令和 4 年度 次世代の科学技術を担う人材育成事業

福岡県

高校生科学技術コンテスト
ファーストステージ

生物
解答解説

受験番号氏名

所属校名

福岡県教育委員会

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2022/06/07 9:11

第１問

ド鎖が向かい合って並び，塩基どうしが結合することで形成される。このときアデニ［出題のねらい］

ンはチミンと，グアニンはシトシンと結合

遺伝情報の複製，生殖と発生，生物の環境応するため，2 本鎖の DNA で等しくなるの

答，生物の分類と系統をテーマとして，さまざはアデニンとチミン，グアニンとシトシン

まな分野における基礎的な内容の問題を中心にの割合である。

小問集合の形で出題した。

⑶

仮説１では複製前の 2 本鎖 DNA はそのまま残り，新たな 2 本鎖 DNA ができる。

［解答］

そのため，1 代目では 15N のみからなる重問１

い DNA と 14N のみからなる軽い DNA が⑴ 512 倍1：1 の割合で得られる。2 代目では重い⑵③

DNA からは重い DNA と軽い DNA が 1：⑶仮説１：②

1 の割合で，軽い DNA からは軽い DNA

仮説３：⑧のみが複製されるため，全体の比率は重い

問２： 軽 い DNA（C）＝1： ３ と なDNA（A）⑴②，③，④る。仮説３では複製後の 2 本鎖 DNA は，⑵①，④

部分的に複製前の DNA を含むため，1 代⑶

W と R は X 染色体上に存在し，W をも目 は す べ て 15N と 14N の 中 間 の 重 さ のつ X 染色体を受け継いだオスでは W が発DNA（B）となる。2 代目は中間の重さの現するため。
（41 字）など

DNA の部分と軽い DNA の部分を含んだ

問３DNA となるため，中間の重さの DNA（B）⑴ ア：水晶体

イ：黄斑ウ：角膜

エ：盲斑

⑵

②，④⑶

④と軽い DNA（C）の中間の重さとなる。
問２⑴

ショウジョウバエは XY 型の性決定様式をもち，体細胞の核相を 2n=8 で表すこと

問４ができることから，体細胞中には 3 対の⑴ ア：科
ウ：門

イ：目

常染色体と 1 対の性染色体の計 8 本の染エ：ドメイン色体をもつことがわかる。また，生殖細胞⑵①，③，④，⑥，⑦⑶③は単相であるため，n＝4 となる。
⑵⑶ F1 世代で生じた個体はすべて赤眼であったことから，赤眼の遺伝子 R は白眼［解説］の遺伝子 W に対して優性であることがわ

問１かる。また，F2 世代で白眼の形質はオス⑴⑵

大腸菌を，20 分に 1 回分裂する環境でにしかみられなかったことから，目の色に3 時間培養した場合，9 回分裂すると考え関する遺伝子 W，R は X 染色体上に存在られる。大腸菌は 1 つの細胞が 2 つの細すると推測できる。つまり，遺伝子 R を胞に分裂して増えるため，3 時間後には 29もつ X 染色体を親から受け継いだオスの＝512（倍）になると考えられる。

個体（XRY）は赤眼となるが，遺伝子 W をDNA の二重らせんは 2 本のヌクレオチもつ X 染色体を親から受け継いだオスの─ 2 ─

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個体（XWY）は優性の対立遺伝子をもたないて作成されたものである。そのため，こいため白眼となる。の系統樹からは，種が生じた時期や，生物問３

A と B のうちどちらがより生物 C と近縁
ヒトの眼は直径 25 mm ほどの球体の器であるかを推測することはできない。ま官である。眼に入った光は角膜（空欄ウ）

た，生物 A・B・C は生物 D から分岐しと水晶体（空欄ア）で屈折し，ガラス体をたのではなく，それらの共通祖先から分岐通過して網膜上に像を結ぶ。網膜の中心窩したと考えられる。より詳細な近縁関係の周辺を黄斑（空欄イ）といい，視神経が網推 定 や 分 岐 年 代 の 測 定 な ど は，DNA や膜 を 貫 い て い る 部 分 を 盲 斑（空 欄 エ）とRNA の塩基配列，タンパク質のアミノ酸いう。

配列を比較することで推測できる。

⑴⑵

ヒトの桿体細胞は薄暗い場所でよくはたらくが，色の識別には関与しない。色の識別に関与する視細胞は錐体細胞である。また，桿体細胞は網膜の，視野の周辺部に相当する部分に多く分布し，錐体細胞は視野の中心部に相当する部分（黄斑）に集中して分布する。
⑶

