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高校生物光合成の反応—光化学系と炭酸固定を場所で分けて説明する｜武蔵野個別指導塾

公開 2026.11.13更新 2026.11.13武蔵野個別指導塾の特徴高校の定期テスト生物単元別

標識実験で酸素と糖の炭素の由来を分け、チラコイド膜の反応とカルビン回路をATP・NADPHでつなぎます。

よくあるのは、光合成で放出される酸素が二酸化炭素から生じると説明する場面です。二酸化炭素を取り込むことと、酸素の原子の出どころを同じ話として覚えると、反応の道筋が混ざります。葉緑体のどこで水が分解され、どこで炭素が有機物に取り込まれるのか、図の中を移動しながら追ってみましょう。

学校の範囲表と授業ノートでは、生命現象と物質の中の光合成に当たる箇所を開きます。ここではチラコイド膜で起こる反応とストロマでの炭酸固定を扱い、光の強さと気体収支のグラフやC4・CAMの詳しい仕組みには立ち入りません。

問題の形を見分ける

まず、葉緑体の図に反応の名前や物質を書き込む型があります。膜そのもの、膜に囲まれた内側、膜の外のストロマを区別できるかが鍵です。葉緑体の内部という大きな場所だけを書いても、膜を隔てたプロトンの移動は説明できません。

次に、水や二酸化炭素の原子に印を付けた資料から、生成物の由来を判断する型があります。どちらの材料に印を付けたか、何を測定したかをそろえて読みます。印が検出された物質と、検出されなかった物質の両方に注目し、材料を変えた比較から結論を絞ります。

さらに、膜での反応を妨げたときに炭酸固定がどう影響を受けるかを説明する型があります。光を受ける反応と炭酸固定を別々の箱に入れるだけでなく、ATPとNADPHが箱の間をつなぐことまで示します。変化の直後と十分時間がたった後を区別し、条件に書かれていない量の変化は断定しません。

膜とストロマを行き来する物質

葉緑体の中には、扁平な袋状のチラコイドがあります。その膜に光化学系や電子伝達に関わる成分、ATP合成酵素が存在します。チラコイドの内部は膜に囲まれた空間であり、その外側の液状の部分がストロマです。図1のように、膜の位置を境にして反応の場所を整理します。

図1のように、光を受ける反応では水から電子が供給され、酸素が生じます。電子は光化学系II、電子伝達系、光化学系Iを経て、最終的にNADP⁺の還元に使われます。NADPHは還元力を持つ物質としてストロマ側で利用されます。光化学系IIとIは名前の数字順に電子が流れるわけではないので、矢印を声に出してたどると混同を見つけやすくなります。

電子伝達に伴い、プロトンはチラコイド内部に蓄積します。水の分解によっても内部側にプロトンが生じます。内部とストロマの間にできた濃度差を利用し、プロトンがATP合成酵素を通ってストロマ側へ戻るとき、ADPとリン酸からATPが合成されます。ATPの材料が膜を流れるのではなく、プロトンの流れが合成を駆動する点を分けて書きます。

ストロマではカルビン回路が働きます。二酸化炭素は炭素数5の化合物に固定され、生成物を経て糖の材料となる化合物が作られます。同時に、回路を続けるため炭素数5の化合物が再生されます。固定後の還元や再生にはATPが使われ、還元にはNADPHも使われます。光を直接受けて二酸化炭素が糖に変わるという1本の矢印では、この受け渡しが抜けてしまいます。

カルビン回路を暗反応と呼ぶこともありますが、その名は暗い場所で必ず進むという意味ではありません。回路自体は光を直接利用する反応ではないものの、ATPやNADPHの供給などに依存します。暗くした瞬間に残っている物質の量や調節の条件は問題文に従い、名前だけで経過を決めないようにします。

基本例題：酸素の原子を追う

次の資料は説明のために作った模式的な実験です。同じ種類の植物を、光、温度、二酸化炭素の供給量などをそろえた条件で調べます。酸素原子に目印を付けた水を使った区画Aでは、放出された酸素に目印が見つかりました。目印を付けた二酸化炭素と目印のない水を使った区画Bでは、放出された酸素に目印は見つかりませんでした。目印による反応への影響はなく、測定は正確だったとします。

