植物生理学I 第７回講義
導管の仕組み
第７回の講義では、導管の仕組みを中心に、水ポテンシャルの概念などを解説しました。
Ｑ：今回の授業では導管による水の輸送とその形状について学んだ。導管はらせん状の構造をしていて、掃除機のホースにも類似している。これは何かを吸引する管にみられることから、吸引力に耐えうる構造であると考えられる。しかし、それならば単に組織を強く硬くすればよい。掃除機の構造を考えてみると、ホースの部分はその移動において柔軟に曲がり、方向を変えることに役立っている。このことから考えるに、導管のらせん構造も植物体が曲がることに柔軟に耐えつつ、吸引力にも耐えるための構造であると予想できる。
Ａ：一例だけからの推論だと少し説得力に欠けますね。もう少し、何か傍証が欲しいところです。
Ｑ：今回の授業では導管について学び、導管は螺旋状の構造を取っていることが分かった。授業ではこれと似たような構造をとる身近なものとして、掃除機のホースが例としてあげられたがストローなどもあげられる。一般に強さと柔軟性は相反するように考えられるが、このような構造を持つことで、強度を保ちながら柔軟性も獲得することができたのだと考えられる。植物体にとって、導管を含む茎の強度が必要なのはもちろん、強い風が吹いた時にはそれと同じ方向にしなることで自らの身を守るため柔軟性も必要である。螺旋状の構造というのは、強さと柔軟性の両方を必要とする植物の導管にとって最も良い構造なのかもしれないと感じた。
Ａ：ストローの場合、よくあるのは、折れ曲がりのところだけを加工したものだと思います。その場合、異なる目的に、似たような構造を利用している例として考えたほうがよいように思いました。
Ｑ：今回の講義では植物の導管について学んだ。今回学んだこととしては、導管はおもに死細胞から出来ていて水を輸送しているということであった。ここで、ポプラの材において、呼吸をしている組織の割合は全体に対して約８％とわずかであることが分かった。これは、植物の生育に必要ない部分である導管を死細胞として、呼吸量が少なくても済むようにしているということであった。これより、植物の導管を人工的に増やすことや減らすことが出来れば、植物の生細胞と死細胞の量を調節し、植物の呼吸量を調節できるのではないかと思った。ここで、導管を作るときにVND7という遺伝子が必要なことから、VND7の発現を調節することで、導管を増やしたりしたり出来ると考えた。また、導管が増えれば植物体の水の循環も促進され、植物の代謝効率も上昇すると考えた。
Ａ：そもそも、VND7の役割は、導管を適切な量に調節することですよね。としたら、普通の状態より導管を増やしたら、かえって植物にとって困った状態になるのではないでしょうか。人の例で言えば、腕は役に立つとはいえ、千手観音みたいになるのが便利ではないだろうと思われるのと同じだと思います。
Ｑ：今回の講義では、導管や根について学んだ。そこで、私は今回アマモなど海草と海藻のように、どちらも海水中で生育する植物の根の違いによるメリットおよびデメリットについて考察する。まず海藻の根は仮根部と呼ばれ、体をつなぎ止める役割しか持たず、水分や栄養分の吸収は体全体で行っている(1)。対して、海草は水分については記述が見当たらなかったが、栄養分については根から吸収している。まず、海藻の仮根については岩などに着く機能のみにすることで根に対するコストを抑えることができる(2)。また、水分の吸収に関しては体全体で吸収するため海草が根によって水分を吸収すると仮定すると海草よりも水、栄養分の伝達が効率が良いと考えられる。海草の根のメリットとしては、根から吸収することで、環境(水質)の変化を海藻よりも受けにくいこと、また栄養分などの吸収を根に任せることが出来るため、葉や茎のクチクラ層を発達させ体全体を魚などに食べられにくくする(選択されにくくする)と言う効果が考えられる。
参考文献：(1)沖縄美ら島財団 「海藻のはなし-海藻・海草の体の特徴」 、(2)トレンドピックアップ 「海藻と海草の違いとは？ 実は全くの別物！」
