オオカナダモの光合成と水温の影響
光合成の実験で、生徒はオオカナダモの枝を試験管に入れ、0.5%の炭酸水素ナトリウム水溶液を満たした。白色LEDの光源から10 cm、20 cm、30 cmの距離に試験管を置き、1分間に出る気泡の数を数えた。結果は、10 cmで42個、20 cmで25個、30 cmで15個であった。実験時の水温は、それぞれ32°C、27°C、24°Cであった。生徒は「光源に近いほど光が強いので、光合成速度が大きくなる」と結論した。しかし、LEDは点灯すると発熱し、試験管の水温が上昇していた。気泡は主に酸素と考えられるが、一部は水に溶けていた空気が出た可能性もある。それぞれの距離で3回ずつ測定し、平均をとった。気泡は試験管の底から約5 cmの位置で発生し、上昇して水面で消えた。光源の高さは試験管の中央に合わせた。実験は午前10時から12時までの間に行い、部屋の明るさは一定にした。炭酸水素ナトリウム水溶液の濃度はすべての試験管で同じにした。生徒は、光の強さと距離の関係を調べるために、照度計を使って光源の明るさも測る予定だったが、今回は測っていない。また、気泡の大きさは一定ではなく、大きい気泡と小さい気泡が混ざっていた。実験後の水溶液のpHはすべて約8であった。
1. この実験で、光の強さ以外に結果に影響した可能性のある要因を一つ挙げ、その要因が結果の傾向を説明できるか考察せよ。
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水温が要因として挙げられる。10 cmでは32°C、20 cmで27°C、30 cmで24°Cと、光源に近いほど水温が高い。光合成に関わる酵素は、適温までは温度が高いほど活性が高い。したがって、気泡数の増加は光の強さだけでなく、水温上昇の影響を受けている可能性が高い。特に10 cmと20 cmの差は、光の強さの差だけでなく5°Cの温度差も含む。この実験だけでは、光の強さが制限要因だと断定できない。
2. 光の強さの影響だけを調べるための改善案を具体的に二つ挙げよ。
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①光源と試験管の間に水を入れた透明な容器を置き、赤外線（熱）を吸収させる。②試験管を恒温水槽に入れ、すべての距離で水温を25°Cに保つ。③光源に熱の出にくいLEDを使い、実際の照度を照度計で測定する。④距離の順序をランダムにして、時間経過の影響を除く。このうち、水温を一定に保つ方法が最も直接的である。水温をそろえたうえで距離だけを変えれば、光の強さの影響をより正しく比較できる。
3. 気泡数を光合成速度の指標として用いる際の注意点を述べよ。
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気泡数は光合成で発生する酸素の一部しか反映しない。発生した酸素は水に溶けるため、水温が高いほど溶けにくいとは限らず、溶存量の変化で気泡数が変わる。また、気泡の大きさが一定でない、気泡が葉から出るまでに時間がかかる、光合成以外の気体（溶存空気）が出る可能性もある。正確には、溶存酸素計で酸素濃度の変化を測る、発生気体を集めて体積を測る、一定時間ごとに計数して平均するなどの工夫が必要である。