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長崎大学教育学部自然科学研究報告第21号15‑31 (1970)

貝殻結晶の成長に関する合成的研究 第6報 貝殻構造の形成機序に関する再考

今井壮一

(昭和44年11月28日受理)

Synthetic Studies on the Growth of Shell Crystals

6. Reconsideration on the Process of Formation of the Shell‑Structure

Soiti IMAI

種々な貝殻の内表面を観察した結果と,近年報告せられた資料を考慮し,嘩逆性タンパク質・酸 性タンパク質・コンドロイチン硫酸および無機質をf肌、た模型実験に基づいて,筆者の素材微粒子 の考えを修正しコアセルベートの概念を加味して,貝殻形成機序の基本形態は母液中にできるコア セルベート粒子が付着して成長が行なわれると考えた。

1.緒言

貝殻は炭酸カルシウムを主成分とする結晶とタンパク質に属する有機質との複合体であっ て,それらが種々な組織構造を形成しており,また貝殻の成長両である内側奉面には様々な成 長紋や結晶が認められる。真珠ないしは貝殻真珠層の形成原理に関しては幾つかの説が以前か ら報告されているとはいえ,まだ明確なものはない。しかし概括すればいずれも有機層と無機 層とが交互に相前後して沈着することが繰り返されるという考えかたが主であった。しかも真 珠構造のみが考えられているといってよい。これに対して筆者は有機質と無機質とを共に含む 微粒子が底面に沈着して,無機結晶が形成されるに応じて有機質が分離することにより,貝殻 の組織構造が形成されるという考えかたに立って模型実験的な面からの研究を進めて来た。

一方アコヤガイの粘液成分に関して田中ら1)は等電点pHが4附近の糖タンパク質が含まれ ていることを認め,これがカルシウムと結合したものが貝殻形成に関与していると推定してい る。また粘液乾物中に15%のコンドロイチン硫酸が含まれているという記述2)もある。和田3) は貝の外套液からガラス片上に沈着した物質について色素による染色性を検し,好塩基性有槻 物と好酸性有機物とが存在することを示し,また1968年の報告4)ではコンキオリン前駆物質と

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(2)

16 今  井  壮  一

結合しているカルシウムの分解反応に立脚した交互沈殿機構を提唱している。筆者は前報5)以 後種々な貝殻の内側表面を観察し,また上述の資料をも考慮に入れて実験を行ない,前報の時 点ではゲルと想像していた微粒子の概念を修正してコアセルベートの考えを加味するに至った ので,現在の見解を述べて御批判を仰ぐことにする。

2,実験およぴ結果

 貝殻内側の表面観察はアセチルセルロースフイルムを用いたレプリカ法によった。その試料 は一部のものを除き,大部分は生物標本として保存されていた貝殻を借用したので採取後の処 理については不明であるが,おそらく一応は水洗してあると思われる。その種類は25科にわた って59種を観察したが,同一の種については1個体の殻を見たに過ぎないので,場合によって は特例的なものを見たことになるかも知れない。観察の結果は幾つかの例を写真1〜52で示し た。その中で8と16のみは金属顕微鏡を用いて直接に写したものである。試料のうちアサリと トコブシは食料として売り出されていた貝を店頭で求め,実験室で肉を除い、て静かに殻を洗 い,乾かしたものを用いた。

 貝殻形成にあたり素材的役割を果していると筆者が考えてきた微粒子の本性に関する模型的 実験としては,緒言に述べたような考えからタンパク質のコアセルベートに関する実験を行な った。そのために用いた試薬はいずれも市販の特級品であって,基本的なものとしては硫酸プ ロタミンの2〜ろmg/ccの濃度の水溶液,可溶性卵アルブミンの同程度の溶液,コンドロイチ ン硫酸のナトリウム塩の2〜5mg/cc溶液,炭酸水素ナトリウムの10〜20mg/cc溶液,炭酸カ ルシウムを希塩酸に溶かして作った塩化カルシウム溶液をEDTAで滴定してカルシウム濃 度を数mg/ccに調整したものなどである。

 これらの液を混合して現われるコアセルベート粒子を観察するためには,スライドガラスに 直径約1ろnimの穴をあけ,その底にカバーグラスをはり付けて作ったものに試料液を数滴と り,底部から倒立顕微鏡で観察した。その結果の一部を示す写真が弱〜57である。この写真は 干渉位相差装置を併用して写した。