Ａ：悪くはないのですが、やや外部資料に頼った感じがありますね。もう少し独自の視点が欲しいところです。
Ｑ：今回の講義の中で、地下部で根がつながっているクローナル植物というものに触れた。この分野では、遺伝的に均一な植物体全体をジェネートと呼び、ジェネートから独立して個体となり得る部分をラメートと呼んでいる。そこで、クローナル植物が種子植物よりも生存において優れた点があることを推測する。まず、クローナル植物はラメートを産生することで母親と子をつなぐ"へそのお"のような結合がなされ、親から子へ栄養を送り届けることが可能であるため、種子植物よりも繁殖を確実なものとしていると思った。また、ラメートがある程度成長すると、親と子の間で栄養の行き来が可能となり、助け合いも可能になるのだろうと思った。
Ａ：これも悪くはないのですが、多くの人が考えそうな方向での考察だと思います。なるべく、他の人には思いつかないようなアイデアに挑戦してみてください。
Ｑ：今回の講義では、導管の構造が掃除機のホースのそれに似ているという話を取り扱った。この理由について考察していこうと思う。第1に強度の増強が考えられるが、強度を単純にあげるのであれば導管の厚み全体を増すべきだと考えられる。ここであえて掃除機のホース状であるのは柔軟性を生み出すためだと考えた。植物は風などの外部要因により外部から圧がかかることがある。そこで掃除機のホース状であるとただ分厚いだけの導管よりもしなることは想像するのが容易い。また柔軟性だけでなく、全体を分厚くすることに比べて一部を螺旋状に厚くすることで必要な素材を減らしているということも考えられる。それ故に、少ない素材で強度と柔軟性を保てる掃除機のホース状の導管は理想的だといえよう。
Ａ：「少ない素材で強度を保てる」ことにはデメリットはないのでしょうか。もし、ないとすると、すべての管の構造がホース型になると思います。生物の分野では、メリットだけでデメリットはない、ということはまずありません。何かを考えるときにはデメリットを考えると、案外重要なポイントが浮かび上がってきます。
Ｑ：今回の授業では植物の根には大きく二つのタイプ(ひげ根、主根・側根)があることを学んだ。根の重要な役割である水や栄養塩の吸収について授業で取り上げられたが、私はもう一つの重要な役割である植物体の支持について考えたい。主根・側根タイプの根は、主根がまっすぐ地中に伸びるため、主根から茎までが一直線の軸となる。主根を中心に側根を四方八方に伸ばすことで、根全体のバランスがとりやすく、主根を様々な方向から支えることが、植物体全体の支持につながると考えられる。では、ひげ根タイプの根の利点は何だろうか。ひげ根タイプの根を持つ植物は形成層を持たない単子葉植物の草本に多い。このような植物は、茎が細く、葉の重量も少ないため、地上部を支える根の重量は少なくてよいと考えられる。また、葉から得られるエネルギーが少ないので、より少ないエネルギーで根を形成し、植物体を強く支える必要がある。そのため、軸となる主根のような根を伸ばすよりも、ひげ根のような細い根を多く様々な方向に張り巡らす方が、より効率がよいと考えられる。
Ａ：目の付け所は良いのですが、「植物体全体の支持につながる」という主根・側根タイプと、「植物体を強く支える」というひげ根タイプの、具体的な違いが判りませんでした。機械的な支持の問題なので、雰囲気で説明するのではなく、もう少し物理的に違いを記述してほしいところです。
