高校生物 光合成色素と吸収—吸収スペクトルと作用スペクトルの違いを読む｜武蔵野個別指導塾

抽出色素の吸収と葉の酸素発生を比べ、時間・面積・入射光子数をそろえた資料から、山のずれを説明する手掛かりを探ります。

吸収スペクトルは光をどの波長で吸収するか、作用スペクトルはどの波長の光が光合成にどれだけ働くかを表します。両者には関係がありますが、測る対象も条件も異なるため、山の位置や高さが必ず完全に一致するとは限りません。

よくあるのは、吸収の山と作用の山が必ず完全一致すると考え、少しずれた資料を誤りと判断する場面です。色素が吸収した光が反応に使われるまでの道筋と、資料の縦軸が表す量を分けると、比較できる範囲が見えてきます。

波長ごとの資料で問われること

出方の1つは、抽出した色素の吸収の資料と、葉を使った光合成速度の資料を比べる問題です。横軸は光の波長でも、縦軸の意味が同じとは限りません。まず色素溶液と葉のどちらを調べたか、何を測ったかを確認します。吸収の大きさは、その光がどれだけ取り込まれたかを示し、生成した酸素の量そのものではありません。

別の型では、波長を変えた照射で得た酸素発生量から速度を求め、作用の強い波長を選びます。照射時間や葉面積が異なると、発生量の大小をそのまま速度の大小にできません。一定時間あたり、一定面積あたりにそろえてから比べます。入射光の強さの基準も必要です。

さらに、ある波長で吸収が見られるのに作用が小さい理由を問う資料もあります。光が吸収された事実と、吸収されたエネルギーが反応に渡って測定可能な光合成に至った事実は別です。資料が示すのは条件下の関係であり、原因を1つに決めるには対照や追加測定が必要です。

光を受け取る色素と反応への道筋

植物の葉緑体には、光を吸収するクロロフィルやカロテノイドなどの色素があります。クロロフィルaは光合成の反応中心に関わり、クロロフィルbやカロテノイドなどの補助色素も光を吸収して、吸収したエネルギーを反応中心へ伝えるのに役立ちます。色素ごとに吸収しやすい波長が異なるので、複数の色素を持つことは利用できる光の範囲を広げることにつながります。

光のエネルギーは、葉緑体のチラコイド膜にある色素を含む仕組みで受け取られます。その後の光に依存する反応は、電子の移動などを通じて、炭素固定に使われるATPやNADPHの供給につながります。図1のように、光のエネルギーの受け渡しと、酸素など測定する物質の変化を区別します。色素がそのまま酸素に変わるという意味ではありません。

図1では、光から色素への矢印と、反応から酸素への矢印が別の意味を持ちます。前者はエネルギーの受け取り、後者は反応に伴う物質の生成です。吸収されたエネルギーの一部は熱などとして失われることもあり、吸収された光のすべてが測定した酸素発生量に比例するとは限りません。

吸収スペクトルは、波長を変えながら色素による光の吸収を調べ、横軸に波長、縦軸に吸収の大きさを置いたものです。どの色素を、どの濃度や溶媒で測ったかを押さえます。葉から抽出した色素の溶液は、葉の中で色素が並んだ状態と同じではありません。したがって、抽出液の曲線は、葉の反応を理解する手がかりですが、葉全体の光合成速度を直接測った曲線ではありません。

作用スペクトルは、波長ごとの光合成の働きを、例えば一定時間の酸素発生量から調べたものです。縦軸に相対値が使われる場合、どの値を100としたかを読みます。別々の資料でそれぞれ最大値を100にした場合、両者の100は共通の物理量ではありません。各資料の内部で山と谷を比較し、波長による傾向の対応を考えます。

波長は光の性質を表し、数値が大きいほど光が強いという意味ではありません。また入射光が同じでも、反射や透過により葉が実際に吸収する割合は波長で変わります。入射した光をそろえる比較と、吸収された光をそろえる比較では、答える問いが変わります。単位が光子数かエネルギーかにも注意が必要です。

基本例題：時間と面積をそろえる

次は実測ではなく、比較のための自作資料です。同じ種類・状態の葉を使い、温度やCO₂濃度などをそろえ、波長、葉面積、照射時間は次に示す条件とします。酸素の増加量は暗所での変化を補正した値で、光合成による酸素発生の指標とします。波長450 nmでは葉面積2.0 cm²の試料を5.0分照らして酸素が12 nmol増え、波長650 nmでは葉面積3.0 cm²の試料を4.0分照らして酸素が9.6 nmol増えました。各波長の入射光は、単位面積・単位時間あたりの光子数が等しく、照射中の速度は一定とします。1 cm²につき1分間の酸素発生速度を求めてください。相対値は大きい方を100とし、小数第1位を四捨五入した整数で示します。計算途中は丸めないものとします。