問いは2つです。放出された酸素の原子の主な供給源を水と二酸化炭素から選んでください。また、AとBを比較した理由を「目印」「放出された酸素」の2語を使い、1〜2文で書いてください。

図2のように、まず目印を入れた材料を区画ごとに分けます。Aでは水、Bでは二酸化炭素です。次に、測定対象は両方とも放出された酸素であると確認します。材料の名前と測定した生成物を同じ欄に書かないことが、資料を読む最初の手順です。

Aの結果は、水の酸素原子が放出された酸素に入ったことを示します。Bでは二酸化炭素に付けた目印が放出された酸素に現れません。したがって、与えられた条件と結果から選ぶ答えは水です。図2の比較では、水と二酸化炭素のどちらに付けた目印が放出された酸素に現れるかを調べることで、酸素の原子の供給源を区別しています。

光化学系IIに関連して水が分解されると、電子とプロトンが供給され、酸素が生じます。二酸化炭素はカルビン回路で炭素の供給源になりますが、そのことから放出酸素の由来を決めてはいけません。酸素を含む化合物が原料であることと、酸素分子の原子の供給源であることは別の問いです。

比較で光や温度が大きく違えば、目印を付けた材料以外の違いも結果に影響した可能性が残ります。また、Aの結果だけでは、水由来の原子が入ったことは示せても、この資料でBの材料に付けた目印がどうなるかは直接確認できません。測定に失敗した場合も、目印が検出されなかったという結果と同じには扱えません。測定が有効だったことを確かめてから結論を出します。

条件を変えたときの分かれ目

別の自作資料を考えます。明るい条件にある葉緑体の系で、二酸化炭素を十分に供給し、光化学系からの電子伝達だけを急に阻害しました。阻害剤はカルビン回路の酵素に直接作用しないとします。阻害後も照明と二酸化炭素の供給は維持され、外部からATPやNADPHは補給しません。阻害前には両者が供給されていたものとします。

問いは、時間がたってATPとNADPHの蓄えが減った後、炭酸固定に続く還元や回路の維持がどうなるかです。「ATP」「NADPH」「再生」の3語を使い、2〜3文で理由を説明してください。

光化学系からの電子伝達が妨げられると、NADP⁺を還元するための電子の供給が減り、膜を隔てたプロトンの濃度差を作る過程も妨げられます。そのため、光を利用する反応からのNADPHとATPの供給が減ります。蓄えが減った後は、カルビン回路での還元や炭素数5の化合物の再生に必要な物質が不足し、回路の進行は低下します。

この答えは、回路の酵素が阻害剤で直接壊れたという説明ではありません。阻害した場所と、その影響が及ぶ場所をATPとNADPHでつないでいます。阻害直後に残存するATPやNADPHがどの程度あるかは示されていないため、直ちに回路が完全に止まるとは判断できません。外から両物質を補給する条件なら予測も変わるので、問題の前提を答案に添える必要があります。

さらに、阻害剤が電子伝達以外にも作用するか不明な実験なら、観察された変化を電子伝達の阻害だけの結果と決めることはできません。阻害剤を加えない対照を置き、直接の作用範囲も別に確かめる必要があります。結果が得られなかった場合には、反応が起きなかったのか、装置や試料の状態のため測定できなかったのかを区別します。

間違いを矢印から直す

誤答の例は「二酸化炭素が分解されて酸素になり、水の炭素が糖に入る」です。原因は、原料を光合成という1つの箱に入れ、出てくる物質と適当に結んでいることです。水には炭素原子がないので、そこから糖の炭素が供給されるという説明は成り立ちません。図3のように、原子の出どころを別々の矢印に戻します。

図3のように、水から放出酸素へ、二酸化炭素から有機物の炭素へと対応させます。矢印は原子の由来を表す模式的なものです。水が酸素へ直接1段階で変わるという反応式や、二酸化炭素だけで糖が合成されるという意味ではありません。電子、ATP、NADPHの役割は別に書き足します。

