減数分裂と DNA 量の変化

減数分裂の前の複製、第一分裂、第二分裂を経て配偶子ができるまでの各段階で、細胞 1 個あたりの DNA 量を、配偶子や体細胞の DNA 量をもとに求められる（例: 精子が $x$ のとき一次精母細胞の第一分裂中期は $4 x$ ）

前提

体細胞分裂の細胞周期と DNA 量の変化（高校生物細胞と分子）
減数分裂の過程（高校生物遺伝と生殖・発生（知識））

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体細胞分裂の細胞周期と DNA 量の変化（高校生物細胞と分子）
減数分裂の過程（高校生物遺伝と生殖・発生（知識））

説明

減数分裂では、DNA の複製が 1 回なのに分裂が 2 回続くので、細胞 1 個あたりの DNA 量は体細胞分裂とは違う変わり方をします。この技能では、減数分裂の前の複製、第一分裂、第二分裂を経て配偶子（精子・卵）ができるまでの各段階で、細胞 1 個あたりの DNA 量がいくつになるかを、配偶子や体細胞の DNA 量をもとに求められるようになります。DNA 量のグラフや測定値から、細胞が減数分裂のどの段階にあるかを考えるときにも使います。

なぜそうしてよいのか

細胞 1 個あたりの DNA 量が変わるのは、「DNA の複製で 2 倍になるとき」と「細胞が 2 つに分かれて半分になるとき」だけです。これは体細胞分裂と同じです。違うのは、減数分裂では複製が 1 回だけなのに、細胞が分かれるのが 2 回あることです。

配偶子 1 個の DNA 量を $x$ とします。配偶子は核相 $n$ で、体細胞（複製前、G $_{1}$ 期）は核相 $2 n$ なので、減数分裂を始める前の母細胞の DNA 量は $2 x$ です。間期に DNA が複製されて $4 x$ になり、第一分裂の前期・中期・後期（細胞が分かれる前）は $4 x$ のままです。第一分裂で相同染色体が 2 つの細胞に分かれると、1 個あたり $2 x$ になります。第二分裂の前には複製が起こらないので、第二分裂の前期・中期・後期も $2 x$ のままで、第二分裂で染色分体が分かれると $x$ になります。こうして 1 個の母細胞から DNA 量 $x$ の細胞が 4 個できます。

精子ができる場合、減数分裂を始める細胞を一次精母細胞、第一分裂でできる 2 個の細胞を二次精母細胞、第二分裂でできる 4 個の細胞を精細胞といい、精細胞が変形して精子になります（変形では DNA 量は変わりません）。卵の場合は一次卵母細胞・二次卵母細胞と呼び、DNA 量の変わり方は同じです。

手順

基準を決める：配偶子 1 個の DNA 量を $x$ とする（体細胞の G $_{1}$ 期の量が与えられたときは、それを $2 x$ とする）
減数分裂を始める前（複製前）の母細胞は $2 x$ 、間期の複製が終わった後は $4 x$ とする
第一分裂の前期・中期・後期（細胞が分かれる前）は $4 x$ のままとする
第一分裂が終わってできた細胞（二次精母細胞・二次卵母細胞）と、その第二分裂の前期・中期・後期は $2 x$ とする
第二分裂が終わってできた細胞（精細胞・卵）と精子は $x$ とする

例題

ある動物の精子 1 個に含まれる核の DNA 量は $3$ pg であった。この動物の精巣で減数分裂が行われるとき、第一分裂が終わってできた二次精母細胞が第二分裂の中期にあるときの、細胞 1 個あたりの核の DNA 量は何 pg か求めよ。

例題の解答

手順 1：精子 1 個の DNA 量を $x = 3$ pg とする。

手順 2：減数分裂を始める前の一次精母細胞は $2 x = 6$ pg で、複製後は $4 x = 12$ pg になる。

手順 3：第一分裂の中期・後期までは $12$ pg のままである。

手順 4：第一分裂で 2 つの細胞に分かれ、二次精母細胞は 1 個あたり $2 x = 6$ pg になる。第二分裂の前に複製は起こらないので、第二分裂の中期も $6$ pg である。

（手順 5：第二分裂が終わると $x = 3$ pg の精細胞になり、精子も $3$ pg で、問題の条件と合う。）

よって、答えは $6$ pg である。

答え: $6$

よくある誤り

第二分裂の前にも DNA が複製されるとしてしまう誤り。二次精母細胞の第二分裂中期を $2 x \times 2 = 4 x$ とするのは誤り。正しくは減数分裂での複製は第一分裂の前の 1 回だけなので、第二分裂中期は $2 x$ 。
第一分裂中期を体細胞の G $_{1}$ 期と同じ $2 x$ としてしまう誤り。正しくは第一分裂の前に複製が終わっているので、一次精母細胞の第一分裂中期は $4 x$ 。
後期に染色体が両極へ分かれた時点で DNA 量が半分になるとしてしまう誤り。第一分裂後期を $2 x$ とするのは誤り。正しくは細胞質が分かれるまでは細胞 1 個なので、第一分裂後期は $4 x$ 、第二分裂後期は $2 x$ 。
配偶子の DNA 量を体細胞（G $_{1}$ 期）と同じとしてしまう誤り。体細胞の G $_{1}$ 期が $2 x$ のとき、配偶子を $2 x$ とするのは誤り。正しくは配偶子は核相 $n$ なので、体細胞の G $_{1}$ 期の半分の $x$ 。

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

難易度 1（教科書の例題レベル）
ある動物の精巣で減数分裂が行われ、精子がつくられている。この動物の精子 1 個の核に含まれる DNA 量は $3$ pg（ピコグラム）であった。
減数分裂の第一分裂が終わってできた二次精母細胞が、第二分裂の中期にあるとき、この細胞 1 個の核に含まれる DNA 量は何 pg か。ただし、減数分裂の前の間期に DNA は 1 回だけ複製され、減数分裂の途中では複製されないものとする。また、二次精母細胞が分裂してできた細胞は、そのまま DNA 量を変えずに精子になるものとする。

この技能を使う問題

難易度 2（教科書の章末問題レベル）
ある動物（核相 $2 n$ ）の精巣で細胞 1 個あたりの DNA 量を調べたところ、完成した精子 1 個の DNA 量は $3.5 pg$ （ピコグラム）であった。
精原細胞は体細胞分裂で増えたのち一次精母細胞となり、減数分裂の前に DNA を 1 回だけ複製して、第一分裂と第二分裂を経て精細胞になり、精細胞が変形して精子になる。
この動物の一次精母細胞が減数分裂第一分裂の中期にあるとき、その細胞 1 個あたりの DNA 量は何 pg か。ただし、核以外にある DNA は考えないものとする。