「高校生物」半保存的複製の実験・図・計算の典型問題を解説

この記事では、高校生物の第３章「遺伝情報の発現」に登場する“半保存的複製の実験問題（メセルソンとスタールの実験問題）”について解説を行っています。日常学習のお役に立てたら幸いです。

問題

では、まず問題を解いてみましょう。下のスライドが問題用紙になります。標準解答時間は15分です。15分経っても解けなかった場合は、解答と解説を見ましょう。

スライド１：半保存的複製の実験の問題

難しかったでしょうか。問１の穴埋めは基本なので簡単だったと思いますが、問２・問３・問４で苦戦したと思います。特に問３と問４は数学を用いるので、答えることができなかった方もいるでしょう。しかし、いずれの問題も典型問題なので、必ず解けるようになるために、以下の解答・解説を確認しましょう。

解答

問１の答え

（１）：半保存的複製、（２）・（３）：メセルソン、スタール（順不同）

問２の答え

０回：③、１回：②、２回：④、３回：④、４回：④

問３の答え

スライド２：問３の答え（半保存的複製の実験でのn回分裂後の本数）

問４の答え

軽いDNA：中間のDNA：重いDNA＝２^n-1－１：１：０

解説

問１．半保存的複製と研究者の語句を答える基本問題！

問１の問題文

DNAの複製様式については、保存的複製、分散的複製、（１）の説があったが、
（２）と（３）による実験によって（１）が正しいことが証明された。…。

この問題は知識問題です。半保存的複製に関わる生物用語を答える基本問題でした。

答えを簡単にまとめます。DNAの複製様式は“半保存的複製”であり、“メセルソン”と“スタール”の２名の研究者によって証明されました。その際の実験の手順は、設問にあるようなものでした。

半保存的複製のイメージが必要な方は、下のスライド３を見てください。イメージとして理解が深まると思います。

スライド３：半保存的複製のイメージ

スルーしてしまいましたが、半保存的複製が証明される以前は、“保存的複製”と“分散的複製”も説として挙がっていました。念のため、保存的複製と分散的複製のイメージも紹介しておきます。

スライド４：保存的複製と分散的複製のイメージ

問２．分裂回数とバンドの関係を答える応用問題！

問２の問題文

…、¹⁴N培地での大腸菌の分裂回数が、０回、１回、２回、３回、４回のそれぞれの場合、実験後の線の位置は図２の①～⑥のうちどれになると考えられるか。

この問題は考察問題&図の読み取り問題です。DNAの窒素が¹⁵Nに置き換わった大腸菌が¹⁴Nの培地で分裂すると、密度勾配遠心後どの位置にDNAのバンド（横線）ができるかが問われた問題でした。

まず最初に理解すべき点は、図１で３つある線（バンド）のそれぞれが何を示すかということです。まとめると、下のスライド５のようになります。

スライド５：図１の線（バンド）の示す意味

改めて文章でまとめると、

軽いDNA：二本鎖DNAの構成元素である窒素は、すべて¹⁴N。

中間のDNA：二本鎖DNAの構成元素は、片方のヌクレオチド鎖では¹⁴Nであり、もう片方のヌクレオチド鎖では¹⁵Nである。

重いDNA：二本鎖DNAの構成元素である窒素は、すべて¹⁵N。

となります。

次に必要となる知識は、半保存的複製のイメージになります。下のスライド６は、問題文の実験における分裂３回目までのDNA増幅のイメージ図になります。

スライド６：15Nの大腸菌を14Nの培地で分裂させたときのDNA複製のようす

※スライド３にあるように、複製の際は分離した一本鎖DNAを鋳型にして新しいヌクレオチド鎖が合成されることに注意しましょう。また、一度の分裂で本数が２倍になっていますね。

問題文の実験において大腸菌の分裂は¹⁴Nで行われるので、新しく合成されるヌクレオチド鎖の構成窒素はすべて¹⁴Nになります。１回目の分裂で¹⁴Nと¹⁵Nから成る『中間のDNA』が現れ、２回目以降の分裂で¹⁴Nだけで成る『軽いDNA』が増えることがわかります。

では、スライド６の図をもとに、各分裂回数後の『軽いDNA』・『中間のDNA』・『重いDNA』の有無を見てみましょう。まとめ直したものが、下のスライド７になります。

スライド７：各分裂回数後の、各重さのDNAの有無

スライド７はスライド６と比較して見るとわかりやすいです。少なくとも３回目までの大腸菌分裂については、比較して有無を答えることができるでしょう。４回目以降とn回目においては、問３を解答することができる方にとっては理解できると思います。ここでは一度、説明を保留にしたいと思います。

ようやく解答を説明できる用意が整いました。“スライド５における線（バンド）の意味”と“スライド７における各分裂回数における各重さのDNAの有無”が分かれば、図２において①～⑥のうちどれを選べばよいかを答えることができます。“その重さのDNA”があると線（バンド）ができるので、各回数において適切な線が描かれている選択肢を選べばよいでしょう。例えば２回目において、スライド７で『軽いDNA』と『中間のDNA』があると導いたので、図２の④を選ぶ、といった具合になります。

