高校生物 細胞周期の量変化—染色体とDNAを数える単位からグラフを描く｜武蔵野個別指導塾

複製前後と分裂後で染色体数とDNA量を数え、1核・1細胞・娘細胞2個の合計という単位の違いを確かめます。

よくあるのは、分裂直前の1細胞と分裂後の娘細胞2個を比べ、娘細胞のDNA量が半分になったから、2個を合わせたDNA量も半分になったと考える場面です。1細胞当たりなら半分ですが、2個の合計なら分裂直前の1細胞と同じです。数値が正しくても、何を1単位として数えたかを落とすと、結論は逆になります。

問いの形は大きく3つあります。G₁期から分裂後までのDNA量をグラフにする問い、複製前後の染色体数とDNA量を対比する問い、核と細胞の数が異なる途中の状態を読む問いです。いずれも体細胞分裂を扱い、減数分裂やDNA複製に働く酵素は扱いません。条件のないところまで推測せず、時点と分母を先に書き出してから数えます。

数える対象と時点を決める

細胞周期は、分裂を終えた細胞が次の分裂を終えるまでの流れです。間期のG₁期、DNAを複製するS期、複製後のG₂期に続き、M期に核分裂と細胞質分裂が起こります。細胞が常に次の分裂へ進むとは限りませんが、ここでは問題文に示した周期を進み、正常に2個の娘細胞を生じるものとします。

核内のDNA量をG₁期の1核当たりを基準にAと置くと、複製が進むS期にはAから2Aへ増えます。G₂期は2Aで、分裂後の娘核はそれぞれAです。Aは質量を表す任意の基準であり、染色体の本数ではありません。細胞内のDNAのうち、ここで数えるのは核の染色体に含まれるDNAです。細胞小器官のDNAは含めません。

染色体はDNAとタンパク質からなり、複製後には、互いに結び付いた2本の姉妹染色分体を持ちます。この2本が結び付いた状態を1本の染色体と数えます。G₁期に染色体が4本なら、複製を終えた直後も4本ですが、染色分体は8本です。ここでは完成した各染色分体にDNA二本鎖分子が1個ずつあると考え、複製前は4個、複製後は8個です。複製中の分子数は途中構造を含むため、この単純な数え方を適用せず、DNA量の増加として表します。

図1は細胞の形を正確に描いたものではなく、数える単位を整理する模式図です。横向きの矢印は時間の進行を表します。分裂の途中に核膜が消える時期があるので、その間の「1核当たり」は定義できません。核が再びできた後、細胞質分裂が完了する前には、1細胞に娘核が2個ある状態もあります。

図1のように、複製の前後は1核の量を比較し、2個の娘核ができた後は各核と合計を分けます。細胞質分裂後なら1細胞に1核と条件を置けるため、各娘細胞の核DNA量は各娘核の量と一致します。ここでの一致は分裂後の条件によるもので、「細胞当たり」と「核当たり」が常に同義という意味ではありません。

染色体数が途中で変わる理由

複製後から中期まで、姉妹染色分体はつながっており、1組を染色体1本として数えます。後期に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して数えるため、まだ1細胞の中にある染色体の総数は一時的に2倍です。ただしDNAが後期にもう一度複製されたわけではありません。その後、両極に分かれた染色体を持つ娘核ができ、通常は細胞質も分かれます。

4本から始まる場合、後期の1細胞全体では8本、両極には4本ずつです。娘核ごとの本数は4本になります。後期を「各娘核当たり4本」と書くには、まだ核膜に囲まれた娘核がないという注意が必要です。両極の各染色体群として数えれば、時点と数える対象の食い違いを避けられます。

基本例題：1細胞と2細胞の合計

ある細胞はG₁期の1核に染色体を6本持ち、核DNA量は3単位です。複製と分配は正常に進み、分裂後にはそれぞれ1核を持つ娘細胞が2個できます。DNA量は核の染色体に限ります。G₂期の1核、中期の1細胞、分裂後の娘細胞1個、および娘細胞2個の合計について、それぞれDNA量を整数で求めてください。G₂期と中期の染色体数と染色分体数も整数で答えてください。

まず基準はG₁期の1核で3単位です。S期にDNAが複製されるので、G₂期の1核では次のようになります。

3単位・2 = 6単位

中期までにDNA量は分配されていないので、核膜がなくても1細胞内の合計は6単位です。中期の染色体は6本のままで、各染色体に2本ずつある染色分体は12本です。G₂期の1核も染色体6本、染色分体12本です。

分裂後は2個の娘核に等しく分かれ、それぞれを含む細胞ができます。1個の娘細胞に注目すると3単位、2個を合わせると6単位です。図2では矢印が時間の進行を表し、分裂後の2つの箱は別々の娘細胞を表します。

