高校生物 フィトクロム—赤色光と遠赤色光の照射順から光受容の状態を読む｜武蔵野個別指導塾

赤色光と遠赤色光の照射を順にたどり、完全変換と部分変換で受容体の状態を判定し分けます。

よくあるのは、種子に赤色光と遠赤色光を交互に当てた表を見て、それぞれの照射回数だけを数える場面です。同じ回数でも順序を入れ替えると、最後に残る受容体の状態が異なり、発芽の結果も変わることがあります。照射の列を左からたどり、各操作が何を変えるという条件なのかを確かめましょう。

要点（結論から）

• PrとPfrの間の矢印に、それぞれの照射光を書きます。
• 最終照射で判定できるかは、変換と照射後の条件を読みます。
• 発芽の結果は対照区と比べ、受容体の量と区別します。

光の資料で問われる判断

第1の型は、赤色光を吸収しやすい型と遠赤色光を吸収しやすい型の間の変化を、照射順に追う問題です。光の名前と変換後の型の名前は対応が逆に見えるので、矢印の出発点と到着点を書きます。第2の型は、種子の発芽などの結果から、どの照射が直前の効果を打ち消したかを考える問題です。結果が似ていても照射履歴は同じとは限りません。

第3の型は、対照区や追加の操作を選び、光以外の条件による説明を検討する問題です。照射を受けた種子と受けない種子で水分や温度も違えば、結果の差を光の色に結び付けにくくなります。比較する2区で変える条件を絞り、測る時点や種子の状態もそろえます。

ここで扱う発芽率や照射条件は、計算や推論のために設けた自作の条件です。特定の植物の測定値ではありません。花芽形成に必要な暗期の長さを判定する問題とは、問いを分けます。

受容体の型と光の向き

フィトクロムは植物が光の情報を受け取る色素タンパク質です。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への変換を、遠赤色光はPfrからPrへの変換を引き起こします。矢印は物質の移動ではなく、同じ受容体の型の変化を示します。

図1のように、光の名前は矢印に付け、PrとPfrは矢印の両端に置きます。多くの教材で扱う発芽促進のモデルでは、Pfrが応答を引き起こす側として働きます。ただし、光を受けてから発芽が見えるまでには細胞内の過程があり、Pfrが増えた瞬間に種子が伸びるという意味ではありません。

図1の変換は双方向ですが、同時に両方向へ必ず同じ量が動くという意味ではありません。実際の割合は光の条件や時間などに左右されます。以下の例題では追跡を明確にするため、照射ごとに応答の判定に必要な状態が指定された型へ切り替わり、その後の暗所で状態は変わらないという単純化したモデルを使います。

このモデルでは、赤色光を最後に当てるとPfr、遠赤色光を最後に当てるとPrが判定時の状態です。赤色光の後に遠赤色光を当てると、先にできたPfrがPr側に戻ります。さらに赤色光を当てればPfr側に変わります。このように光の種類によって直前の作用が逆転する性質を光可逆反応と呼びます。

「最後の光で決まる」は上の条件から導いた結論です。あらゆる種子、照射の強さや長さ、照射後の時間に無条件で適用できる法則として扱いません。十分に変換しない照射や、暗所での変化がある場合には、途中の割合や時間を考える必要があります。問題文が与える範囲で判断することが、知識を資料へ正しく使う第一歩です。

例題1　照射の列を最後まで追う

自作の種子モデルでは、照射前のフィトクロムはPr型です。赤色光をR、遠赤色光をFと表し、各照射は判定に必要な型への変換を完了させます。照射後は同一条件の暗所に置き、Pfr型なら発芽が促進され、Pr型なら促進されないとします。暗所で型は変化しません。次の4区の判定時の型と発芽促進の有無をそれぞれ答えてください。

図2のように、矢印の左から右へ順番に処理を進めます。図の横方向は時刻の順序を表し、間隔の長さは照射時間を表しません。各区に同じ種類の光が何回出たかだけでなく、最後の操作の種類を確かめます。

AはPrにRを当てるのでPfrとなり、発芽が促進されます。BはRでPfrになった後、FでPrに戻るので促進されません。CはBの後にRが加わりPfrとなるため促進されます。Dは最初のFの時点ではPrのままで、その後RでPfr、最後のFでPrとなり、促進されません。

