東海大学 医学部 生物（2024年度）全問題・超図解解説

STEP 1空欄 A・B（生命の起源）：無機物から有機物が生成し、生命誕生に至るまでの物質の進化過程を 化学進化 と呼びます。また、原始大気には遊離の 酸素（$\text{O}_2$） がほとんど含まれておらず、光合成生物の出現によってもたらされました。

STEP 2空欄 C・D・E（地質時代・人類・進化）：地球誕生（約46億年前）から古生代カンブリア紀が始まる（約5.4億年前）までの約40億年間を 先カンブリア 時代と呼びます。また、人類は直立二足歩行に伴い、脳から脊髄が通る孔である 大後頭孔 が頭骨の真下に位置するようになりました。共通の祖先から多様な環境に適応して様々な種に分化する現象を 適応放散 と呼びます。

解説約27億年前に出現し、水を電子供与体として酸素発生型の光合成を行い、後に真核細胞に細胞内共生して葉緑体の起源となった原核生物は (1) シアノバクテリア（ラン藻）です。シアノバクテリアの分泌する粘液に堆積物が固定されて何層にも積み重なってできた層状構造の岩石を (2) ストロマトライト と呼びます。

思考プロセス問題文第3段落をよく読むと、この人工細菌は「生育に十分な量のグルコースのみを含む培地において、生存に必要のない遺伝子（非必須遺伝子）を選別し、除いた」ものです。
つまり、グルコースがたっぷりある環境では「グルコース以外の糖（アラビノースなど）を分解・利用するための遺伝子」や「グルコースを自ら合成する遺伝子」が壊れても生存できるため、それらは非必須遺伝子としてすべて削除されてしまっています！

• ア（誤）・イ（正）：独立栄養生物ではなく、また糖新生などの遺伝子も持たないため、グルコースを自ら産生することはできません。
• ウ（正）・エ（誤）：グルコースのみを含む培地で生き残るために絶対必要だった「グルコースの利用（解糖系など）に必要なタンパク質をコードする遺伝子」は必須遺伝子に含まれています。
• オ（誤）・カ（正）：グルコース以外の炭素源を利用するための遺伝子（オペロンなど）は選別実験の過程で「非必須遺伝子」として取り除かれているため、グルコース以外の炭素源を利用することはできません。

よって正しいものを全て選ぶと イ、ウ、カ です。

STEP 1トランスポゾン挿入と遺伝子の破壊（ノックアウト）：
トランスポゾン（抗生物質耐性遺伝子を持つ動くDNA）は、ゲノムDNA上のランダムな領域に挿入されます（よってウが正しく、エは誤り）。トランスポゾンが遺伝子の内部に飛び込むと、その遺伝子の配列が分断されて機能を失います。

STEP 2必須遺伝子に入ったか、非必須遺伝子に入ったかの判定：

• もしトランスポゾンが必須遺伝子に挿入された場合：生存に不可欠な遺伝子が壊れるため、その細菌は死滅し、コロニーを形成できません（アは誤り）。
• もしトランスポゾンが非必須遺伝子に挿入された場合：その遺伝子が壊れても細菌は生存でき、かつトランスポゾンが持つ抗生物質耐性のおかげで抗生物質入り寒天培地上で増殖し、コロニーを形成します（イが正しい）。

よって正解は イ、ウ です。

• ア（妥当）：嫌気呼吸（アルコール発酵など）が同時に起きると、$\text{O}_2$ を吸収せずに $\text{CO}_2$ を放出するため、見かけの呼吸商（$\text{CO}_2/\text{O}_2$）は大きくなります。
• イ・ウ・エ（妥当）：Aの呼吸商の方が大きい（1.0に近い）ことから、Aの種子は炭水化物を多く含み（ウ）、Bの種子は脂肪を多く含む（イ）、あるいはAでは酸素を多く消費する脂肪から糖への変換反応が起こりにくい（エ）という仮説はすべて論理的に整合します。
• オ（誤り）：もし種子の表皮に葉緑体があって、発芽時に放出した $\text{CO}_2$ を直ちに光合成に利用（吸収）し、$\text{O}_2$ を放出したとすると、外部へ放出される $\text{CO}_2$ が減り、外部から吸収する $\text{O}_2$ も減る（または見かけの呼吸商の分子が小さくなる）うえ、そもそも種子の種皮（表皮）で発芽時に活発な光合成を行って呼吸商が高まるという説明は生物学的に誤りです。

