高校生物 窒素同化の標識実験—物質量と標識割合から窒素の移動を読み取る｜武蔵野個別指導塾

無機態と有機態の窒素量に標識割合を掛け、希釈と移動を区別する窒素追跡を学びます。

標識割合が下がっても、標識窒素の量が減ったとは限りません。各画分の窒素総量に標識割合を掛け、標識窒素量を出してから移動を考えます。よくあるのは、標識割合の低下を窒素総量の減少と同じにする場面です。割合の分母が増えれば、標識された原子が同じ量でも割合は下がります。

資料が尋ねるものを分ける

出題の型は主に3つあります。第1は、時点ごとの窒素総量と標識割合から標識窒素量を計算し、画分間の変化を比べる型です。第2は、標識されていない窒素の流入による希釈と、標識窒素の流出を区別する型です。第3は、光の条件などを変えた区と対照区を比べ、炭素同化との関係を検討する型です。

いずれも、何を分けて測ったかが出発点です。植物体全体の値と葉の値、溶液の値と細胞内の値を混ぜると収支が崩れます。値は窒素原子の物質量なのか、化合物の物質量なのかも確かめます。以下の数値は計算のために作った資料であり、実測値ではありません。

標識を窒素の帳簿に記す

窒素には、原子番号が同じで質量数が異なる同位体があります。ここでは窒素の安定同位体 ¹⁵N を目印とし、窒素原子全体に占める ¹⁵N の割合を標識割合と呼びます。目印は窒素原子に付くので、化合物が変わっても、その原子を含む先の画分で検出できます。標識は反応そのものを色で見せるのではなく、回収して測定した窒素の由来を追う手掛かりです。

植物が吸収した硝酸イオン NO₃⁻ は還元され、アンモニウムイオン NH₄⁺ となって有機物の合成に利用されます。窒素を取り込むためには、呼吸や光合成に由来する炭素骨格とエネルギー、還元力が必要です。アミノ酸などへの取り込みを経て、窒素はさまざまな有機物へ移ります。根や葉など反応の場所は条件や植物によって異なるため、画分の資料だけで場所を決めません。

図1のように、窒素の流れと炭素骨格の供給は別の矢印で考えます。硝酸イオンの窒素が有機態で見つかることと、炭素原子の由来が硝酸イオンであることは別です。標識窒素を追っても炭素の経路は直接わかりません。窒素固定は窒素分子を利用可能な形に変える過程であり、吸収した硝酸イオンなどを有機物に取り込む話と区別します。

計算の帳簿は総量、標識割合、標識量の3列です。標識割合を百分率で示した場合、100で割ってから総量に掛けます。ここでいう総量は、その画分に含まれる窒素原子の物質量です。例えば総量が10 µmol、標識割合が30%なら標識量は3 µmol、非標識量は7 µmolです。アミノ酸の分子数と窒素原子数は、1分子中の窒素原子数が与えられなければ同一視できません。

標識量の増加は、標識された窒素がその画分に正味で蓄積したことを示します。そこへ入った量と、そこから出た量がともに大きい可能性は残ります。2時点の差だけから一方向の流量や反応速度をそのまま決めることはできません。また標識割合は測定対象の全窒素に対する割合とします。自然に存在する ¹⁵N を差し引いた値を使う問題なら、その定義を確認してから同じ計算をします。

基本例題：割合が下がった画分

ある植物の無機態窒素画分について、開始時の窒素総量は10 µmol、標識割合は40%でした。後の時点では総量が20 µmol、標識割合が20%でした。いずれも窒素原子の物質量です。各時点の標識量と非標識量を整数の µmol で求め、割合が下がった理由を説明してください。数値は自作の条件です。

図2では、棒の全体が総量、色の付いた部分が標識量を表します。開始時は10 µmolの40%なので、標識量は4 µmolです。後の時点は20 µmolの20%なので、こちらも4 µmolです。非標識量は、それぞれ総量から標識量を引いて求めます。

開始時の標識量 = 10・40/100 = 4 µmol
開始時の非標識量 = 10 - 4 = 6 µmol
後の標識量 = 20・20/100 = 4 µmol
後の非標識量 = 20 - 4 = 16 µmol

