高校受験の理科 蒸散と水の通り道—葉の条件と質量の変化から水の移動をたどる｜武蔵野個別指導塾

水面からの蒸発を含む質量の減少から、対照との差で葉の働きを読み解き、根からたどる蒸散です。

よくあるのは、中学生が水を入れた容器の質量の減少を、そのまま植物の蒸散量にする場面です。容器の水面が空気に触れていれば、植物を通らずに水が出ていく分もあります。何を量ったのかを見失うと、計算が合っていても意味の違う答えになります。根から葉へ水が進む道と、容器全体の質量が減る理由を結び付けて考えましょう。

問題のどこに注目するか

蒸散を扱う問題には、まず植物のつくりを問う型があります。根の表面の細い突起、茎の管、葉の表面にあるすき間をたどり、それぞれの名前と水の進む向きを答えます。管の名前だけを覚えるのではなく、水と養分のどちらが通るかを区別します。

次に、容器の質量の変化を比べる型があります。葉を付けた枝と、枝を入れない容器を同じ条件で置きます。どちらにも水面からの蒸発があるとき、後者の減少を前者から引くことで、条件を満たせば枝からの蒸散分を求められます。減少量と実験後の質量は別の数です。

さらに、葉の表と裏に油性の物質を塗って比べる型があります。塗った面からの水の出入りが十分に抑えられるという条件で、差がどの面の蒸散に対応するかを考えます。これらは自作の条件による問題で、実際の測定記録ではありません。気孔の分布は植物や葉によって異なるため、1つの結果を別の植物にもそのまま当てはめません。

根から葉へ、水が出ていく道

根の表面には、細長く伸びた根毛があります。根毛があることで土に接する表面積が大きくなり、水や水に溶けた無機養分を吸収しやすくなります。吸収された水は根から茎、葉へと続く道管を通ります。葉では葉脈の中にも道管が通り、運ばれた水は葉の細胞に行き渡ります。

図1のように、水の経路を下から順に追うと、名前と役割が結び付きます。図は位置関係を表す模式図で、根や葉の実際の大きさや管の本数を示していません。

図1の気孔は、葉の表皮にある2個の孔辺細胞の間のすき間です。葉の内部の水が水蒸気となり、主に気孔から外へ出ることを蒸散といいます。水は根から入った直後にそのまま外へ飛び出すのではなく、植物の中を移動してから葉の内部から出ていきます。蒸散は水の移動を促す働きにも関係します。

一方、師管は葉でつくられた養分などを植物の各部へ運ぶ通り道です。根から吸収した水の主な通路として師管を選ぶと、道管との役割が入れ替わります。茎の断面で両者が近くに見えても、同じ管ではありません。葉脈にもこれらの通路が含まれます。

水面からの蒸発も水が水蒸気になる現象ですが、植物の体を通って外に出る蒸散とは、通ってきた道が違います。水面を油で覆えば水面からの蒸発を抑えられますが、油が水面を十分に覆っていない場合、その効果を前提に計算することはできません。水がどこから出られる装置か、図に印を付けてから値を読みます。

基本例題：容器の減少から水面分を引く

次は自作の条件です。同じ大きさの容器A、Bに水を入れ、Aには葉の付いた枝を差し、Bには枝を入れません。どちらの水面も空気に触れています。容器以外からの水の出入りはなく、同じ時間に各水面から蒸発した水の質量は等しいものとします。Aの減少には水面からの蒸発と枝からの蒸散だけが含まれるものとします。

実験前の質量はAが250.0 g、Bが220.0 gでした。同じ場所に同じ時間置いた後は、Aが244.2 g、Bが218.6 gでした。枝からの蒸散量を小数第1位まで、単位gで答えてください。

図2のように、まず各容器について前後の差を出します。左右の容器の実験前の質量そのものは異なるので、後の質量どうしを引いても蒸散量にはなりません。

図2でAの質量の減少は、次のように求めます。

250.0 − 244.2 = 5.8 g

これは枝から出た水と水面から出た水の合計です。Bには枝がないので、条件によりBの減少は水面からの蒸発分です。

220.0 − 218.6 = 1.4 g

Aの水面からも1.4 g蒸発したと条件で決められているので、Aの合計から引きます。

5.8 − 1.4 = 4.4 g

答えは4.4 gです。逆に、枝からの4.4 gと水面からの1.4 gを合わせると5.8 gで、Aの減少に戻ります。250.0 gから5.8 gを引けば244.2 gとなり、問題の実験後の値とも一致します。

