高校受験の理科 細胞と顕微鏡—観察の手順と植物細胞・動物細胞の違いを整理する｜武蔵野個別指導塾

倍率と視野の直径を自作問題で計算し、像を中央へ寄せる操作や細胞壁の有無を手掛かりに、観察結果を見分けます。

よくあるのは、中学生が倍率を上げると細胞が大きく見えることから、視野に入る細胞の数も増えると考える場面です。見える1個の像は大きくなりますが、同時に見える範囲は狭くなります。顕微鏡をのぞいている人の目の位置と、プレパラート上で見ている範囲を分けると、2つの変化を整理できます。

観察の操作と、見えたものの名前も結び付けましょう。細胞の境界が見えないときに何を調整するか、植物の細胞に見られる構造をどう判断するかを扱います。細胞の増え方や、植物の物質の出入りの計算には立ち入りません。

問いの形を見分ける

1つ目は、接眼レンズと対物レンズの倍率から全体の倍率を求め、視野の広さや細胞の見え方を比べる問いです。倍率は足し算ではなく掛け算です。視野の直径を計算する場合は、同じ顕微鏡で視野の直径が倍率に反比例するという条件があるかを読み取ります。細胞の数は並び方や視野の端の切れ方にも左右されるので、倍率だけから常に正確な個数を求めることはできません。

2つ目は、プレパラートを作り、低倍率で対象を探してから高倍率で観察する操作の順序です。対象を中央に置く理由や、像を動かす向きも問われます。操作名だけを暗記せず、次の段階で何が見えなくなるかを考えます。

3つ目は、植物と動物の細胞の図から、核や細胞膜などを指し示す問いです。植物の細胞に特徴的なつくりを答える場合も、観察した部分の条件に注意します。植物の細胞なら必ず葉緑体が見える、という判定はできません。

レンズの先と細胞の境界

顕微鏡の全体の倍率は、接眼レンズの倍率に対物レンズの倍率を掛けたものです。倍率を上げると、同じ長さのものがより大きな像として見えます。一方、視野は狭くなり、一般に暗くなります。視野の直径が半分なら、同じ向きに並んだ同じ大きさの細胞が直径上に収まる数も、およそ半分になります。ただし視野の面積は直径の比の2乗で変わり、全体に見える個数を直径の比だけで扱ってはいけません。

図1のように、植物細胞では細胞膜の外側に細胞壁があります。細胞膜は細胞の内側と外側を隔て、物質の出入りに関係します。細胞壁は細胞の形を保つことに役立ちます。動物細胞にも細胞膜と核はありますが、細胞壁はありません。図は位置関係を示す模式図で、実物の形や大きさをそのまま表したものではありません。

図1の植物細胞にある液胞は、細胞液を含む部分です。核は細胞の活動を調節するはたらきに関係します。葉緑体は光合成を行うつくりですが、植物の細胞のどの部分にもあるわけではありません。例えば、根の細胞や、葉であっても観察する細胞の種類によっては葉緑体が見られません。図1に描いた葉緑体は、葉緑体をもつ細胞を表しています。

顕微鏡の準備では、安定した場所に置き、直射日光を反射鏡に当ててのぞかないようにします。照明や反射鏡の扱いは器具の指示に従います。薄い試料を水滴に置き、カバーガラスを斜めから静かに下ろすと、気泡が入りにくくなります。染色液を使うときは指示された量を守り、器具や手を汚さないようにします。

最初は低倍率の対物レンズを選びます。横から見ながら対物レンズとプレパラートを近づけ、その後、接眼レンズをのぞきながら両者を離す方向に調節ねじを回してピントを合わせます。のぞいたまま近づけると、距離を見誤って試料やレンズを傷つけるおそれがあります。低倍率で対象を視野の中央に移し、対物レンズを高倍率に替えた後は、わずかに調節して像を鮮明にします。

観察を終えるときは、対物レンズを低倍率に戻し、器具の指示に従ってプレパラートを外します。レンズを直接指で触らず、片付ける前に試料や水滴が残っていないか確認します。スケッチでは、見えた細胞の輪郭を線で描き、核など確認できた部分を示します。見えなかった部分は、教科書の図を記憶だけで補うのではなく、観察条件を変えて確かめます。こうすると、観察した事実と知識からの推測を区別できます。

