問題一覧
1
恐竜の重さをはかる 恐竜が生きていたときの姿を復元してみましょう。まずは、岩石の中から発見された恐竜の骨の化石を掘り出して、他の恐竜の復元した骨格と比較しながら、骨格を組み立てます。恐竜の骨格を測定すると、体長と体高がどれくらいだったかはわかりますが、体重に関してはすぐにはわかりません。どうすれば、恐竜の体重を推定することができるのでしょうか？
作成した模型を水に沈めて模型の体積を測定し、模型の縮尺から実際の体積を求める。例えば1/40の模型であれば縦、横、高さをそれぞれ40倍するので体積を64000倍する。最後にその恐竜に近い動物と考えられる動物の密度をかけると恐竜の体重を推定できる
2
歩行と走行 ヒトが速く移動しようとすると、どうしても歩行から走行に変わってしまいます。その理由を、物理学の観点から説明してみましょう。ヒント：歩行を等速円運動と比較してみましょう。
歩行を股関節が足の着地点を中心とした円運動をしている考えると、円の半径ｒは足の長さ、人の体にかかる重力が向心力となる。速度Vで歩行するとき着地点は地面から離れないので、この円運動の加速度V^2/rは重力加速度ｇより大きくならないのでV^2/r≦ｇとなる。この式を変形するとV≦√ｇｒとなる。一般的な成人の股関節から足裏までの長さを約0.9m、重力加速度を9.8m/s^2とすると、V≦√(9.8×0.9)≒3.0m/sとなる。従って人は3.0m/s以上の速さで歩行することは不可能と言える
3
恐竜の巨大化を物理学的に説明する ティラノサウルスが巨大化できた理由を、物理学的観点から説明しなさい。
ティラノサウルスは背骨が地面とほぼ水平になるような二足歩行を行います。この時、体の重心が腰のあたりにするため長い尾や空洞の多い軽い頭蓋骨などを持っており体にの前後のバランスを調整しています。 また、体中の骨同士は腱で固定されており、背骨が地面と水平に近い状態を最小限の筋肉の力で維持できるようになっているので、足の筋肉はほとんど移動のみに用いることができめした。さらに、頭を低くし、血圧の問題を解消しているので、ティラノサウルスは、巨大化が可能であったと考えられる。
4
恐竜の足跡から歩行速度を調べる方法 恐竜の足跡の大きさと歩幅が分かっているとして、どんな物理法則を用いて、どのような手順で計算すれば、歩行速度を推定することができるでしょうか。
まず、恐竜の脚の長さは一般に足裏の長さの3.9倍になる 次に、歩行の際の脚の振れ方を、 脚の付け根を支点とする単振り子と仮定し、相対歩幅を(歩幅)/(脚の長さ)と定義します。 ここで、歩行速度をV、脚の長さをL、単振り子の周期をT、重力加速度をgとしたとき、無次元速度 V* は V*=2πV/√(gL)となるが、2πは定数なので省略し、無次元速度をV*=V/√(gL)と定義する。無次元速度は相対歩幅が直線関係になるので、グラフから無次元速度を割り出し、速度を計算することで恐竜の足跡から歩行速度を推定できる
5
二次元電気泳動法とは？ 二次元電気泳動法とはどのような方法か説明しなさい。ヒント：タンパク質、１次元目、２次元目、pH、分子量
細胞や組織のタンパク質を縦と横の次元に電気泳動をして、2つの観点で分離する方法。例えば、一次元目はタンパク質の分子量、二次元目はタンパク質のpHなどである。なお、二次元を同時に電気泳動することはできず、一次元目を行ったあとに二次元目で分離する
6
タンパク質の大きさ 粒状アクチンの大きさは５nm、ミオシン分子の長さは134nm、いずれもナノメートルの世界。それでは、ミオシンがヒトと同じくらいの大きさだったら、我々ヒトの大きさはどのくらいになるか。
地球
7
タンパク質の大きさ 粒状アクチンの大きさは５nm、ミオシン分子の長さは134nm、いずれもナノメートルの世界。それでは、ミオシンがヒトと同じくらいの大きさであった時の人の大きさは