ここで大事なのは、Bに枝がないことだけではありません。AとBの水面から同じ質量の水が蒸発するという条件が必要です。枝を差したことで水面の露出が変わるなど、蒸発量が等しいといえない場合、Bの減少をそのままAの補正に使うことはできません。値が並んでいても、差し引く根拠が不足していれば蒸散量を決められないと判断します。

葉の表と裏を比べるときの分かれ目

同じ種類で同じ大きさの葉を付けた枝を4本用意し、それぞれ別の容器に差します。水面は油で覆い、水面からの蒸発は無視できるものとします。枝以外からの水の出入りはありません。葉の表からの蒸散量と裏からの蒸散量は、塗らない場合、各枝でそれぞれ等しいとします。また塗った面からの蒸散は完全に抑えられ、塗らない面と茎からの蒸散には影響しないものとします。茎からの蒸散量も4本で等しいとします。

自作の結果として、同じ時間の質量の減少が次のようになったとします。何も塗らないPは7.0 g、葉の表に塗るQは5.0 g、葉の裏に塗るRは3.0 g、表と裏の両方に塗るSは1.0 gです。この時間に葉の表と裏からそれぞれ蒸散した水の質量を、小数第1位まで単位gで答えてください。

Sでは両面からの蒸散が抑えられているため、残る1.0 gは条件上、茎からの蒸散です。Qでは表を塞いでいるので、5.0 gは裏と茎の合計です。裏の分は5.0 − 1.0 = 4.0 gとなります。Rでは裏を塞いでいるので、表と茎の合計3.0 gから茎の1.0 gを引き、表の分は2.0 gです。

求めた表2.0 g、裏4.0 g、茎1.0 gを合わせると7.0 gで、何も塗らないPの減少に戻ります。また裏と茎を合わせればQの5.0 g、表と茎を合わせればRの3.0 g、茎はSの1.0 gに一致します。4つの結果を使って、どの分が残るかを逆向きにも確かめられます。

差を直接使う方法もあります。PとQの違いは表を塞いだかどうかなので、7.0 − 5.0 = 2.0 gが表の分です。PとRの差7.0 − 3.0 = 4.0 gが裏の分です。塗った場所を「出ていく場所」と誤解すると、表と裏の答えが逆になります。塗る操作はその面を塞ぐ操作です。

この例では、裏の方が表より多く蒸散したといえます。ただし、この数字だけから気孔の個数の比を決めることはできません。気孔の開き具合なども蒸散に関係するためです。また、枝ごとの葉の状態や置き場所が異なれば、その差を塗った面の効果だけで説明することはできません。比較したい条件以外をそろえる意味は、別の原因による差を区別することにあります。

誤答を水の出口に戻して直す

基本例題で「Aは5.8 g減ったので、蒸散量は5.8 g」とする答えを考えます。引き算自体は正しく、Aの容器全体が減った質量を表しています。しかし、Aの水面からも水が出ているので、減少の全部を枝の蒸散とは呼べません。

図3のように、5.8 gを枝からの分と水面からの分に分けてみます。水面の分をBの1.4 gと等しいとする条件があるので、残りの4.4 gが枝からの蒸散です。

図3の分け方に戻すと、誤答の原因は「減った量」と「求める量」の取り違えだとわかります。Aの水面が油で完全に覆われているという別の条件なら、水面からの蒸発は無視でき、枝以外の水の出入りがない場合にはAの減少を蒸散量と扱えます。反対に、対照がなく水面からの蒸発量も不明なら、5.8 gを分ける材料が足りません。

もう1つの誤りは、Bの実験後の218.6 gをAの実験後の244.2 gから引くことです。この差には、実験前からあった容器や水の質量の違いが含まれます。それぞれの前後差を先に作り、同じ時間に失われた量どうしを比較すれば、出発時の質量の違いに引きずられません。

