高校生物 動物の行動と学習—刺激への反応を実験条件から分類して考える｜武蔵野個別指導塾

反応の減少と別刺激への応答を比べ、疲労との区別や条件付けを考える対象は動物の行動です。

よくあるのは、同じ刺激を繰り返すうちに動物の反応が減った資料を見て、すべて疲労だと判断する場面です。反応が減った事実は読み取れても、その理由は観察結果だけでは決まりません。別の刺激に反応するか、休息後に元の刺激への反応が戻るかなどを比べると、候補を絞れます。学校の範囲表と授業ノートで、生得的行動と学習の扱いを確かめてから、刺激と反応の関係を整理しましょう。

問われるのは名前と判断の根拠

出方の1つは、生得的行動とかぎ刺激の対応です。経験による学習を必要とせず現れる行動と、その行動を引き起こす手がかりを区別します。行動の名前を知っていても、刺激として与えた特徴と、動物が示した反応を入れ替えると説明が崩れます。

もう1つは、繰り返した刺激への反応の変化を、対照を使って読む型です。慣れは学習による反応の減少ですが、減少が見えただけでは疲労や感覚器の応答の低下も候補に残ります。どの追加結果が候補を支持し、どの結果なら判定を保留するかを考えます。

さらに、ある刺激と別の刺激を組み合わせた前後を比べ、条件付けを判定する型があります。訓練後に反応したという結果に加え、組合せのない群を比べれば、単なる反復や時間経過で説明できるかを検討できます。資料に示されない動物の気持ちを想像する必要はありません。

刺激から反応までを分けて見る

生得的行動は、特定の経験を経なくても現れる行動です。ただし、成長段階や体の状態、環境に影響されないという意味ではありません。たとえば、ある模型の特定の形が攻撃行動を誘発するなら、その形はかぎ刺激の候補です。模型の形が刺激で、模型に近づいて攻撃することが反応です。かぎ刺激を確かめるには、形以外の条件をそろえて形を変えた模型を比べます。

学習は経験によって行動が変化することです。慣れでは、害のない同じ刺激を繰り返すと、その刺激への反応が次第に弱まります。疲労でも反応は弱まり得るため、両者は減少という見た目だけでは区別できません。別の刺激には反応が保たれることや、休息後に反応が回復することを調べます。ただし、別刺激への反応が残っても、その結果だけで疲労の可能性を完全に消すことはできません。

図1のように、条件付けでは刺激の組合せの前後を分けます。古典的条件付けでは、初めは反応を起こさなかった刺激を、反応を起こす刺激と繰り返し組み合わせます。その後、前者だけでも反応が現れるようになったかを調べます。オペラント条件付けでは、動物の行動の後に生じる結果によって、その行動が起こる頻度が変化します。刺激同士の関係と、行動とその結果の関係を混ぜないことが要点です。

図1の上段は刺激同士の組合せ、下段は行動の後に結果が続く関係です。神経系は刺激の受容や情報の処理、反応の発現に関わり、学習に伴う変化は記憶として後の行動に影響します。記憶を特定の1個の細胞や場所に決めつけず、経験後に何が変わったかを資料から読みます。

基本例題：減少の理由を比べる

次は説明のために作った実験です。同じ条件で飼育した動物を各群10個体ずつ用い、軽い振動に体を縮めた個体数を数えます。各個体には同じ強さの振動を一定間隔で与えます。群Aは振動を繰り返し、1回目には9個体、10回目には3個体が反応しました。その直後、群Aに別の種類の刺激を与えると8個体が反応しました。群Bにはその間、振動を与えず、群Aの10回目と同じ時点に同じ振動を1回与えると9個体が反応しました。両群の条件は振動の反復の有無以外、同じとします。

問1：群Aで振動に反応した個体の割合が何ポイント低下したか、整数で答えてください。問2：反応の減少を慣れの可能性と関連付け、別刺激と群Bを使う理由をそれぞれ含めて、100字程度で説明してください。問3：この結果だけで疲労を完全に否定できるか、理由とともに40字程度で答えてください。

