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【生物】細胞周期と染色体を図解で総まとめ—体細胞分裂・減数分裂・DNA 量の変化・染色体の乗換え｜武蔵野個別指導塾

公開 2026.10.12更新 2026.10.12武蔵野個別指導塾の特徴高校生物単元解説

【生物】細胞周期と染色体を図解で総まとめ—体細胞分裂・減数分裂・DNA 量の変化・染色体の乗換えのアイキャッチ武蔵野個別指導塾

X字形の染色体は何本と数えるのでしょうか。DNA量のグラフ、減数分裂の模式図、乗換えの図を使い、染色体数を求める例題から数え方の根拠を確かめられます。

よくあるのは、冬期講習の初日の教室で、プリントに並ぶX字形の染色体を見て「DNAが2倍になったのだから、染色体も2倍のはず」と答え、次の減数分裂の問題で数が合わなくなるという場面です。図の線を数えること自体はできても、その線が染色体なのか、染色分体なのか、DNA分子なのかが決まっていないと、同じ図から別々の答えが出てしまいます。

この単元の出発点は、「何を数えるか」と「どの範囲を数えるか」をそろえることです。染色体数とDNA量は、関連しながらも別の量として変化します。また、分裂中の細胞全体と、分裂後の娘細胞1個とでは、数える範囲が違います。

順番に整理すると、細胞周期のグラフを丸暗記しなくても、どこでDNAが増え、何が分かれて量が減るのかを説明できます。さらに、減数分裂で染色体の組合せが変わる理由や、乗換えによって遺伝子の新しい組合せが生じる仕組みまで、同じ染色体の図で追えるようになります。

この単元で身につけること

染色体・染色分体・DNAの関係を説明します。複製された染色体1本は2本の姉妹染色分体からなり、DNA量だけを見て染色体数を決めないことが出発点です。
G₁期・S期・G₂期・M期を区別します。DNAの複製が進む時期と、複製したものを分配する時期を分け、グラフの上昇と下降に理由をつけます。
体細胞分裂の各期を図から判定します。染色体の並び方、姉妹染色分体の分離、核の形成に注目し、名前だけでなく動きを説明します。
減数分裂の第一分裂と第二分裂を比べます。第一分裂では相同染色体、第二分裂では姉妹染色分体が分かれるという違いを使って、染色体数とDNA量を求めます。
乗換えと組換えを区別します。染色体の一部の交換という出来事と、遺伝子の新しい組合せという結果を結びつけます。

生物基礎で学んだ「細胞分裂の前にDNAが複製される」という知識を、染色体の形と数、核に含まれるDNA量の変化へ広げていく単元です。計算では、最初に基準と対象を書き、その後で複製と分配を反映させる順序を身につけます。

基本の考え方

染色体の本数とDNAの量は別々に追います

染色体は、DNAとタンパク質からなる、遺伝情報を担う構造です。真核細胞の核内では、長いDNAがヒストンというタンパク質などとともに存在しています。分裂期に強く凝縮すると、顕微鏡で区別しやすい形になりますが、分裂期以外に染色体がなくなっているわけではありません。

DNAの複製前には、染色体1本に、二重らせんをつくるDNA分子が1個含まれます。複製後の染色体1本は、互いに結びついた2本の姉妹染色分体からなり、それぞれにDNA分子が1個ずつあります。ここでいうDNA分子1個は二重らせん全体を指し、二重らせんの2本の鎖を別々のDNA分子として数えるわけではありません。

染色体数を数えるときは、姉妹染色分体が分離したかどうかに注目します。教科書では、分離前の姉妹染色分体を、セントロメア付近で結びついた1本の染色体として扱います。セントロメアは染色体の特定の領域で、その付近に紡錘糸が結合する動原体ができます。X字形だから2本なのではなく、分離前なら全体で1本です。姉妹染色分体が分離すると、それぞれを独立した染色体と数えます。

一方、相同染色体は、形や大きさが対応し、同じ種類の遺伝子を対応する位置にもつ染色体の組です。二倍体の生物では、原則として父由来と母由来の染色体が1本ずつ対応します。同じ位置にある遺伝子でも、具体的な型が同じとは限りません。その異なる型を対立遺伝子といいます。複製によって生じた姉妹染色分体と、父母から受け継いだ相同染色体は、成り立ちが違います。