基本例題：倍率と直径をつなぐ

次は計算のために設定した条件です。接眼レンズが10倍、対物レンズが4倍のとき、円形の視野の直径は1.8 mmでした。接眼レンズはそのまま、対物レンズを12倍に替えます。同じ顕微鏡で視野の直径は全体の倍率に反比例するものとします。高倍率の全体の倍率を整数で、視野の直径をmm単位の小数で求めてください。さらに、低倍率の視野の直径に沿って同じ幅の細胞が隙間なく9個並ぶとします。高倍率でもその列が視野の直径を横切り、両端で細胞がちょうど切れずに並ぶとき、直径上に何個入るか整数で答えてください。

図2のように、まずレンズの組合せごとに倍率を求めます。図の細胞は幅の関係を示した模式図です。見えている細胞の総数を表すものではありません。

低倍率の全体の倍率は、10 × 4 = 40倍です。高倍率の全体の倍率は、10 × 12 = 120倍です。120 ÷ 40 = 3なので、倍率は3倍になります。視野の直径はその逆の3分の1です。

高倍率の直径は、1.8 ÷ 3 = 0.6 mmです。細胞1個の幅は、低倍率の実際の範囲を9等分して、1.8 ÷ 9 = 0.2 mmです。したがって、高倍率の直径に入る個数は、0.6 ÷ 0.2 = 3個です。答えは120倍、0.6 mm、3個です。

場面に戻して確かめます。高倍率で3個の幅を足すと、0.2 × 3 = 0.6 mmで、高倍率の直径に一致します。また0.6 × 3 = 1.8 mmなので、倍率が3倍になると直径が3分の1になる条件にも戻ります。図2のように、個々の細胞が拡大されても、見える範囲は狭くなるため、直径上の個数は減ります。

もし列が中央を通らなかったり、端に一部だけの細胞があったりすると、見える個数の数え方は変わります。問題にある「直径上」「隙間なく」「両端で切れない」という条件は、計算結果を個数に結び付けるために必要です。

少し難しい例題：像の移動と視野の変更

低倍率で見たとき、観察したい細胞の像が視野の右上にあります。この顕微鏡では像がプレパラートの移動と上下左右とも逆向きに動くものとします。像を中央に寄せるにはプレパラートをどちらへ動かしますか。方向を「右上」「右下」「左上」「左下」のいずれかで答えてください。中央に寄せた後、高倍率に替えると像が暗く、輪郭もぼやけました。明るさとピントをそれぞれどう調整するか、操作を短い文で答えてください。

像を中央へ移す方向は、右上から左下です。プレパラートを動かす方向は像と逆なので、答えは右上です。左右だけでなく上下も逆にするところが分かれ目です。実際に少し右上へ動かしたとき、像が左下へ動けば条件に合い、中央へ近づくことを確かめられます。大きく動かして見失う前に、小さく動かして変化を見るとよいでしょう。

暗さには、しぼりや照明を器具の指示に従って調整します。ぼやけには、プレパラートと対物レンズの距離を調節ねじでわずかに変えてピントを合わせます。明るさの問題とピントの問題は別です。光量を変えても輪郭が鮮明にならなければ、距離の調節を確認します。高倍率で像が見つからない場合は、低倍率に戻して対象を中央に置き直します。無理に高倍率のまま探すと、狭い範囲のどこを見ているか判断しにくくなります。

見間違いから操作を直す

図3のように、倍率を上げたら視野に入る細胞が増えると答えた場合を考えます。1個の像が大きくなるという観察と、視野全体の広さを同じものとして扱ったことが原因です。正しくは、同じ対象を拡大すると見える範囲が狭くなります。直径上に並ぶ数を求める問題なら、直径の変化と細胞の幅を先に書き、端の条件も調べてから数を出します。

図3は像の大きさと視野の広さを別々に示します。視野が狭くなることから、常に見える細胞の総数を正確に決められるわけではありません。細胞が均一に並んでいない場合や、一部しか見えない細胞の扱いが指定されていない場合は、個数を断定せず条件の不足を指摘します。