Ｑ：今回の授業で樹木の細胞のうち呼吸をしている細胞は８％であると聞いた。それについて考えてみる。授業の中でも扱っていたように導管をはじめとして樹木の幹の内側の細胞に関しては細胞死を起こしている。この場合、表面に傷がつくことで内部の細胞死している部分が外気に触れると腐食が始まる。木のうろはこのようにできるというが、こうなってしまった場合には死細胞では修復ができなくなり、極端に、構造保持という茎や幹の目的が果たせなくなるように感じられる。木の表面に傷がつくこと自体は十分に考慮しうる状況だといえるので、この構造は大きな欠点のように考えられる。しかし、現状植物はこの形態をとっていることからその欠点を補って余りある利点があると考えられる。つまり、幹をすべて生きた細胞で形成し成長と外的傷害への保険を確実なものにすることよりも、傷という危険性を例外、もしくはカバー可能な現象であるとして、その状況が起こらない限りは構造維持が可能である死細胞に任せている利点があるといえる。それは維持コストが一番の原因だと考え得られる。現状光合成によって８％の細胞を維持するだけの栄養を生産している。これがもし、100%の細胞を維持しなければならなくなった場合、必要とされるエネルギーは単純計算で12.5倍になる。この量のエネルギーを生産し続けることの難易度は高いように思われる。まとめてみると、維持コストの削減を目的として起こるともわからない非常事態への対策を薄くしているということになる。食い扶持を賄うために保険に払う余裕がなくなっているというのは言い過ぎではあろうがそのような印象を受けた。これらのことから、次に興味が持てるのは呼吸を行う細胞の割合は構造維持の点で８％が最適なのかについてである。それについては死細胞をすべて除いた状態での強度について調べることが必要だと考えられる
Ａ：きちんと考えていてよいと思います。構造維持の最適解を求めるのは難しいでしょうね。安全率をどの程度とればよいのかは、どのぐらいの頻度で、どの程度の応力がかかるかに依存しますから。
Ｑ：一部の植物には根を地上部に伸ばす種があると講義で紹介があった。一番の理由は土壌中の酸素が水によって追い出されるなどによる酸素不足の解消ということだった。しかし、根の水ポテンシャルよりも圧倒的に空気中の水ポテンシャルは低く、根を地上に出すことは水分が発散するリスクはとても大きい。また空気中には無機物もなく、風、気温など様々な外的損傷を受けるリスクを受けるよりは葉や茎の呼吸から得た酸素を運搬したり、水中の酸素を効率よく茎が吸収することに力を入れたほうがよさそうである。本当に酸素不足が原因なのか？と僕はとても疑問に思った。単に土壌による圧迫が要因なのではないかと考えた。まず土壌の空気がなくなることで根に密接な環境が生まれ周りの土やその上の水の圧力を受けやすい。また水生植物でない植物で土壌が堅い環境では、特に街路樹で根上がりと呼ばれる現象がみられる。これも土壌の圧力に加え、通気性がないため地面の熱が発散されにくく、これらを解消するために地上に出るしかなかったと考えられる。その結果、地上に出た根の周りをコルク形成層にすることで空気から奪われる水分への対策になっていると考えられる。ならば最初に挙げた水ポテンシャルの問題は解決されているのでは？となるが、コルク形成層は細胞間隙がほとんどないため酸素を通しづらく、酸素不足解消にはつながらないのではないか。
Ａ：よく考えてはいるのですが、自分の考えの道筋がそのまま書かれている感じですね。これを、もう一度読み直して、最後の結論に向けて論理が流れるように書き直すと、非常に良いレポートになると思います。
Ｑ：今回の講義で植物の導管がらせん構造をとっているという話があった。中空状のただの筒とらせん構造で裏打ちした中空状の筒ではどれほど強度が違うのであろう。マクロな世界の実験で言えば、それぞれの筒に水を通し反対ではその水を吸引するように装置を準備する。吸引力ではないが、外からの圧力ではらせん構造は約二倍の強度を持つという。内側からの圧力にも同等の強度差があるのではないかと考える。さらに、らせん構造は圧縮と曲げ伸ばしに耐える強度も兼ね備える。これは植物の茎が風により曲がっても、動物に踏みつけられても導管の構造は簡単には壊れないことが考えられる。このことから、らせん構造の導管は植物にとって有用なものであると考えられた。
山田株式会社, “スパイラルダクトの特徴”、www.yamada-kk.com/products/spiralduct/feature.html
Ａ：悪くはないのですが、予想されたことが数字で裏付けられただけなので、論理展開という意味ではやや物足りなさを感じます。