染色体の1組を表すのがnで、2組をもつ状態が2nです。たとえば2n＝4なら、相同染色体が2対あり、1組は2本です。DNA量には別の記号Cを使い、複製前の染色体1組に含まれる核DNA量を1Cとします。二倍体の複製前の核は2C、複製後は4Cです。CはDNA量の基準であり、染色体の本数を示す記号ではありません。以下では、ミトコンドリアなどにあるDNAを含めず、核由来のDNAを追います。

細胞周期は複製と分配をつなぐ流れです

細胞周期は、ある細胞分裂が終わってから、次の細胞分裂が終わるまでの一連の過程です。間期は、DNA合成の準備などを行うG₁期、DNAを複製するS期、分裂の準備を行うG₂期に分けられます。これに分裂期であるM期が続きます。間期は細胞が休んでいる期間ではなく、成長や物質の合成などが行われる期間です。

二倍体の細胞では、G₁期の核DNA量は2Cです。S期にはDNAの複製が進み、2Cから4Cへ増えます。G₂期には複製が終わっているため4Cのままです。S期の途中なら、複製が完了した部分と、まだ複製されていない部分があり、細胞全体のDNA量は2Cと4Cの間の値になります。

図1のように、娘細胞1個へつなげて追うグラフでは、細胞分裂の完了後にDNA量が2Cへ戻ります。ここで量が減るのは、DNAが大量に分解されたためではなく、複製したDNAが2個の細胞へ分配されたためです。分裂中の細胞全体を対象とする限り、DNA量は4Cのままで、2個の娘細胞の合計も4Cです。

図1では縦軸をC単位の核DNA量とし、分裂後は娘細胞1個の値を示しています。横軸は時間の順序だけを表し、各期の幅は実際の長さの比を表していません。S期の斜線も増加を模式的に示したもので、常に一定速度で複製が進むと断定する線ではありません。グラフを読むときは、軸の意味と、このような省略を先に確かめます。

細胞周期の進行には、DNAの複製が適切に終わったか、染色体を分配できる状態かを確かめる仕組みがあります。細胞周期から離れて分裂を行っていない状態はG₀期と呼ばれます。すべての細胞が同じ速さで周期を回り続けるわけではなく、細胞の種類や状態によって分裂の頻度は異なります。

体細胞分裂と減数分裂を動きで区別します

体細胞分裂では、複製した染色体を2個の娘細胞へ分配し、通常は分裂前と同じ染色体数を保ちます。前期には染色体が凝縮してはっきりし、紡錘体の形成や核膜の消失が進みます。紡錘体は染色体の分配に関わる構造で、その糸状の部分を紡錘糸といいます。中期には、染色体が細胞中央の赤道面に並びます。

後期には姉妹染色分体が分離し、両極へ移動します。終期には分配された染色体を囲む核膜が形成され、染色体の凝縮もほどけます。核の分裂に伴って細胞質分裂が進み、動物細胞ではくびれ、植物細胞では細胞板の形成によって細胞が分かれます。核が分かれることと、細胞全体が2個になることは、区別して観察する必要があります。

減数分裂は、1回のDNA複製の後に2回の分裂を行い、染色体の組数を半分にする分裂です。第一分裂の前期には、相同染色体が対になる対合が起こります。対合した相同染色体の組を二価染色体といい、複製後なので全体で4本の染色分体を含みます。二価染色体1個は、染色体1本という意味ではありません。

第一分裂の中期には二価染色体が赤道面に並び、後期には相同染色体どうしが分かれます。この段階では姉妹染色分体は分離しません。第一分裂の後と第二分裂の前の間には、通常、DNAの複製は入りません。第二分裂で姉妹染色分体が分離し、標準的な模式図では最終的に4個の細胞ができます。卵形成では細胞質の分配が不均等になるなどの違いがあるため、4個すべてが同じ大きさの配偶子になるとは限りません。

例題で解き方を確かめる

例題1　G₁期とG₂期の染色体を数えます

ある生物の体細胞は2n＝6です。G₁期とG₂期について、1細胞あたりの染色体数、DNA分子数、核DNA量を求めます。核DNA量は、複製前の染色体1組に含まれる量を1Cとします。

