【中学受験理科】光合成 呼吸 蒸散を図解で総まとめ—対照実験の読み方 気孔 道管 師管｜武蔵野個別指導塾

葉に光を当てる実験とワセリンを塗る実験を、図と表で読み解きます。呼吸と光合成の差し引き、水と養分の通り道まで、例題と練習問題で順に確かめられます。

よくあるのは、夕方の台所のテーブルで、お子さまが植物の実験の表を前に「昼は光合成、夜は呼吸だから、昼の呼吸はなし」と書いて手を止めるという場面です。光があるときの植物を考えると、光合成の印象が強いため、同時に続いている呼吸が見えにくくなります。さらに、水が減った実験では、根が吸った量なのか、葉から出た量なのかが混ざりがちです。

この単元は、植物のはたらきの名前を覚えるだけでは解けません。「何が入って、何が出るか」「何を変えて比べたか」「測った数値は何を表すか」を分ける必要があります。この3点がそろうと、初めて見る実験でも、表のどの組を比べればよいか判断できます。

光合成、呼吸、蒸散を別々に整理した後、1本の植物の中でつなげて考えていきましょう。保護者が一度に答えを説明するより、お子さまに矢印の向きと比較する2つの条件を示してもらうと、理解が止まっている場所を見つけやすくなります。

この単元で身につけること

• 光合成の材料と条件を区別します。水と二酸化炭素は材料、光は必要なエネルギーのもとで、葉緑体のある部分ではたらきが起こります。
• 呼吸が昼夜とも続くことを説明します。植物も養分を使って生きるためのエネルギーを取り出し、その際に酸素を使って二酸化炭素を出します。
• 対照実験で比べる組を選びます。調べたい条件だけを変え、それ以外の条件をそろえる意味を、光の有無を比べる実験で確かめます。
• 蒸散量を表から求めます。ワセリンで葉の表面をふさいだときの変化を読み、水面からの蒸発などを除いて考えます。
• 道管と師管を、運ぶものと行き先で見分けます。水の通り道と葉でつくられた養分の通り道を、植物全体の中で結びつけます。

これまでに学んだ根・茎・葉のつくりは、名前を答えるためだけの知識ではなく、植物が必要なものを取り入れて運ぶしくみを考える土台になります。実験の答えを書くときは、用語に加えて「その結果になる理由」を短い文で添えることを目標にします。

基本の考え方

光合成と呼吸は、材料と目的が違います

光合成は、植物の葉緑体のある部分で、光を受けて水と二酸化炭素から養分をつくるはたらきです。その過程で酸素ができます。葉緑体には緑色のもとになる色素が含まれています。中学受験では、葉にできたデンプンをヨウ素液で調べる実験をよく扱いますが、養分は葉にデンプンとして置かれたままではありません。水に溶ける糖などに姿を変え、成長する部分や根などへ運ばれます。

ここで、光を「材料」と書かないようにします。材料は、できるもののもとになる物質です。光は物質として取り込まれる材料ではなく、光合成を進めるために必要です。また、水だけを与えれば光合成ができるわけでもありません。二酸化炭素、光、葉緑体などの条件がそろっているかを確認します。

呼吸は、養分を使って、生きるためのエネルギーを取り出すはたらきです。植物は呼吸で酸素を取り入れ、二酸化炭素を出します。呼吸では水もできますが、気体の出入りを問う問題では、まず酸素と二酸化炭素に注目します。葉だけでなく、根や茎などの生きている部分も呼吸しています。暗い間も成長や生命の維持にエネルギーが必要なので、夜だけでなく昼も続きます。

図1のように光合成と呼吸の気体の矢印を別々に描くと、同じ時間に逆向きの出入りが起こることを整理できます。図は十分な光がある葉の2つのはたらきを取り出した模式図で、矢印の太さは量の大小を示していません。

十分な光があり、光合成の量が呼吸の量より多いと、植物全体としては二酸化炭素を取り入れ、酸素を出しているように測れます。ただし、光が弱いと、光合成で使う二酸化炭素より呼吸で出す二酸化炭素のほうが多い場合もあります。「明るい」という言葉だけで、外へ出る気体を決めないことが大切です。

光合成と呼吸による二酸化炭素の出入りが同じ量なら、外から測った増減は0になります。それでも両方のはたらきは続いています。財布に同じ金額を入れて出すと残高が変わらないのと同じように、増減がないことと、出入りがないことは別です。

蒸散は、水が水蒸気として出ていくはたらきです

蒸散は、植物の体内の水が水蒸気となって外へ出ることです。主に葉の気孔を通して起こります。気孔は空気の出入り口でもあり、光合成や呼吸に関わる気体もここを通ります。多くの陸上植物の葉では表側より裏側に気孔が多くありますが、植物によって違いがあります。「どの植物でも裏だけにある」と覚えるのは不正確です。

葉から水が失われることは、根から水を吸い上げることにつながります。蒸散には、植物体内の水の移動を促すはたらきがあり、水が蒸発するときに熱を奪うため葉の温度が上がりすぎるのを抑えることにも役立ちます。通常、風があると葉の周りの湿った空気が入れ替わり、蒸散が進みやすくなります。一方、乾燥が厳しいと気孔が閉じる場合があるため、実際の植物でいつも単純に増えるとは限りません。