目の遠近調節は，近くのものをみるときは，毛様筋が収縮することでチン小帯が緩む。水晶体は自身の弾性によって厚さが増し，近くのものに焦点が合うようになる。
遠くのものをみるときは，毛様筋が弛緩することでチン小帯が引っ張られる。これによって水晶体が薄くなるため，遠くのものに焦点が合うようになる。
問４⑴

リンネによる分類体系では分類の基本となる単位である種を最下層とし，種から順に属・科・目・綱・門・界としている。さらに，1977 年にウーズによって界の上にドメインという分類群をつくることが提唱された。ドメインは rRNA の塩基配列をもとにした分類であり，これによって生物を真核生物，細菌，古細菌の 3 つのグルー プ に 分 け る こ と が で き る（3 ド メ イ ン説）。
⑵

脊椎動物に分類される生物は，魚類，両生類，は虫類，鳥類，ほ乳類である。

⑶

図 3 の系統樹は形態的な特徴にもとづ─ 3 ─914592_福岡_生物kk_cc2019.indd 32022/06/07 9:11

第２問から，老齢型の年齢ピラミッドと考えられる。

［出題のねらい］⑵

老齢型の年齢ピラミッドを示す個体群

生物群集をテーマとして，個体群や競争，擬は，若齢層の個体数が少ないため，生殖層態に関する資料を通じ，基礎的知識と思考力をの個体数がやがて減少し，将来衰退すると問う出題とした。

考えられる。
問３必要とする資源の要素が似た種どうしで［解答］あっても，ニッチが少しずつ異なる場合は同

問１ A，B，C，D，Gじ地域に共存することができる。例えば，熱問２帯林に生息するリスの仲間は，地上で生活す⑴る種，樹上と地上で生活する種，樹上で生活する種にわかれ，それぞれ生活場所が同一とならないようにすみわけをしている。また，植物の種子を食べるトビネズミの仲間は，それぞれ食べる種子の大きさが異なるため，同じ地域でも共存することができている。
問４

相同器官は，形態やはたらきが異なって老齢型（老化型）いても発生起源が同じであり同じ基本構造を⑥もつ器官のことである。コウモリの翼，クジ

共通して利用する資源が完全に重ならな

ラの胸びれ，ワニの前肢，ハトの翼はすべていよう，食料の大きさや種類などをずらして脊椎動物の前肢であり，発生の起源が同じ相利用している。
（45 字）など同器官である。チョウの翅とハトの翼は形態⑵
問３問４ 相同器官：A，D，Eやはたらきが似ているが，発生の起源が異な相似器官：Cる相似器官である。なお，クジラの尾びれと問５③

イヌの後肢は，発生の起源とはたらきが異な

問６

調査方法：標識再捕法

る別の器官である。
問５

全個体数：60 匹

擬態蝶の個体数が毒蝶の個体数より多す

問７ ⑤ぎると，天敵が毒蝶ではなく無毒な擬態蝶を

問８ ②捕食する確率が高くなる。そのため，チョウ

問9 ④

のみかけと毒の有無についての学習が成立しにくくなる。このことから擬態率には，擬態［解説］が有効にはたらく上限が存在し，毒蝶の個体

問１ 資源とは生物が生存，繁殖するために必数が多いほど擬態率は高くなると考えられる。

要な要素である。クマの生存には，酸素，温度，食料，生息場所が必要であり，繁殖のた問６定する際に用いられる方法である。チョウはめに配偶者が必要である。
問２⑴

区画法は移動の少ない生物の個体数を推区画間を移動することができるため同じチョ
表より，若齢層，老齢層，生殖層の順にウを複数回数える可能性があり，推定方法と個体数が多くなることがわかる。このことして適切でない。標識再捕法を用いて全個体

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数を推定すると，全個体数 ＝ 25 ×

125＝ 60（個体）となる。
問７

毒蝶指数は毒蝶のみかけをしたチョウに対するベニモンアゲハの密度であるため，ベニモンアゲハの個体数に対するベニモンアゲ
ハと擬態メスの個体数の割合で求めることが妥当だと考えられる。
問８

石垣島，宮古島と竹富島，喜界島のデータを比べると，毒蝶指数が高いほど擬態率が高いことがわかる。
問９

調査１から毒蝶指数が高いほど擬態率は高くなることが，調査２から擬態率と遺伝的距離に関係がないことが，調査３から島に定着したシロオビアゲハの集団の古さと擬態率に関係がないことがわかっている。調査４の結果をみると，各グラフの点が点在していることから，擬態率は，各島の集団の遺伝的距
離，島の地理的距離，各島の平均降雨と平均風速，各島の平均気温とは無関係であることがわかる。これらの結果は，擬態率はベニモンアゲハの個体数に依存するという仮説を支持する。