ヒトの平均身長を1.3mとすると、ミオシンがヒトが身長と同じくらいの大きさであったときのヒト大きさは 1.3 : 134×10^-9=x : 1.3 x=1.3^2/134×10^-9=12611940.3(m)
8
生体分子の立体構造を調べる物理学的方法 DNAやタンパク質などの生体分子の立体構造を調べるためには、どのような物理学的方法があるか。３つの方法を挙げて、それぞれの原理を簡単に説明しなさい。
立体構造を調べる方法は主にX線結晶構造解析、NMR (核磁気共鳴法)、クライオ電子顕微鏡などがある。 X線結晶構造解析はタンパク質の結晶にX線を照射し、どの方向にどれくらいの強度で回折光が現れるかでタンパク質の立体構造を計算する方法 NMRは生体分子を構成する原子核が外部静磁場に置かれたときに固有の周波数の電磁波と相互作用する性質を利用して、 立体構造を計算する方法 クライオ電子顕微鏡は低温で凍結した生体分子に電子線を当て、特殊なカメラで撮影した画像から立体構造 を計算する方法
9
速筋と遅筋の生理的な違いについて説明しなさい。
速筋は短時間で大きな収縮力を発揮することができるが持久力はない。これは筋肉の細胞内のミトコンドリアが少なく、解糖系 で主にエネルギーを得ているためである。 遅筋はミトコンドリアが多く、電子伝達系で主にエネルギーを得ているので長期間持続的にエネルギーを作り出すことに長けており速筋のように大きな収縮力はないが、持久力がある
10
速筋と遅筋のタンパク質成分の違いについて説明しなさい。ヒント：筋収縮関連タンパク質、解糖系とクエン酸回路
速筋と遅筋とでは、筋収縮関連タンパク質(ミオシン、トロボミオシン、トロポニン)が異なっている。速筋は解糖系でエネルギーを得るので遅筋に比べて解糖系の酵素が多く含まれていて、遅筋は電子伝達系でエネルギーを得るので速筋に比べてミトコンドリアの酵素が多く含まれている。
11
•アクチンは（Ａ）と（Ｂ）の状態で存在する •そのうち（Ａ）はモノマーで、（Ｂ）はポリマーである。 •筋肉において、（Ｂ）は筋原繊維の（Ｃ）に存在する。
Gアクチン, Fアクチン, 細い繊維
12
•ミオシンは筋原繊維の（Ａ）に存在する。 •ミオシンは１本の長い尾部と二つの球状の頭部をもち、この頭部が（Ｂ）と相互作用して、筋肉が収縮する。 •ミオシンを二次元電気泳動法で分析すると、分子量約20万の（Ｃ）と分子量約2万の（Ｄ）とから成ることがわかる。
太い繊維, アクチン, ミオシン重鎖, ミオシン軽鎖
13
トロポミオシンとトロポニン 次の（Ａ）～（Ｄ）に適当な用語を入れなさい。 •（Ａ）は棒状のタンパク質で、細い繊維の主成分である（Ｂ）に結合している。 •（Ｃ）複合体は３つの成分から成り、細い繊維中の（Ａ）に結合し、（Ｂ）と（Ｄ）の結合を調節することで、筋収縮を調節している。
トロポミオシン, アクチン, トロポニン, ミオシン
14
筋肉収縮のしくみ 筋肉の収縮-弛緩の機構について、以下の用語を入れて説明しなさい。用語：筋小胞体、カルシウムイオン、トロポニン、アクチン、ミオシン、ATP
神経からの刺激が筋肉に伝わると、筋原繊維の周りを取り囲む筋小胞体から放出されたカルシウムイオンがトロポニンCに結合する。するとトロポニン複合体(T,I,C)がアクチン繊維からはずれ、アクチンとミオシンが相互作用できるようになる。ミオシン頭部のATP分解酵素がATPを分解することによって得たエネルギーを利用し、ミオシン繊維がアクチン繊維を引き寄せることにより筋肉全体が収縮する。 収縮が終わると、カルシウムイオンが筋小胞体に吸収され、筋肉細胞質内のCカルシウムイオンが減少すると、筋肉が 池緩する。
15
神経の興奮について 「全か無の法則」を説明し、神経の興奮がデジタルであることを説明しなさい。
ニューロンの興奮は刺激の強さがある一定のライン(閾値)を越えているかいないかのみによって決まり、刺激の強さが閾値を越えていればある一定の興奮を示し、閾値を越えていなければ興奮しない。言い換えればニューロンの興奮ら1と0の2種類の反応を示すデジタルなものである
16