図2の終点を表の各列へ戻すと、AとCの最後はR、BとDの最後はFです。CとDはRとFの数が異なることもありますが、判定に必要なのはこのモデルでは最後の種類です。たとえばRとFをそれぞれ1回含むR → FとF → Rは、回数が同じでも終点がPrとPfrに分かれます。

別の整理法として、各操作を「RならPfr」「FならPr」と書いた状態表を作れます。前の状態を覚えておかなくても、条件どおり変換が完了するモデルでは最終行を読めます。一方、変換が部分的という条件に変われば、この省略は使えず、前の割合を引き継ぎます。

例題2　発芽率の差を対照に戻す

ある自作資料では、同じ発達段階の種子を4区に各40個ずつ分け、同じ水分、温度、観察時点で調べました。発芽した数は、暗所のままの区が4個、Rを当てた区が32個、R → Fの区が8個、R → F → Rの区が30個でした。各区の発芽率を整数の百分率で求め、どの比較が光可逆反応を支持するか説明してください。照射条件は例題1のモデルに従うものとします。

発芽率は、発芽数をその区の種子数で割り、100を掛けて求めます。暗所区は(4)/(40)・100 = 10%、R区は(32)/(40)・100 = 80%、R → F区は(8)/(40)・100 = 20%、R → F → R区は(30)/(40)・100 = 75%です。逆に40個の10%、80%、20%、75%を求めると4、32、8、30個となり、元の資料に戻ります。

暗所区とR区を比べると、Rを加えた条件で発芽率が高くなっています。R区とR → F区の差は、Rの後にFを加えると促進が弱まることを示します。さらにR → F区とR → F → R区を比べると、最後にRを加えた区で発芽率が再び高くなっています。順に操作を追加した区を比較することで、効果が逆転し再び現れるという説明を支持できます。

ただし、暗所区にも発芽があり、R区も100%ではありません。発芽は個体差や測定上のばらつきを含むため、状態と個々の種子の結果が完全に一致するとは、この資料だけから言えません。対照と処理の差は関連を示しますが、1回の結果から差の再現性まで確定しません。種子を無作為に分けて同じ条件を保ち、独立した組で繰り返すと、区分けや偶然による偏りを検討できます。

例えば照射器の熱でR区だけ温度が上がったなら、光の種類と温度が同時に変わります。光以外の条件をそろえ、照射しない区も同様の装置内に置いて温度を確かめる設計が必要です。発芽の判定基準や観察時点もそろえなければ、見かけの率に差が生じます。操作を行う場合は学校の指導の下で扱います。

例題3　途中の状態を残すモデル

今度は完全変換を仮定しない自作モデルを考えます。100個の受容体のうち最初は20個がPfr、80個がPrです。Rを1回当てると、その直前のPrの半分がPfrに変わり、Fを1回当てると、その直前のPfrの半分がPrに変わります。各照射以外では型は変化しません。R → FとF → Rのそれぞれの最後にあるPfrの数を整数で求め、途中の型の内訳も示してください。

R → Fでは、最初のRでPrの80個の半分、40個がPfrに移ります。Pfrは20 + 40 = 60個、Prは40個です。続くFではPfrの60個の半分、30個がPrに戻るため、最後はPfrが30個、Prが70個です。途中で100個、最後も100個に戻るので、受容体を増減させずに追えています。

F → Rでは、最初のFでPfrの20個の半分、10個がPrに移ります。Pfrは10個、Prは90個です。次のRでPrの半分の45個がPfrに移り、最後はPfrが55個、Prが45個です。途中の10 + 90も、最後の55 + 45も100個です。

両区ともRとFを1回ずつ使っていますが、結果は30個と55個です。各操作の対象が、その時点で残っている型の半分だからです。最後の光は結果に影響しますが、最後の光だけで数値が決まるわけではありません。最終照射則を使うには、例題1のように十分な変換とその後の安定性を問題が与えている必要があります。

同じ結果を表でも点検できます。開始、1回目、2回目の順にPfrの個数を並べると、R → Fは20、60、30、F → Rは20、10、55です。グラフにするなら横軸を照射の段階、縦軸をPfrの個数として、各点をこの表の値に置きます。点の間の線は段階の順を示すもので、照射中の変化速度を測った曲線ではありません。

誤答を手順に戻して直す

誤答の例は「RとFが同じ回数だから、R → FとF → Rの結果は等しい」です。原因は、各光が前の状態に作用することを落として、照射を独立した点数として足したことにあります。図3のように、各行の終点から逆に最後の矢印へ戻り、何が残るかを書き直します。

