2021年大学入試共通テスト「生物基礎」第2問A「ヒトの腎臓とゾウリムシの収縮法」（配点7点）問題・解答・解説

【解説】

問１

腎臓は、尿素などの窒素性排出物を排出するとともに、体液の浸透圧調整に関わる。
腎臓は上図のように皮質・髄質、そして尿をぼうこうに運ぶ輸尿管につながる腎うからなる。皮質にはネフロン（腎単位）と呼ばれる基礎単位が、右腎に100万、左腎に100万ある（ネフロンの一部の深部は髄質側にも差し掛かる）。ネフロンでは腎動脈からの由来する血液はネフロン内で毛細血管のかたまりである糸球体を通過する。糸球体において、血しょう（血液の液体成分）の一部が、周りを取り囲むボーマンのうにろ過される。このボーマンのうはその後、細尿管（尿細管）→集合管→腎う→輸尿管→ぼうこう→尿道にいたる尿を体外に排出する管とつながっている。糸球体を経た血液は、細尿管（尿細管）や集合管をとりまく毛細血管を経て、腎静脈にいたる。
この過程で、尿排出にいたる管と血管の間で、何段階かで物質のやりとりが行われる。糸球体・毛細血管側を赤、尿にいたる管を黒で表現する。

１、ろ過（糸球体→ボーマンのう）
水・糖（グルコース）・アミノ酸・無機塩（Na+含む）・尿素など、糸球体・ボーマンの基底膜の孔よりも小さな物質は、種類に関わらずろ過される。これはエネルギーを使わない受動輸送である。エネルギーを使わず、「孔」よりも小さい物質だけを通す「コーヒーフィルター」と同じ働きでろ過という。なお基底膜の孔より大きい（正確には電荷の影響もある）タンパク質や血球はろ過されず、毛細血管側に残る。このようにして一旦ボーマンのう側に出された液体を原尿という。タンパク質を除く血しょう成分は、基本的にそのままの濃度で原尿に移行する。

２、再吸収（細尿管→毛細血管）

１でいったんボーマンのう側に排出され腎細管を通っている糖（グルコース）・アミノ酸のほとんどと、水や無機塩類（Na⁺など）の多くは、尿に逃がさず体内で使うため、濃度勾配に逆らってでも毛細血管側に再吸収する。基本的にはATPのエネルギーを使った能動輸送である。（一部の物質は、他の物質の能動輸送が作り出した環境を活用して受動輸送される）
　なお、老廃物である尿素も一部再吸収される。

３、追加分泌（毛細血管→細尿管）

（これは「生物基礎」の範囲ではなく「生物」の範囲なので、「生物基礎」のみの受験者は知らなくてよい）
１でのろ過時間は短いため、老廃物の中には排出しきれず毛細血管に残っているものもある。そのようなものを毛細血管側から腎細管に追加で排出することがあると同じ部位で起きるが輸送の向きが逆である。このような物質として有名なのがＰＡＨ（パラアミノ馬尿酸）があり、腎機能の検査に応用できる。

４、水・Na⁺・尿素の再吸収（集合管→毛細血管・腎臓間質）
水の再吸収は１（細尿管）でも行うが、複数のネフロンからの細尿管の流れが集合した管である集合管で多量に行う。細尿管が各家庭内の排水管とすると、集合管は各家の排水管が集合した街の道路の下の下水管のような存在である。なおここで吸収したものは、すぐに毛細血管に入らず、腎臓間質にとどまるものもある。老廃物である尿素も一部再吸収される（尿素の再吸収は一部、細尿管でもおきる）。
体が水不足（Ｎa+過剰）な場合、パソプレシンがここに働き、水の再吸収を促進する。
体がＮa+不足（水過剰）の時には主に鉱質コルチコイドが働き、Ｎa⁺の再吸収量を増やす。（なお鉱質コルチコイドは２でも働く。）
（注、この両ホルモンの作用がなくても、生理的に一定量の水・Na+再吸収は常におきている。この両ホルモンは日々の体内の水・Ｎa+変化に応じで、主に集合管で、再吸収総量と比べると、「微調整」をしている。しかし、この「微調整」が健康保持に不可欠である。）

以上のプロセスで再吸収されなかったものが、尿となる。成分としては水が主成分で尿素を多く、Na+を少量含み、糖尿病でなければグルコースは含まれない。

人体の浸透圧（体液の濃度）を決める要素が様々あって簡単ではない。ただ、初歩の理解としては「水とＮa+（塩分）のバランス」で大筋が決まり、どちらかが不足する時に、それを尿に逃がさず体内にとどめるように再吸収を促進すると考えてよい。したがってNa+過剰の時は相対的に水不足と考えてよくバソプレシンが働きやすく、水過剰の時は相対的にNa+不足と考えてよく、鉱質コルチコイドが働くと考えてよい。よって答は。

問２

真核生物で単細胞生物のゾウリムシは、自らの生命活動を行うため、細胞質に様々な成分を保持するので、細胞内はある程度の浸透圧（濃さ）となっている。したがって蒸留水や低濃度溶液中では細胞外のほうが低濃度のため、細胞膜を介して水が浸透（浸入）しやすい。その流入してくる水を排出するため、「排水ポンプ」の働きをする「収縮胞」の活動は活発になる。細胞外の濃度が高くなるにつれて細胞内との濃度差が小さくなり、浸透（浸入）する水も少なくなるため、収縮法の活動は不活発になる。したがって。