生物の環境応答の問題

難易度 3共通テストレベル高校生物生物の環境応答

ある脊椎動物の脊髄反射について、次の実験を行った。感覚神経上に点 $P_{1}$ と点 $P_{2}$ をとる。点 $P_{1}$ 、点 $P_{2}$ は、感覚神経が脊髄に入る位置から感覚神経に沿ってそれぞれ $150 mm$ 、 $60 mm$ の位置にある。また、運動神経が脊髄から出る位置を点 $M$ とし、点 $M$ から運動神経に沿って $75 mm$ 離れた位置に記録電極を置いた点を $R$ とする。

実験	刺激した位置	点 $R$ で活動電位が記録されるまでの時間
1	点 $P_{1}$	$4.7 ms$
2	点 $P_{2}$	$3.2 ms$
3	点 $M$ （運動神経を直接刺激）	$1.5 ms$

実験 1、2 の興奮は、感覚ニューロンから運動ニューロンへ、シナプスを $1$ か所だけ経由して伝わる経路（経路 X）を通ったものである。

次に、別の反射の経路 Y を調べた。経路 Y では、感覚ニューロンの興奮が、脊髄内で直列につながった何個かの介在ニューロンを順に経由して、別の運動ニューロンに伝わる。経路 Y の感覚ニューロンと運動ニューロンの伝導速度は経路 X のものとそれぞれ等しく、点 $P_{2}$ から脊髄までの距離、点 $M$ に対応する位置から記録点までの距離もそれぞれ経路 X と等しい。経路 Y で点 $P_{2}$ を刺激したところ、記録点で活動電位が記録されるまでの時間は $5.3 ms$ であった。

シナプス $1$ か所あたりの伝達にかかる時間はすべてのシナプスで等しく、脊髄内での神経繊維上の伝導にかかる時間、および刺激してから活動電位が発生するまでの時間は無視できるものとする。経路 Y に含まれる介在ニューロンの数を求めよ。

この問題で使うもの

興奮の伝導速度（説明と入口の問題）
シナプスでの伝達時間（説明と入口の問題）

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ヒント

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ヒント 1

記録までの時間を「感覚神経上の伝導」「シナプスでの伝達」「運動神経上の伝導」の 3 つに分けて考えよう。

ヒント 2

実験 1 と実験 2 の時間の差から感覚神経の伝導速度がわかる。介在ニューロンが $n$ 個直列につながると、シナプスは $n + 1$ か所になる。

ヒント 3

感覚神経の伝導速度は $60 mm/ms$ で、点 $P_{2}$ から脊髄までは $1.0 ms$ 、シナプス 1 か所あたりの伝達時間は $3.2 - 1.0 - 1.5 = 0.7 ms$ である。

答えと解説

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3

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解説を読む

感覚神経の伝導速度
実験 1 と実験 2 では、シナプスでの伝達と運動神経上の伝導にかかる時間は同じである。したがって、所要時間の差は点 $P_{1}$ と点 $P_{2}$ の間 $150 - 60 = 90 mm$ の伝導にかかる時間である。
$4.7 - 3.2 = 1.5 ms$
より、感覚神経の伝導速度は $\frac{90}{1.5} = 60 mm/ms$ （ $= 60 m/s$ ）である。

シナプス 1 か所あたりの伝達時間
実験 2 の $3.2 ms$ は、(1) 点 $P_{2}$ から脊髄までの感覚神経上の伝導、(2) シナプス 1 か所での伝達、(3) 点 $M$ から点 $R$ までの運動神経上の伝導、の時間の和である。
(1) は $\frac{60}{60} = 1.0 ms$ 、(3) は実験 3 より $1.5 ms$ である。よって、シナプス 1 か所あたりの伝達時間は
$3.2 - 1.0 - 1.5 = 0.7 ms$

経路 Y のシナプスの数
経路 Y でも感覚神経上の伝導に $1.0 ms$ 、運動神経上の伝導に $1.5 ms$ かかるので、シナプスでの伝達にかかった時間の合計は
$5.3 - 1.0 - 1.5 = 2.8 ms$
シナプスの数は $\frac{2.8}{0.7} = 4$ か所である。