答えは標識量が開始時も後も4 µmol、非標識量が6 µmolから16 µmolです。検算すると4 + 6 = 10、4 + 16 = 20で、それぞれの総量に戻ります。標識量が変わらず非標識量が増えたので、標識割合は薄まりました。ただしこの資料が示すのは2時点の正味の差です。途中で標識窒素が入り、同量が出た可能性までは否定できません。

別解として、総量が2倍になった一方で割合が半分になったため、両者の積は変わらないと判断できます。それでも実際の量を求める設問では積を計算して単位を付け、総量への戻し算まで書くと誤りを見つけやすくなります。割合が半分という情報だけでは、総量が何倍か不明なので標識量の変化は決まりません。

標準例題：2つの画分を合わせる

植物体内の無機態と有機態を合わせて測定します。開始時は無機態が12 µmolで標識割合50%、有機態が8 µmolで標識割合0%でした。後の時点では無機態が8 µmolで標識割合25%、有機態が12 µmolで標識割合33と1/3%でした。測定した全窒素はこの2画分に含まれ、外部との出入りはないとします。各画分の標識量と非標識量、各画分の標識量の正味変化を整数の µmol で求めてください。

開始時の無機態は12・1/2 = 6 µmol、有機態は0 µmolです。後の無機態は8・1/4 = 2 µmol、有機態は12・1/3 = 4 µmolです。したがって無機態の標識量は4 µmol減り、有機態は4 µmol増えました。非標識量は開始時に無機態6 µmol、有機態8 µmol、後に無機態6 µmol、有機態8 µmolです。

各時点で総量は20 µmol、標識量は6 µmol、非標識量は14 µmolに戻ります。外部との出入りがないという条件の下では、差は無機態から有機態への標識窒素の正味移動と整合します。しかし、正味4 µmolの増加は、個々の反応を通った標識窒素の総量が必ず4 µmolだったという意味ではありません。逆向きの移動や画分内の入れ替わりも、2時点の値だけでは排除できないからです。

発展例題：光条件を変える比較

硝酸イオンを含む同じ培養液で育てた植物を、似た大きさの2群に分けます。仮説は「光の供給が有機態窒素への標識の蓄積に影響する」です。両群に同じ量と標識割合の硝酸イオンを与え、片方を明所、もう片方を暗所に置きます。温度、処理時間、培養液、植物体の量をそろえ、開始時と終了時にそれぞれ別の試料を回収して測ります。実験は学校の指導の下で行います。

自作資料では、植物体1個当たりの有機態窒素の標識量が、開始時に両群とも1 µmol、4時間後に明所で7 µmol、暗所で3 µmolでした。測定した標識量の正味増加と、1時間当たりの平均正味増加を求めてください。答えは整数または小数第1位まで、単位付きとします。

明所は7 − 1 = 6 µmol、暗所は3 − 1 = 2 µmolの増加です。4時間で割ると明所は1.5 µmol/時間、暗所は0.5 µmol/時間です。開始値に平均値と4時間の積を足すと、それぞれ7 µmolと3 µmolに戻ります。平均値は開始から終了までの差を時間で割った値であり、各瞬間の速度が一定だったことを示しません。

横軸を開始からの時間、単位を時間、縦軸を植物体1個当たりの有機態標識窒素量、単位を µmol として2時点を打つと、両群の増加を比べられます。途中の測定点がないので、直線で結んでもその間の実際の変化はわかりません。さらに、標識量は有機態画分に残った正味量であり、有機物への取り込みの総流量を直接測った値ではありません。

明所で増加が大きいという観察は仮説と整合しますが、光が炭素骨格の供給を変えたことの証明にはなりません。光条件は硝酸の取り込みや還元力、他の反応にも影響し得ます。競合する説明として、明所では標識硝酸の吸収自体が多かった可能性があります。両群の無機態窒素量とその標識割合も測り、吸収の差を調べる追加比較が必要です。それでも炭素骨格の供給を直接示すには、炭素側の測定を別に設計する必要があります。

対照は明所群で、変更する条件は明暗です。植物の個体差、試料の回収漏れ、画分の分離不足や測定器の誤差は差の解釈を揺らします。複数の独立した試料を測り、ばらつきと回収率を確認します。試料が失われたり測定値が検出限界未満だったりした場合、その値を0と決めず、欠測または限界未満として記録します。測定時間のずれや対照の破損があれば条件がそろっていないため、その比較から光の効果を結論しません。