ちなみに、２回目以降の解答が④で同じであることは、問題文に『重複して選択してもよい。』とあるので問題ありません。

じつに長い説明で、大変失礼しました。

今回は問題ではDNAの重さを『軽い』・『中間』・『重い』と表現しましたが、入試問題では他の表現方法もあります。よく見かけるのは、以下のようなものです。

軽い：¹⁴N－¹⁴N
中間：¹⁴N－¹⁵N（あるいは逆の表記）
重い：¹⁵N－¹⁵N

これらの表現方法は難しく見えますが、DNAの片方の鎖の窒素の重さを表現しているだけです。¹⁵Nの培地で育った大腸菌のDNAは¹⁵N－¹⁵Nとなり、¹⁴Nの培地で１回分裂すると¹⁴N－¹⁵NのDNAが生じ、そして２回目以降の分裂で¹⁴N－¹⁴NのDNAが生じるという具合になります。こんな感じで略記させてもらいましたが、詳しい解説が欲しい方はコメントでご要望ください。

記述形式の問題になると、解答で線（バンド）を描くこともあります。その場合に備えて、実際に描けるようになりましょう。なお、出題されるときは、図１と図２の関係を示しているように、描くべき線の位置のヒントがあるのが一般的です。

問３．分裂回数と各重さのDNAの本数を答える応用問題！

この問題は考察問題&計算問題です。DNAの窒素が¹⁵Nに置き換わった大腸菌が¹⁴Nの培地で分裂すると、どのような重さのDNAが何本ずつできるのかを答える問題でした。

※問２の解説を前提に解説します。問２がわかって問３が分からなかった方は、お手数ですが問２の解説も読んでいただくよう、お願い致します。

この問題を解く上で重要なことは、“半保存的複製のイメージ図を問題のページ余白に描くこと”です。慣れないうちは実際に図を描き、視覚的に本数を数えることで、ミスを防ぐのがよいでしょう。すると、４回目までの分裂では、下のスライド８のようになります。

スライド８：４回目までの分裂を描きだす

※さすがに４回目までは描き出さなくてもよいかもしれませんね…。

本数と重さの状態を描き出したところで、１～４回目の『軽いDNA』、『中間のDNA』、『重いDNA』の本数は数えればわかります。整理すると、スライド９のようになります。

スライド９：DNAの本数を数えて答えるが、n回目は特別

スライド９にあるように、１～４回目は数えて答えることができますが、n回目に関しては予想を立てて計算する必要があります。

『中間のDNA』と『重いDNA』に関しては、回数ごとに変化が見られないため、そのまま答えてよいでしょう。n回目の『中間のDNA』は２本、『重い』DNAは０本です。これは当然のことで、以下のことが理由に挙げられます。

『中間のDNA』は、¹⁵Nのヌクレオチド鎖を鋳型にしなければ生じない。¹⁵Nのヌクレオチド鎖は最初の２本だけであり、その後の分裂では¹⁴Nしかないため、¹⁵Nのヌクレオチド鎖はずっと２本のままである。よって、分裂をいくら繰り返しても結果生じる『中間のDNA』は２本である。

『重いDNA』は、分裂を繰り返しても存在しない。¹⁵Nのヌクレオチド鎖はあるが、培地には¹⁴Nしかないため、『重いDNA』が生じることはない。

最後に『軽いDNA』が難問として立ちはだかります。難しさの理由は、ここで数学Bで習う“数列”の知識を必要とすることが挙げられます。

ざっくりと説明すると、下のスライド10がヒントになります。

スライド10：n回目の軽いDNAは等差数列で導く

上記スライド10のように、“等差数列”を使ってn回目の『軽いDNA』の本数を導くことになります。これくらいしか説明できませんが、数学の教員免許は持っていないのでご容赦ください。

「等差数列かよ…、なんで高校生物に…。」と思うかもしれませんが、数学は科学で欠かせないものであり、高校生物でも高校で習う範囲までの数学が問われることがあります。また、中学理科、高校化学基礎の知識も高校生物に登場するので、分野横断的な学習も必要です。

問４．DNAの本数を比にする数学的な問題！

問４の問題文

問３のn回目において、軽いDNA・中間のDNA・重いDNAの本数の比はどのようになるか、答えなさい。

この問題は数学的な問題です。問３のn回目の各重さの本数を比に置き換える問題でした。

★問３で求めたように、n回目の各重さのDNAの本数は、

軽いDNA＝2ⁿ－2（本）
中間のDNA＝2（本）
重いDNA＝0（本）

となっている。

ここでもやはり数学の知識を必要とします。数学Ⅰの指数の割り算（商）です。ヒントを示すと、下のスライド11のようになります。

スライド11：n回目の比の求め方（指数の商）

問３の末尾と同じ言い分ですが、数学の教員免許は持っていないので、これくらいの説明でご容赦ください。

総括

管理人の感覚では、今回紹介した半保存的複製の典型問題をあまり難しく思っていませんでした。しかし、いざ記事をつくり始めると、解説をつくることにかなり手がかかりました（特に問２）。本質的に理解するためには、細かい点をしっかり理解しないといけないことが改めてよくわかり、今でもなお多くの受験生が難しく感じることもわかったような気がします。理解するのは、そこそこ難しいです。

なお、高校生物の教科書では、半保存的複製は発展扱いになっていることもあります。現課程の教科書では“分子レベルのDNAの挙動”の方がメインになっており、そっちの方が重要度は高いと言えるでしょう。下のリンクでは、“DNAの構造”と“DNAの複製”を解説していますので、合わせて勉強するとよいと思います。