 結果について,まず参考としてカルシウムを含まない場合のコアセルベート生成状況を検討 してみたところを述べる。コアセルベートの生成には成分の組合せや濃度,pH,イオン強度,

温度なども関係するが,温度は室温とし,pHは特別の場合以外は調整しなかった。しかし炭 酸水素ナトリウムをかなり加えた混合液ではpHが8.5〜9前後であった。各成分別溶液のpH を参考までに記すと硫酸プロタミン液(2mg/cc)が5。6,アルブミン液(5mg/cc)が5.5,

コンドロイチン硫酸ナトリウム液(5mg/cc)が6.9であった。これらの成分の組合せの関係 については次のようなことを知った。

(a)プロタミンとアルブミンの場合は硫酸プロタミン液に炭酸アンモニウムを加えてpHを7  程度にしたものに,アルブミン液を加えると液が白濁し,コアルベートが生成する。両タンパ  ク質の混合体積の比は同濃度の液で1対/.5〜2付近が適当なように思われた。液中で成長  する粒子は球状で5〜4μの大きさとなり,沈降してガラス面に達すると突然に形がくずれ  て面上に広がり,厚さが減じて不規則な島状になったり,隣接したものと融合したりする。、

(り)プロタミンとコンドロイチン硫酸の組合せではコンドロイチン硫酸が適量であればコァ  セルベートが生成し,この粒子は液中でも融合しやすい。写真弱は炭酸水素ナトリウム液に  コンドロイチン硫酸液と硫酸プロタミン液を加えた場合の例で,白く写っているのは液中の

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貝殻結晶の成長に関する合成的研究(第6報) 17  粒子であり,黒く写っているのは粒子が小さいか,またはガラス面に沈着して広がり,厚み  が減じたものである。

(c) アルブミンとコンドロイチン硫酸の溶液ではそのまま混合した場合はどんな割合にして  も濁りを生じない。炭酸水素ナトリウムを加えても同様である。

(d) アルブミンとコンドロイチン硫酸とプロタミンではbから考えても当然コアセルベート  ができる筈である。写真54は三者のみを混合して酸性炭酸水素ナトリウムを加えず,pHが  5.1になった例であって,多数の粒子は1μ付近であるが,所々に大きく成長した粒子が現  われている。写真55は54に近い組成の液であるが炭酸水素ナトリウムを併用したのでpHが  9前後と思われるものである。この場合にコンドロイチン硫酸の量をしだいに増してみると  コアセルベートの成長がおくれるようになり,さらに量を増すとμ程度の粒子はあまり見  られなくなる。粒子の成長が早い液では試験管中で混合した液をスライドガラスに取って検  鏡すると最初から数μの粒子が多数に現われているが,粒子の成長がおそい液では初期には  微細なサブミクロン粒子が活発に運動しているのが見られ,時間がたつにしたがってミクロ  ン粒子が散発的に認められるようになる。

 以上のような実験からコンドロイチン硫酸はそれが適量である場合にはタンパク質溶液から コアセルベートが生成することを助長するが,過量になるとその成長を抑制することを知っ た。なおアラビアゴムも試みたが,その作用はコンドロイチン硫酸よりも緩和で有効範囲が広 く,適量の場合には大きなコアセルベートができやすい。しかもその融合性や流動性が大きい ように感じた。ゼラチンとコンドロイチン硫酸の組合せではpHを5付近に下げれば不規則な 形で柔軟な感じがするコアセルベートができたが,中性付近では現われなかった。

 上記の知見に基づき,コアセルベートの出現条件と炭酸カルシウムの生成反応とを組合せた 実験の結果を示す写真が56と57である。前者は炭酸水素ナトリウム,アルブミン,コンドロイ チン硫酸ナトリウム,硫酸アンモニウムを混合したA液と,硫酸プロタミンと塩化カルシウム を混合したB液とを別々に作ってから,両者を混合した例である。後者は炭酸水素ナトリウ ム,カルバミン酸アンモニウム,硫酸アンモニウム,ピロリン酸ナトリウムの混合液Aと,貝 殻真珠層を濃塩酸に溶かし,希釈および透析によってカルシウム濃度を調整したものに硫酸プ

ロタミンを加えて作ったB液とを混合した例である。いずれも液底に沈着した状況を示すもの で,この上部の液を流し出したのち静かに水洗しても状態は変らず,粒子は乾燥後の観察で無 機結晶を含んでいるように見受けられた。このことからコアセルベートが成長するさいに炭酸