神経が興奮して活動電位が生じ、再び静止電位に戻るまでの、イオンチャネルのふるまいについて説明しなさい。
ニューロンが刺激を受けるとNa+イオンチャネルが開き、ニューロン外部から内部へナトリウムイオンが一気に流れ込み電位が変化する。その後K+イオンチャネルが開き内部から外部へカリウムイオンが流出し、元の電位へ戻る。この一連の活動が隣のイオンチャネルに刺激を与え、これが連鎖的に起こる。
17
パッチクランプ法について説明しなさい
マイクロピペットの先端を用いて、細胞膜の一部に流れる電流を測定する 方法であり、イオンチャネル1個に流れる電流を測定することなどに利用される。近年では全細胞記録による細胞全体の記録に多く利用 されている。
18
神経の伝導速度について もっとも速く伝わる神経は、120m/sである。この神経の伝導速度は、次のどの速度に匹敵するか、計算してみよう。計算式も書くこと。 1) 人間（歩行） 2) 自転車 3) 自動車 4) 新幹線 5) 飛行機
(1)から(5)の時速は、 (1)2.9~3.6km/h (2)4～20km/h (3)30~120km/h (4)240~320km/h (5)450～650km/h であるとする。 神経の伝達速度は 120m/s＝120×10^-3×3600=432km/hであり、最も近いのは(5)の飛行機である
19
跳躍伝導について 跳躍伝導について、どうして神経の興奮が速く伝わるのかを説明しなさい。 *
跳躍伝導とは髄有髄神経の輸間の絞輪部(ランビエ絞輪)から次の絞輪部へと興奮がとびとびに伝導する興奮の伝わり方であり、有髄神経でない神経より興奮の伝導速度が非常に速い。
20
クラリティー法について 近年、脳を透明化してニューロンのつながりや、そこに存在するタンパク質の局在を明らかにする画期的な方法が開発された。この方法の原理と脳研究での応用例について説明しなさい。
画像参照
21
PETについて PETとは何の略か？ PETの原理とその応用例を説明しなさい。
画像参照
22
MRI について MRI とは何の略か？ MRI の原理とその応用例を説明しなさい。
画像参照
23
コネクトームとは？ コネクトーム connectome とはどのようなものを指すのか、その意味を示し、具体的にどのようにして調べるのかをまとめなさい。
画像参照
24
波・波動とは？ 次の （A）と（B）に適当な言葉を入れてみよう。波とは、波を伝える物質が上下または前後に動くことで、（A）が伝わる現象。波を伝える物質を（B）というが、（B）そのものは進んでいない。
振動, 媒質
25
音波はどのような波？ 音波は、縦波か横波か？ 次の（ア）と（イ）の中に適当な言葉を入れて説明してみよう。 •音波は（ア）波であり、媒質の振動方向と波の進む方向が（イ）波のこと。
縦, 同じ
26
なぜ音の速さは圧力や温度で変化するのか？ なぜ音の速さは圧力や温度で変化するのか、以下の物理学の用語を用いて説明しなさい。用語：媒質の密度、体積弾性率Ｋ
画像参照
27
モスキートとは何のことか？またその周波数は？
画像参照
28
モスキート音を利用した装置「モスキート」は、どのようなことに利用されているか？
画像参照
29
高周波の音は年齢とともに聞きづらくなる。20歳と60歳の平均的な人で、どのくらいの高周波の音まで聞こえるか、おおよその周波数を書きなさい。
画像参照
30
超音波とは何か、説明しなさい。
画像参照
31
超音波を利用した装置を挙げ、その利用法を説明しなさい。
画像参照
32
超音波を利用してコミュニケーションを取る動物がいる。イルカとコウモリの例を示し、彼らがどのような方法で会話をするのか説明しなさい。
画像参照
33
外耳と定常波の関係 ヒトの耳は、2,000Hzから4,000Hzの音が最もよく聞こえる周波数といわれている。「外耳道」を物理学における「気柱（閉管）」と考え、定常波が発生すると、この周波数の音が増強されてよく聞こえる理由を説明しなさい。
