細胞と分子の問題

ある動物の培養細胞を、細胞どうしの細胞周期がそろっていない状態で培養した。

観察 1　培養開始時に $2.0\times 10^5$ 個あった細胞は、$60$ 時間後に $1.6\times 10^6$ 個になった。この間、すべての細胞が同じ長さの細胞周期で分裂を続け、死んだ細胞はなかった。

観察 2　ある時点で細胞 $10000$ 個を取り出し、細胞 1 個あたりの DNA 量を測定した。${\mathrm{G}}_1$ 期の細胞の DNA 量を相対値 $2$ とすると、結果は次の表のようになった。

また、同じ $10000$ 個の細胞を顕微鏡で観察したところ、染色体が凝縮して見える分裂期（M 期）の細胞は $400$ 個であった。M 期の細胞は、すべて DNA 量が相対値 $4$ の群に含まれていた。

各時期にある細胞数の割合は、その時期に要する時間の細胞周期全体に対する割合に等しいものとする。このとき、${\mathrm{G}}_2$ 期に要する時間は何時間か。

ある動物の培養細胞の集団がある。すべての細胞は同じ一定の速さで細胞周期を進み、細胞周期の長さ（1 回の周期にかかる時間）は $20$ 時間である。この集団から $10000$ 個の細胞を取り出し、細胞 1 個あたりの DNA 量を測定した。結果を下の表に示す。DNA 量は、G${}_1$ 期の細胞の値を $2$ とする相対値で表してある。

また、同じ $10000$ 個の細胞を光学顕微鏡で観察したところ、全細胞の $10\%$ が分裂期（M 期）であった。

次に、この $10000$ 個の細胞に薬剤 X を加えた。薬剤 X は、G${}_1$ 期から S 期への移行だけを直ちに止める。そのため、薬剤を加えたときに G${}_1$ 期にあった細胞や、薬剤を加えたあとの分裂で生じて G${}_1$ 期に入った細胞は、G${}_1$ 期の終わりで止まり、S 期に入らない。一方、S 期・G${}_2$ 期・M 期にある細胞は、薬剤の影響を受けずにそれまでと同じ速さで周期を進める。

ただし、次のことを前提とする。
- 測定と観察を行い薬剤 X を加えた時点で、$10000$ 個の細胞は細胞周期上のどの時点にも均等に分布していたとみなす。したがって、各時期にある細胞の数の割合はその時期の長さの割合に等しく、各時期の中でも細胞はその時期の始まりから終わりまでのどの時点にも均等に分布している。
- M 期の細胞の DNA 量は相対値 $4$ であり、M 期の終わりに細胞質分裂が完了して、DNA 量が相対値 $2$ の娘細胞が $2$ 個できる。娘細胞はただちに G${}_1$ 期に入る。
- 細胞が死ぬことはない。

薬剤 X を加えてから $5$ 時間後に、細胞 1 個あたりの DNA 量が相対値 $2$ である細胞は何個あるか求めよ。

細胞周期の長さが $20$ 時間の培養細胞の集団がある。この集団から $2000$ 個の細胞を取り出し、細胞 1 個あたりの DNA 量（G${}_1$ 期の細胞を $2$ とした相対値）を測定したところ、次の表のようになった。

なお、DNA 量が $4$ の細胞のうち $100$ 個は M 期（分裂期）の細胞で、残りはすべて G${}_2$ 期の細胞であった。

この細胞の G${}_2$ 期の長さは何時間か。ただし、細胞周期はそろっておらず、それぞれの時期にある細胞の数はその時期の長さに比例するものとする。

ある植物の同じ組織から取り出した、大きさのそろった細胞を使って、次の実験を行った。

実験 1　細胞を、濃度の異なるスクロース水溶液に入れた。十分に時間がたって水の出入りがつり合ったあと、どの濃度でも原形質分離が起こっていた。このときの原形質体（細胞膜で囲まれた部分）の体積を測定し、結果を次の表にまとめた。原形質体の体積は、原形質体が細胞壁の内側にちょうど接していて膨圧が $0$ になるとき（限界原形質分離のとき）の体積を $100$ とした相対値で表している。

実験 2　同じ細胞を $0.20\text{mol/L}$ のスクロース水溶液に入れたところ、原形質分離は起こらず、水の出入りがつり合ったときの原形質体の体積（実験 1 と同じ相対値）は $105$ であった。

ただし、次のことが成り立つものとする。
- スクロースと細胞内の溶質は細胞膜を通過せず、細胞膜を通って出入りするのは水だけである。細胞壁は水もスクロースも自由に通す。
- 細胞内の浸透圧は、原形質体の体積に反比例する。
- スクロース水溶液の浸透圧は濃度に比例し、$1.0\text{mol/L}$ のとき $2.5\text{MPa}$ である。
- 細胞の吸水力は「細胞内の浸透圧 $-$ 膨圧」で表され、水の出入りがつり合ったとき、吸水力は外液の浸透圧に等しい。原形質分離が起こっているとき、膨圧は $0$ である。

実験 2 で水の出入りがつり合ったときの、この細胞の膨圧は何 MPa か。

ある動物の細胞を培養液に入れて培養したところ、培養を始めたときに $2.0\times 10^5$ 個だった細胞が、$72$ 時間後には $3.2\times 10^6$ 個になった。

この間、すべての細胞は同じ長さの細胞周期で分裂を続け、死んだ細胞はなかった。また、細胞数は、細胞周期 1 回分の時間がたつごとにちょうど $2$ 倍になるものとする。この細胞の細胞周期 1 回の長さは何時間か。