【生物基礎】生物の特徴と細胞を図解で総まとめ—原核細胞と真核細胞・細胞小器官・顕微鏡の使い方｜武蔵野個別指導塾

細胞の比較図とミクロメーターの目盛り図を使い、原核・真核の区別から顕微鏡での長さの測定まで学べます。例題4問で、観察した事実と細胞の性質を結びつけて考えましょう。

よくあるのは、塾の自習室の白板の前で動物細胞と植物細胞を描き分けたあと、「核が見えなかった細胞は、全部原核細胞ですか」と手が止まる場面です。丸い核や緑色の葉緑体を覚えていても、図に描かれていないことと、実際に存在しないことを分けて考えられないと、観察問題で迷ってしまいます。細胞の学習では、名前の暗記に加えて、何を根拠に判断したかを言葉にすることが必要です。

この単元では、生物に共通する性質から出発し、細胞のつくり、原核細胞と真核細胞の違い、光学顕微鏡での観察と測定をつなげます。顕微鏡で大きく見えたというだけでは、実際の大きさは決まりません。見える像と標本そのものを区別し、目盛りを長さに直せるようになると、細胞の図も実験の記録も、自分の言葉で説明できるようになります。

この単元で身につけること

• 生物の多様性と共通性を結びつけます。形や暮らし方が違っても、細胞を基本単位とし、生命活動にエネルギーを使い、DNAを遺伝情報の担い手とする共通点があります。
• 細胞の各部分を、場所とはたらきの組で覚えます。核、ミトコンドリア、葉緑体、細胞膜、液胞を、図の色だけに頼らず説明します。
• 原核細胞と真核細胞を、核膜で囲まれた核の有無で区別します。細胞壁や葉緑体の有無だけで分類しないことが目標です。
• 顕微鏡を低倍率から使う理由を説明します。視野、明るさ、像の動き、ピントの合わせ方を、標本を傷めない操作と結びつけます。
• 接眼ミクロメーターを校正して長さを求めます。校正とは、目盛りが実際のどれだけの長さに当たるかを確かめることです。

中学校で学んだ植物細胞と動物細胞の観察を土台に、高校では「共通する構造」と「観察条件によって変わる見え方」を分けて整理します。用語問題でも計算問題でも、答えの直前に根拠を1つ置く習慣をつけましょう。

基本の考え方

生物の多様な姿を細胞という共通点で見る

多様性とは、生物にさまざまな形や性質があることです。木の葉、昆虫、人の皮膚、肉眼では見えにくい細菌は、見た目も大きさも違います。それでも、生物の体は細胞という構造と機能の基本単位からできています。1個の細胞で個体として生活する生物を単細胞生物、多数の細胞で体をつくる生物を多細胞生物といいます。多細胞生物では、細胞の形や役割が分かれ、それらが協力して体全体の活動を支えます。

細胞の内部では、物質をつくったり分解したりする化学反応が起こっています。このような生体内の化学反応の全体を代謝といい、生物は代謝に伴うエネルギーのやり取りによって生命活動を続けます。また、遺伝情報は基本的にDNAという物質に記録されています。DNAは、細胞のはたらきや体の特徴に関わる情報を担います。共通性を学ぶときには、すべての細胞が同じ形で、同じ構造をすべて備えると考えないことが大切です。

生物の共通性は、共通の祖先から長い時間をかけて多様な生物が生じてきたことと結びついています。異なる生物に同じ基本的なしくみが見つかることは、そのつながりを考える手がかりです。一方、見た目の似たものが必ず同じ細胞構造をもつとは限りません。単細胞であることと原核生物であることも同義ではなく、単細胞の真核生物もいます。

ウイルスは細胞構造をもたず、単独では増殖できず、宿主の細胞のしくみを利用して増えます。そのため、ここで比較する原核細胞や真核細胞とは分けて扱います。「とても小さいものは原核生物」と大きさだけでまとめると、この区別まで崩れてしまいます。生物の分類では、どの特徴に着目しているかを先に確かめます。

細胞の構造をはたらきと結びつける

細胞膜は細胞の内外を隔てる薄い膜で、物質の出入りを調節します。植物細胞ではその外側に細胞壁があり、細胞を支え、形を保つのに役立ちます。細胞壁がある細胞にも細胞膜はあります。細胞壁は主に支えとして、細胞膜は物質の出入りの調節に関わる境界として、役割を分けて理解します。

