真核細胞がもつミトコンドリアと葉緑体には、次のような特徴がある。
- 核の DNA とは別に、独自の DNA をもつ。
- 細胞の中で分裂して増える。
- 二重の膜で包まれている。
これらの特徴から、ミトコンドリアは好気性細菌が、葉緑体はシアノバクテリアが、それぞれ祖先となる細胞の中に取り込まれ、その細胞の中でともに生活し続けるうちに細胞小器官になったと考えられている。このような、ミトコンドリアや葉緑体の起源についての説を何というか。
真核生物の誕生と共生説
原核生物と真核生物の違いを踏まえ、ミトコンドリア（好気性細菌が起源）と葉緑体（シアノバクテリアが起源）が共生で生じたとする共生説の内容と根拠（独自の DNA をもつ、分裂して増える、二重膜）を正しく選べる
前提
- 光合成生物の出現と酸素の蓄積 （高校生物 生物の進化と系統（知識））
- 細胞小器官のはたらき （高校生物 細胞と分子（知識））
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- 細胞のつくり （中学理科 生物分野の用語と知識）
- 化学進化と生命の誕生 （高校生物 生物の進化と系統（知識））
- 植物のからだのつくり （中学理科 生物分野の用語と知識）
- 光合成・呼吸・蒸散 （中学理科 生物分野の用語と知識）
- 光合成生物の出現と酸素の蓄積 （高校生物 生物の進化と系統（知識））
- 生物の共通性と原核細胞・真核細胞 （高校生物 細胞と分子（知識））
- 細胞小器官のはたらき （高校生物 細胞と分子（知識））
説明
原核生物から、核や細胞小器官をもつ真核生物がどのように生じたのかを説明する考えの 1 つが共生説です。この技能では、ミトコンドリアは好気性細菌が、葉緑体はシアノバクテリアが、ほかの細胞の中に取り込まれて共生し、細胞小器官になったとする共生説の内容と、その根拠を正しく選べるようになります。真核生物の誕生や細胞小器官の起源を問う選択式の問題で使います。
なぜそうしてよいのか
原核細胞は核膜で包まれた核をもたず、ミトコンドリアや葉緑体などの細胞小器官ももちません。一方、真核細胞は核や細胞小器官をもちます。真核細胞のうちミトコンドリアと葉緑体には、ほかの細胞小器官と違う、まるで小さな細胞のような性質があります。核の DNA とは別に自分自身の DNA をもっていること、細胞の中で分裂して増えること、内外二重の膜で包まれていることです。ミトコンドリアや葉緑体は、細胞が新しくつくり出すことはできず、すでにあるものが分裂して増えます。
これらの性質は、「ミトコンドリアや葉緑体は、もともと独立して生活していた原核生物だった」と考えるとまとめて説明できます。酸素を使って呼吸する好気性細菌がほかの細胞に取り込まれ、消化されずに細胞内にすみ続けて（共生して）ミトコンドリアになり、光合成を行うシアノバクテリアが取り込まれて共生し葉緑体になったと考えるのが共生説です（マーグリスが唱えた）。取り込まれた細菌が自分の DNA と分裂して増える性質をそのまま保ち、取り込まれるときに外側を宿主の細胞の膜で包まれたので二重膜になった、と説明できます。好気性細菌が栄えるには大気中の酸素が必要なので、この出来事はシアノバクテリアの光合成で酸素が増えたあとのことと考えられます。
動物も植物も、真核生物はミトコンドリアをもちますが、葉緑体をもつのは植物や藻類など一部だけです。このことから、まず好気性細菌が共生してミトコンドリアをもつ細胞が生じ、その一部の系統にあとからシアノバクテリアが共生して葉緑体をもつ細胞が生じた、という順序が考えられています。
手順
どの細胞小器官がどの原核生物に由来するかを確かめる：ミトコンドリア ← 好気性細菌、葉緑体 ← シアノバクテリア
共生説の根拠として挙げられている性質が正しいかを確かめる：独自の DNA をもつ、分裂して増える、二重膜で包まれている
共生の順序を確かめる：先に好気性細菌が共生してミトコンドリアになり、その後、一部の細胞にシアノバクテリアが共生して葉緑体になった（だから真核生物は動物も植物もミトコンドリアをもつが、葉緑体は植物・藻類だけがもつ）
原核生物と真核生物の違い（原核細胞には核膜で包まれた核も、ミトコンドリア・葉緑体もない）と矛盾していないかを確かめる
由来・根拠・順序のどれかが入れ替わっている選択肢を除き、残ったものを答える
例題
共生説について述べた文として最も適当なものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
ア ミトコンドリアは、シアノバクテリアが細胞内に共生して生じたと考えられている。