G₁期は複製前と確認します。二倍体の染色体が6本あり、各染色体にDNA分子が1個ずつあるので、DNA分子数も6個です。染色体は2組あるため、DNA量は2Cです。
G₂期はS期の後と確認します。DNAの複製が終わっているため、DNA分子数は6×2＝12個、DNA量は2C×2＝4Cになります。
姉妹染色分体が分離したかを確認します。G₂期ではまだ分離していないため、染色体数は6本のままです。DNA分子数の増加を、染色体数の増加へそのまま移さないようにします。

答え：G₁期は6本・6個・2C、G₂期は6本・12個・4Cです。

ここでは「本」と「個」をつけるだけでも、何を数えた値かを見失いにくくなります。なお、長い染色体と短い染色体では含まれるDNA量が違いますが、同じ細胞のDNA全体を複製すれば、合計量は元の2倍になります。

例題2　体細胞分裂の後期を数えます

2n＝6の細胞が体細胞分裂をしています。姉妹染色分体の分離が終わった後期について、まだ細胞質が分かれていない細胞全体の染色体数とDNA量を求めます。また、それぞれの極へ移動する染色体群の染色体数とDNA量を求めます。

数える範囲を「細胞全体」と「片方の極の染色体群」に分けます。後期にはまだ2個の独立した娘細胞が完成していないため、対象の指定が答えを左右します。
分離前の6本の染色体には、合計12本の染色分体があったと整理します。分離後は各染色分体を独立した染色体と数えるため、細胞全体の染色体数は12本です。
DNAの複製や消失が新たに起きていないことを確認します。細胞全体のDNA量は4Cで、両極へ等しく分かれるため、それぞれの極では6本・2Cとなります。

答え：細胞全体では12本・4C、片方の極の染色体群では6本・2Cです。

この12本という値は、細胞全体を数えた一時的な値です。分裂後の娘細胞がいつも12本をもつという意味でも、新たなDNA複製で染色体が増えたという意味でもありません。後期の図で「染色体数が増えた」と書くときは、分離によって数え方の単位が変わったことまで説明します。

例題3　減数分裂の2回の分配を追います

2n＝4の生物について、減数分裂前のDNA複製が完了した細胞、第一分裂と細胞質分裂が完了した後の各細胞、第二分裂と細胞質分裂が完了した後の各細胞の、染色体数とDNA量を求めます。また、第一分裂前期にできる二価染色体の数を求めます。

図2のように、長い染色体と短い染色体を1本ずつ含む組が2組あるとして追います。紺と赤は相同染色体の由来を区別する色で、この図では乗換えを省略しています。上下左右の位置や色の分かれ方は、起こりうる分配の1例です。

複製完了後を出発点にします。染色体数は4本のまま、DNA量は4Cです。相同染色体は2対あるので、対合すると二価染色体は2個できます。
第一分裂で分かれるものを確認します。相同染色体の各対から1本ずつが各細胞へ入るため、各細胞には長い染色体と短い染色体が1本ずつ残ります。染色体数は2本、DNA量は2Cです。
第二分裂の前にはDNAを複製しないことを確認します。第一分裂後の各染色体にある2本の姉妹染色分体が分かれ、最終的な各細胞の染色体数は2本、DNA量は1Cになります。
全体の量を確かめます。最終的な4個の細胞のDNA量を合計すると1C×4＝4Cで、複製完了後の出発点と一致します。量の保存は、途中で架空の複製を入れていないか確かめる助けになります。

答え：順に4本・4C、2本・2C、2本・1Cで、二価染色体は2個です。

図2の中央と右側では、各細胞の染色体数はどちらも2本です。それでもDNA量が違うのは、中央では1本が2本の姉妹染色分体からなり、右側ではそれらがすでに分離しているからです。染色体が1組になった段階と、DNA量が1Cになった段階を同じ瞬間だと考えないようにします。

例題4　乗換えの結果を記号で表します

ある相同染色体の一方にAとB、もう一方にaとbという対立遺伝子があり、それぞれAB、abと表します。DNA複製後、AとBの位置の間で、非姉妹染色分体2本の間に1回だけ乗換えが起こりました。4本の染色分体にある遺伝子の組合せと、そのうち新しい組合せをもつ割合を求めます。