外耳道を閉管と考えると、ある振動数で入射した音波と管底で反射した音波が干渉し、定在波ができる。入射した音波と反射した音波が干渉するには管の長さをL、音波の波長をλとしたとき、Lがλ/4の奇数倍である必要があるので 4L/(2n−1) = λ (nは自然数)となり、音速をv、振動数をfとすると、v=fλより f = v(2n−1)/4L となる。 外耳道の長さは約0.03mで、音速は約340m/sであるから f = 340・(2n−1)/4・0.03 =2833.3(2n−1) となり、n=1のときf=2833.3で、おおよそ2,000Hzから4,000Hzの音で干渉が起こるので、2,000Hzから4,000Hzの音が強調される
34
有毛細胞のはたらき 蝸牛（うずまき管）の内部には、有毛細胞という特殊な細胞が存在する。有毛細胞がどのようにして音を感じるのか、その働きについて説明しなさい。
有毛細胞表面には、長さの異なる毛が生えている。毛どうしは細い糸状の構造によって連結されている。音による振動で毛が揺れると毛の表面にあるカリウムチャンネルが開いてカリウムイオンが細胞内に流入し、有毛細胞の興奮状態が変化する。これをを音刺激として感知する。
35
高い音と低い音の聞きわけ 蝸牛（うずまき管）の内部において、高い音と低い音を聞き分けるしくみを説明しなさい。
蝸牛内において、最も強く振動する基底膜の位置が音の周波数によって異なり、高い音が入口付近、低い音が入ロから最 も遠い部分を振動させる。それに合わせて有毛細胞では、その位置で最も強く振動する周波数に応じて表面に生えている毛の長さが異なり、その周波数に強く反応ようになっているため。
36
音を聞き分けるしくみ ヒトは、同じ大きさの音を聞いても、「重要な音」や「危険な音」を「不要な音」を聞き分けている。有毛細胞から聴覚野へ至る伝導路のなかで、どの部分が音の聞き分けに関係しているかを示し、そのしくみについて説明しなさい。 *
蝸牛によって変換された電気信号は、視床で「重要な音」「危険な音」と「不要な音」に選別される。「重要な音」や「危険な音」は、脳の聴覚野に電気信号が送られる。一方、「不要な音」と判断された音は切り捨てられて聴覚野には信号が送られないため、聞こえていないのと同じことになる。
37
太陽光のうち地表に届く主な波長帯が、可視光線の波長帯とほぼ一致する理由を説明しなさい。
太陽光は空気や雲などに吸収・散乱されて、400~800nmの波長帯以外は地表に達するまでに減衰し、地表には到達しない。そのため、太陽光のうち地表に届く主な波長帯は可視光線の波長とほぼ一致する。
38
さまざまな照明器具の波長分布のうち、太陽光に近いのは、蛍光灯と白熱電灯のうちどちらか。
白熱電球
39
蛍光灯からは紫外線が出ているが、紫外線が目に悪い理由を説明しなさい
紫外線はDNAやタンパク質を破壊してしまうので目の細胞が傷ついてしまうから
40
ブルーライトについて 夜中に強いブルーライトを浴びると不眠になるが、そのしくみを説明しなさい
本来は朝に太陽光のブルーライトを浴びる事によって脳の松果体から分泌、合成されていたメラトニン(睡眠ホルモン)が分解され、視交叉上核にある体内時計がリセットされ。目が覚めるようになっている。夜中にスマホなどからブルーライトを浴びても同様のことがおこり、夜中であるにも関わらず体内時計がリセットされ目が覚めた状態になってしまうので、夜中に強いブルーライトを浴びると不眠になる
41
光は電磁波の一種であるが、電磁波には他にどのようなものがあるか、５種類あげなさい。
可視光線、赤外線、紫外線、X線、γ線
42
電磁波とは何か？ 物理学用語として、電場、磁場、波長、周波数を入れて、説明しなさい。
電磁波とは、電場と磁場が互いに影響しながら空間を伝わっていく現象。音と同様に特定の周波数と波長を持った波として書くことができるが音が縦波なのに対し電磁波は横波であり、音とは異なり媒質がなくても空間を伝わる
43
