オオカナダモの光合成速度と温度の交絡
沖縄の高校で、水草オオカナダモを使い、光の強さと光合成の関係を調べた。同じ長さ10 cmの茎を3本用意し、0.5%炭酸水素ナトリウム水溶液200 cm³を入れたビーカーにそれぞれ沈めた。白色LED電球を水面から10 cm、20 cm、30 cmの位置に置き、5分間発生する気泡を数えた。結果は、10 cmで42個、20 cmで28個、30 cmで19個（いずれも1分間あたり）だった。実験中の水温はそれぞれ31°C、28°C、26°Cで、部屋の気温は26°Cであった。20 cmの条件で電球とビーカーの間に透明な水槽を置いて熱を遮ると、気泡は24個/分、水温は27°Cになった。同じ20 cmの条件でビーカーを暗い布で覆うと2個/分だった。生徒は「10 cmと30 cmでは気泡数が約2倍なので、光の強さだけが光合成速度を決める」と結論した。気泡は主に酸素である。水草は実験前に同じ明るさで30分間慣らし、気泡数は最初の1分を除いて数えた。炭酸水素ナトリウム水溶液の濃度は3つのビーカーで同じにした。電球の光はビーカーの真上から当て、位置は巻尺で合わせた。水面の高さは3つのビーカーでそろえた。ビーカーは黒い紙で側面を覆い、横から光が入らないようにした。
1. この実験で変化させた条件と、結果の解釈で問題になる点を指摘せよ。
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電球の距離を変えると光の強さだけでなく、電球からの熱で水温も変化している。10 cmでは31°C、30 cmでは26°Cで、5°Cの差がある。したがって、気泡数の差を光の強さだけに帰属することはできない。 20 cmで熱を遮ると28個から24個に減ったことも、温度が光合成速度に影響している可能性を示す。ただし透明水槽は光も多少吸収するため、この実験だけでは温度の影響を完全には分離できない。 10 cmと30 cmの気泡数は42÷19≈2.2倍で、約2倍という表現も正確ではない。結論を出すには温度を一定に保つ必要がある。
2. 暗い布で覆った条件と炭酸水素ナトリウムの役割を、対照実験の観点から説明せよ。
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暗い布で覆うと光合成はほとんど行われず、気泡は2個/分に減った。これは光を当てたときの気泡が、光合成による酸素発生と関係していることを示す対照実験になる。ただし完全な暗条件でも2個/分の気泡が出ているので、溶存気体の放出などの背景もあり、0個を基準とはできない。 炭酸水素ナトリウムは水中に二酸化炭素を供給し、光合成の原料を確保する役割をもつ。3つのビーカーで濃度を同じにしているので、二酸化炭素濃度を制御した条件になっている。温度と光を変えても、原料が不足して気泡数が頭打ちにならないようにする工夫である。
3. 光の強さだけの影響を調べる改良案を、測定項目と制御すべき条件を含めて書け。
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水温を25°Cに保つ水槽にビーカーを入れ、すべての距離条件で水温を一定にする。電球とビーカーの間には熱を吸収する水槽を置き、光の強さは照度計で測って距離ではなく数値で記録する。 炭酸水素ナトリウム水溶液の濃度、水草の長さと本数、二酸化炭素濃度、測定時間をそろえる。気泡の数は個人差が出やすいので、酸素センサーで溶存酸素量の変化を測るか、メスシリンダーで発生気体の体積を測る。 同じ条件を3回以上繰り返し、暗条件の値を差し引いて光合成による正味の酸素発生量を比較する。電球の種類と光の当てる方向も固定する。