乗換え前の4本を書き出します。複製によりAB、AB、ab、abとなります。相同染色体に由来する染色分体どうしで、姉妹関係にないものが非姉妹染色分体です。
交換する場所を決めます。AとBの間で対応する部分が交換されるため、参加したABの染色分体はAb、参加したabの染色分体はaBになります。Aの位置とBの位置そのものが入れ替わるのではありません。
参加していない2本を残します。最終的な組合せはAB、Ab、aB、abで、新しい組合せはAbとaBの2本です。割合は2÷4×100＝50%です。

答え：AB・Ab・aB・abとなり、新しい組合せはAbとaBで、4本中2本の50%です。

この割合は、条件に示された1回の乗換えを起こした1つの二価染色体についての値です。集団のすべての減数分裂で同じ場所に乗換えが起きるとは限らないので、任意の遺伝子の組について組換え価が必ず50%になる、という結論には進めません。

つまずきやすいところと直し方

誤り1　DNAが2倍なら染色体数も2倍とします

誤った書き方は「2n＝8の細胞はS期が終わると染色体が16本になる」です。違うのは、DNAの複製と姉妹染色分体の分離を、同じ出来事として扱っている点です。S期の終わりには複製した2本がまだ結びついており、染色体数を2倍にはしません。

正しい書き方は「G₂期の染色体数は8本、DNA分子数は16個、DNA量は4C」です。自分で描き直すなら、複製前の1本の棒の横にもう1本を加え、2本が結びついた全体を1本の染色体として囲みます。X字形は複製後の構造を表す記号であって、染色体が常にX字形をしているという意味ではありません。

誤り2　減数分裂では毎回、染色体数が半分とします

誤った書き方は「2n＝8なら、第一分裂後は4本、第二分裂後は2本」です。違うのは、2回の分裂で分かれる対象の違いを無視している点です。第一分裂は相同染色体どうしを分けますが、第二分裂は、残った染色体を構成する姉妹染色分体を分けます。

正しい書き方は「分裂完了後の各細胞で数えると、第一分裂後も第二分裂後も染色体数は4本」です。ただしDNA量は第一分裂後が2C、第二分裂後が1Cです。図2のX字形1個と棒1本がそれぞれ染色体1本に対応することを見直すと、数と量の変化が別になる理由を説明できます。

誤り3　乗換えと染色体の分配を同じこととします

誤った書き方は「父由来と母由来の染色体が別々の細胞へ入ることを乗換えという」です。違うのは、染色体全体の分配と、染色体の一部の交換を区別していない点です。相同染色体が対合した第一分裂前期に、非姉妹染色分体の対応する部分の間で起こる交換が乗換えです。

正しい書き方は「乗換えにより染色分体の一部が交換され、同じ染色体上の遺伝子の新しい組合せが生じることがある」です。図3のように、例題4の条件では4本のうち2本だけが交換に参加し、残りの2本の組合せは変わりません。図は4本を横に離して配置しており、細胞内での立体的な位置や、セントロメアでの結合は省略しています。

図3の右側では、途中から色が変わった染色分体が2本あります。これは新しいDNAが付け足されたことを示すのではなく、対応する部分が交換されたことを示します。通常の対応した乗換えだけで、染色体数やDNA総量が増えるわけではありません。

乗換えが起こった相同染色体の間で、交差した形として観察される部分はキアズマと呼ばれます。乗換えという交換の出来事と、キアズマという観察できる構造を結びつけて覚えます。また、乗換え後の姉妹染色分体は遺伝子の組合せが完全には同じでない場合があるため、「姉妹だから常に同一」とは決めつけません。

組換えは、親から受け継いだものとは異なる遺伝子の組合せが生じることを指します。同じ染色体上の遺伝子の間では乗換えが重要ですが、異なる相同染色体の対がそれぞれ独立に分配されることも、新しい組合せを生む要因です。たとえば相同染色体が2対なら、乗換えを考えなくても、各対から父由来か母由来かを選ぶ組合せは2×2＝4通りあります。ただし、これは多数の減数分裂で生じうる組合せの種類であり、1回の減数分裂で4種類すべてが必ず現れるという意味ではありません。