「光は、波でもあり、粒でもある」と言われるが、光がどのような性質を持つためか、波としての性質、粒としての性質の２つに分けて、それぞれに特徴的な性質をあげなさい
の波としての性質は干渉、回折、屈折であり、これらは粒子にはない現象である。 光の粒子としての性質は光電効果やコンプトン効果で、これらは光子が電子と衝突することで起こるので波では起こらない。
44
光電子増倍管の原理について、次の用語を入れて説明しなさい。用語 真空管、電子（光電子）、電極（ダイノード）、陽極（アノード）、加速
光電子増倍管とは1個の光子を数百万個の電子に変えることができる装置で、真空管の中で電極に高電圧をかけることにより、光子が光電面(カソード)に衝突して発生させた電子(光電子)を加速する。加速された電子は電極(ダイノード)に衝突し、さらに何個かの電子を電極からたたき出す。電子が、互い違いに何段か重ねた電極を経ていくうちに、信号が指数関数的に増幅され、最終的に陽極(アノード)に 集められて、電気信号になる。
45
光電子増倍管を装置に用いたおかげで、ニュートリノ天文学の発展に寄与したが、それについて説明しなさい。
光電子増倍管を用いた装置、カミオカンデにより超新星爆発によるニュートリノが観測された。さらにスーパーカミオカンデによってニュートリノに質量があることがわかった。
46
RNAの成熟過程 DNAから転写されたmRNAは、さまざまな過程を経て成熟し、リボゾームに到達すると、遺伝情報がタンパク質に翻訳される。 RNAのプロセッシングとスプライシングの違いに注意し、mRNAの成熟過程について説明しなさい。
RNAプロセシングは核内で転写されたmRNA前駆体は様々な加工を受けて成熟する段階のことでスブライシングはその一つである。 RNAプロセシングは、キャップ構造の形成、 スプライシング、ポリA末端の形成の3つの過程のことである。スプライシングはmRNA前駆体からイントロンを切除しエキソンのみの状態にすることである。
47
プロテオームとは何か、説明しなさい。
プロテオーム組織や生物種、細胞の状態などに存在しているタンパク質の総体
48
生命現象を正しく理解するためには、ゲノム情報だけでなく、プロテオーム情報も重要である。その根拠を、スライドで示す例をもとに説明しなさい
遺伝子の塩基配列が同じであってもスプライシングのされ方の違いによって異なるタンパク質がつくられ、体内での働きに大きな違いが現れるから
49
タンパク質の翻訳後修飾 mRNAから翻訳されたばかりの未熟なタンパク質は働きをもたない場合が多い。タンパク質の翻訳後修飾とは何かを簡潔に説明し、リン酸化、糖鎖の付加について、それぞれ具体的な事例をあげて説明しなさい。
翻訳後修飾とは翻訳後のタンパク質に結合する化学的修飾のことで、リン酸基の結合によるシグナル伝達や結合した糖鎖による他の細胞や外敵の認識に利用される
50
タンパク質の分解 生体内で機能したタンパク質はいずれ機能を失い、分解される。細胞内におけるタンパク質の分解方法には大きく分けて以下の２通りがあるが、それぞれについて説明しなさい。 (1)ユビキチン化→プロテアソーム
ユビキチン化によりタンパク質にユビキチンと言う小さなタンパク質が結合し標識される。標識されたタンパク質はタンパク質の分解を行う巨大な酵素複合体であるプロテアソームに入り分解される。
51
タンパク質の分解 生体内で機能したタンパク質はいずれ機能を失い、分解される。細胞内におけるタンパク質の分解方法には大きく分けて以下の２通りがあるが、それぞれについて説明しなさい。 (2)オートファジー（自食作用）、バルク分解
オートファジーは細胞内タンパク質を分解するための仕組みのーつ 自食 (じしょく)とも呼ばれ、細胞内での異常なタンパク質の落積を防いだり、 過剰にタンパク質合成したときや栄養環境が悪化 したときにタンパク質のリサイクル、細胞質内に侵入した病原微生物を排除などを行い、生体の恒常性維持に関与している。 オートファジーの一つがバルク分解であり不要となったタンパク質をリソソームが取り込み分解されて細胞外へ放出される
