中学受験理科｜卵割で細胞が増えると全体も大きくなる？｜数と体積

一つの受精卵が二つ、四つ、八つの細胞へ分かれる図を見たとき、全体も二倍、四倍、八倍の大きさになると考えていませんか。発生初期の卵割では、全体がほとんど大きくならないまま細胞数が増える時期があります。細胞が増えるという言葉だけで、体積も同じ割合で増えると決めないことが、この題材の要点です。

一個分を分ける図として見る

初めの卵を大きな枠で囲み、その枠の中に境界線を増やす図を考えます。枠全体の大きさを保って分ければ、一つ一つの区画は小さくなります。これは、同じ体積の粘土を二つ、四つへ分ける模型に似ています。細胞数の増加を、外から物が加わったことと同じに扱わないための図です。

実際の胚では、いつも同じ大きさの細胞へ分かれるとは限りません。分裂の時刻も、すべての細胞で完全にそろうとは限りません。したがって、全体の体積を細胞数で割って得られるのは、一細胞あたりの平均体積です。「どの細胞もこの体積」と言うには、等分されるという追加条件が必要になります。

図：卵割で細胞が増えると全体も大きくなる？｜数と体積。数値と形は本文の模型条件に対応する模式図です。

ある模型では、受精卵の全体積を64とし、初めの三回の分裂では全体積が変わらないとします。すべての細胞が一回ごとに二つへ分かれる場合、三回後の細胞数と、一細胞あたりの平均体積を求めましょう。体積の単位は問題内で共通とします。

答え・解説： 細胞数は1→2→4→8なので8個です。平均体積は64÷8＝8です。全体が64×8＝512になる計算ではありません。細胞数が8倍になり、全体積は一定なので、平均体積が8分の1になります。数の列と体積の列を分けて書くと、逆向きに変わる関係を見通せます。

平均体積が8分の1になったから、直径も8分の1なのでしょうか。同じ形の球として比べるなら、長さが半分になると体積は8分の1です。したがって直径の比は半分になります。ただし、胚の中の細胞が完全な球で同じ形という条件は、現実の写真から勝手に付け加えません。長さと体積を混同しないための模型上の確認です。

同じ胚を観察し、開始90分後に8細胞、120分後に16細胞になったことを確かめました。この間、各細胞が一度ずつ二つへ分かれ、全体積は変わらなかったとします。二つの観察の間隔は何分ですか。一細胞あたりの平均体積は何倍になりますか。

答え・解説： 間隔は120−90＝30分です。細胞数は2倍なので、平均体積は2分の1になります。ただし、この情報だけで、それ以前もそれ以後も必ず30分ごとに分裂すると結論づけることはできません。今回与えられた一段階について確認した間隔です。

もし問題が「今後も同じ間隔で全細胞が分裂する」と指定すれば、150分後は32細胞という予測ができます。指定がない場合は、観察した時刻と数をそのまま述べます。生物の成長では、途中で分裂の速さや進み方が変わることがあります。規則的な数列が一部分に見えたことと、無期限に続くことを分けましょう。

発生の図が何枚か並んでいても、印刷された大きさが実物の大きさを表すとは限りません。倍率やスケールの目盛を確かめます。二細胞期の写真を大きく拡大し、八細胞期を小さく印刷していたら、紙面の幅だけでは全体積を比較できません。これは顕微鏡の写真を読むときにも共通する注意です。

さらに、平面の写真で見える細胞の数が、立体全体の細胞数と一致しない場合があります。奥にある細胞が隠れることもあるからです。問題文が細胞数を示しているなら、その情報を使います。見える輪郭を数えただけの結果と、全体を調べた数を混ぜないようにしましょう。

三つの数量の関係は、全体積＝細胞数×平均体積です。二つが分かれば残りを計算できますが、細胞数だけでは全体積は決まりません。卵割の後の成長まで含めれば、全体の物質量や体積が増える時期もあります。「細胞分裂すると全体は必ず変わらない」という別の決めつけに変えないことが重要です。

答案では「この問題の初期の期間では」「全体積一定という条件のもとで」と範囲を付けます。生命のしくみを一つの式で言い切るのではなく、資料が扱う段階を限定して計算するのです。数が増えたら何が小さくなるのか、何が一定なのかを図へ書き込むと、発生を題材にした初見問題でも筋道を追えます。

複数の受精卵を調べる実験では、一個の胚の中の細胞数と、観察した胚の数を混ぜないようにします。十個の胚のうち八細胞期が六個あった場合、「八細胞期に達した胚の割合」は6÷10です。六個の胚に含まれる細胞を合計した48を、胚十個で割って割合とする計算ではありません。何を一個として数えたかが違います。

発生の進み方に差がある集団では、ある時刻に四細胞期と八細胞期が混ざることもあります。そのとき平均細胞数が六になっても、すべてが六細胞期だったという意味にはなりません。平均が代表しているのは集団の数量であり、各胚の状態そのものではないのです。個数ごとの内訳を表に残すと、この違いを説明できます。

一枚の図を読む問題から、複数個体の表を読む問題へ変わったときほど、分母の確認が役立ちます。「一胚あたり」「一細胞あたり」「観察した胚のうち」を答案で使い分けると、数字の単位に含まれる意味まで伝えられます。