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高校受験の理科植物の呼吸—明るい所と暗い所の気体の変化を区別して読む｜武蔵野個別指導塾

公開 2026.11.11更新 2026.11.12武蔵野個別指導塾の特徴高校受験の理科生物と地学単元別

明暗での二酸化炭素の出入りと石灰水の結果を読み解く鍵は、植物の呼吸です。

よくあるのは、明るい昼の植物は光合成をしているので呼吸をしない、と中学生が答える場面です。光合成と呼吸は同じ気体を反対向きに出し入れしますが、一方が働けば他方が止まる関係ではありません。見える気体の増減は、それぞれの働きを重ねた結果です。暗い所と明るい所を比べるときは、まず2つの働きを別々に書き、それから差を考えます。

気体の問題で見たい3つの型

1つ目は、明暗と呼吸の関係を言葉や矢印で示す問題です。植物は生きるために、昼も夜も呼吸をしています。暗くなると光合成は行われませんが、呼吸まで止まるわけではありません。光が当たるときには、緑色の部分で光合成と呼吸が同時に行われます。

2つ目は、容器内の二酸化炭素や酸素の増減から、2つの働きの大小を考える問題です。例えば二酸化炭素が減ったとき、その減少量は光合成で取り入れた量そのものではありません。呼吸で出した分があるため、取り入れた量から出した量を引いた正味の変化です。逆に増えた場合も、明るい所なら光合成が全くなかったと決められません。

3つ目は、石灰水を使った比較の結果を読む問題です。石灰水は二酸化炭素によって白くにごります。ただし、にごりの有無や濃さだけから、気体の正確な量を無条件に決めることはできません。植物のない容器や実験前の状態との比較があるか、容器の条件がそろっているかを確認します。ここでは植物の呼吸と気体の変化を中心に扱い、葉の脱色や養分の通り道は扱いません。

2つの矢印を重ねる

呼吸では、植物の細胞が酸素を取り入れ、養分を分解して生命活動に必要なエネルギーを取り出し、二酸化炭素を出します。根など光の当たらない部分も呼吸します。光合成では、葉などの葉緑体を含む細胞が光を受け、二酸化炭素と水から養分をつくり、酸素を出します。植物の細胞がどれも葉緑体を持つわけではありません。

図1のように、二酸化炭素の矢印は光合成で植物へ向かい、呼吸で植物から外へ向かいます。酸素の矢印はそれぞれ逆向きです。図は働きの方向を示す模式図で、矢印の長さは量を表しません。

図1のように同じ気体について向きをそろえて考えると、容器全体に現れる変化が追えます。明るくても、光合成で取り入れる二酸化炭素が呼吸で出る量より少なければ、容器内の二酸化炭素は増えます。両者が等しければ正味の変化はありません。変化がないことと、どちらの働きもないことは別です。

暗い所では光合成による二酸化炭素の取り入れがなく、呼吸による放出が残ります。ただし、植物以外にも気体を変えるものがある場合は、その影響を考慮する必要があります。問題の条件を読まずに、容器内の変化をすべて植物の働きに割り当ててはいけません。

二酸化炭素と酸素を一緒に問われたときは、まず二酸化炭素について光合成と呼吸の向きを書き、次に酸素について逆の向きを書きます。気体の名前を省いて矢印だけを描くと、何が増えたかを取り違えやすくなります。矢印の横に気体名と働きの名前を添えると、説明文に直す際にも迷いません。

石灰水の比較では、始めの条件をそろえた複数の容器を用意し、一方には植物を入れ、もう一方には入れないという方法が考えられます。暗所に置く時間など他の条件をそろえ、終了後の違いを比べれば、植物の有無と結果の関係を考えやすくなります。それでも、植物以外の生物や容器への空気の出入りが影響する条件なら、その影響も除いて考えなければなりません。

基本例題：暗所の値を明所に持ち込む

自作の問題です。同じ種類で同じ大きさの植物を密閉容器A、Bにそれぞれ入れ、同じ時間、同じ温度に置きます。Aは暗くし、Bには光を当てます。植物以外による気体の変化はなく、この条件では両方の植物の呼吸による二酸化炭素の放出量は等しいものとします。A内の二酸化炭素は開始時より6 mL増え、B内では開始時より10 mL減りました。Bの植物が光合成で取り入れた二酸化炭素は何mLですか。整数で答えます。気体の体積は同じ条件で比べます。

図2のように、暗いAでは光合成を考えず、増えた6 mLを呼吸の放出量として読みます。同じ呼吸量という条件を使い、明るいBでも6 mLが出たと置きます。この等しさは問題が与えた条件であり、明暗や温度が異なる実験で常に成り立つと決めてはいけません。

図2のようにBでは、光合成による取り入れから呼吸による放出を引いた分が、容器内の減少量です。取り入れた量を求める順序は次の通りです。

Aの呼吸による放出量 = 6 mL

条件より、Bの呼吸による放出量 = 6 mL

Bの光合成による取り入れ量 − 6 mL = 10 mL

Bの光合成による取り入れ量 = 10 mL + 6 mL = 16 mL

答えは16 mLです。場面に戻すと、16 mLを取り入れて6 mLを出すため、容器内では差の10 mLが減ります。問題の観察結果に戻るので、式の向きも確かめられます。10 mLをそのまま答えると、同時に出た6 mLを見落とします。

この例は、容器内の二酸化炭素の正味の変化を体積で与えています。石灰水のにごりを見ただけで、同じように6 mLや10 mLという値が得られるわけではありません。また、AとBで植物の量や温度が大きく異なれば、Aの呼吸量をBへそのまま移す根拠は失われます。比較に必要な条件を探すことが、計算の最初の手順です。

