オオカナダモの気泡 - 光合成と呼吸を分けて考える
中学3年のMさんたちは、オオカナダモを入れた試験管を5本用意し、炭酸水素ナトリウムを溶かした水を満たして、LED光源からの距離を変えて5分間光を当て、発生する気泡の数を数えた。光源までの距離が30 cmでは8個、20 cmでは18個、10 cmでは34個、5 cmでは35個であった。光を当てない暗所では気泡は1個も出なかった。さらに、炭酸水素ナトリウムを溶かしていない水を使い、10 cmの距離で同じ操作をすると、気泡は5個しか出なかった。試験管はすべて同じ大きさで、オオカナダモの量もそろえ、気泡は試験管の底から上昇するものを数えた。LED光源の光の強さは距離の2乗に反比例して弱くなる。水温はサーモスタットで25℃に保った。Mさんは「10 cmと5 cmで気泡の数がほとんど変わらないのはなぜか」「暗所で気泡が出ないのは、光合成も呼吸もしていないからなのか」「気泡の数は、光合成でつくられた酸素の量とそのまま等しいと考えてよいのか」という疑問をもち、班で話し合った。
1. 10 cmと5 cmで気泡の数がほとんど変わらなかった理由を、実験の条件と炭酸水素ナトリウムなしの結果を根拠に考察せよ。
Read the worked answer
気泡数を光の強さの順に並べる 30 cm（8個）→ 20 cm（18個）→ 10 cm（34個）→ 5 cm（35個） 距離が半分になると光の強さは4倍になるので、30 cmから20 cm、20 cmから10 cmでは光が十分に強くなり、気泡数が増えている。しかし10 cmから5 cmでは光は4倍になっても気泡数はほぼ横ばいである。
判断 光の強さ以外の要因が光合成の速さを決める「上限」になっている。もっとも疑わしいのは二酸化炭素である。炭酸水素ナトリウム水溶液の濃度は5本とも同じで、水中に供給できる二酸化炭素の量には限りがある。光をこれ以上強くしても、材料である二酸化炭素が足りなければ光合成はそれ以上速くならない。
根拠になる結果 炭酸水素ナトリウムを溶かしていない水では、同じ10 cmでも気泡が5個に減った。光の条件は同じで二酸化炭素だけを減らした結果なので、二酸化炭素が不足すると光合成が抑えられることが確かめられる。
追加で確かめるなら 炭酸水素ナトリウムの濃度を上げて5 cmで測定し、気泡数が増えれば、二酸化炭素が上限になっていたという判断が裏づけられる。
2. 暗所で気泡が0個だったことは、呼吸をしていない証拠にならない。その理由と、呼吸をしていることを確かめる方法を述べよ。
Read the worked answer
理由 呼吸では酸素を消費し二酸化炭素を放出するが、その気体は水中に溶けてしまい、泡として上がってくるとは限らない。気泡として数えられるのは、水中に溶けきれずにあふれた気体だけである。だから気泡が0個でも、呼吸が止まっているとは言えない。 また、暗所では光合成が行われないため酸素の供給がなく、呼吸による酸素の消費だけが進む。気泡が出ないのは、光合成が止まったことの証拠にはなっても、呼吸の有無の証拠にはならない。
確かめる方法 二酸化炭素に反応して色が変わるBTB液を使う。
- BTB液を加えた水にオオカナダモを入れ、光を当てない状態でしばらく置く。
- 呼吸によって二酸化炭素が増えるので、液の色が緑から黄色の側へ変化する。
- 対照として、光を当てた試験管では光合成によって二酸化炭素が減り、青の側へ変化する。 2と3を比べれば、暗所でも二酸化炭素が増えていること、つまり呼吸が行われていることが確かめられる。酸素濃度を測るセンサーがあれば、暗所で酸素が減ることを直接示してもよい。
3. この実験の気泡の数を、光合成でつくられた酸素の量とそのまま等しいとしてよいか。理由を述べよ。
Read the worked answer
そのまま等しいとは言えない。
理由は次の3点である。
- 光合成で生じた酸素の一部は、同じ植物の呼吸で消費される。気泡として外に出てくるのは、光合成量から呼吸による消費量を引いた「見かけの量」である。
- 生じた酸素の一部は水に溶ける。水温が低いほどよく溶けるので、同じ光合成量でも気泡数は水温で変わる。今回25℃一定にしているのは、この影響をそろえるためである。
- 気泡には酸素以外の気体（水に溶けていた窒素など）も混じる。
ではどう扱えばよいか 気泡数は「見かけの光合成量」の指標として使う。真の光合成量を知りたいときは、暗所での呼吸量（酸素の消費量）を別に測定し、 真の光合成量 ＝ 気泡として出た酸素量 ＋ 呼吸で消費された酸素量 として足し合わせる必要がある。
判断の要点 「気泡が出ない＝光合成をしていない」とは限らず、光合成量が呼吸量を下回っているだけのこともある。光の強さと気泡数のグラフが横ばいになる理由も、この見かけの量という考え方で整理すると説明しやすい。