よって誤っているものは オ です。

(1) 惑星X固有の植物の場合
地球上では気温が高い赤道付近では、ルビスコの $\text{CO}_2$ 親和性が低下（光呼吸が増加）するため $\text{C}_3$ 植物が不利になり $\text{C}_4$ 植物が繁栄します。しかし惑星Xの植物のルビスコは「気温により $\text{CO}_2$ 親和性が変化しない」ため、高温の赤道付近でも光呼吸が起こらず、気温が高い赤道付近における $\text{C}_3$ 植物の分布が（地球上と比べて）拡大すると予想されます。よって(1)は ア です。

(2) 地球上の植物を惑星Xに持ち込んだ場合
地球上の植物が持つルビスコは「気温により $\text{CO}_2$ 親和性が変化する」性質を持っています（選択肢エ・オ・カのグループ）。しかし、問題文冒頭の報告書より、惑星Xは大気中の二酸化炭素濃度が地球の約2倍（約 $800\text{ ppm}$）と十分に高いため、高温の赤道付近であってもルビスコ周辺に十分な $\text{CO}_2$ が供給されて光呼吸が抑えられます（問3のグラフ(ア)の高濃度域と同じ状態！）。そのため、地球上と比べて気温が高い赤道付近における $\text{C}_3$ 植物の分布が拡大すると予想されます。よって(2)は カ です。

問1の解説膜電位が $0\text{ mV}$ になる点（細胞内 $\text{K}^+$ 濃度 ＝ 細胞外 $\text{K}^+$ 濃度）を探す！
静止状態では膜はほぼ $\text{K}^+$ のみを通すため、細胞内の $\text{K}^+$ 濃度と細胞外の $\text{K}^+$ 濃度が等しくなったとき、濃度差による拡散が釣り合って膜電位は $0\text{ mV}$ になります（問7の式でも $[\text{K}^+]_{\text{in}} = [\text{K}^+]_{\text{out}}$ のとき $\log_{10} 1 = 0\text{ mV}$ になります）。
図のグラフで縦軸「膜電位 $= 0\text{ mV}$」の横線と各曲線が交わる点の横軸（細胞内 $\text{K}^+$ 濃度）を読むと：

• 実線C：横軸 $20\text{ mM}$ 付近で $0\text{ mV}$ （＝外液 $\text{K}^+$ 濃度が約 $20\text{ mM}$：生体内の外液濃度！）
• 実線B：ちょうど横軸 $100\text{ mM}$ の格子線上で $0\text{ mV}$ と交わっている！
• 実線A：横軸 $600\text{ mM}$ 付近で $0\text{ mV}$

したがって、実線Bの細胞膜外液の $\text{K}^+$ 濃度は $100\text{ mM}$ であり、問1の正解は イ です。

問2の解説選択肢 a〜e を吟味します：

• a（正）：細胞膜内外の $\text{K}^+$ の濃度差によって $\text{K}^+$ が流出し、静止電位が形成されます。
• b（誤）：$\text{K}^+$ の濃度差を能動輸送で作っているのはナトリウムポンプ（$\text{Na}^+/\text{K}^+\text{-ATP}$アーゼ）であり、下線部①（チャネル＝受動輸送）ではありません。
• c（正）：生体におけるヤリイカの細胞膜内 $\text{K}^+$ 濃度は約 $400\text{ mM}$、外液 $\text{K}^+$ 濃度は約 $20\text{ mM}$（静止電位は約 $-60\text{ mV}$）です（問7の条件にも記載されています）。図で細胞内 $\text{K}^+$ 濃度 $400\text{ mM}$ のときに膜電位が約 $-60\text{ mV}$ になっているのは実線Cです。
• d（誤）：活動電位は電気的刺激（脱分極）によって下線部②が開くことで生じます。
• e（誤）：常に開放して静止電位を形成しているのは下線部①（電位非依存性カリウムチャネル）であり、下線部③（電位依存性カリウムチャネル）ではありません。

よって正しい組み合わせは a と c であり、問2の正解は イ です。

問3の解説ニューロンの「全か無かの法則（All-or-None law）」：
実験2の刺激強度は「閾値に近い（閾値よりわずかに大きい）」大きさです。

• 刺激強度を $2$ 倍（閾値以上）にしても、発生する活動電位の大きさ（振幅）は変化しません。
• 刺激強度を $1/2$ 倍にすると、閾値未満となってしまうため、活動電位は発生しません。