まず分母は各回に刺激を受けた10個体です。1回目の割合は9 / 10 × 100 = 90%、10回目は3 / 10 × 100 = 30%です。差は90 − 30 = 60ポイントです。元の9個体のうち何個体が反応をやめたかは、個体ごとの対応が示されないため求められません。割合の差と、同じ個体が変化した人数を区別します。

図2のように、群Aの減少と群Bの反応を並べます。反復のない群Bは同じ時点で9個体が反応したため、時間がたったことだけで群Aの減少を説明するのは難しくなります。別刺激には8個体が反応したので、群Aの動物がどの刺激にも反応できなくなったとする説明も弱まります。これらは慣れと整合します。

図2の数はそれぞれ10個体中の反応数です。問2の解答例は「反復群では振動への反応が減り、反復しない群では高いままでした。別刺激への反応も残るので、振動への慣れが考えられます」です。問3は「否定できません。別刺激への反応があっても、振動への反応に関わる部分の疲労は残り得るため」です。別刺激への応答は疲労を考える材料ですが、同じ経路や筋肉を完全に検査したとまでは示されていません。

割合の計算を戻すと、10個体の90%は9個体、30%は3個体です。差の60ポイントも、10個体を分母とする6個体分の割合に一致します。これは集計数の差であり、個体の入れ替わりを示す数ではありません。割合を分数のまま比べても9 / 10 − 3 / 10 = 6 / 10となり、同じ結論です。

条件を変えると結論も変わる

次の自作例では、音と餌の関係を調べます。初めは音だけで唾液を出さない動物を、同じ条件の2群に分けました。群Cには音を鳴らした直後に餌を与える組合せを繰り返し、群Dには同じ回数の音と餌を、互いに対応しない時点に与えました。訓練後は餌を見せずに音だけを与えます。群Cでは反応が現れ、群Dでは現れませんでした。

問：訓練後の音への反応を何と考えられるか。「組合せ」「対照」の2語を使い、80字程度で説明してください。また、群Cだけに餌を多く与えていた場合に結論がどう変わるか、40字程度で述べてください。

解答例は「音と餌の組合せを経験した群に音だけで反応が現れ、組合せのない対照群には現れなかったので、音への条件付けが示唆されます」です。音が条件刺激、訓練後に音だけで現れる反応が条件反応です。餌はもともと反応を起こす刺激であり、訓練前と後で音の役割が変わったことを追います。

餌の回数も違えば、組合せの有無と餌の経験量が同時に変わるため、どちらが結果に関わったか区別しにくくなります。対照とは何もしない群に限りません。調べたい条件以外をできる限りそろえ、比べるために置く群です。音だけへの反応を試す際に餌を見せると、音に対する反応か餌に対する反応かも区別できません。

訓練の前から音に反応していたなら、訓練後に反応があるという事実だけでは新たな条件付けとは言えません。事前の反応を確認し、訓練後は音以外の手がかりをそろえます。反応が現れなかった場合も、学習が不可能だと即断せず、刺激を受け取れたか、反応を観察できる状態だったかを考えます。

誤答を実験の条件へ戻す

誤答の例は「振動への反応が減ったので、動物は疲れた」です。原因は、観察した変化と、その原因を同じものとして扱ったことです。修正すると「振動への反応は減少した。慣れと疲労などが考えられるため、別刺激や反復しない群との比較が必要です」となります。図3のように、結果から候補を分け、比較で候補を検討します。

図3の矢印は、減少から直ちに原因を確定する矢印ではありません。別刺激にも反応しない場合は、広い範囲の応答低下が疑われますが、その結果だけで疲労と確定することもできません。刺激を受け取る機能の低下なども考えられます。逆に別刺激には反応しても、元の刺激に対応する経路の変化は残ります。結果が予想と異なる場合こそ、対照と測定方法を見直します。