図2のように分裂前の6単位と分裂後の合計6単位を比べると、分配の前後で核DNA量が保存されたことを確かめられます。逆に娘細胞1個の3単位を2個分に戻すと6単位です。染色体も娘核に6本ずつ入り、分裂前の6本を複製してできた12本の染色分体が、分離後に6本ずつ配られたことと対応します。

グラフにするときの注意

横軸に細胞周期の進行、縦軸に「1細胞当たりの核DNA量・単位」と書きます。G₁期は3、S期は3から6へ上昇、G₂期から細胞質分裂直前までは6です。分裂後に娘細胞の一方へ追跡対象を切り替えると3になります。縦軸の「1細胞」は、分裂前は親細胞、分裂後は選んだ娘細胞を指すと添えます。

図2の箱をそのまま連続した細胞集団の合計と読むと、分裂後に半減する線を描いてしまいます。元の親細胞から生じた2個の合計を追うなら、分裂後の値は6です。時間に対する複製の細かな速さは与えられていないので、S期の線を正確な直線だと断定することもできません。端の値と増加する区間を示す模式的な線として描きます。

標準例題：分裂中の数を仕分ける

G₁期の1核に染色体が8本、核DNA量が5単位ある細胞を考えます。複製は完了し、その後は正常に体細胞分裂します。次の3時点について、示された対象の染色体数と核由来のDNA量を整数で求めてください。対象は、アが中期の1細胞全体、イが後期の1細胞全体、ウが細胞質分裂完了後の娘細胞1個です。後期の2つの極にある染色体数もそれぞれ答えてください。

アでは染色体が8本、DNA量が10単位です。複製後の染色体8本はそれぞれ2本の染色分体を持ちます。イではその16本の染色分体が分離して独立した染色体となるので、細胞全体で16本です。DNA量は複製されないため10単位のままで、各極には8本ずつ移動します。

ウでは各娘細胞に染色体8本、DNA量5単位が入ります。娘細胞2個に戻すと、染色体は8本・2 = 16本、DNA量は5単位・2 = 10単位です。この合計は後期の1細胞全体と対応します。一方、中期の8本と分裂後の合計16本が異なるのは、DNA量が増えたからではなく、つながった2本を1本と数えるか、分離した後に2本と数えるかが変わるためです。

別の解き方では、後期に両極へ分かれる直前の染色分体を8組と数えます。各組から1本ずつ各極へ行くので、それぞれ8本です。両極を足して16本になります。この方法では、同じものを染色分体と独立した染色体の両方として二重に足さないことが要点です。

発展例題：核の数が変わるとき

ある1細胞のG₁期の核DNA量を7単位とします。S期を終えた後、核分裂は正常に完了しましたが、細胞質分裂はまだ終わっていません。2個の娘核は同じ量のDNAを受け取り、核外のDNAは数えません。この時点の娘核1個当たり、1細胞全体、および2個の娘核の合計のDNA量を整数で答えてください。続いて細胞質分裂が完了した後の娘細胞1個当たりと2個の合計も答えてください。

複製後のDNA量は7単位・2 = 14単位です。核分裂後にそれを等分すると、娘核1個当たりは(14単位)/(2) = 7単位です。細胞質分裂前は2核を含む1細胞なので、その細胞全体も2核の合計も14単位です。細胞質分裂後は、1細胞につき1核なので各娘細胞7単位、2個の合計14単位です。

核分裂が済んだ時点で「1核当たり」は14単位から7単位に変わりますが、「1細胞当たり」はまだ14単位です。核膜が消えた時期には1核当たりの値を置けないので、前後を連続する値として無条件につなぎません。反対に、核分裂と細胞質分裂が終わった時点だけを比べる問題なら、娘核と娘細胞の双方で7単位と答えられます。何が終わったと書かれているかが条件の分かれ目です。

資料を読むための実験の考え方

細胞の核DNA量を測る資料では、測定時点を変えた標本を比べる設計が考えられます。独立変数は採取時点、従属変数は各核の相対DNA量です。細胞の種類、培養条件、測定方法をそろえ、採取と測定は学校の指導の下で行います。実験操作による影響を調べたい場合は、操作を加えない対照群も同じ時点で測ります。

縦軸を核DNA量、横軸を採取時点としたグラフでは、各点が同じ細胞を追った結果なのか、別々に採取した集団の平均なのかを区別します。別々の標本で平均が上がっても、個々の核がどの順に増えたかをその結果だけで追跡したことにはなりません。細胞の集団に含まれる各期の割合が変わった場合にも、平均値は変化しえます。

測定のばらつきは、核の重なりや背景の読み取り、標本の偏りなどでも生じます。複数の標本で結果を比べ、測定できなかった核や重なった像を除く基準をあらかじめそろえます。高い値が現れたことから直ちに複製異常を断定せず、測定対象と対照、他の観察を確認します。核が重なった像を1個として数えれば、見かけの量が大きくなるからです。