測定値が食い違う場合にも注意します。たとえば、蒸発量が等しく他の出入りもないという条件で、枝ありの減少が枝なしより小さければ、引き算は負になります。負の蒸散量として採用するのではなく、記録の写し間違い、容器の状態、条件が満たされたかを調べます。与えられた条件と値が両立しない場合、原因を勝手に1つに決めることもできません。

手を動かして確かめる問題

次の4問はすべて自作の条件です。計算は小数第1位まで単位gで、名称は教科書で使う語で答えてください。

1. 根の表面で水を吸収しやすくする細い突起と、根から葉へ水を運ぶ主な管の名前を順に答えてください。
2. 葉の付いた枝を入れた容器Cは実験前180.0 g、後は175.3 gでした。枝のない容器Dは前160.0 g、後は158.8 gでした。両容器の水面からの蒸発量は等しく、Cの減少は枝の蒸散と水面の蒸発だけです。枝からの蒸散量を求めてください。
3. 水面を油で覆い、水面の蒸発を無視できる同じ条件の枝を2本比べます。何も塗らない枝の減少は6.2 g、葉の裏に塗って裏からの蒸散を完全に抑えた枝は2.7 gでした。表と茎の蒸散量は両枝で等しく、他に水の出入りはありません。葉の裏からの蒸散量を求めてください。
4. 枝を入れた容器Eの質量は3.0 g減りました。水面は空気に触れ、蒸発量は示されていません。枝以外の水の出入りは水面からの蒸発だけとします。枝の蒸散量を3.0 gと決められるか、理由とともに答えてください。

解答と道筋

1. 根毛、道管です。根毛は土に触れる面積を広げ、水や無機養分の吸収に役立ちます。道管をたどれば水は根から茎を通って葉へ進みます。養分を運ぶ師管とは役割を区別します。

2. Cの減少は180.0 − 175.3 = 4.7 g、Dの減少は160.0 − 158.8 = 1.2 gです。Cの4.7 gには水面分も含まれるので、4.7 − 1.2 = 3.5 gが答えです。蒸散3.5 gと蒸発1.2 gを合わせると4.7 gで、180.0 gから引けば175.3 gに戻ります。Dも160.0 − 1.2 = 158.8 gです。

3. 裏に塗る前後で、条件により変わるのは裏からの蒸散です。6.2 − 2.7 = 3.5 gが答えです。塞いだ後に残る表と茎の2.7 gに裏の3.5 gを加えると、塗らない枝の6.2 gに戻ります。2.7 gを裏の量とすると、塞いでも裏から出ていることになり、条件に合いません。

4. 決められません。3.0 gには枝の蒸散と水面の蒸発が含まれ、内訳が示されていないためです。たとえば蒸発が0.5 gなら蒸散は2.5 g、蒸発が1.0 gなら蒸散は2.0 gで、どちらも合計は3.0 gです。対照を設けても水面の蒸発量が等しいといえる条件がなければ、その減少をそのまま引くことはできません。

水の道と差の要点

• 根毛から吸収された水は、主に道管を通って葉へ進みます。
• 葉から水蒸気が出る蒸散は、主に気孔を通して起こります。
• 容器の減少に水面の蒸発が含まれるなら、条件を確かめて差し引きます。
• 葉に塗った面は、条件上、蒸散が抑えられる面です。
• 差が負になるなど条件と値が合わなければ、記録と条件に戻ります。

つまずきを見分けるには

お子さまが答えを出せたときも、図1の根毛から気孔までを指でたどり、道管と師管の役割を言葉にできるか聞いてみてください。名称が出ても向きが逆なら、水がどこから入り、どこへ出るかに戻ると整理できます。図2では、各容器の前後差と容器どうしの差を区別できるかが手掛かりです。

個別指導で確かめる箇所は、計算前に水の出口を挙げられるか、対照の値を引く条件を説明できるか、答えを合計に戻せるかです。図3で水面分を覆い隠して問い直すと、値が不足するときに立ち止まれるかも見えます。水の通り道と測った量の範囲を結べば、蒸散の数字に意味が生まれます。