カルシウムの素材が包含せられていくと思われる。

5,考

 幾つかの写真で示したように貝殻内表面の状況は貝の種類により,また同じ貝殻でも区域に よってかなりの相違がある。その断面の組織構造については,アコヤガイの真珠層と稜柱層に ついて詳しい観察があるほか少数の特殊なものを除いては,観察結果の報告があまり見あたら ない。このような事情のもとで貝殻の組織形成に関して現在までに見受けられた所説は,いず れもアコヤガイの真珠層に類似した組織のみを対象としているように思われる。その基本的な 考え方は緒言に述べたとおりである。しかしBEVELANDERら6)の報告はやや趣が変っていると いえよう。それは貝殻の結晶面に近接してほぼ平行な膜ができ,その膜と結晶面との間に閉じ 込められた液中から結晶が発生するという観察である。和田7〉も同様な観察を報告している

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18 今  井  壮  一

が,いずれも真珠層に関する観察であるという点では変りがない。

 さて一般に貝殻というものは貝の分泌液によって,しかも生体から液を隔てて形成されてい くという状況に共通点が認められるから,その形成機構についても相通じる基本線がありそう に思われる。このような見地から筆者は分泌せられた母液から貝殻が成長していく段階の機序 を次のように推察する。すなわち基本原則としては母液中にコアセルベート粒子が発生し,そ れが貝殻形成に必要な原料を輸送して貝殻面に達する。その粒子は貝の種類や生理状態,ある いは粒子の成長時間の相違などによってサブミクロンの極微なものから数ミクロンのものま で,大きさに広い範囲がある。また粒子の融合成長性や老化の速度も母液中のタンパク質その 他の諸成分の相違によって異なるであろう。しかしこれらのコアセルベート粒子内では時間の 経過につれて分解や結合など種々な変化が起こり無機塩も析出する。その変化に関与する酵素 類も粒子中に包含されていると考える。言うまでもなく粒子中に含まれる成分は粒子外の母液 中にも存在するはずであるが,コアセルベート粒子を想定することは粒子外の液に対して成分 の濃度や比率の異なる部分の成立を考えることに外ならない。その粒子は変質があまり進んで いない時期においては,液の条件が変れば崩壊して均一化の道をたどる場合もあるであろう。

粒子の成長についてもサブミクロンの状態で基盤に定着してから成長する場合や,液中でミク ロン粒子に成長して沈着する場合があり,なかには液中に浮遊したままで老化変質し結晶化す るものもあると思われる。

 以上の考えを今までの観察結果と照し合わせてみることにする。まず液中に浮遊して結晶化 したと思われる球状の結晶は第4報8)の写真25・26で示した。その後も同様な小球をアワビの 貝殻面上で見たことがある。また切り出したアコヤガイの外套膜から分泌された液中にコアセ ルベ」トらしいミクロン粒子が発生することは第5報5)の写真7・8に示した。さらに和田9)

が貝殻と外套膜との問隙にガラス片をさし入れて,ガラス面に付着したものを示した写真も筆 者の考えによく適合する。BEVELANDERら6)の写真に見られるところの貝殻面に近接してでき た膜で区切られた母液の薄層は,コアセルベート粒子があまり老化しない間に基盤に付着し互 に融合して薄層化したものと考えればよい。したがってその中で酵素作用も進み,結晶の発生 成長も行なわれることになる。和田4〉が報告した真珠層表面に散見せられる0./μ以下の結晶 も,やはりコアセルベート粒子が沈着してから発生すると考えればよいが,真珠層表面の波紋 や渦状紋その他の生成を説明するためには筆者が前報5)で述べたような塗り着け作用の影響を 何らかの形で認めざるを得ない。その資料として本報の写真5・4や10・11などがあげられ

る。5一 同心円的な傾向が見られるが純粋な結晶の成長紋に見られるような規則性からは大き く乱れており,アサリでは雑多な紋様が現われていて,10・11は全く偶然的な形と思われる。

これに類する紋様は第5報10)で塗り着け法によって実験的に得られることを示した。

 写真の第2図版はすべてアサリに関するものであって10・41は殻の内方区域であり,12は殻 縁に近づいた部分で,いずれも粒子が小さいが,さらに縁に近づくと粒子が大きくなり/ろのよ