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第３問

中のペプシンがペプチド結合を切断しやすくなる。タンパク質は低分子のポリペプチドに［出題のねらい］分解されるが，胃液中にはアミラーゼやリパーゼが含まれないため，炭水化物や脂肪は分恒常性の維持をテーマとして，消化管や肝臓解されない。

についての基礎的知識と思考力を問う出題と問４した。

⑴⑵

オレイン酸 C18H34O2 を呼吸基質とし［解答］て用いた場合の反応式は

問１ ④

2C18H34O2 ＋ 51O2 → 36CO2 ＋ 34H2O

問２ 炭水化物：アミラーゼとなる。呼吸商（RQ）は呼吸で発生する二酸

脂肪：リパーゼ

化炭素と消費した酸素の体積比であるため，

問３ ⑤，⑥RQ＝（

問４⑴ 2C18H34O2 ＋ 51O2 → 36CO2 ＋ 34H2O⑵となる。
問５0.71CO251）＝ ≒0.71
O236

実験１と２の比較から，酵素 X は活性

問５①，④，⑤問６ア：肝門脈

イ：肝小葉性の環境）で酵素活性をもつことがわかる。

ウ：類洞エ：胆管（胆のう）実験３から活性化した酵素 X は，活性をもをもたない状態で分泌され，塩酸存在下（酸問７④たない酵素 X を活性化する正のフィードバ

問８

小腸から吸収した有害な物質などを含むックが生じていることがわかる。なお，酵素血を解毒してから全身に送ることができるた

X は酵素活性をもたないペプシノーゲンでめ。
（40 字）などあり，塩酸またはペプシンによって活性化す

問９ アミノ酸の分解で生じるアンモニアを尿素に作りかえる働きが低下するため。
（35ることで酵素活性をもつペプシンとなる。
問６

消化管やひ臓から肝臓へと血液を送る血管は肝門脈（空欄ア）である。肝臓は肝小葉字）など（空欄イ）と呼ばれる基本単位からなってい［解説］る。肝小葉の中には類洞（空欄ウ）と呼ばれ

問１ 消化とは食物を小さな分子にまで分解する毛細血管が通っている。胆細管が集まったる過程であり，咀嚼などの物理的消化と消化管を胆管（空欄エ）と呼び，胆汁を運ぶ役割液による化学的消化に分けることができる。

をもつ。

吸収とは消化によって小さな分子となった食問７①肝細胞はグルコースの一部をグリコー物（栄養分）などを血液中に取り込む過程でゲンとして細胞内に貯えている（誤）。②血ある。

中のイオン濃度や水分量を保ち，原尿中に尿問２炭水化物（多糖類）の分解は唾液中のア素などの排出を行う器官は腎臓である（誤）。

ミラーゼによって，脂肪はすい液中のリパー③インスリンを分泌することで血糖値を下げゼによって分解される。

る器官はすい臓のランゲルハンス島 B 細胞

問３である（誤）。

胃液は約 pH2 の強酸であるため，食物中のタンパク質は変性し，食物中のペプチド

問８結合がより多く露出する。これによって胃液

小腸から吸収した有害な物質や代謝産物を含む血液を肝臓が取り込み，解毒すること

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で，有害な物質が全身に回るのを防ぐことができる。また，肝臓は多くの有機分子を他の器官や細胞で使いやすいかたちに変えることができるため，肝臓に入る血液よりも肝臓を出る血液の方が，栄養バランスが良い。
問９

タンパク質やアミノ酸が分解されると生じるアンモニアには強い毒性がある。健康なヒトであれば，アンモニアは肝臓で毒性の弱い尿素につくりかえられるが，肝臓の機能が低下している場合は血中アンモニア濃度が上昇し，脳機能などに障害を与える可能性がある。

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第４問性免疫という。
問２［出題のねらい］

角質層は，表皮細胞がケラチンというタンパク質を合成し，皮膚の表面に形成され免疫をテーマとして，免疫反応に関する資料る。コラーゲンは動物細胞の細胞外基質の主を 通 じ， 基 礎 的 知 識 と 思 考 力 を 問 う 出 題 と要な成分であり，骨や軟骨などの成分でもした。