イ 葉緑体は独自の DNA をもち、細胞内で分裂によって増える。
ウ ミトコンドリアと葉緑体は、どちらも一重の膜で包まれている。
エ 葉緑体のもとになった細菌が先に共生し、その後にミトコンドリアのもとになった細菌が共生したと考えられている。
例題の解答
手順 1：由来を確かめる。ミトコンドリアの起源は好気性細菌であり、シアノバクテリアは葉緑体の起源である。よってアは誤り。
手順 2：根拠となる性質を確かめる。葉緑体は核とは別に独自の DNA をもち、分裂して増えるので、イは正しい。ミトコンドリアと葉緑体はどちらも二重膜で包まれているので、ウは誤り。
手順 3：順序を確かめる。真核生物は動物も植物もミトコンドリアをもつが、葉緑体をもつのは植物や藻類だけである。これは、先にミトコンドリアのもとになった好気性細菌が共生し、その後、一部の細胞にシアノバクテリアが共生したと考えると説明できる。よってエは順序が逆で誤り。
手順 4：原核生物と真核生物の違いとの矛盾を確かめる。ア〜エはいずれも原核細胞が核やミトコンドリア・葉緑体をもつとは述べていないので、この手順で新たに除かれる選択肢はない。
手順 5：誤りのア・ウ・エを除き、答えはイである。
答え: イ
よくある誤り
ミトコンドリアと葉緑体の起源を入れ替えて、ミトコンドリア ← シアノバクテリア、葉緑体 ← 好気性細菌としてしまう誤り。正しくは、呼吸の場であるミトコンドリアは好気性細菌、光合成の場である葉緑体はシアノバクテリアに由来する。
ミトコンドリアや葉緑体は一重の膜で包まれている、あるいは DNA をもたず核の DNA だけで細胞内に新しくつくられる、としてしまう誤り。正しくは、どちらも二重膜で包まれ、独自の DNA をもち、すでにあるものが分裂して増える。これらが共生説の根拠である。
葉緑体が先に共生したので、動物細胞も葉緑体をもっていた（あるいは植物細胞はミトコンドリアをもたない）としてしまう誤り。正しくは、先に好気性細菌が共生してミトコンドリアになったので真核生物は動物も植物もミトコンドリアをもち、葉緑体はその後シアノバクテリアが共生した一部の系統（植物・藻類）だけがもつ。
原核細胞もミトコンドリアをもち、共生によって核ができた、としてしまう誤り。正しくは、原核細胞は核膜で包まれた核もミトコンドリアも葉緑体ももたず、共生説が説明するのはミトコンドリアと葉緑体の起源である。
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
原始地球での生命の誕生から、光合成生物や真核生物が現れるまでの過程について述べた文として最も適当なものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。
- ア 大気中に蓄積した酸素からオゾン層が形成されると、地表に届く赤外線が大幅に減少し、生物が陸上に進出できる環境が整った。
- イ 初期の生命では、遺伝情報の保持と化学反応の触媒の両方のはたらきをタンパク質が担っていたとする考えを、RNAワールドという。
- ウ ミトコンドリアは、シアノバクテリアに近い原核生物が別の細胞に取り込まれて共生することで生じたと考えられている。
- エ シアノバクテリアが放出した酸素は、まず海水中に溶けていた鉄イオンを酸化し、生じた酸化鉄が沈殿して縞状鉄鉱層が形成された。
- オ 真核生物の祖先となった細胞には、まず光合成を行う原核生物が共生して葉緑体となり、その後に好気性細菌が共生してミトコンドリアとなった。
生命の誕生と初期の生物の進化について述べた文として正しいものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。
- ア 化学進化では、原始的な細胞が誕生したのちに、その細胞の内部で初めて、無機物からアミノ酸などの簡単な有機物がつくられたと考えられている。
- イ 共生説では、ミトコンドリアは光合成を行うシアノバクテリアが、葉緑体は酸素を用いて呼吸を行う細菌が、それぞれ宿主となる細胞に取り込まれて共生したものと考えられている。
- ウ シアノバクテリアの光合成によって放出された酸素は、海水中に溶けていた鉄のイオンと結びついて酸化鉄として沈殿し、縞状鉄鉱層が形成されたと考えられている。
- エ ミトコンドリアや葉緑体は独自の DNA をもたず、核の DNA の情報だけにもとづいて細胞内で分裂し、増殖する。
- オ 先カンブリア時代の末に現れたエディアカラ生物群は、硬い殻や骨格をもつ動物が中心であった。
この技能の次に学べること
- 多細胞生物の出現と陸上進出 （高校生物 生物の進化と系統（知識））
- 3 ドメイン説 （高校生物 生物の進化と系統（知識））