面積と時間がそろっていないため、12と9.6を直接比較しません。図2のように、酸素の増加量を面積と時間で割ります。測定したのは各試料の酸素量、そこから求めるのが単位面積・単位時間あたりの速度です。

450 nmの速度 = 12/(2.0・5.0) = 1.2 nmol/(cm²・分)
650 nmの速度 = 9.6/(3.0・4.0) = 0.8 nmol/(cm²・分)
450 nmの相対値 = 100
650 nmの相対値 = 0.8/1.2・100 = 200/3

整数に丸めると相対値は450 nmが100、650 nmが67です。図2の値は丸める前の速度です。答えを元に戻すと、1.2・2.0・5.0 = 12 nmol、0.8・3.0・4.0 = 9.6 nmolとなり、与えた増加量と一致します。

別の方法として、両試料を仮に同じ12 cm²・分の面積と時間の積へ換算しても比べられます。450 nmは12・12/10 = 14.4 nmol、650 nmは9.6・12/12 = 9.6 nmolです。その比9.6/14.4も2/3です。ここでわかるのは、この2波長、この光子数と条件のもとでの作用の比較です。吸収の山の位置や、他の波長での最大値はこの2点から決められません。

標準例題：2種類の曲線を読む

自作の相対資料として、次の表を考えます。抽出した色素Xの吸収と、同じ植物の葉の酸素発生速度をそれぞれ別に測り、それぞれの表中の最大値を100としました。葉への照射は各波長で単位面積・単位時間あたりの入射光子数を等しくし、温度、CO₂濃度、面積、照射時間をそろえています。酸素の値は暗所の変化を補正した指標です。

表にある波長の中で、それぞれの最大値と、500 nmにおける作用と吸収の相対値の差を整数で答えます。また、この結果から色素X以外の関与を断定できるか考えます。

吸収の最大は440 nm、作用の最大は680 nmです。500 nmの差は70 − 55 = 15です。ただし各行は別々に最大を100としたため、この15は相対値の数値上の差です。吸収した光の15%が余分に酸素を作ったことを意味しません。差を元の値に戻すと55 + 15 = 70で、表の数値と合います。

山が異なることは、色素Xの吸収曲線と葉の作用曲線がこの資料では一致しない証拠です。しかし、それだけで他の色素の寄与を確定できません。葉と抽出液では測定対象が違い、光の反射や透過、吸収後のエネルギー移動、反応の効率も結果に関わり得るからです。たとえば他の色素を含む抽出液の吸収も調べ、葉の吸収と作用を同じ波長条件で比較すれば、説明の候補を絞る手がかりになります。それでも相関だけで個々の色素の寄与量が決まるわけではありません。

グラフにするなら横軸は波長 nm、縦軸は各資料内の相対値で、点を結ぶ線は測定点間の傾向を見やすくするものです。5点の間に必ず1つの山しかないとは言えません。表の最大は測定した5点に限った結論で、連続する全波長の厳密な最大とは区別します。

発展例題：対照と測定の失敗を考える

ある波長で補助色素が作用に寄与するという仮説を調べます。同じ植物から得た2群の葉を用い、処理群では補助色素が減少し、対照群では同じ操作を受けても色素組成が変わらないとします。処理による葉の損傷やクロロフィル量の変化もあり得るので、それらを別に測定します。実験操作は学校の指導の下で行い、ここでは測定資料だけを扱います。

自作の値として、ある波長で暗所補正後の酸素発生速度が対照群では4.0、処理群では2.4 nmol/(cm²・分)でした。両群の入射光子数、温度、CO₂濃度、測定時間と葉面積はそろっています。対照群に対する処理群の速度の割合を、百分率の整数で答えてください。

割合 = 2.4/4.0・100 = 60%
減少分 = 100 - 60 = 40%

60%を元の速度に戻すと4.0・60/100 = 2.4 nmol/(cm²・分)です。処理群の速度は対照群より40%小さいといえます。補助色素の寄与という仮説とは整合しますが、処理群に損傷があれば別の説明も成り立つため、これだけで因果関係は確定しません。クロロフィル量や葉の状態を確かめ、別の波長でも比較する設計が必要です。

測定に失敗した場合の扱いも重要です。例えば気泡や容器の漏れで酸素量が変動したら、その値を都合よく除くのではなく、異常を記録し装置を点検して再測定します。暗所対照の変化が不安定なら補正値の信頼性も下がります。波長を変える際に入射光子数まで変わっていた場合、波長と光量の効果を分けられません。照射量を測り直し、条件をそろえた比較をやり直します。