図3では、完全変換モデルのR → FはPr、F → RはPfrで終わります。両行の回数は同じでも、最後の変換の方向は逆です。状態を書く欄を照射の間に設ければ、途中の状態を飛ばした誤りにも気付きやすくなります。

別の誤りは「遠赤色光が発芽を必ず抑制する」と書くことです。Rによる促進をFが打ち消した資料と、F自体がすべての条件で発芽を抑制するという主張は異なります。暗所区とF区の比較がなければ、F単独の効果も判定できません。対照に対して何が増減したのか、比較相手を答案に添えます。

さらに「発芽率が同じだからPfr量も同じ」とする推論にも注意が必要です。発芽は受容後の過程を経た結果であり、同じ率から受容体量を直接測ったことにはなりません。受容体の状態を調べる測定と、発芽の観察を対応させれば、どの段階までを資料が示すか切り分けられます。

練習　照射と観察を切り分ける

次の5問はそれぞれ独立した自作の条件です。問1、問2、問4では例題1と同じ完全変換モデルを使います。Rは赤色光、Fは遠赤色光です。

1. 初めにPr型である種子にF → R → R → Fを順に照射しました。判定時の型と発芽促進の有無を答えてください。
2. 初めにPr型である種子の2区に、R → F → R → FとF → R → F → Rをそれぞれ照射しました。両区のRとFの回数を整数で示し、判定時の型を答えてください。
3. 各区50個の種子で、暗所区は5個、R区は35個、R → F区は15個が発芽しました。各区の発芽率を整数の百分率で求め、R区とR → F区の差を百分率のポイントで答えてください。
4. 暗所区とF単独区の発芽率が等しく、R区は高く、R → F区は暗所区に近い結果でした。FがRの効果を打ち消したと考える比較を挙げ、F単独の効果についてこの資料で言える範囲を40字程度で記してください。
5. 受容体が120個あり、最初はPfrが40個です。Rで直前のPrの半分がPfrに、Fで直前のPfrの半分がPrに変わります。F → Rの後の各型の個数を整数で答え、途中の内訳も示してください。

答えと考え方

1. 最後のFによりPr型となり、発芽は促進されません。順にPr、Pfr、Pfr、Prとたどれます。最後から照射列に戻ってもFが末尾なので一致します。
2. どちらもRが2回、Fが2回です。前者は最後がFなのでPr、後者は最後がRなのでPfrです。回数の一致は各列を数えて確認し、状態の違いは順番で説明します。
3. 順に(5)/(50)・100 = 10%、(35)/(50)・100 = 70%、(15)/(50)・100 = 30%です。差は70 − 30 = 40ポイントです。50個の各率を元に戻すと5、35、15個となります。割合の差と、割合を割って得る比を混同しないようにします。
4. R区とR → F区を比較します。解答例は「R後のFで促進が弱まり、F単独区は暗所区と同率です」です。単独区の同率はこの測定条件の結果であり、別の条件でも差がないとは決められません。暗所区がなければF単独の比較先が不足します。
5. 最初のPrは80個です。FでPfrの20個がPrに移り、途中はPfrが20個、Prが100個です。RでPrの50個がPfrに移るため、最後はPfrが70個、Prが50個です。途中も最後も合計120個で、移動数を逆に戻すと元の40個と80個を復元できます。

要点を手元に残す

• PrとPfrの間の矢印に、それぞれの照射光を書きます。
• 最終照射で判定できるかは、変換と照射後の条件を読みます。
• 発芽の結果は対照区と比べ、受容体の量と区別します。
• 部分変換では各段階の残量を次の計算へ引き継ぎます。

答案のどこで止まったか

個別指導で確かめるなら、まず生徒自身にPrとPfrを左右に書き、赤色光と遠赤色光の矢印を付けてもらいます。矢印が逆なら光を吸収しやすい型と変換後の型を分けて確認します。矢印が正しくても表を誤るなら、照射ごとの状態を書いて順序の追跡を点検します。

発芽率の比較では、差を出す前に対照として選んだ区と、2区で異なる操作を説明してもらいます。部分変換では各段階の合計が保存されるかを見ます。光の順序、状態、観察結果を別々に記した答案なら、資料が支える結論の範囲も追いやすくなります。