核は核膜で囲まれた構造で、内部にDNAを含む染色体があります。核、ミトコンドリア、葉緑体など、細胞内で一定のはたらきを担う構造を細胞小器官といいます。真核細胞で核以外の細胞内部を細胞質といい、その中にはさまざまな細胞小器官があります。核はいつも細胞の中央にあるわけではありません。大きな液胞をもつ植物細胞では、核が細胞の端に寄っていることもあります。

ミトコンドリアは、酸素を使う呼吸に関わり、生命活動に使うエネルギーを取り出すうえで重要な細胞小器官です。動物細胞だけでなく、植物細胞にもあります。葉緑体は光合成を行う細胞小器官で、光のエネルギーを利用して有機物をつくる反応に関わります。植物も生きるためにエネルギーを使うので、葉緑体があることとミトコンドリアがあることは両立します。光合成と呼吸の詳しい物質の出入りは、次の単元で学びます。

液胞は膜で囲まれ、細胞液を含む構造です。発達した植物細胞では大きな液胞が見られ、水や物質の貯蔵などに関わります。液胞は「何もない穴」ではありません。また、植物のすべての細胞が葉緑体をもつわけではなく、例えば一般的な根の細胞やタマネギの鱗茎の内側の表皮細胞では、通常、葉緑体は見られません。葉の細胞の模式図を、植物の全細胞の設計図として扱わないようにします。

図1のように、原核細胞ではDNAが核膜で囲まれておらず、真核細胞では核膜で囲まれた核があります。左の原核細胞の外側の灰色の線は細胞壁、内側の紺色の線は細胞膜です。中央は動物細胞、右は葉緑体をもつ植物細胞の模式図で、右側でも細胞壁の内側に細胞膜を描いています。橙色はミトコンドリア、緑色は葉緑体、右の大きな灰色の領域は液胞です。構造を見比べるための図なので、3種類の細胞の大きさの比は実物を表していません。

原核・真核の区別と、顕微鏡で確かめられること

原核細胞からなる生物を原核生物といい、細菌とアーキアが含まれます。真核細胞からなる生物を真核生物といい、動物、植物、菌類などが含まれます。原核細胞には核膜で囲まれた核がなく、ミトコンドリアや葉緑体もありません。しかし、DNAも細胞膜もあり、生命活動を行います。核がないことは、遺伝情報がないことでも、呼吸などの反応がすべてできないことでもありません。

一方、細胞壁は植物細胞だけの特徴ではありません。菌類や多くの原核生物にも細胞壁があります。シアノバクテリアは光合成を行う原核生物ですが、葉緑体をもちません。「光合成をするなら葉緑体がある」という推論は、原核生物にまで広げると成り立ちません。機能があることと、その機能に関わる特定の細胞小器官があることを分けて考えましょう。

光学顕微鏡は、光とレンズによって小さな標本を拡大して観察する装置です。接眼レンズは目を近づける側、対物レンズは標本に近い側のレンズです。総合倍率は接眼レンズの倍率と対物レンズの倍率の積で求めます。倍率を上げると像は大きくなりますが、それだけでどんな細部でも見えるわけではありません。近い2点を別々に見分ける能力を分解能といい、光学顕微鏡には見分けられる細かさの限界があります。

観察は低倍率から始めます。低倍率では見える範囲である視野が広く、観察したい場所を探しやすいからです。まず標本をステージに置き、対物レンズと標本を横から見ながら、両者が触れない範囲で近づけます。その後、接眼レンズをのぞき、対物レンズと標本の間隔が広がる方向に調節してピントを合わせます。機種によって動く部分が違うため、ねじを回す向きだけで覚えず、授業で使う機種の操作を確認します。

高倍率に切り替える前には、目的の部分を視野の中央へ移します。切り替えたあとは微動ねじで少しずつピントを合わせ、照明やしぼりで明るさと見やすさを調整します。高倍率のまま粗動ねじで大きく動かすと、レンズと標本がぶつかるおそれがあります。レンズを指で触れず、観察後の清掃は指示されたレンズ用の方法で行います。像を大きくする操作と、標本を安全に扱う操作をひと続きで覚えます。

例題で解き方を確かめる

例題1　構造の記録から細胞を分類する

細胞AはDNAと細胞膜をもちますが、核膜で囲まれた核がありません。細胞Bは核とミトコンドリアをもち、細胞壁と葉緑体をもちません。細胞Cは核、ミトコンドリア、細胞壁、葉緑体、大きな液胞をもちます。Aを原核細胞か真核細胞かに分類し、BとCがそれぞれ動物細胞と光合成を行う植物細胞のどちらの典型的な構造に当たるか答えましょう。ここでは列挙した構造の有無は確かめられているものとします。