少し難しい例題：増えたときも光合成を考える

別の自作問題です。ある植物を密閉容器に入れ、一定の温度で同じ長さの時間を2回調べます。植物以外の影響はなく、2回の呼吸による二酸化炭素の放出量は等しいとします。暗い1回目は容器内の二酸化炭素が8 mL増え、弱い光を当てた2回目は3 mL増えました。2回目の光合成による二酸化炭素の取り入れ量を、整数のmLで求めます。体積は同じ条件で比べます。

暗い1回目の増加8 mLは呼吸による放出です。条件より2回目も呼吸で8 mLを出します。2回目は容器内が3 mL増えたので、出した量から取り入れた量を引いた残りが3 mLです。

8 mL − 光合成による取り入れ量 = 3 mL

光合成による取り入れ量 = 8 mL − 3 mL = 5 mL

答えは5 mLです。呼吸で8 mLを出し、光合成で5 mLを取り入れると、容器には差の3 mLが残ります。与えられた増加と一致します。明所で増えたという観察だけを見て「光合成はなかった」とする答えは、2つの働きの差を調べていません。

分かれ目は、正味の変化が増加か減少かです。増加なら放出量から取り入れ量を引き、減少なら取り入れ量から放出量を引きます。同じ量なら正味の変化は0 mLです。符号のある数を使わなくても、どちらがどれだけ多いかを言葉にしてから式にすれば、引く順番を選べます。

もし2回の呼吸量が等しいという条件がなければ、暗所の8 mLを明所の呼吸量と決めることはできません。例えば明所で呼吸による放出が別の量なら、同じ3 mLの増加をつくる光合成量も変わります。結果が出ていても必要な条件が欠ければ、一意の数値は求められないと判断します。

誤答を矢印から直す

「明るい所では二酸化炭素が減るから、植物は昼に呼吸しない」という答えを考えます。誤りの理由は、容器内の正味の減少を、呼吸による放出がない証拠として扱ったことです。光合成の取り入れが呼吸の放出を上回る場合にも、二酸化炭素は減ります。

図3のように、昼も呼吸の外向きの矢印を残し、光合成の内向きの矢印と比べます。図の矢印は方向を示すもので、長さは量の大小を示しません。直した答えは「昼も呼吸し、条件によっては光合成の取り入れ量が呼吸の放出量より多いため、二酸化炭素が減る」です。

図3のように呼吸を残しても、明所で必ず減るとは限りません。弱い光で取り入れが放出を下回れば増えます。また、暗所で石灰水が白くにごった結果は二酸化炭素の存在を示しますが、開始時の気体にも二酸化炭素はありえます。植物のない対照や開始時との比較がなければ、そのにごりの原因を植物の呼吸と断定するには足りません。

石灰水を入れた容器を比べるときは、植物の有無以外の条件、例えば入れた石灰水の量、容器の大きさ、時間や温度をそろえます。容器を密閉して安全に扱い、口で息を吹き込んだり、薬品を口に入れたりしません。白いにごりが生じない場合も、呼吸がないと即断せず、比較条件や観察の仕方を点検します。

練習：条件と結論をつなぐ

次の問題は自作です。気体の体積は同じ条件で比べ、植物以外による気体の変化はないものとします。計算では整数と単位を答えます。

同じ植物を同じ時間、同じ温度で暗所と明所に置き、呼吸による二酸化炭素の放出量は等しいとします。暗所では4 mL増え、明所では7 mL減りました。明所で光合成により取り入れた量は何mLですか。
別の植物で、暗所での二酸化炭素の増加が9 mL、弱い光を当てたときの増加が2 mLでした。同じ時間と温度で、呼吸の放出量は等しいとします。弱い光の下で光合成により取り入れた量は何mLですか。
明るい密閉容器で二酸化炭素の量が変化しませんでした。光合成で3 mL取り入れたとすると、呼吸で何mL放出したことになりますか。また、呼吸が止まったといえるか、理由を添えて1文で答えます。
暗所で植物を入れた容器の石灰水が白くにごりました。植物のない対照も開始前との比較もありません。この結果だけで、にごりが植物の呼吸によると断定できるか、理由を添えて1文で答えます。

答えと考え方

11 mLです。暗所での増加から呼吸の放出は4 mLです。明所では取り入れた量から4 mLを引いて7 mL減ったため、7 + 4 = 11 mLです。11 mLを取り入れ4 mLを出すと、容器内は7 mL減り、条件に戻ります。
7 mLです。呼吸で9 mLを出し、差の2 mLが残るので、取り入れ量は9 − 2 = 7 mLです。9 mLの放出から7 mLの取り入れを引くと、与えられた2 mLの増加になります。
3 mLです。取り入れと放出が等しければ正味の変化が0 mLになるので、呼吸が止まったとはいえません。3 mLを取り入れ3 mLを出すと、観察された変化なしに戻ります。
断定できません。開始時から二酸化炭素が含まれていた可能性もあり、対照や実験前の状態との比較がないため、植物による変化を切り分けられないからです。にごり自体は二酸化炭素の存在を示すものとして扱います。

1と2では、どちらも暗所の増加から呼吸量を読みますが、明所の変化の向きが違います。答えを出した後に、取り入れと放出を差し引いて問題の増減に戻るか調べると、引く向きの間違いに気づけます。3と4は数字や見た目の変化だけで働きの有無や原因を決めない練習です。

計算の途中で答えが負の量になる場合も、まず条件と式の向きを点検します。例えば、同じ呼吸量を前提に明所での増加が暗所での増加より大きいという値が与えられたなら、光合成の取り入れだけを加えた説明とは両立しません。計算結果を無理に正の数に直すのではなく、測定条件や植物以外の影響、呼吸量が等しいという前提を調べます。