Ｑ：今回の授業では、樹木では幹の成長につれて外側の樹皮が内側からの圧力に耐えきれなくなり、割れたりはがれたりするということを習った。私が疑問に感じた点は、なぜ樹種によって樹皮の割れ方が決まっているのかということである。例えば、コナラやクヌギの樹皮にはごつごつと深い溝があるが、エノキやケヤキなどでは比較的滑らかなである。樹皮が内側からの圧力によって割れるだけならば、樹種によって樹皮の形状にそこまでの多様性は現れず、むしろ幹の太さの方が樹皮の形状に大きな影響を与えると考えられる。それでは、樹皮の形状の決定要因とは何なのだろうか。樹種に応じて樹皮の形状が異なるということは、樹種ごとに幹の表面の細胞接着や、形成層における細胞分裂の様子に特徴があると考えられる。例えば、コナラやクヌギなど深い溝ができるようなタイプは、細胞接着が弱く、すぐに樹皮が割れてしまうことが予想される。それに対し、表面がつるつるしているような樹皮では、細胞接着が強く、内側からの圧力を受け止めることができていると考えられる。実際にこういったことを確かめるためには、様々な樹木から樹皮サンプルを採取し、観察する必要がある。
Ａ：面白いのですが、このように論理が進むと、今度は細胞接着がなぜ強かったり弱かったりするのかが気になりますね。
Ｑ：植物の根は養分と水分を地中から吸収し、植物体を地上部にしっかりと支える働きを持つ極めて重要な器官である。根には主根、側根、ひげ根があり、植物の種類によって異なる。ほとんどの双子葉植物は主根と側根をもち、ほとんどの単子葉植物はひげ根を持つ。双子葉植物のなかでも、主根の成長が早く止まる根を持つ植物と主根の成長が長く続き地中深くまで伸びて側根が細くて少ない植物がいる。雑草はむしり取っても再び生えてくる。これはなぜなのか。地上部を刈り取っても茎葉部は少し残っている。茎と葉の分かれ目には必ず脇芽というものがある。脇芽は葉や茎が正常な状態なら何も起こらないが上の茎や葉の部分が切られたりしてなくなると成長を始める性質を持っている。そのためむしり取っただけでは再び生えてくる。また、地上部が刈り取られ完全になくなったとしても残っている根から茎葉部が再生する植物もある。タンポポはその１つで少しでも根が残っていたらそこから再生してまた生えてくることができる。根の再生力はとても強い。
参考文献 https://jspp.org/hiroba/q_and_a/detail.html?id=1514
Ａ：これだと、事実を羅列している感じで、あまり論理が感じられません。最初に問題点を明確にして、その問題を論理的に解明していくようなスタイルにすると、科学的なレポートになります。
Ｑ：木々の樹皮の割れ目が多種多様なのはなぜだろうか。木の樹皮は強風や乾燥といった生存に無理な外環境から植物体を保護する役割を持っている。ほとんどの植物においてその樹皮は死細胞から構成されており、幹の内側が太くなっても表面の細胞、つまり、樹皮を構成する死細胞は増殖または肥大することがないことから樹皮が割ける現象が起こる。樹皮の様相が種によって異なる原因として樹皮の構造が異なることが考えられる。植物はそれぞれが生育する環境によって維管束の大きさや配置、数また、細胞構成が異なる。それらの要因によって幹が成長する際に割れやすい箇所や方向に差異が生じて多種多様な樹皮の様相が生じると考えられる。
Ａ：「生育する環境によって」と言ってしまうと、同じ場所に生えている木は、種類が違っても同じ樹皮になってしまうでしょう。もう少しきちんと考える必要があるでしょう。
Ｑ：土壌と葉での水ポテンシャルの差が大きいと細胞の膨圧が失われづらい、すなわちしおれにくいという(1)。このことはアフリカ-サバンナに生息する巨大な樹木バオバブ(Adansonia digitata)が、乾季に備えて落葉し休眠状態に入ることに関係があるのではないか。サバンナなどの乾燥地帯では土壌の水ポテンシャルが低いため、土壌と葉でその差を大きくすることは困難だろう。そこで乾季など乾燥ストレスが大きくなる際に葉を落とし、水ポテンシャル勾配を作らなければならない領域を狭くしているのではないかと考えられる。またバオバブの樹皮は分厚く大量の水分を含んでいるため柔らかい。これは樹皮の細胞にかかる圧力の変化に耐えるためではないかと考えられる。他にも乾燥による樹皮の渇きを敏感にとらえ、落葉の準備をするセンサーのようなものになっているとも考えられる。