1. 最初に、核膜で囲まれた核の有無を調べます。原核・真核の分類を決める基準なので、細胞壁や見た目より先に確認します。Aは核がないため原核細胞、BとCは核があるため真核細胞です。
2. 次に、BとCの細胞壁と葉緑体を比較します。Bは動物細胞の典型的な構造に、Cは光合成を行う植物細胞の典型的な構造に当たります。ミトコンドリアは両方にあるため、この2つを分ける決め手にはしません。
3. 最後に、答えの範囲を確認します。今回は提示された2種類の典型的な細胞との対応を答える問題です。自然界の未知の細胞を、少数の特徴だけで必ず動物か植物かに決められるという意味ではありません。

答え：Aは原核細胞、Bは動物の真核細胞、Cは光合成を行う植物の真核細胞の典型に当たります。

例題2　倍率を変えたときの視野を考える

接眼レンズが10倍の顕微鏡で、対物レンズを10倍から40倍へ変えます。低倍率での視野の直径が1.8 mmだったとき、変更前後の総合倍率と、高倍率での視野の直径を求めましょう。同じ接眼レンズを用い、視野の直径は対物レンズの倍率に反比例するとします。

1. 総合倍率を積で求めます。接眼と対物の倍率を足すのではなく、10 × 10 = 100倍、10 × 40 = 400倍と計算します。像の長さが何倍に拡大されるかを重ねるため、積になります。
2. 対物レンズの倍率の変化を比で求めます。40 ÷ 10 = 4より、倍率は4倍です。高倍率では標本のより狭い部分を大きく見るので、視野の直径は4分の1になります。
3. 視野の直径を計算します。1.8 ÷ 4 = 0.45 mmです。もとの1.8 mmに合わせ、有効数字2桁で表します。総合倍率が400倍でも、視野の直径を400で割るわけではありません。今回比較しているのは変更前と変更後の比です。

答え：総合倍率は100倍から400倍へ変わり、視野の直径は0.45 mmになります。

同じ丸い視野を比較すると、面積は直径の比の2乗に比例するので、16分の1になります。細胞がほぼ均等に分布していれば、視野に入る細胞数は少なくなりますが、配置や細胞の重なりによって実際の個数は変わります。見える細胞が少なくなったことを、標本中の細胞が減ったことと取り違えないようにしましょう。

例題3　ミクロメーターで細胞の長さを測る

接眼ミクロメーターは接眼レンズ側に入れる目盛りで、標本と重ねて見えます。それ自体に一定の実長が対応しているわけではないため、実際の間隔がわかっている対物ミクロメーターをステージに置いて校正します。この例では、対物ミクロメーターの1目盛りを0.01 mm、つまり10 μmとします。μmはマイクロメートルと読み、1 mm = 1000 μmです。

図2では、接眼ミクロメーターの0から10までと、対物ミクロメーターの0から4までが同じ長さに重なっています。この条件で、細胞の端から端までが接眼ミクロメーターの15目盛り分だったとき、細胞の長さを求めましょう。目盛りの一致は図のとおり正確として計算します。

図2のように、左端の一致だけでなく、離れた位置で再び一致する線を探します。上段と下段は読みやすく上下に分けていますが、実際には2つの目盛りを重ねて比較します。線の本数ではなく、線と線の間の区間数を数えることが要点です。

1. 対物ミクロメーター側を実長に直します。4目盛り分は4 × 10 = 40 μmです。実長が既知なのはこちら側なので、先に長さへ換算します。
2. 接眼ミクロメーターの1目盛り当たりの長さを求めます。接眼10目盛り分が40 μmに相当するので、40 ÷ 10 = 4 μmです。割る数は接眼側の区間数です。
3. 対物ミクロメーターを外し、同じレンズの組合せで細胞の標本を観察します。接眼15目盛り分なら15 × 4 = 60 μmです。測定中に対物レンズの倍率を変えた場合は、その倍率に対応する校正値が必要です。

答え：接眼1目盛りは4 μm、細胞の長さは60 μmです。

式をまとめると、「接眼1目盛りの実長 = 対物側の区間数 × 対物1目盛りの実長 ÷ 接眼側の区間数」です。数字を入れる前に、分子が長さ、分母が区間数になることを確認すると、比を逆にする間違いを防げます。実際の観察記録では、読み取りの細かさや一致のずれに応じて精度を判断し、計算機に表示された桁をすべて測定結果として書かないようにします。