練習問題

練習1

2n＝10の細胞について、G₂期の染色体数、DNA分子数、核DNA量を求めます。続いて、体細胞分裂の後期に姉妹染色分体が分離した後の細胞全体について、染色体数と核DNA量を求めます。DNA量の基準は本文と同じとします。

練習2

2n＝12の生物が減数分裂を行います。第一分裂前期の二価染色体の数と、第一分裂後・第二分裂後の各細胞の染色体数およびDNA量を求めます。いずれも、分裂後とは細胞質分裂まで完了した状態とします。

練習3

ある細胞を追うと、1細胞あたりの核DNA量は「2Cで一定、2Cから4Cへ増加、4Cで一定、細胞分裂完了後に2C」と変化しました。増加する時期の名称と、分裂完了後に値が半分になる理由を答えます。また、DNA量が4Cという情報だけでG₂期と分裂中期を区別できるか、理由とともに答えます。

練習4

相同染色体上の遺伝子の組合せがCDとcdであるとします。複製後、CとDの間で非姉妹染色分体2本の間に1回だけ乗換えが起こったとき、4本の染色分体の組合せを求めます。さらに、2n＝6の生物で、乗換えを考えず、3対の相同染色体の独立した分配だけを考えた場合、多数の減数分裂を通じて生じうる染色体の由来の組合せは何通りか求めます。

答えと解説

練習1の答えは、G₂期が10本・20個・4C、後期の細胞全体が20本・4Cです。G₂期では複製が終わっていても姉妹染色分体は分離していません。後期には分離した各染色分体を染色体と数えますが、新たなDNA複製はないため、細胞全体のDNA量は変わりません。

練習2の答えは、二価染色体が6個、第一分裂後が6本・2C、第二分裂後が6本・1Cです。第一分裂では6対の相同染色体がそれぞれ分かれ、各細胞に各対から1本ずつ入ります。第二分裂では姉妹染色分体が分かれるため、娘細胞1個の染色体数は6本を保ちながらDNA量が半分になります。

練習3の答えは、増加する時期がS期、半分になる理由がDNAの2個の娘細胞への分配です。4Cという情報だけではG₂期と分裂中期を区別できません。どちらも複製後でDNA量が4Cだからです。染色体が強く凝縮して赤道面に並んでいるかなど、形や配置の情報を加えれば判定できます。

練習4の答えは、CD・Cd・cD・cdと、2×2×2＝8通りです。乗換えでは参加した2本だけが新しい組合せになります。一方、由来の組合せの計算では、3対のそれぞれから父由来か母由来かの2通りを選べるため、2を3回掛けます。この8通りは、多数の分裂を通じて考える可能な種類の数です。

次の単元へのつながりと家庭での確かめ方

減数分裂で相同染色体が分かれることは、対立遺伝子が別々の配偶子へ入る仕組みにつながります。また、同じ染色体上にある遺伝子は一緒に伝わりやすい一方、その間で乗換えが起これば新しい組合せが生じます。遺伝の問題で記号を並べる前に、その記号がどの染色体のどの位置にあるかを描くと、計算の意味を確かめられます。

家庭では、5分でできる確認を2つ試せます。1つ目は、紙に長短2対の染色体を描き、複製前、複製後、第一分裂後、第二分裂後の順に、1細胞分ずつ描き直す方法です。それぞれの下に「染色体数」と「DNA量」を別々に書き、X字形から棒になったときに何を数え直すかを声に出します。

2つ目は、図1を隠してDNA量のグラフを描き、上昇部分に「複製」、下降部分に「娘細胞への分配」と書く方法です。続いて「細胞全体なら」「片方の極なら」と条件を変え、答えがどこで変わるかを説明します。描けなかった形をすぐ覚え直すより、軸と数える範囲を自分で指定できるか確かめます。

個別指導で答案を確かめる際は、まず数字の誤りが、染色体の定義、分裂段階、数える範囲のどこから生じたかを切り分けます。必要なら二重らせん1分子と、その複製で生じる2本の染色分体の違いまで戻り、本人が描いた図と答えを対応させます。