もう1つの誤りは「音の後に餌を与えたから、音は最初から条件刺激だった」という説明です。訓練前に音だけで目的の反応が起きるかを確認し、訓練後にその音への反応が現れたときに条件刺激として扱います。行動後の餌によって行動の頻度が増える例とは、何を組み合わせたかが異なります。

練習：条件を自分で書き出す

以下はすべて自作の条件です。問題を一通り読んでから、後の解答と比べてください。

1. 12個体に同じ光刺激を反復すると、反応した個体数は初回の10個体から最後の4個体になりました。各回の反応割合を分数で、それらの差を約分した分数で答えてください。個体ごとの対応は与えられていません。
2. ある動物は、初めて提示された模型の赤い部分に攻撃しました。形や大きさを同じにして色を変えた模型では攻撃しませんでした。赤い部分を何の候補と考えるか答え、「刺激」「反応」を使って50字程度で理由を述べてください。
3. 動物がレバーを押すと餌が出る装置で、押す行動の頻度が増えました。この学習の種類を答え、「行動」「結果」を使って40字程度で説明してください。
4. 弱い音を繰り返すと反応が減りました。直後に別の光刺激にも反応しませんでした。この結果だけで慣れと断定できるか答え、「疲労」「対照」を使い、追加の比較を含めて80字程度で説明してください。

解答と読み直し

1. 初回は10 / 12 = 5 / 6、最後は4 / 12 = 1 / 3です。差は10 / 12 − 4 / 12 = 6 / 12 = 1 / 2です。12個体に戻すと5 / 6は10個体、1 / 3は4個体で、差の1 / 2は6個体分の割合です。同じ6個体が反応をやめたとまでは言えません。

2. 赤い部分はかぎ刺激の候補です。「色という刺激を変えると攻撃という反応が変わり、赤い部分が反応の手がかりと考えられる」と書けます。形や大きさが同じという条件が色の比較を支えます。色以外にも変わった条件があれば、色の効果と分けられません。

3. オペラント条件付けです。「レバーを押す行動の結果として餌が得られ、その行動の頻度が増えた」と説明します。音と餌を組み合わせる例ではなく、動物の行動の後の結果を扱っています。餌が出る前後の頻度を比べ、押したことと餌が出ることの対応を確認します。

4. 断定できません。「別の刺激にも反応しないため疲労なども考えられます。音を反復しない対照群や休息後の反応と比べます」と書けます。対照群の結果や休息後の結果が示されるまでは、反応減少の原因を決めません。休息後に回復しても、それだけで慣れと疲労を完全に分けることはできず、複数の比較を合わせて判断します。

覚えておきたいこと

生得的行動の手がかりとかぎ刺激を、反応と分けます。
慣れと疲労は反応減少だけでは区別できません。
条件付けは、刺激同士か行動と結果かを見ます。
比較では、変えた条件とそろえた条件を示します。

観察を記録するときの区別

反応した個体数を各回に集計すると、集団全体の変化は見えますが、同じ個体の反応がどう変わったかは残りません。個体ごとに記録できる条件なら、初回と最後を対応させることで、その変化も追えます。測定の途中で刺激の強さや間隔が変わると、反復による変化と刺激条件の変化を分けにくくなります。結果の表には、何を何回与え、どの反応を数えたかを書き添えます。反応が見られないことと、刺激が届かなかったことも区別して考えます。

答案のどこで迷っているか

刺激と反応を逆に書く場合は、資料の各文に「与えたもの」と「観察したもの」を書き添えます。反応の減少をただちに疲労と書く場合は、別刺激にも反応がない結果と、別刺激には反応が残る結果を並べ、どちらでも言えることを確認します。条件付けの名称を選べても理由が書けない場合は、訓練前、訓練中、訓練後を3列に分け、各列で与えた刺激と測った反応を記します。

個別指導で確認するなら、まず生徒自身が描いた比較表の分母と対照群を見ます。次に、観察結果と推測を別の文にできるか、予想と異なる結果では何を保留するかを口頭で確かめます。動物の行動を読む根拠は、刺激と反応を結ぶ比較条件にあります。