8時間未満に含まれません。Lの7時間は8時間未満です。Mは3時間と6時間に分かれ、どちらも8時間未満です。3 + 6 = 9時間なので、元の暗期の合計にも戻ります。Mの判断には、赤色光による中断と、それぞれの連続暗期で判定できるという問題の仮定が必要です。短日植物の場合の結論を、そのまま長日植物に移してはいけません。

問題3では、NとOから「この条件では暗期中の赤色光によって花芽形成が抑えられた」と言えます。OとPからは「赤色光の後の遠赤色光によって、その抑制が打ち消された」と言えます。前者は光を当てない区と赤色光を当てた区の比較で、後者は赤色光の後の処理の有無の比較です。各答えを表へ戻すと、NとPは形成、Oは形成しないという結果に一致します。遠赤色光だけを当てた区の結果は、この実験にはありません。

問題4の答えの例は「葉は花芽形成に関わると考えられますが、情報の受容・伝達まではこの比較で確定しません」です。確定できないことの例は「情報を伝える物質の化学的な正体」です。葉が残ったQと取り除かれたRで結果が異なるため、葉が反応に関わることを支持します。ただし、葉を取り除く処理は複数の影響を持ち得ます。この比較だけで情報伝達の経路や物質の正体まで証明したとは言えません。標準的な説明と、実験が直接示す範囲を分けて書きましょう。

見直しの4行

• 連続暗期を、途中の光で区切って数えます。
• 基準が「超える」「以上」「未満」のどれかに注意します。
• 赤色光と遠赤色光は、照射の順序と対照区を照合します。
• 葉での受容、茎の先端での花芽形成、実験から言える範囲を分けます。

答案のどこで迷ったか

区を選べなかったときは、まず時間軸に照射の位置と各区間の時間を書けているかを見ます。時間軸が合っていても境界の区を間違えたなら、不等号にあたる言葉を条件文から拾い直します。数字を合計したまま判定していたなら、連続の意味を照射位置で確かめます。

個別指導では、答案の矢印が光の処理を示すのか、フィトクロムの型の変化を示すのかを生徒と確認できます。記述が長くなる場合は、比べた2区、異なる処理、観察された結果の順に分けます。表にない条件を尋ねたときに判断を保留できるかも、根拠を読めているかを見分ける手掛かりです。暗期の区切りと比較する相手が明確なら、花芽形成の判断は条件に戻して確かめられます。