高校生物 生命の起源と細胞の進化—細胞内共生の根拠を資料から説明する｜武蔵野個別指導塾

独自のDNAと分裂の特徴を比較し、細胞内共生の根拠と、資料だけでは断定できない由来を分けて考えます。

共生説の根拠を細胞の図から選べない、という場面はよくあります。細胞小器官の名前は覚えていても、図に描かれた膜やDNAのどれが、どんな過去を考える手がかりなのかが結びつかないのです。まず学校の範囲表と授業ノートで、化学進化から細胞内共生までの扱いを確かめましょう。ここでは進化年代の暗記は扱いません。

資料で問われる3つの型

1つ目は、生命の起源について、単純な物質から有機物が生じ、さらに生命の成立につながる過程をどう考えるかという型です。実験で有機物が生成したことと、生命そのものが作られたことは同じではありません。問題に示された材料、条件、生成物を区別して読みます。

2つ目は、原核細胞と真核細胞の構造の比較です。核を囲む膜の有無に注目し、DNAの存在と核の存在を混同しないことが出発点です。図に核が描かれていなくても、DNAがないと判断することはできません。細胞の外形だけで分類せず、内部の構造を確かめます。

3つ目は、ミトコンドリアや葉緑体について、観察された特徴を細胞内共生説の根拠として説明する型です。特徴の名前を並べるだけでは、なぜ共生説を支えるのかが残ります。細菌に似た特徴が、かつて独立していた細菌に由来するという考えとどう対応するかを書きましょう。ただし、似た特徴を見つけた事実と、由来を推定する説明は区別します。

起源から細胞の構造へ

化学進化とは、生命の成立に先立ち、無機物などから有機物が生じ、それらが変化して生命の成立に至ったと考える道筋です。単純な分子から有機物が生じうることを示す実験は、この道筋を考える材料になります。実験装置の中で生じた物質は、設定した条件のもとで得られた結果です。初期の地球の環境をそのまま再現したと断定したり、生命の成立まで実験で証明されたと書いたりしないようにします。

細胞は膜によって内側と外側が区切られています。原核細胞には核膜で囲まれた核がありませんが、DNAは存在します。真核細胞には核膜で囲まれた核があり、ミトコンドリアなどの膜に囲まれた細胞小器官を持ちます。葉緑体は光合成を行う真核生物の細胞に見られますが、真核細胞が必ず葉緑体を持つわけではありません。

図1のように、真核細胞の中には核とは別にDNAを持つ小器官があります。ミトコンドリアや葉緑体は独自のDNAを持ち、細胞内で分裂します。細菌もDNAを持ち分裂します。この対応は、現在の細菌がそのまま小器官になったことを示す図ではなく、小器官の祖先が細菌に近い生物だったという説明を考える手がかりです。

細胞内共生説は、祖先的な真核細胞の中に細菌に近い生物が取り込まれ、共生関係を経て小器官になったとする考えです。ミトコンドリアの祖先と葉緑体の祖先はそれぞれ別の細菌に由来すると考えます。膜が2枚あること、独自のDNAや細菌に似たリボソームを持つこと、分裂することなどは根拠になります。ただし膜の枚数だけで取り込みの過程を一通り再現できるわけではありません。複数の特徴を合わせ、資料が示す範囲を超えない説明にします。

共生の結果、現在の小器官は宿主細胞から完全に独立して生活する細菌と同じではありません。小器官に必要なタンパク質の多くは核の遺伝子の情報に基づいて作られます。独自のDNAを持つことと、必要な情報をすべて独自に持つことは別です。小器官の機能の詳細は、授業で扱う範囲に合わせて確認しましょう。

基本例題：どの特徴が根拠になるか

次の表は、比較のために作った模式資料です。実際に測定した結果ではありません。細胞Pは原核細胞、細胞Qは真核細胞で、Qにはミトコンドリアがあります。表に示す特徴から、ミトコンドリアの細胞内共生説を支持する組合せを選び、指定語「細菌」「祖先」を使って60字程度で理由を書いてください。

選択肢は、A「アとイ」、B「ウだけ」、C「アからウのどれも根拠にならない」です。図2のように、まず比較する対象を細胞全体と小器官に分け、各行が何を示すかを読みます。