うに特殊な状況が見られる。/4は15の中の左方で状況の移り変りの部分を拡大して示し,15は 15の中の右方部分を拡大した写真である。15〜15はコアセルベートの成長や,外套膜の縁の構 造の影響を受けたらしい付着状況を示唆しているものではあるまいか。16は12の中の右方に杣 当する部分を金属顕微鏡で写したもので,黒くて太い不規則な線状に見える所は運河のような みぞになっている。その他の部分は微結品で埋め立てたように見えるから,コアセルベート粒 子が点々と付着し,その中から微結晶が発生するような機構で埋め立て工事が進展し,境界が 運河状に残っている時点であろうと思われる。

(5)

貝殻結品の成長に関する合成的研究(第6報) 19  第5図版の17−21はマツバ貝に関する写真で,縁からわずかに入った部分が18であって左が 殻の内方,右が外方に当る。19・20は順次縁の方へ移動した部分で両者とも写真の上が殻の内 方,下が外方に当る。21は18の中央付近を拡大したものである。17の状況はレプリカフイルム を検鏡する際に,レンズから遠ざけるようにしてピントの位置を少しずらすと20で示した付近 に至るまで全面的に見られたが,18に相当する部分よりも内方では顕著であり,殻の縁に近い 部分では小さい粒子が減少し,粒子数も17より疎であった。このことは貝殻表面の高低が18〜

20の状態と17の状態とが重なった状態になっているのではないかとも考えられ,またレプリカ 作成中に偶発した現象という疑いもないではないので,改めて新しい貝殻につき直接的に観察 する必要がある。しかし筆者にとってはコアセルベート粒子説に対する暗示のように思われ る。なお19と20では結晶の長さの方向がgoo近く転向していて,19では長さも短い。このこと からも塗りつけ作用が考えられる。表面結晶が棒状を示す他の例として写真22〜24を付け加え

た。

 第4図版で25は別として,その他は有機物的な微粒子が付着融合したような感じを受ける表 面状態の例を示した。

 第1図版の8はトコブシの殻の腹縁部末端に近い所に敷石のように分布しているのを認めた もので,この球状粒子は更に小さい多数の結晶の集団である。これに類する集団粒子はアサリ の殻の末端でも見られて,あたかも海中に築いた石がきの根もとに,捨て石が積み重なってい るような感じを受けた。集団粒子について第4報8)でもイケチョウガイやアコヤガイに関して 報告したことがある。これらはいずれも末端を伸長するさいに構築材料の輸送単位になってい るような印象を受けるものであって,コアセルベート粒子内で微結晶が析出したものであろ う。トコブシの同じ殻でも場所によっては微結晶が濃い霧のように一面に広がり,集団粒子が 見えない所もあったが,これは条件のわずかの相違でコアセルベート粒子が大きく成長でき ず,サブミクロン粒子の状態から結晶化したものと考えられる。この微結晶の霧を一層濃縮し,

部分的には集団粒子に近い疎密分布も見られるような状態が,アコヤガイ真珠層の伸びていく 先端で認められ,このような微結晶の生成にはリン酸イオンの存在が効果的であるということ とは第5報10)で述べたことがある。

 貝殻面上には時として異様な結晶が現われていることがある。例えばアシヤガマの殻で見た リボンを束ねた花のような結晶や,アコヤガイとヨメガカサで認めた楕円形の結晶などは非常 に複雑な構造をしていて,形も大きいものがある。これらの形成機構は今まで述べて来たもの とは幾分ちがっていると考えるが,しかし純粋な無機塩溶液からの結晶成長とは異なって,や はり有機物を伴う微小粒子が付着融合しながら成長して行くものと思う。その粒子の変質機能 が前に述べたコアセルベrト粒子ほど複雑なものと考える必要はない。このように微小粒子の 比較的単純な融合によって,やや大きな結晶ができることを暗示した人工結晶の写真が第5

報5)の第ろ図版である。

 以上が貝殻に関する筆者の現在の見解であるが,ここに側面的な一資料の意味も含めて興味 が感ぜられるので,べっこう細工の原料に用いられる海がめタイマイの甲裏に見られる紋様に 関する観察を付記する。写真58は約%の接写像で,実物の白線の幅は2〜5mmであった。白 線と黒線との境界付近の顕微鏡写真がろ9で,明るい粒子は多数の微結晶を含んでいる。この甲 を濃塩酸につけても直ちに発泡はしないが,数日放置すると脱灰せられる。それを水洗して薄 片の部分を透過光で写したのが40であって,有機物の袋が集合した組織が見られる。この組織 は白線の部も黒線の部も同一であって,袋の大きさは50〜70μである。写真58では左下の方が

(6)