誤答を帳簿で直す

「図2で標識割合が40%から20%になったので、標識量も半分です」という答えは誤りです。原因は割合の分母である総量を固定してしまったことです。総量は10 µmolから20 µmolへ増えています。図3のように、割合を総量に掛けてから比較すると、標識量はどちらも4 µmolです。

別の誤答は「有機態の標識割合が増えたので、有機態の総量も増えた」です。例えば総量が一定でも標識された窒素と非標識の窒素が入れ替われば、割合は増えます。割合だけでは総量を求められません。各時点で総量と標識割合を対にし、必要なら非標識量も引き算で出します。

また、無機態の標識量が減り有機態が増えたときに「減少分の全量が必ず直接有機態に入った」と言い切るのも危険です。測定対象の外への放出、未測定の画分、途中の往復を除外する条件が必要です。収支が合わない場合は、計算を修正する前に回収範囲、単位、時点、検出限界を確認します。負の物質量が出たら現実の量として採用せず、与えられた値とモデルの整合を調べます。

練習問題

次の5問はそれぞれ独立した自作条件です。割合は窒素原子全体に対する標識窒素原子の割合です。各計算の答えは整数または既約分数で、単位を付けてください。

1. 無機態窒素の総量が15 µmol、標識割合が20%です。標識量と非標識量を求めてください。
2. 有機態窒素の総量が8 µmolで、標識量が2 µmolです。後に非標識窒素が4 µmol加わり、標識量は変わりません。後の標識割合を百分率で求めてください。
3. 閉じた系で、無機態の標識量が開始時5 µmol、終了時2 µmolです。有機態の標識量は開始時1 µmol、終了時4 µmolです。2画分だけを対象とするとき、標識量の正味変化と全標識量を求めてください。
4. 有機態の標識量が0時間で2 µmol、6時間で11 µmolでした。植物体1個当たりの値です。平均正味増加を µmol/時間で求め、途中の速度について言える範囲を書いてください。
5. ある画分の総量が開始時6 µmol、標識割合が50%、終了時9 µmol、標識割合が1/3です。標識量と非標識量を各時点で求め、標識割合の低下から標識量の減少が言えるか答えてください。

練習の答えと解き方

1. 標識量は15・20/100 = 3 µmol、非標識量は15 − 3 = 12 µmolです。3 + 12 = 15 µmolで総量に戻り、3/15 = 20/100で割合にも戻ります。
2. 後の総量は8 + 4 = 12 µmolです。標識割合は2/12・100 = 50/3%です。標識量2 µmolと非標識量10 µmolを合わせると12 µmolで、変化は非標識窒素による希釈です。
3. 無機態は2 − 5 = -3 µmol、有機態は4 − 1 = 3 µmolの正味変化です。全標識量は開始時5 + 1 = 6 µmol、終了時2 + 4 = 6 µmolです。どちらの画分の実際の量も負ではなく、負号は減少を示します。正味変化の一致から途中の往復の有無は決まりません。
4. (11 − 2)/6 = 3/2 µmol/時間です。2 + (3/2)・6 = 11 µmolとなり終了値に戻ります。これは区間平均であり、途中の速度が一定だったかどうかは測定点がないため判断できません。
5. 開始時の標識量は6・1/2 = 3 µmol、非標識量は3 µmolです。終了時の標識量は9・1/3 = 3 µmol、非標識量は6 µmolです。それぞれ合計は6 µmol、9 µmolに戻ります。標識割合は下がりましたが標識量は変わっていません。

手元に残す要点

標識量は窒素総量と標識割合の積です。 割合の変化と標識量の変化を別に調べます。 画分の増減は正味の差であり、一方向の流量とは限りません。 対照と回収範囲をそろえてから移動を推定します。 炭素骨格の供給は窒素標識だけでは直接測れません。

どこで迷っているかを見分ける

割合を見た瞬間に増減を決めてしまうときは、総量、標識量、非標識量を3列にして両時点を書き出します。個別指導では、どの量を分母に置いたかを説明してもらい、計算後に合計と割合へ戻せるか確かめます。収支が合っても直接の経路を言い切る場合は、未測定の画分や逆向きの移動を加えた場合を考えます。標識の行き先は、測った範囲と時間の中で読み取ります。