アは、細菌に相当するPとミトコンドリアがそれぞれDNAを持つという対応です。独自のDNAは、ミトコンドリアの祖先が遺伝情報を持つ生物だったという考えに合います。イは、どちらも分裂するという対応です。細胞内で増える仕組みが、独立して増殖していた祖先に由来するという考えと合います。

ウの膜は広く細胞や小器官に見られるため、この表の「膜を持つ」という情報だけでは由来の識別力が低いと考えます。2枚の膜という具体的な情報があれば別に検討できますが、ここには枚数がありません。したがって、この選択肢の中ではAを選びます。解答例は「独自のDNAと分裂という細菌に似た特徴が、細菌に近い祖先を持つという考えに合うためです。」です。

答えを表に戻して確認します。DNAと分裂は両方の列に記載されています。一方、表からDNAの配列が似ているかどうかや、分裂の詳しい仕組みが同じかどうかは読めません。根拠を強く見せようとして、資料にない情報を付け足すと説明の条件が変わります。実際の資料では表の見出しや凡例を読み、その特徴がどの対象のものか確認してください。

少し難しい例題：一致と由来の距離

ある模式資料では、真核細胞Rの小器官Xと、細菌S、細菌Tについて、対応する遺伝子の塩基配列を同じ長さで比較しました。比較した位置は24か所で、小器官XとSでは18か所、XとTでは12か所が一致しました。比較した位置の一致数を分子、24を分母として、それぞれ一致割合を約分した分数で求めてください。また「比較した遺伝子」「断定」という語を使い、資料から言えることと限界を合わせて80字程度で書いてください。この数は説明のための自作条件です。

Sとの一致割合は18/24です。分子と分母を6で割ると3/4です。Tとの一致割合は12/24で、分子と分母を12で割ると1/2です。逆に24か所に戻すと、24 × 3/4は18か所、24 × 1/2は12か所です。元の一致数と一致します。同じ長さ、同じ位置を比べているため、この資料の一致割合はSの方が高いと読めます。

記述例は「比較した遺伝子ではXはTよりSに多くの位置で一致するが、この1つの比較だけでXの祖先がSそのものだったと断定はできません。」です。一致割合が高いことは関係を考える材料ですが、現在のSが直接の祖先だったことを示すものではありません。現在の系統どうしが、過去の共通祖先から分かれた可能性も考えられます。

もし比較する長さが異なれば、一致数をそのまま比較することもできません。たとえば一方が長い範囲を調べていれば、一致数が多くても割合は高いとは限らないからです。まず分母をそろえ、資料が割合なのか個数なのかを確認します。また、1つの遺伝子の類似性だけから、生物全体の関係を確定したように書かないことも大切です。別の遺伝子や構造上の特徴を合わせて検討する余地が残ります。

誤答を根拠に戻す

誤答例は「ミトコンドリアはDNAを持つので、現在の細菌がそのまま入り込んだことが証明される」です。原因は、観察した特徴と過去の出来事についての推論を一文の中で同一視したことです。DNAの存在は観察事実ですが、それだけで取り込まれた相手や過程の詳細まで直接見えたわけではありません。

図3のように、左側に見えた事実、右側にその事実に合う説明を置きます。修正例は「独自のDNAを持つことは、細菌に近い祖先が細胞内に共生したという考えを支持します」です。「証明される」を「支持する」に直し、現在の細菌と過去の祖先も区別しています。

別の誤りに「原核細胞には核がないのでDNAもない」があります。原因は、核膜に囲まれた核とDNAそのものを同じものとして扱うことです。原核細胞では核膜に囲まれた核はありませんが、DNAは細胞内に存在します。図では核膜の線があるかと、DNAの印があるかを別々に確認します。

また「葉緑体を持つ細胞は原核細胞だ」という答えも、細菌と葉緑体の類似性から細胞全体の分類へ飛躍しています。葉緑体を含む細胞は真核細胞であり、葉緑体の祖先が細菌に近かったという説明とは両立します。比較しているものが小器官か、その小器官を含む細胞かを答案の主語に書くと、取り違えを減らせます。