介在ニューロンの数
感覚ニューロン → 介在ニューロン $n$ 個（直列）→ 運動ニューロンとつながると、シナプスの数は $n + 1$ か所である。 $n + 1 = 4$ より $n = 3$ 。

したがって、介在ニューロンの数は $3$ 個である。

別解

実験 1 と 2 の差は、感覚神経上の $P_{1}$ – $P_{2}$ 間 $150 - 60 = 90 mm$ の伝導時間である。 $4.7 - 3.2 = 1.5 ms$ なので、感覚神経の伝導速度は $90/1.5 = 60 mm/ms$ となる。

実験 3 より、運動神経の伝導速度は $75/1.5 = 50 mm/ms$ である。

実験 2 の内訳は次のとおり。感覚神経の伝導に $60/60 = 1.0 ms$ 、運動神経の伝導に $1.5 ms$ かかる。したがって、シナプス 1 か所あたりの伝達時間は $3.2 - (1.0 + 1.5) = 0.7 ms$ である。

経路 Y では、感覚神経と運動神経の伝導時間の合計が経路 X と同じ $2.5 ms$ である。シナプスでの伝達の合計は $5.3 - 2.5 = 2.8 ms$ で、シナプスの数は $2.8/0.7 = 4$ か所となる。

介在ニューロンが直列に $n$ 個あるとき、シナプスは $n + 1$ か所である。よって $n + 1 = 4$ より $n = 3$ 。

検算： $1.0 + 1.5 + 4 \times 0.7 = 5.3 ms$ となり、与えられた値と一致する。

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刺激した点	接続部までの距離 (mm)	刺激してから筋肉が収縮を始めるまでの時間 (ミリ秒)
A	$60$	$4.2$
B	$24$	$3.3$

刺激した点	刺激から収縮開始までの時間
A	$5.6 ms$
B	$4.1 ms$
C	$3.5 ms$

刺激した点	刺激してから筋肉が収縮しはじめるまでの時間
点 P	$4.0$ ミリ秒
点 Q	$5.0$ ミリ秒
点 R	$3.2$ ミリ秒

難易度 3（共通テストレベル）

マカラスムギの幼葉鞘の先端部が、片側から光を受けたときにオーキシンをどのように分配するかを調べるため、次の実験を行った。

実験 1（検定） 先端を切り取った幼葉鞘の切り口の片側に、さまざまな濃度のオーキシンを含む寒天片をのせた。暗所に一定時間置いたあと、幼葉鞘の屈曲角度を測定した。結果は次の表 1 のとおりである。

表 1

寒天片のオーキシン濃度（相対値）	0	40	80	120	160	200	240	280
屈曲角度（度）	0	3	6	9	12	15	16	16

なお、濃度（相対値）が $0$ から $200$ の範囲では、屈曲角度は濃度に比例することがわかっている。

実験 2 同じ数の幼葉鞘の先端部を 2 組用意し、それぞれ、雲母片で左右 2 つに仕切った寒天片の上に、仕切りの真上に先端部の中央がくるようにのせた（雲母片は寒天片の中だけに入れ、先端部には入れていない）。一方の組は暗所に置き、もう一方の組には左右の一方（光側）から光を当て、同じ時間置いた。その後、各寒天片（どれも同じ体積）について、そのまま、または融かして等量のオーキシンを含まない寒天と混ぜ濃度を $\frac{1}{2}$ にしたうえで、実験 1 と同じ方法で屈曲角度を測定した。結果は次の表 2 のとおりである。

表 2

寒天片	そのまま（度）	濃度を $\frac{1}{2}$ にしたもの（度）
暗所の組の寒天片（左右とも）	15	7.5
光を当てた組の光側の寒天片	12	6
光を当てた組の陰側の寒天片	16	9

暗所では、先端部から下降するオーキシンは左右の寒天片に等しく分配されるものとする。光を当てた組で、先端部において光側から陰側へ横方向に移動したオーキシンの量は、先端部から寒天片へ下降したオーキシンの総量（左右の合計）の何 % か。整数で求めよ。