20 今 井 壮 一

甲の着生点に近い方向である。なお甲の内部を透かして見ると直径2〜5mmの石灰化はん点 らしいものが散在していた。この写真は特に紋様の美しい甲を選んで示したので,全部がこの ような紋様を現わすとは言えないが,貝殻のあるもので見られる成長紋と似た点もあるように 感ぜられる。微結晶として含まれている無機成分が炭酸塩であるか否かについては調査してい ない。ただ上記の観察事項に対して,貝の場合よりも規模の大きなコアセルベート機構を想定 すれば一応理解されるように思う。

 貝殻標本の使用は山口鉄男教授の御厚意により,またその観察に用いたレプリカの作製はす べて朝日敬子君の協子をうけたので,記して感謝の意を表わす。

1)

2)

ろ)

4)

5)

6)

7)

8)

9)

10)

田中正三・波多野博行: 日本真珠研究所報告集 第三輯No.59(1959)

松井佳一: 「真珠の事典」p.521北隆館(1965)

K6ji Wada:国立真珠研究所報告9:魔087−1098(1964)

和田浩爾: 国立真珠研究所報告 15:1561−1569(1968)

今井壮一: 長崎大学教育学部自然科学研究報告 第19号:47−61(1%8)

BEvELANDER,G.りand H.NAKAHARA: Calc.Tiss.Res.5,84−92(1969)

和田浩爾: 結晶成長国内会議 第1回講演会(1969)

今井壮一: 長崎大学教育学部 自然科学研究報告 第17号:1−12(1966)

K6ji Wada:国立真珠研究所報告7:705−828(1961)Fig.81

今井壮一: 長崎大学教育学部 自然科学研究報告 第16号:39−48(1965)

(7)

21

図版1〜5

(8)

22

1.

2.

5。

4.

5.

6.

7。

8.

       写  真       第 1 クロチョウガイの真珠層

  同    上 ササノハの真珠層   同  上

カワシンジュガイの真珠層

  同上 真珠層と稜柱層の境目

トコブシの真珠層

 同上殻端の近く,直接写真

説  明 図 版

  ×100   ×400   ×100   ×400   ×400   ×400   ×400   ×400

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(11)

25

9.

40.

11.

12.

15.

14.

15.

16.

       第L2 図 アサリの外套膜,内方区域

 同上員殻面,内方区域  同     上,内方で別の位置  同     上,殻縁に近い区域  同     上,殻縁部

 同     上,内方から殻縁部への転移点  同     上,殻縁部

 同     上,12内の右方区域,直接写真

× 50

× 5D

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×200

×200

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(12)

26

17。

18。

19。

20.

21、

22.

2ろ,

24,

マッバガイ,表面共通  同  上,縁より数mm内方  同  上,18より縁に近い部分  同  上,縁に最も近い部分  同  上,18の中央部拡大 イタヤガイ,内央部  同  上

ヨメガカサ

第 5 図 版

   ×100    ×100    ×400    ×400    ×400    ×100    ×400    ×400

(13)

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(15)

29

第 4 図 版

25. サ  ザ  エ 126.スイショウガイ

27.ボタンガイ

28,バカガイ

29. フジノハナガイ

、50.サクラガイ ろ1.ヒョウダマ 52.オオマテガイ

×400

×400

×400

×400

×400

×400

×400

×400

(16)

50

乙ろ.

54.

55,

56.

ろ7.

58.

59.

40.

      第 5 図 版

炭酸水素ナトリウム,コンドロイチン硫酸ナトリウム,硫酸プロタミン溶液を混合したもの        ×40〔}1 卵アルブミン,コンドロイチン硫酸ナトリウム,硫酸プロタミン溶液を混合したもの        ×400 炭酸水素ナトリウム,卵アルブミン,コンドロイチン硫酸ナトリウム,硫酸プロタミンを混 合したもの      ×400 A液(炭酸水素ナトリウム,卵アルブミン,コンドロイチン硫酸ナトリウム,硫酸アンモニ ウムの混合液)とB液(硫酸プロタミンと塩化カルシウムの混合液)を混合したもの ×400 A液(炭酸水素ナトリウム,硫酸アンモニウム,ピロリン酸ナトリウム,カルバミン酸アン モニウムの混合液)とB液(硫酸プロタミンとアコヤガイ真珠層溶液の混合液)とを混合し たもの       ×40D タイマイの甲の裏面紋様      × 施  同 上 顕微鏡写真       ×100

 同上(濃塩酸で脱灰したもの)       ×100

(17)

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参照

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