中学受験理科｜電気魚は暗闇で何を調べる？｜発電と電気の変化の検出

電気を出す魚というと、強い電気で獲物を捕らえる場面を思い浮かべるかもしれません。しかし魚の中には、自分の出す弱い電気の周囲での変化を感じ、物体を調べるものもいます。ここでは、強い電気で相手を倒す働きと、弱い電気で周囲を知る働きを分けて考えます。

発電する部分と感じ取る部分

弱い電気を出す魚が周囲へ電場をつくると、近くの物体の電気の通しやすさなどによって、体の表面で受ける電気の状態が変わります。魚はその変化を感知できます。光が少ない場所でも利用できる感覚ですが、暗ければどんな遠くの物体でも見つかるという意味ではありません。

電気を出す器官と、変化を感じる受容器は役割が違います。電気を感じる動物がすべて自分でも発電するとは限らず、他の生き物などがつくる電気を受け取る場合もあります。資料では、電気を出す側と受ける側を矢印の始点と終点にして整理しましょう。

図：強い放電による捕食ではなく、弱い電気と物体検出の比較。数値は本文の例題条件に対応する模型です。

超音波の往復と同じ計算をしない

コウモリの反響定位では、音を出してから反射音を受けるまでの時間を使う模型があります。しかし電気魚の問題に、根拠なく「往復だから二で割る」を持ち込んではいけません。ここで見るのは、物体があることによって体の表面の電気的な分布がどう変わったかです。

問題が電気の強さの記録を与えているなら、その記録のどの差が検出の手掛かりになるかを調べます。物体の有無、距離、材質を別々に変えた比較を使えば、どの性質に反応しているかを考えられます。音の問題の公式より、今回の表の見出しを優先します。

例題1　成功率は試行数をそろえて読む

暗い水槽で、障害物に触れる前に避けられたかを調べました。条件Aは40試行中30回成功、条件Bは20試行中12回成功でした。各条件の成功率と、その差を百分率の差で求めなさい。データは学習用の設定です。

答え・解説： Aは30÷40×100＝75%、Bは12÷20×100＝60%。差は15ポイントです。成功回数30対12だけでは、試行数の違いが混ざります。また、この差だけで原因を電気の働きと断定せず、AとBで何を変えたかを読む必要があります。

例題2　基準との差を比較する

測定値を任意の単位で表します。物体なしでは10、同じ位置へ物体Pを置くと14、物体Qを置くと8でした。基準からの変化を、増加と減少を区別して求めなさい。また、変化の大きさがより大きいのはどちらですか。

答え・解説： Pは4増加、Qは2減少。増減の向きを除いた大きさはPが4、Qが2なので、Pの方が大きいといえます。ただし、変化が大きいことを、その物体を必ず好むことや捕食することへ結びつけることはできません。

見つけたことと、好きなことを分ける

魚が物体へ近づいた場合、餌だと思った、興味をもった、通り道だったなど複数の説明が考えられます。近づいた回数だけを、物体を検出できた割合として扱うことは慎重であるべきです。検出を示す行動を実験前に定め、物体なしの試行とも比べます。

触れずに避けられたとしても、水流やにおいなどの情報を使った可能性が残る場合があります。電気の働きを調べるなら、明るさだけを変えるのでは十分でないことがあります。問題が比較条件を与えているなら、ほかの感覚からの手掛かりをどうそろえたかを確認します。

水の条件も測定に関わる

水に溶けた物質は、電気の通しやすさへ影響します。同じ魚、同じ物体、同じ距離でも、水の条件が違えば電気的な記録は変わり得ます。水温や溶けている成分をそろえた実験と、違う水槽の記録をそのまま比べた実験を区別します。

同じ条件を繰り返しても値が揺れるなら、基準の範囲も必要です。物体なしで9から11まで動く測定器に10.5が出ても、それだけで物体の影響とは判断しにくいでしょう。差を計算する前に、何も変えていない場合の変動を調べる考え方が役立ちます。

生物の機能を回路の考え方につなぐ

この題材では「電気魚」という珍しい名前を覚えることより、発信、周囲の変化、受信という三段階を分けることを目標にします。発電の量が同じでも受け取る分布が変わる、感覚器が反応してもその後の行動は別に測る、という順序です。

実際の魚を使って電気刺激を与える実験を真似する必要はありません。資料の条件を読み、成功率の分母、基準との差、原因を絞る比較を整理すれば、初めての生物でも根拠のある解答を作れます。

正解が偶然に出る試行を考える

左右二つの通路のどちらかを選ぶ実験では、対象を検出していなくても偶然正しい側へ進むことがあります。成功率が0%でないから検出できた、という説明は不十分です。対象を置かないときや、手掛かりを隠したときの結果と比べる理由がここにあります。

一匹で多くの試行を重ねた結果は、その個体の記録です。別の個体でも同じ傾向があるかを調べるには、複数の個体の結果が必要です。また、成功した試行だけを残し、途中で動かなかった試行を報告しなければ、能力を高く見積もる可能性があります。無反応も記録欄を設けて扱います。

物体を水へ入れる操作自体が波を作るなら、その波を手掛かりにしたかもしれません。物体を先に置いて水が落ち着いてから試行する、といった手順が必要になることもあります。実験の見取り図に魚と物体しかなくても、操作の順番まで文章を読めば、比較の弱点を見つけられます。

正答率を求める計算と、感覚の原因を特定する議論は二段階です。数値を正しく求めた後に、どんな対照がその解釈を支えるかを考えましょう。