ジャガイモ切片の質量変化から等張液を推定する
宮崎県内の高校で、ジャガイモの細胞を使った浸透圧の実験を行った。ジャガイモを皮をむいて同じ太さの棒状に切り、長さ3.0 cm、質量2.0 gにそろえた。これを0.0、0.2、0.4、0.6 mol/Lのスクロース溶液に30分間浸し、取り出して表面の水分を拭き取った後、質量を測定した。質量変化は、0.0 mol/Lで+5%、0.2 mol/Lで+1%、0.4 mol/Lで−4%、0.6 mol/Lで−9%であった。生徒Aは「0.2 mol/Lが等張液である」と結論した。生徒Bは「0.0 mol/Lで質量が増えるのは、細胞が吸水して膨圧が高まるためで、細胞液と外液の浸透圧が等しいとは限らない」と指摘した。また、0.6 mol/Lの切片を顕微鏡で観察すると、細胞膜が細胞壁から離れているものが見られた。植物細胞の細胞壁は硬く、吸水しても体積が大きくは増えない。スクロースは細胞膜を通過しないものとする。実験は25℃で行い、溶液の蒸発はふたをして防いだ。どちらの考えがデータと整合するか、等張液の濃度を推定して判断する必要がある。
1. 質量変化が0になるスクロース濃度を、データから線形補間して推定せよ。
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0.2 mol/Lで+1%、0.4 mol/Lで−4%なので、質量変化が0になる濃度は比例計算で 0.2 + 0.2 × (1/(1+4)) = 0.24 mol/L と推定できる。0.0で+5%、0.2で+1%の区間を使うと、0.0 + 0.2 × (5/(5−1)) = 0.25 mol/L となる。どちらも約0.24〜0.25 mol/Lで、これが細胞液と外液の浸透圧が等しくなる等張液の濃度の目安である。ただし、質量変化は細胞全体の水の出入りを反映するので、細胞液の浸透圧を直接測った値ではない。
2. 0.0 mol/Lで質量が増える理由を、細胞壁と膨圧を含めて説明せよ。
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0.0 mol/Lの純水は、細胞液より溶質濃度が低く、水ポテンシャルが高い。そのため水が浸透で細胞内に入る。植物細胞は細胞壁をもつので、吸水しても際限なく膨らまず、細胞壁が内側からの圧力（膨圧）を受け止める。膨圧が高まると細胞内の水ポテンシャルが上がり、やがて外液と釣り合う。質量が増えるのは、このように水が取り込まれたためである。したがって、0.0 mol/Lで質量が増えることは、外液が等張であることを意味しない。生徒Bの指摘が正しい。
3. 0.6 mol/Lで原形質分離が観察される理由を説明し、0.2 mol/Lで観察されない理由を考察せよ。
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0.6 mol/Lでは外液の溶質濃度が細胞液より高く、水ポテンシャルが低い。水が細胞外へ出るため、原形質（細胞膜とその内容物）が収縮し、細胞壁から離れる原形質分離が起こる。0.2 mol/Lでは外液がほぼ等張で、水の正味の移動が小さく、膨圧も保たれるため、原形質は細胞壁から離れない。0.4 mol/Lでも軽度の収縮は起こり得るが、明確な原形質分離には0.6 mol/Lのような高濃度が必要である。