もう1つの誤答は「プロトンがストロマから内部へ戻るとATPが合成される」です。内部に蓄積したプロトンがATP合成酵素を通ってストロマ側へ移動する方向に書き直します。膜の両側に名前を付けずに矢印を覚えたときに起こる誤りです。

「カルビン回路は光を使わないから、暗所でも条件に関係なく進む」という説明も修正が必要です。直接の光利用がないことと、必要なATPやNADPHが供給され続けることは同じではありません。供給と消費の両方を書き、暗くしてからの時間や蓄えの条件を確かめます。

自分で解く4問

以下はすべて自作の条件です。問題を先に解き、各物質の名前と移動方向を図に書いてから解答を見てください。

葉緑体の模式図に、チラコイド膜、チラコイド内部、ストロマの3か所があります。光化学系とカルビン回路の主な場所をそれぞれ選び、2つの名称で答えてください。
プロトンが内部に蓄積したチラコイドがあります。ATP合成酵素を通るプロトンの移動方向を2つの場所の名称で示し、「濃度差」「ATP」を用いて1〜2文で説明してください。
同じ条件で育てた植物を2区画に分け、片方には目印を付けた二酸化炭素、もう片方には目印のない二酸化炭素を与えました。水にはどちらも目印がありません。前者で生成した糖の炭素に目印が見つかり、後者では見つかりませんでした。供給された二酸化炭素について何が言えるか、「炭素」「糖」を使い1文で答えてください。
光を受ける反応が進む系で、ATP合成酵素だけが働かなくなり、外部からATPは供給されないとします。他の影響は考えず、時間がたちATPの蓄えが減った後にカルビン回路が受ける影響を、「ATP」「再生」を使い1〜2文で説明してください。

解答と確かめ方

光化学系はチラコイド膜、カルビン回路はストロマです。前者は膜にある反応系、後者はストロマにある酵素による回路として場所を分けます。チラコイド内部はプロトンが蓄積する空間ですが、光化学系を内部の液体そのものに置き換えてはいけません。
移動方向はチラコイド内部からストロマです。プロトンは膜を隔てた濃度差に従ってATP合成酵素を通り、その流れを利用してATPが合成されます。答えを図に戻し、出発点が蓄積した内部、到着点がストロマになっているか点検します。反対向きの矢印では、与えられた濃度差を利用する説明になりません。
供給された二酸化炭素の炭素が糖の炭素に取り込まれたと言えます。目印のある材料を与えた区画で糖の炭素に目印が現れ、目印のない区画では現れていません。対照と比較すると、目印が最初から糖にあったという説明を避けられます。この結果は炭素の由来を示すもので、放出酸素の原子の由来を測ったものではありません。
ATPの供給が不足するため、炭素数5の化合物の再生などが妨げられ、カルビン回路の進行は低下します。蓄えが減った後という条件があるので、阻害の瞬間に完全停止すると書く必要はありません。NADPHが十分でもATPを必要とする過程の不足は解消しないと、与えられた条件に戻して確かめます。

覚える線を残す

水の分解で酸素が生じ、二酸化炭素の炭素が固定されます。
光化学系とATP合成酵素はチラコイド膜にあります。
プロトンは内部からストロマへ戻り、ATP合成を駆動します。
ストロマのカルビン回路はATPとNADPHを利用します。

答案のどこを見直すか

図を描いても説明が進まないときは、まず膜の両側に「内部」と「ストロマ」を書き込めるかを確かめます。場所が合っていれば、次にプロトンの矢印と、ATP・NADPHを回路へ渡す矢印を別々に描きます。原子の由来を尋ねる問題では、矢印の横に追跡する原子の名前を添えると、物質全体の移動との混同を見つけられます。

個別指導では、答案の結論だけでなく、比較した区画と変えた条件に印を付けてもらいます。資料にない前提を足した箇所や、測定できなかった場合に結論を保留できるかも確認します。光合成の反応は、場所と物質の受け渡しを結んだ図から説明できます。