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原形質分離と限界原形質分離

植物細胞を高張液に入れたときの原形質分離を判定し、限界原形質分離のときの体積を基準に、外液の濃度と原形質体の体積の関係から細胞内の浸透圧を求められる

前提

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説明

植物細胞を細胞内より浸透圧の高い溶液(高張液)に入れると、水が出て細胞膜に包まれた中身(原形質体)が縮み、かたい細胞壁から離れます。これを原形質分離といいます。この技能では、外液と細胞内の浸透圧を比べて原形質分離が起こるかを判定し、原形質分離が起こり始める境目(限界原形質分離)の体積を基準にして、細胞内の浸透圧や原形質体の体積を求められるようになります。

なぜそうしてよいのか

植物細胞は、細胞膜の外側を細胞壁が囲んでいます。細胞壁は水も溶質も通しますが、細胞膜は水を通し溶質を通しにくいので、水の出入りは細胞膜をはさんだ浸透で決まります。外液の浸透圧が細胞内より高ければ水が出て原形質体は縮みます。縮み続けると、やがて原形質体が細胞壁から離れ始めます。このぎりぎりの状態が限界原形質分離で、さらに縮むと原形質分離が見られます。

限界原形質分離のときは、原形質体がちょうど細胞壁に接しているだけで、細胞壁が原形質体を押す力(膨圧)がはたらいていません。そのため、水の出入りがつり合っているなら、細胞内の浸透圧は外液の浸透圧とちょうど等しいと考えられます。つまり、「ちょうど限界原形質分離が起こる外液の浸透圧」がわかれば、そのときの細胞内の浸透圧がわかります。

前提の技能で学んだように、細胞膜を通れない溶質の量は変わらないので、細胞内の浸透圧 は原形質体の体積 に反比例し、 です。限界原形質分離のときの浸透圧を 、体積を とすると、別の状態での体積 と浸透圧 の間に

が成り立ちます。体積を「限界原形質分離のときを とした相対値」で表すと計算が簡単です。ここでは、溶質は細胞膜を通らない、原形質体の体積はすべて内液の体積とみなす、温度は一定と考えます。

手順

  1. 外液と細胞内の浸透圧を比べ、外液のほうが高ければ水が出て原形質体が縮み、限界原形質分離をこえれば原形質分離が起こると判定する

  2. 限界原形質分離が起こる外液の浸透圧(濃度)を読み取り、それをそのときの細胞内の浸透圧 とする

  3. 限界原形質分離のときの原形質体の体積を (相対値)として、求めたい状態の体積 を相対値で表す

  4. を使って、求めたい状態の浸透圧 (または体積 )を計算する

例題

ある植物の細胞を、浸透圧の異なるいくつかのスクロース水溶液に入れて観察したところ、浸透圧が kPa の溶液に入れたとき、ちょうど限界原形質分離が起こった。また、この細胞をもとの状態で観察すると、原形質体の体積は、限界原形質分離のときの体積の 倍であった。溶質は細胞膜を通らず、細胞内の浸透圧は原形質体の体積に反比例し、温度は一定とする。もとの状態の細胞内の浸透圧は何 kPa か求めよ。

例題の解答

手順 1・2: kPa の溶液では、原形質体が縮んで、ちょうど細胞壁から離れ始める境目(限界原形質分離)になった(これより浸透圧の高い溶液なら原形質分離が起こる)。限界原形質分離では膨圧がはたらかず水の出入りがつり合っているので、このときの細胞内の浸透圧は外液と等しく kPa である。

手順 3:限界原形質分離のときの体積を とすると、もとの状態の体積は である。

手順 4: より

もとの状態は体積が大きく内液がうすいので、浸透圧は kPa より小さくなっており、つじつまが合う。よって、答えは kPa である。

答え:

よくある誤り

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

この技能を使う問題

この技能の次に学べること