例題4　核が見えない観察結果を評価する

タマネギの鱗茎の内側の表皮を光学顕微鏡で観察し、細胞の区切りは見えましたが、核と葉緑体は見つかりませんでした。「核も葉緑体もないから原核細胞である」という結論は適切でしょうか。観察した事実と、そこから言えることを分けて答えましょう。

1. 観察事実を限定して書きます。記録できるのは「今回の条件では核と葉緑体を確認できなかった」ということです。小さい構造や透明な構造は、ピントや染色などの条件によって見分けにくいためです。
2. 材料に関する知識と照合します。タマネギは植物で、この表皮細胞は真核細胞です。また、この部分では通常葉緑体は見られません。葉緑体を観察できないことは、原核細胞である証拠にはなりません。
3. 次に確かめる条件を選びます。核を探すには、ピント、観察する場所、授業で指示された染色の条件などを確認します。染色液は教員の指示に従って扱い、自己判断で薬品を混ぜたり濃くしたりしません。

答え：結論は不適切で、この表皮細胞は真核細胞です。核が見えなかったことだけで核の不存在は判断できません。

つまずきやすいところと直し方

誤り1　核がないならDNAもないと考える

誤った書き方は「原核細胞には核がないので、DNAもない」です。どこが違うかというと、DNAという物質と、それを囲む核という構造を同じものとして扱っています。原核細胞には核膜で囲まれた核がありませんが、DNAはあります。図1の左側でも、赤い線でDNAを示しています。

正しい書き方は「原核細胞には核膜で囲まれた核がなく、DNAは核膜に包まれずに存在する」です。分類の問題で「核がない」と答えるだけで迷いが残るときには、「核膜で囲まれていない」と補うと、何がないのかが明確になります。細胞膜までないと考えないよう、外側の境界も一緒に確認します。

誤り2　高倍率なら見える範囲も広いと考える

誤った書き方は「倍率を上げると、広い範囲がよく見える」です。どこが違うかというと、像が大きく見えることと、視野に入る標本の範囲が広いことを逆に結びつけています。高倍率では見える範囲が狭くなり、同じ照明条件では一般に暗くなります。正しい書き方は「高倍率では像が大きくなる一方、視野は狭くなる」です。

図3の左は、目的の像が視野の右上にある状態です。右は標本を動かしたあと、目的の像が中央へ来た状態です。一般的な学校の光学顕微鏡では像の上下左右が逆になるため、標本の移動方向と視野内の像の移動方向は反対になります。右上にある像を中央へ移すには、像を左下へ動かす必要があり、標本は右上へ動かします。図の橙色の矢印は標本の移動、紺色の矢印は像の移動を示しています。

この操作を低倍率で済ませてから高倍率に切り替えると、目的の細胞を見失いにくくなります。標本を動かす前に「像をどちらへ動かしたいか」を声に出し、その逆へ標本を少し動かして確かめましょう。標本を大きく動かして探し直すより、中央への小さな調整を重ねるほうが位置関係を追いやすくなります。

誤り3　接眼の目盛りをいつでも同じ長さとして使う

誤った書き方は「接眼1目盛りが4 μmだったので、対物レンズを変えても4 μmで計算する」です。どこが違うかというと、接眼の目盛りの見え方が変わらなくても、標本の像の拡大のされ方が変わる点を見落としています。同じ長さの細胞でも、高倍率ではより多くの接眼目盛りにまたがります。

正しい書き方は「使用するレンズの組合せに対応した校正値を使う」です。対物レンズの倍率を4倍にした条件では、同じ光学条件なら接眼1目盛りに当たる実長は4分の1になります。校正の記録には接眼と対物の倍率も書き、実際の測定ではその組合せを確かめます。10目盛り分を数えるときに両端を含む11本の線を数えてしまう誤りもあるので、指で区間をたどると整理できます。

練習問題

練習1　構造とはたらきを対応させる

次の説明に対応する構造を、核、ミトコンドリア、葉緑体、細胞膜、液胞からそれぞれ1つ選びましょう。アは細胞の内外を隔てて物質の出入りを調節する構造、イは光合成を行う構造、ウは酸素を使う呼吸に関わる構造、エは核膜で囲まれDNAを含む染色体がある構造、オは発達した植物細胞で大きくなり細胞液を含む構造です。さらに、イをもつ植物細胞にもウがあるか答えましょう。