(1)齋藤 隆実,樹木の葉の水分生理学、
http://www.bs.s.u-tokyo.ac.jp/~seitaipl/personal/saito/japanease.html、参照2018-6-6
Ａ：「水ポテンシャル勾配を作らなければならない領域」というのが、具体的に何を指しているのかがよくわかりませんでした。もう少し説明が必要だと思います。
Ｑ：植物の吸水による引っ張り圧力は各器官ごとに異なるならば、導管の強度を担保する裏打ち構造も各部位で掛かる引っ張り圧力に応じて変化するはずであるという仮説を立てた。この仮説を検証するための実験系について考察する。1.各器官における裏打ち構造を観察し、コイルの径やコイルの単位長さあたりの巻き数をデータとして集める。2.データをもとに3Dプリンターでバネを出力する(素材は所謂バネらしい挙動を示すものを用いて、実際に強度実験が行える程度のスケールに印刷する)。3.出力したバネの強度実験を行う。1-3を行うことによって、実際のものとは材質もサイズも異なるが、バネの強度の相対的な検証を行うことができるはずである。
Ａ：これは、裏打ち構造をどのように定量化するか、という問題設定だと思います。テーマとしては面白いので、「各部位で・・・変化する」という仮説ではなく、定量化を前面に押し出してもう少し丁寧に説明するとよいレポートになるでしょう。
Ｑ：被子植物である単子葉類はひげ根であり、双子葉類は主根と側根からなる。同じ被子植物でもなぜこのような根のつくりの違いが生まれるのだろうか。それには次のことが考えられる。１つ目は双子葉類は双葉の上にまた双葉が出るように上へ成長していくため、地上部が高くなるため安定させる必要があり、また単子葉類は葉と葉が横に広がっていくようにでているためだと考えられる。２つ目は単子葉類は栄養が豊富で水分が多い土壌に生育し、双子葉類は水分が少ない土壌でも生育できる。単子葉類は地表付近の栄養が多く含まれている土壌に根を張るほうが効率的に得られるため、細い根を浅く広く張ることで土壌と触れる根の表面積を大きくするためだと考えられる。また双子葉類は深い地層の水分や栄養をも得られるようにするため太くて下へと伸びる主根が必要なのだと考えられる。
理科の最強指導法15 植物編 「根・茎のつくり」、日本植物生理学会 「根の働き」
Ａ：着眼点は良いのですが、あっさりしているので、もう少し、論理の展開が欲しいところです。また、背の高さはともかく、２つ目の水分は、単子葉と双子葉でバッサリ分けるのはやや言いすぎかな、という気がします。
Ｑ：今回の講義で導管が死んだ細胞で構成されていることがわかった。このことを踏まえて単子葉類と双子葉類の維管束の構成が違うことを考察していこうと思う。単子葉類の維管束は導管と師管が隣接しているセットがいくつも点在している構造をとり、双子葉類の維管束は導管が内側で輪を形成し、その外側で師管が輪を形成している構造をとる。これらの構造の違いには、導管が死んだ細胞から、構成されているという事実が関係しているのではないかと考えた。導管を構成するには細胞の原形質を消失させる必要がある。複数の細胞を死滅させる場合、点在している細胞よりも、連続している細胞の原形質を消失させる方がエネルギー効率が良いのではないかと考えた。また、双子葉類は単子葉類の進化であり、エネルギー効率を良くするために、単子葉類のような導管から双子葉類のような導管の形に変わったのではないかと考えた。
Ａ：「双子葉類は単子葉類の進化であり」というのは、単子葉類から双子葉類が出現したという意味でしょうか。そうであれば、実際には逆です。出だしは良いのですが、最後の論拠の所が今一つですね。