練習：資料から書く

以下はすべて自作の条件です。先に4問を解き、後の解答で根拠を点検してください。

1. 細胞Aには核膜で囲まれた核がなく、DNAがあります。細胞Bには核膜で囲まれた核があります。AとBをそれぞれ原核細胞と真核細胞のどちらに分類するか、名称で答えてください。
2. 小器官Yと細菌Uの対応する配列を30か所比較し、21か所が一致しました。小器官Yと細菌Vでは同じ30か所のうち15か所が一致しました。それぞれの一致割合を約分した分数で答え、より一致割合が高い相手の記号を書いてください。
3. 小器官Zが独自のDNAを持ち、細胞内で分裂するという資料があります。この2つの事実が細胞内共生説を支持する理由を、「細菌」「祖先」を使って60字程度で述べてください。
4. ある実験で、決められた気体を含む装置にエネルギーを与えると、有機物が検出されました。この結果から「生命が装置内で成立した」と結論した答案があります。資料から言えることと、その結論の問題点を「有機物」「生命」を使って70字程度で述べてください。

解答と確かめ方

1. Aは原核細胞、Bは真核細胞です。分類の根拠は核膜で囲まれた核の有無です。AのDNAの存在は原核細胞という判断と矛盾しません。Bについては核があるという条件から真核細胞と判断しますが、この条件だけで葉緑体の有無までは決まりません。

2. Uは21/30なので、分子と分母を3で割り7/10です。Vは15/30なので1/2です。分母を10にそろえると、7/10と5/10になり、Uの方が高い割合です。元の30か所に戻すと、30 × 7/10は21か所、30 × 1/2は15か所で、どちらも条件に合います。この比較は、現在のUがYの直接の祖先だったと確定するものではありません。

3. 解答例は「独自のDNAと分裂は細菌に似た特徴であり、細菌に近い祖先が細胞内で共生したという考えに合うためです。」です。独自のDNAと分裂の両方を資料に戻して確認します。分裂の事実だけから、分裂の詳しい仕組みまで同じと書く必要はありません。支持する理由と、過去の過程が直接観察されたかどうかは別に扱います。

4. 解答例は「示された条件では有機物が生じたと言えますが、有機物の検出だけでは生命が成立したとは言えません。」です。装置の条件と検出された物質が与えられた結果です。生命が成立したかを判断する情報は問題にありません。初期の地球で実際に同じ反応が起こったかどうかも、この結果だけでは確定できません。

資料が不足しているときの判断

図にDNAの印が描かれていない場合、その図が細胞内の全構造を示すものかを先に確かめます。核の位置を示すための簡略図なら、DNAの印が省略されている可能性があります。凡例や問題文に「DNAは描いていない」とあれば、印がないことをDNAが存在しない根拠にはできません。逆に、調べた結果としてDNAが検出されなかったと明示されているなら、それはその条件での観察結果として扱います。それでも検出方法や対象に関する条件を越えて、あらゆる条件で存在しないと決めることはできません。

比較資料が途中で欠けている場合も、空欄を勝手に補わず、読める行から答えられる範囲を考えます。たとえば膜についての記載が欠けていても、独自のDNAの有無が明示されていれば、その行の比較はできます。一方、膜の枚数が空欄なら、2枚であることをその資料の根拠として挙げられません。設問が不足した情報を必要とするなら、資料だけでは判断できないと理由を添えます。

問題を解いていて時間が足りないときには、特徴名と推論を矢印でつなぐ短い下書きから始めます。「独自のDNA → 細菌に近い祖先を考える手がかり」のように対応を決めてから、指定語を含む文章に直します。急いでいるときほど、図の対象が宿主細胞なのか小器官なのかを指で確認すると、主語を取り違えにくくなります。

ここを押さえる

核膜に囲まれた核の有無と、DNAの有無を分けます。 独自のDNAや分裂は、細胞内共生説を支持する特徴です。 観察された一致と、祖先についての推論を区別します。 有機物の生成と、生命の成立を同一視しません。

答案のどこで止まったか

図を見ても選べないときは、まず細胞全体と小器官に別の印を付け、どちらの特徴を比べているかを確認します。次に答案の名詞に下線を引き、「核」と「DNA」、「細菌」と「細菌に近い祖先」が混ざっていないかを見ます。個別指導では、生徒が描いた図の膜、DNA、分裂の印を一つずつ指し、その印から直接読めることと考えられることを口頭で説明してもらうと、つまずいた場所を見分けられます。資料の一行から導ける範囲を守ることが、細胞の進化を説明する土台です。