ある。
問３

［解答］
問１ ア：樹状細胞

炎症とは，マクロファージのはたらきによって毛細血管が拡張して血流が増え，熱をイ：自然免疫もつ現象である。毛細血管が拡張することでウ：体液性免疫 エ：細胞性免疫

血管中から組織へと好中球が移動しやすく

問２ ①なる。
問４

問３ ③

免疫記憶は抗原に反応したリンパ球（T問４ ③細胞や B 細胞）の一部が死滅せずに，記憶細問５ ④胞として体内に長く残ることによる。記憶細問６ ②胞は，抗原と反応したことがないリンパ球に

問７比べて，抗原に対する反応性が高いため，抗⑴⑵問８α鎖遺伝子：2,000 通り

原の 1 回目の侵入に対する反応（一次応答）

β鎖遺伝子：540 通り

よりも，2 回目以降の反応（二次応答）の方1,080,000 通りが，速く大きくなる。

TCR と BCR の 発 現 量 を 調 べ て，TCR

問５日本の利根川進（1939－）は，抗体分子を発現せず，BCR を発現していれば，B 細の可変部の多様性が，遺伝子の再構成によっ胞である。
（44 字）などて生じることを示し，1987 年に日本人初の

問９ヘルパー T 細胞：CD4 分子

ノーベル生理学・医学賞を受賞した。

MHC には，クラスⅠ分子とクラスⅡ分

問６

キラー T 細胞：CD8 分子
未 熟 T 細 胞 は，CD4 と CD8 の 両 方 を子がある。クラスⅠ分子はほとんどすべての発現する T 細胞に分化した後，CD4 のみを体細胞に発現し，キラー T 細胞による細胞発現するヘルパー T 細胞，または CD8 のみ傷害に関わっている。一方，クラスⅡ分子はを発現するキラー T 細胞に分化する。
（75

抗原提示細胞のみに発現し，ヘルパー T 細字）など胞による抗原の認識に関わっている。

問10

問７
［解説］

⑴

α 鎖遺伝子について，Vα Jα は 100×20

問１ 免疫にかかわる細胞には主に，好中球，＝2,000（通り）となる。一方，β 鎖遺伝子

マクロファージ，樹状細胞，リンパ球が知らに つ い て，Dβ 1 の 断 片 は Jβ 1 ま た は Jβ 2れている。これらの細胞のうち，好中球やマの断片と組み合わされるので，Dβ1Jβ1 とクロファージなどの食細胞による食作用を中Dβ 1Jβ 2 を 合 わ せ て 1×（6＋6）＝12（通心とした免疫反応を自然免疫といい，B 細胞り）
，Dβ 2 の断片は Jβ 2 の断片のみと組みが分泌する抗体のはたらきを中心とした免疫合わされるので，Dβ 2Jβ 2 は 1×6＝6（通反応を体液性免疫という。また，活性化したり）と な り，Vβ Dβ Jβ は 30×（12＋6）＝

キラー T 細胞を中心とした免疫反応を細胞540（通り）となる。

─ 8 ─

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⑵ TCR 分 子 は，2,000×540＝1,080,000（種類）生じることになる。
V

なお，問９，問10 ともマウスを用いて実験しているが，ヒトでも同様である。

JJDCDCD-J 再構成VDJCDJCDJCDJCV

V-DJ 再構成

VDJC

転写mRNA 前駆体
スプライシングmRNA

V DJ C

問８ B 細胞は TCR を発現せず，BCR（B 細胞受容体）を発現している。BCR を細胞外に分泌したものが抗体分子である。
問９

キラー T 細胞欠損マウス（ヘルパー T細胞のみが分化する）では分化した T 細胞がCD4 分子のみを発現しており，ヘルパー T細胞欠損マウス（キラー T 細胞のみが分化する）では分化した T 細胞が CD8 分子のみを発現していることから，ヘルパー T 細胞はCD4 分 子 の み を 発 現 し， キ ラ ー T 細 胞 はCD8 分子のみを発現しているとわかる。なお，正常マウスではヘルパー T 細胞とキラー T 細胞が分化している。
問10ヘルパー T 細胞欠損マウス（キラー T細胞のみが分化する）でも，キラー T 細胞欠損マウス（ヘルパー T 細胞のみが分化する）
でも，正常マウスと同じく CD4 分子と CD8のいずれも発現していない T 細胞（未熟 T細胞）の他に，CD4 と CD8 をともに発現する T 細胞が観察されることから，未熟 T 細胞（CD4－CD8－）は，CD4 と CD8 をともに発 現 す る（CD4＋CD8＋）T 細 胞 に 分 化 し た
後， ヘ ル パ ー T 細 胞（CD4＋CD8－）ま た は
キ ラ ー T 細 胞（CD4－CD8＋) に 分 化 す る ことがわかる。

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