よって問3の正解は「$2$ 倍の強度では変化せず、$1/2$ の強度では発生しなかった」の カ です。

問4の解説下線部③（電位依存性 $\text{K}^+$ チャネル）を阻害するとどうなるか？
活動電位のピークの後、膜電位を素早く静止電位へ戻す（再分極させる）働きをしているのが下線部③の電位依存性 $\text{K}^+$ チャネルです。これを薬剤（TEAなど）で阻害しても、下線部①（常に開いている電位非依存性 $\text{K}^+$ チャネル）は働いているため、最終的には静止電位に戻ることができますが、戻るまでの時間（再分極の時間）が長くなります。
よって問4の正解は「静止電位に戻る時間が長くなる」の オ です。

問5（実験5）の解説
外液を内液と等張の $\text{KCl}$ 溶液に完全に置換すると、膜内外の $\text{K}^+$ 濃度差がなくなるため、静止電位は $-60\text{ mV}$ から $0\text{ mV}$ へと上昇（＝静止電位は大きくなり）ます。さらに、外液が $\text{KCl}$ のみになって細胞外に $\text{Na}^+$ が全く存在しない（かつ膜が $0\text{ mV}$ に脱分極しっぱなしで電位依存性 $\text{Na}^+$ チャネルも不活性化する）ため、刺激を与えても $\text{Na}^+$ の流入は起こらず、活動電位は生じなくなります。
よって問5の正解は エ です。

問6（実験6）の解説
内液の $\text{K}^+$（$400\text{ mM}$）の半分を $\text{Na}^+$ に置換すると、内液の $\text{K}^+$ が $200\text{ mM}$ に減り、内液の $\text{Na}^+$ が約 $250\text{ mM}$ に増えます。
① 内外の $\text{K}^+$ 濃度差が小さくなるため、静止電位は $-60\text{ mV}$ から約 $-40\text{ mV}$ へと上昇（＝静止電位は大きくなり）ます。
② 静止電位が $-40\text{ mV}$ 付近まで持続的に脱分極した状態になると、電位依存性 $\text{Na}^+$ チャネルが持続的に「不活性化」状態に陥り（さらに内外の $\text{Na}^+$ 濃度差も縮まるため）、刺激を与えても活動電位は生じなくなる（または生じにくくなる：問9・問10の高カリウム血症の心停止メカニズムと共通して、持続的脱分極による $\text{Na}^+$ チャネル不活性化で活動電位が生じなくなるエ、あるいは濃度勾配低下により生じにくくなるカとなりますが、内液 $\text{K}^+$ 半減による約 $18\text{ mV}$ の持続的脱分極では閾値を超えて $\text{Na}^+$ チャネルが完全に不活性化するため エ（またはカ）となります）。

STEP 1与えられた数値を式の分子・分母に代入する：

• $P_{\text{K}} = 1, \quad P_{\text{Na}} = 0.04$
• 外液（$\text{out}$）：$[\text{K}^+]_{\text{out}} = 20\text{ mM}, \quad [\text{Na}^+]_{\text{out}} = 500\text{ mM}$
• 内液（$\text{in}$）：$[\text{K}^+]_{\text{in}} = 400\text{ mM}, \quad [\text{Na}^+]_{\text{in}} = 50\text{ mM}$

まず分子を計算すると、 $$\text{分子} = 1 \times 20 + 0.04 \times 500 = 20 + 20 = 40$$ 次に分母を計算すると、 $$\text{分母} = 1 \times 400 + 0.04 \times 50 = 400 + 2 = 402$$

STEP 2真数部分を計算し、四捨五入する：
$$\text{真数} = \frac{40}{402} = 0.099502...$$ 問題文の指示「対数の真数部分は、有効数字2桁以下を四捨五入しなさい」に従い、これを四捨五入すると、綺麗に $$\text{真数} \fallingdotseq 0.10 \quad (= 10^{-1})$$ となります！

STEP 3対数を計算して膜電位 $E$ を求める：
$$E = 58 \log_{10}(0.10) = 58 \times (-1) = -58\text{ mV}$$ よって正解は イ（$-58$）です。