誤答を直す：半分の対象を取り違える

基本例題の分裂後に、娘細胞1個の量3単位を見て「2個の合計も3単位」とした答案を考えます。誤りは、1個当たりという分母を消したまま、合計に言い換えた点です。図3のように3単位が入った箱を2つ描き、それぞれを足すと6単位です。矢印は集計する向きを表します。

図3では、3単位という数自体は娘細胞1個なら正しい値です。問われた対象が2個の合計なら3単位・2に直します。もし設問が娘細胞1個の量を求めていれば、3単位のままが正解です。誤答を直すときは数値に丸やバツを付ける前に、その数がどの対象に対応するかを書き添えます。

別の誤りは、G₁期とG₂期のDNA量が2倍だから、染色体数も2倍とするものです。複製が終わっても姉妹染色分体がつながっている間は、染色体の本数は変わりません。後期の1細胞全体では分離によって本数が2倍になるので、「染色体は常に変わらない」と覚えるのも誤りです。複製と分離のどちらが起こったかを時点に結び付けます。

練習：対象に線を引いてから解く

次の数値はすべて教材の条件です。核DNA量には核外のDNAを含めず、体細胞分裂は正常に進みます。答えは指定した単位の整数、または指定された言葉で書いてください。

1. G₁期の1核に染色体が10本、核DNA量が4単位あります。G₂期の1核の染色体数、染色分体数、核DNA量をそれぞれ整数で答えてください。
2. 複製後の中期に、1細胞に染色体が12本あります。後期にすべての姉妹染色分体が分離したとき、1細胞全体と各極にある染色体の本数をそれぞれ整数で答えてください。
3. 複製直後の1核に核DNAが18単位あります。正常な分裂後、1核ずつを含む娘細胞が2個できました。娘細胞1個当たりと2個の合計の核DNA量を整数で答えてください。
4. G₁期の1核の核DNA量が9単位です。核分裂が終わり細胞質分裂が終わる前の1細胞に2個の娘核があります。各娘核当たりと1細胞全体の核DNA量を整数で答えてください。
5. G₁期の1核DNA量を2単位とする細胞について、核DNA量を測った別々の集団の平均が、採取時点Pで2単位、時点Qで3単位でした。この結果だけで「各細胞がPからQまでにDNAを1単位ずつ増やした」と結論できるか、「できる」または「できない」で答え、理由を記述してください。

答えと解き方

1. 染色体10本、染色分体20本、核DNA量8単位です。S期にDNAは4単位・2 = 8単位になり、10本の各染色体が2本の染色分体を持ちます。染色分体20本を2本ずつ組に戻すと、もとの染色体10本と一致します。
2. 1細胞全体で24本、各極に12本です。中期の12本はそれぞれ2本の染色分体を持つため、分離後は12本・2 = 24本です。各極の12本を合わせると24本に戻ります。後期の娘核はまだできていないため、各極の染色体群として答えます。
3. 娘細胞1個当たり9単位、2個の合計18単位です。18単位を2個へ等分して(18単位)/(2) = 9単位となり、9単位・2 = 18単位で分裂前に戻ります。
4. 各娘核9単位、1細胞全体18単位です。複製後は9単位・2 = 18単位で、2核へ等分されます。9単位の核が2個とも同じ細胞内にあるため、合計は18単位です。
5. できません。別々の集団の平均値なので、同じ細胞を追跡した結果ではなく、個々の増加量を特定できません。各集団の細胞周期の状態の割合が変化した可能性もあります。各時点での平均という観察結果と、個々の細胞が増えたという推測を分けます。

手元に残す5行

• 数値に「1核」「1細胞」「集団の合計」を添えます。
• 核DNA量はS期に増え、複製完了後は2倍です。
• 染色体数は複製後も変わらず、後期の分離で細胞全体では一時的に2倍です。
• 娘核と娘細胞の数が一致するのは細胞質分裂後の条件によります。
• 娘細胞の値を合計へ戻し、分裂前の量と照合します。

答案のどこで迷ったかを見つける

図や表を読んで迷ったら、まず問題文の時点に印を付け、核膜があるか、細胞が何個かを余白に書きます。次に「何個当たり」の言葉を付けた値を並べます。計算が合っていても対象を書けなければ、分母の切り替えでつまずいています。

個別指導で確かめるなら、まず娘細胞1個の値を2個の合計に戻してもらい、次に中期と後期の染色体を言葉で数えてもらいます。どちらも説明できれば、量の保存と数える対象の変化を区別できています。細胞周期のグラフは、軸の単位と時点を明記して初めて読める資料です。