葉の個体差や面積の測定誤差も速度に影響します。複数の試料と反復測定でばらつきを確かめ、平均値だけでなく散らばりも見ます。酸素の増加が時間に比例しない場合、全時間の平均速度は得られても、各瞬間の速度は同じとは言えません。時間ごとに測定して傾きを比べると、途中の変化を見落としにくくなります。

誤答を直す：同じ100を同じ量としない

誤答の例は「吸収が100の波長と作用が100の波長は必ず同じで、違えば測定ミスです」です。原因は、吸収と作用の縦軸を同じ量とみなし、さらに別々の最大値を基準にした100を同じ絶対量と考えることにあります。図3のように、まず何を測ったかを左右に分け、次に各曲線の条件と基準を確認します。

図3の左は色素による光の吸収、右は葉の酸素発生を指標とした作用です。どちらも最大値を100にできますが、単位の異なる測定結果をそれぞれ換算した数です。修正した答えは「両者の傾向は関連するが、測定対象や他の色素、光の利用効率などが異なるため、山の完全一致は要求できない」です。

もう1つの誤答は「吸収が小さい波長では光合成は必ず0」です。ある色素の吸収が小さくても、別の色素が光を吸収する可能性があります。しかも相対値が小さいことと、測定値が厳密に0であることは別です。測定した色素の種類と検出限界を確かめ、葉全体についての断定を避けます。

練習：資料を読み替える5問

5問とも学習用に作った資料です。計算途中の値は保ち、相対値や百分率を整数で示す場合は、小数第1位を四捨五入してください。それ以外は各問で求められた形に合わせます。

1. 波長Aで面積4.0 cm²の葉を3.0分照らすと、暗所補正後の酸素が18 nmol増えました。速度は一定とします。1 cm²・1分あたりの酸素発生速度を小数で求めてください。
2. 波長B、C、Dの色素溶液の吸収の測定値が順に2、5、4でした。最大値を100とした相対値をそれぞれ整数で求めてください。
3. 葉の作用の相対値が波長Eで80、Fで50です。EとFの入射光子数は等しく、同じ条件で測りました。FをEの何%と表せるか整数で求めてください。
4. 色素Yの吸収は波長Gで高くHで低い一方、葉の作用はGよりHで高くなりました。これだけで測定が必ず誤りと言えるか、測定対象の違いに触れて答えてください。
5. 同一の葉面積と時間で、波長Jでは補正後の酸素増加量が6 nmol、波長Kでは9 nmolでした。ただしJの入射光子数はKの半分でした。この資料だけで波長そのものの作用を公平に比較できるか、理由と改善策を答えてください。

解答と道筋

1. 18/(4.0・3.0) = 1.5 nmol/(cm²・分)です。戻すと1.5・4.0・3.0 = 18 nmolです。時間または面積の一方しか割らないと、求める基準がそろいません。
2. Bは2/5・100 = 40、Cは5/5・100 = 100、Dは4/5・100 = 80です。逆に最大測定値5を掛けて100で割ると2、5、4に戻ります。これは色素溶液の吸収の相対値であり、葉の酸素量ではありません。
3. 50/80・100 = 62.5%なので、整数では63%です。丸める前の62.5%を用いると80・62.5/100 = 50に戻ります。相対値の基準が同じ資料内での比です。
4. 必ず誤りとは言えません。色素Yの溶液の吸収と葉全体の作用は異なる測定であり、他の色素やエネルギー移動などが関わり得ます。与えられた2波長の関係は説明できますが、原因の特定には追加の測定が必要です。
5. 公平に比較できません。光子数も波長も変わっており、酸素の差の原因を分けられないからです。面積と時間あたりの入射光子数をそろえ、他の条件も一定にして測り直します。値が得られなかった場合も差を0とせず、原因を調べて再測定します。

覚えておきたい点

吸収は色素が受け取る光、作用は光合成の働きの波長依存性です。
補助色素の吸収も反応中心へのエネルギー供給に役立ちます。
相対値の100は資料ごとに基準を確認します。
比較では光子数、時間、面積と測定対象をそろえます。
山のずれから原因を1つに決めず、対照で候補を調べます。

つまずきを見分ける問い

個別指導では、まず「この縦軸は何を測ったか」を吸収と作用のそれぞれについて言葉にしてもらいます。両方を酸素量と答えるなら、測定対象の取り違えが残っています。次に別々に最大を100とした表を見せ、同じ100が同じ実測量を意味するかを尋ねます。基準を指さして説明できるかが確認点です。

計算につまずく場合は、酸素量を面積と時間で割る前に単位を書き出します。答えを元の面積と時間に戻して測定量と一致するかまで確かめれば、式と場面の対応を検討できます。光合成色素の資料は、吸収から作用までの間にある条件を読んでこそ説明できます。