観察の失敗にも、見える状態に応じた直し方があります。視野が真っ暗なら、レンズの位置、照明やしぼり、試料が光の通り道にあるかを順に確かめます。輪郭はあるがぼやけるならピントを調整します。丸い輪郭があり、動かしても試料の細胞とは異なる見え方をする場合は、気泡の可能性を考え、プレパラートを作り直して比較します。丸い形だけで気泡と決めず、実物の位置や変化も確かめましょう。

細胞のつくりを「植物には葉緑体が必ずある」と答えた場合は、どの器官のどの細胞かを条件に戻します。細胞壁の有無と葉緑体の有無は別の判断です。細胞壁らしい境界が見えても、それだけで葉緑体を見たことにはなりません。見えない構造を想像で描き足さず、観察できた範囲と設問に与えられた情報を区別します。

練習：条件を拾ってから答える

次の数値や観察条件は、練習のための設定です。計算では指定された単位と形で答えてください。

1. 接眼レンズ15倍、対物レンズ8倍の組合せの全体の倍率を整数で答えてください。対物レンズを20倍に替えたときの全体の倍率も整数で答えてください。
2. ある顕微鏡で全体の倍率が60倍のとき、視野の直径は2.4 mmです。視野の直径は全体の倍率に反比例するとして、倍率を240倍にしたときの直径をmm単位の小数で答えてください。
3. 低倍率で対象の像が視野の左下にあります。像はプレパラートの移動と上下左右とも逆向きに動きます。中央に寄せるプレパラートの移動方向を、右上、右下、左上、左下から選んでください。
4. 核と細胞膜が見られ、細胞壁はない細胞があります。この情報だけで、植物細胞か動物細胞かを選び、根拠を短い文で答えてください。また、葉緑体が見えないことだけで同じ判定ができるか、「できる」か「できない」で答え、理由も述べてください。

練習の答えと確かめ方

1. 15 × 8 = 120倍、15 × 20 = 300倍です。対物レンズを20 ÷ 8 = 2.5倍にすると、全体も120 × 2.5 = 300倍となり、レンズを替えた場面に戻ります。接眼レンズが変わらないことが、比を比べるときの手掛かりです。

2. 240 ÷ 60 = 4なので、倍率は4倍です。直径は2.4 ÷ 4 = 0.6 mmです。0.6 × 4 = 2.4 mmとなり、元の視野の直径に戻ります。面積や細胞の総数を求める問いではないので、直径の比をそのまま使います。

3. 左下です。像を中央に寄せるには右上へ動かす必要があり、プレパラートは逆の左下へ動かします。左下への移動で像が右上へ進むという条件に戻せば、中央へ近づくことを確認できます。

4. 動物細胞です。核と細胞膜があり、植物細胞にある細胞壁がないという条件が根拠です。葉緑体が見えないことだけでは判定できません。植物の細胞にも葉緑体をもたないものがあるためです。動物細胞には細胞膜があり細胞壁がないという条件に戻し、与えられた特徴と答えが矛盾しないことを確かめます。

観察前に残す4行

倍率は接眼レンズと対物レンズの倍率を掛けます。
倍率が上がると像は大きく、視野は狭くなります。
低倍率で対象を中央に置いてから高倍率に替えます。
細胞壁と葉緑体は別々に判断します。

どこで止まったかを見つける

お子さまが計算を間違えたときは、答えだけでなく、倍率の比と視野の直径の比をそれぞれ言葉にできるかを見ます。図2を指し、1個の像と視野のどちらが広がるかを説明できれば、次に直径上の数へ進めます。細胞数を計算できても、端の細胞が切れる条件では正確な数が決まらないと気づけるかも確かめます。

個別指導では、図1の細胞膜と細胞壁を指し分け、葉緑体が見えない場合の判断を尋ねます。操作で止まる場合は、図3を使って低倍率に戻す理由を言葉にし、暗さとぼやけのどちらを直す場面かを整理します。視野の変化と細胞のつくりを分けて考えることが、観察結果を説明する手掛かりです。