練習2　単細胞と原核を区別する

1個の細胞で生活し、核膜で囲まれた核をもつ生物がいます。この生物は単細胞生物か多細胞生物か、原核生物か真核生物かを答えましょう。また、「細胞壁をもつので植物である」という説明を、それだけでは結論できない理由とともに直してください。細胞の数と核の有無を別々の判断基準にします。

練習3　目盛りから実長を求める

対物ミクロメーターの1目盛りが10 μmで、接眼25目盛り分と対物10目盛り分が一致しました。同じレンズの組合せで、ある細胞の長さは接眼18目盛り分でした。接眼1目盛りに相当する実長と、細胞の長さを求め、細胞の長さをmmでも示しましょう。目盛りの一致は正確として扱い、途中で倍率を変えないものとします。

練習4　高倍率にする前の操作を選ぶ

接眼レンズは10倍、対物レンズは10倍で、目的の像が視野の左下に見えています。一般的な上下左右が逆に見える顕微鏡を使うとき、像を中央へ寄せるには標本をどちらへ動かすでしょうか。その後、対物レンズを40倍にしたときの総合倍率を答え、切り替えた直後に粗動ねじで大きくピントを合わせない理由も説明しましょう。

答えと解説

練習1の答えは、アが細胞膜、イが葉緑体、ウがミトコンドリア、エが核、オが液胞です。葉緑体をもつ植物細胞にもミトコンドリアがあります。光合成で有機物をつくることと、呼吸により生命活動に使うエネルギーを取り出すことは、同じ細胞の中で行われます。

練習2の答えは、単細胞生物かつ真核生物です。1個の細胞で生活することは単細胞、核膜で囲まれた核をもつことは真核に対応します。細胞壁は菌類や多くの原核生物にもあるので、細胞壁の有無だけでは植物と結論できません。「植物細胞には細胞壁があるが、細胞壁のあるものがすべて植物とは限らない」と直せます。

練習3では、対物10目盛り分の長さは10 × 10 = 100 μmです。接眼1目盛りは100 ÷ 25 = 4 μmなので、細胞の長さは18 × 4 = 72 μm、mmでは72 ÷ 1000 = 0.072 mmです。接眼側と対物側の比を逆にすると1目盛りの実長が変わるので、先に対物側を長さに直して確認します。

練習4では、像を右上へ動かしたいので、標本は反対の左下へ動かします。切り替え後の総合倍率は10 × 40 = 400倍です。高倍率では対物レンズと標本が近く、粗動ねじで大きく動かすと接触するおそれがあるため、微動ねじで調節します。方向と倍率だけでなく、安全な調節方法まで説明できれば、操作を理由とともに覚えられています。

次の単元へのつながりと家庭での確かめ方

細胞の構造は、代謝とエネルギー、遺伝情報の学習につながります。呼吸や光合成を学ぶ際にはミトコンドリアと葉緑体が、DNAを学ぶ際には核と染色体が位置づけの手がかりになります。構造の名前を先に整理しておくと、次に出てくる反応や情報の流れを、細胞のどこで起こるかと結びつけられます。

家庭での確認は、それぞれ5分ほどで行えます。1つ目は白紙に原核細胞、動物細胞、葉緑体をもつ植物細胞を描き、細胞膜とDNAに関わる部分を先に入れる方法です。そのあとに細胞小器官を足し、なぜ描いたかを説明します。2つ目は例題3の図を見て、接眼側の数字を隠し、「40 μmに当たるのは何区間か」から式を作り直す方法です。式の形だけでなく、分子と分母の意味が残っているかを確かめます。

個別指導で誤答を確認するときは、用語の取り違えなのか、観察と存在の混同なのか、比の向きの誤りなのかまで戻ります。お子さまの学習を見守る場合も、答えを先に伝えるより「どの記録を根拠にしたのか」を聞くと、次に確かめる点が見つかります。

まとめ

細胞の問題で迷ったときには、答えを急ぐ前に、与えられた情報が「確かめられた構造」なのか「その条件で見えた像」なのかを読み分けましょう。図を正しく描けても、見えなかったものをないと決めつければ、観察の結論はずれてしまいます。逆に、測定条件と判断の根拠を添えられれば、短い答案でも考えた道筋が伝わります。細胞を理解した答案には、構造の名前だけでなく、その構造を判断した根拠が残ります。