52
ヒトの眼において、角膜、虹彩、水晶体はそれぞれどのような働きをして、光を網膜上に画像を投影させているか、簡単に説明しなさい。
・角膜 光を大きく屈折させて外部からの光を網膜の方へむける ・水晶体 厚みを変えて網膜上に焦点が来るように屈折させて調節を行なう ・虹彩 目に入る光の量を調節する
53
近視と遠視の場合、それぞれ何レンズを用いて、どのような補正をして、ピントのあった画像にしているか、説明しなさい。
近視を矯正する場合は、凹レンズにより、目の網膜の手前にあった焦点を奥へ移動させて焦点を網膜上へ移動する。 遠視を矯正する場合は凸レンズを用いて網膜の後ろにあった焦点を網膜上に移動する
54
視細胞について 視細胞には２種類あるが、それぞれの名前を挙げて、それぞれが主にどのような働きをしているか説明しなさい。
桿体 主に暗いところで、光の強弱を 感知する視細胞で、 1億個以上もある。 ・錐体 主に明るいところで、赤、青、 緑の光を感知する視細胞。 網膜の黄斑(おうはん) 部に集まっている。
55
信号に変換されるしくみについて、次の用語を入れて説明しなさい。 •用語：網膜、視細胞、ロドプシン、レチナール、ナトリウムチャネル
光が網膜に当たると、網膜上の視細胞にあるタンパク質の一種ロドフシン(Rhodopsin)の中のcis-レチナールがtrans-レチナールに変わる異性化反応が起こり、Gタンパク質を介して ナトリウムチャネルが閉じる。その結果、視細胞内の電位が過分極し、その電気信号が視神経に伝わる
56
脳の視覚情報処理について 脳内では視覚情報がどのように処理されているか、錯視（さくし）を利用した研究が行われている。錯視とはどのような現象か、説明しなさい。
視覚に関する錯覚のこと。俗に目の錯覚ともよばれる。ヒトの目が錯覚を起こすのは、目の構造に問題があるのではなく、ヒトの脳内における情報処理に問題が起こるからだと考えられている。
57
分子間相互作用に働く力 分子間相互作用に働く力のうち、双極子間相互作用と水素結合は特に重要である。この２つの用語について、以下の問いに沿って説明しなさい。双極子間相互作用について、説明しなさい。
双極子間相互作用とは電気陰性度が高い原子に電子が引っ張られ分子がわずかに分極する。このような分子を双極子といい、双極子間での相互作用を双極子間相互作用という
58
分子間相互作用に働く力 分子間相互作用に働く力のうち、双極子間相互作用と水素結合は特に重要である。この２つの用語について、以下の問いに沿って説明しなさい。双極子間相互作用について、説明しなさい 水分子の分極、双極子を説明したうえで、水素結合がどの原子とどの原子の間にできるのかを説明しなさい。
水分子においては電気陰性度の高い酸素にO‐H結合の電子が引っ張られ酸素が負、水素が正に分極し、酸素と水素の間で双極子間相互作用が起こる。このような双極子間相互作用を水素結合という
59
単細胞から多細胞へ 生物の進化の過程で、単細胞生物から多細胞生物が誕生したが、単細胞と多細胞を行ったり来たりする生物がいる。 その生物とは何か？
キイロタマホコリカビなどの細胞性粘菌
60
単細胞から多細胞へ 生物の進化の過程で、単細胞生物から多細胞生物が誕生したが、単細胞と多細胞を行ったり来たりする生物がいる。その生物の生活史を「A」→「B」のように矢印を使って説明しなさい。
胞子→アメーバ→餌が無くなり飢餓状態→細胞がcAMPを分泌→アメーバ細胞が集まってくる→スラッグ→餌を求めて動き回る餌が無い→胞子
61
細胞間の相互作用 細胞と細胞が接着して組織をつくる。このとき、同じ種類の細胞は、どのようにして自分と同じ種類の細胞を見分けて、互いに接着するのか？
細胞はE-カドヘリン、神経管細胞はN-カドヘリンを細胞表面に露出させる。カドヘリンは同じタイプのものとしか 結合しないため、表皮細胞と神経管細胞は別々になる。