中学受験理科｜凍っても生きるカエルの条件｜細胞の内と外の氷を分ける

体の一部が凍ることと、全部が氷になること

北米のウッドフロッグは、冬に体内の水の一部が凍っても生き延びることで知られます。しかし、どんな低温でも、どこまで凍らせても平気なカエルという意味ではありません。細胞の外に氷ができることと、細胞の中に氷ができることを分けて考えます。生物の能力を紹介する短い言葉を、そのまま無制限の性質へ広げないことが、この題材の大切な点です。

このカエルでは、ブドウ糖などが細胞の保護に関わります。水が凍る過程で、細胞内外の水の分配や溶けた物質の濃度も変わります。中学入試では細かな生理の式を覚えるより、資料で示された「細胞の外では凍る部分がある」「細胞の中は守られる」という二つの条件を同時に読めることが重要です。糖があるから体内の水が一切凍らない、という説明にはしません。

水の割合と体全体の割合は違う。数値のある図は本文の例題模型です。

生存の判定には観察時間が必要

低温の間に動かないからといって、その時点だけで死んだと決めることはできません。一方、温めて少し動いたことだけで、長期的に健康だとも決まりません。何時間後に、どんな行動や状態を確認したかが生存率の定義に関わります。資料を読むときには温度だけでなく、低温に置いた時間、戻した温度、判定時刻を並べてください。

乾燥に耐えるクマムシの話と比べる場合も、失った水と凍った水は同じではありません。生き延びるという結果が似ていても、環境条件や仕組みは違います。家庭の生き物を凍らせて確かめる対象にはせず、研究や観察の資料から、何を保護する必要があるのかを考えます。

例題1｜氷になる水の範囲

計算用の模型で、体内の水が合計10gあり、そのうち6gが氷、4gが液体のままでした。氷になったのは水の何％ですか。カエルの体重が15gなら、体重の60％が氷になったと言えますか。

答え・解説：水に対しては6÷10×100＝60％です。しかし体重15gを分母にすると6÷15×100＝40％なので、体重の60％とは言えません。「水のうち」と「体全体のうち」を区別します。残った5gには水以外の成分を含むとした模型です。割合を見つけたら、何を100％としているかを数字のそばに書きましょう。

例題2｜条件の違う生存率

同じ種類の20匹ずつを比べた架空の資料で、条件Aでは18匹、条件Bでは12匹が指定時刻に生存確認されました。各生存率はいくつですか。AとBで温度も低温に置いた時間も違った場合、差を温度だけの効果と言えますか。

答え・解説：Aは90％、Bは60％で、差は30ポイントです。二つの条件が同時に違うなら、温度だけの効果とは決められません。同じ時間で温度を比べる群、同じ温度で時間を比べる群が必要です。生存率が高い条件から始めて、何がよかったのかを一つに断定するのではなく、比較に使える組を選びます。

保護物質の濃さだけで決めない

糖の濃度が高い群で生存率も高かったとしても、それだけで糖だけが原因だと確定するわけではありません。季節への順応や個体の状態など、同時に違う条件があり得ます。研究の説明では、どの部分が測定事実で、どの部分が仕組みの解釈かを読み分けます。資料にある結論より広い範囲まで、自分の言葉で増やさないようにします。

凍結に強い生物の話は、驚きから記憶に残りやすい題材です。しかし入試で問われるのは、すごさを強調することではありません。「どこに氷ができたか」「何を分母にしたか」「どの時刻に回復を判定したか」という条件を押さえた説明です。図を細胞の内外に分け、表に温度と時間を別々に書くと、ひとことで片付けた説明よりも正確に読み取れます。

凍る場所を二つの枠にして考える

体内という言葉は広い範囲を含みます。細胞の内側と、細胞どうしの間など外側の空間を二重の枠で描くと、「体内に氷がある」と「細胞内に氷がある」が同じではないことを確認できます。外側に氷ができる際にも、細胞から水が移動して内容物が濃くなるなど、細胞側への影響が生じます。外で凍るなら何の負担もない、と言い換えないようにします。耐える仕組みは、凍るか凍らないかだけの二択より複雑です。

保護に関わる糖を濃度として示した資料では、糖の量が増えたのか、水が減って濃くなったのかを分ける情報が必要です。糖2gが水18gと混ざる模型なら全体20gの10％ですが、水だけ8gが移れば糖2gを含む12gとなり、割合は約16.7％になります。糖の質量が増えなくても濃度は上がる例です。生体の実際の数値を再現するものではありませんが、濃度の増加だけから物質の合成量を決められないことを示しています。

温度の下げ方も、最低温度だけでは表せません。同じ最低温度へゆっくり近付けた群と急に下げた群では、準備や水の移動に使える時間が違います。途中で何回か凍結と融解を経験した個体と、一度だけ冷やした個体も、同じ条件だとは限りません。資料に時間のグラフがあるなら、最も低い点だけでなく、そこへ至る線と、その温度にいた長さを読みます。

観察が終わった後も生存確認を続ける研究では、判定期間が長いほど結果が変わる場合があります。翌朝の活動再開と一週間後の生存を、同じ「回復」として混ぜないことが大事です。能力を強調する見出しに出会ったら、対象種、細胞内外、冷却の経路、判定時刻の四点を探してみましょう。小学生が専門の生理を全て説明する必要はありませんが、資料に書かれた制限を守るだけで、無理のない科学的な説明に近付けます。