ワセリンを塗る実験では、葉の表面をふさいで、その面から水蒸気が出るのを抑えます。水の減り方が小さくなれば、ふさいだ面から水が出ていたことが考えられます。ただし、容器の水面が開いていれば、水面からの蒸発も混ざります。問題文で水面を油で覆うなどの処理をしているのは、この別の原因を取り除くためです。

道管と師管を、出発点と行き先でつなぎます

根から取り入れられた水と、水に溶けた無機養分は、主に道管を通って茎から葉へ運ばれます。無機養分は、植物の体をつくり、育つために必要な成分です。「養分」という同じ言葉があるからといって、根が吸う無機養分と、光合成でつくられる糖などを同じものとして扱わないようにします。

葉でつくられた養分は、運ばれやすい水に溶ける形になり、主に師管を通ります。行き先は根だけではなく、若い芽、花、果実なども含みます。師管を「下へ運ぶ管」とだけ覚えると、葉より上にある成長中の芽への移動を説明できません。どこからどこへ必要な養分を運ぶかで考えます。

道管と師管が集まった束を維管束といいます。茎の断面を読むときは、双子葉類では維管束が輪のように並び、各束の道管が内側、師管が外側にあるのが基本です。単子葉類では維管束が散らばっているので、輪の並びをすべての植物へ当てはめないようにします。色水を吸わせた茎で色がつく通り道は主に道管で、師管まで同じように染まると決めつけてはいけません。

例題で解き方を確かめる

例題1　光が必要か調べる組を選びます

一晩暗い場所に置いた同じ植物の、同じ緑色の葉を使います。葉の一部を光を通さない紙で両面から覆い、残りの部分には十分な光を当てました。その後、葉のデンプンを調べたところ、光を当てた部分だけがヨウ素液で青紫色になりました。この結果から何がいえますか。また、実験前に暗い場所に置くのはなぜですか。

1. 比べる部分の条件を並べます。同じ葉なので、植物の種類や水の与え方をそろえやすく、主な違いは光が当たるかどうかです。
2. ヨウ素液の反応を読みます。青紫色になった部分にはデンプンがあり、覆った部分では反応が見られなかったと判断します。ヨウ素液は光そのものを調べる液ではありません。
3. 実験前の処理の目的を考えます。前から残っていたデンプンがあると、今回の光でできたのか判断しにくいため、暗い所でデンプンを減らしておきます。
4. 条件と結果を結びます。光が当たった部分でデンプンができたという比較から、光合成には光が必要だと結論づけます。

答え：光合成には光が必要です。暗い場所に置くのは、実験前から葉にあるデンプンを減らすためです。

図2のように、1枚の葉の中で光を当てた部分と覆った部分を対応させます。実験後に紙を外した位置を忘れると、色の違いを正しく説明できないため、覆った場所も記録します。

葉のデンプンを調べる実験では、葉を湯で処理し、温めたエタノールで葉の緑色を抜いてから水ですすぎ、ヨウ素液を使う操作が示されます。緑色を抜くのは、ヨウ素液による色の変化を見やすくするためです。エタノールは燃えやすく、直接火で熱してはいけません。加熱や薬品を使う操作は家庭の確認には用いず、保護者の付き添いに加え、適切な設備と指導のある場で行います。

なお、暗い場所に置いた時間だけで、すべての植物のデンプンが確実になくなるとは限りません。この例題では示された反応をもとに判断します。実際の実験では、光を当てる前の葉も調べておくと、出発時の状態を確かめられます。

例題2　二酸化炭素の条件を比べます

次の表は、同じ種類で大きさのそろった植物を使った実験です。実験前に葉のデンプンを減らし、水、温度、実験時間などをそろえました。二酸化炭素以外の空気の条件もそろっているものとします。光合成に二酸化炭素が必要かを調べるには、どの2つを比べますか。

1. 調べたい条件を1つ決めます。今回は二酸化炭素なので、その有無が異なる組を探します。
2. ほかの条件を確認します。AとBは光がともにあり、二酸化炭素だけが違います。BとCでは光と二酸化炭素が両方変わるため、目的に合いません。
3. 反応の差を読みます。Aだけでデンプンが見られることから、ほかの条件がそろったとき、二酸化炭素が必要だと考えられます。

答え：AとBを比べます。光などをそろえ、二酸化炭素の有無だけを変えているからです。

このように、調べたい条件以外をそろえて比べる実験を対照実験といいます。表を読むときは、先に結果の色だけを見て組を選ばず、条件の列を見ます。AとCも意味のある比較ですが、調べられるのは二酸化炭素ではなく光の必要性です。

例題3　外から見える気体の量を差し引きします

ある植物を暗い場所に置くと、1時間で二酸化炭素を4 cm3出しました。同じ植物に十分な光を当てると、1時間で外の二酸化炭素が11 cm3減りました。温度などの条件は同じで、呼吸によって出す二酸化炭素の量も変わらないものとします。光を当てたとき、光合成で使った二酸化炭素は1時間に何 cm3ですか。

1. 暗いときに測った量の意味を決めます。光合成をしない条件なので、4 cm3は呼吸で出した二酸化炭素です。
2. 明るいときも呼吸が続くことを入れます。光合成で使った量から呼吸で出した4 cm3を引いた結果が、外から測れた11 cm3の減少です。
3. 減少量に、呼吸で出した量を足します。11＋4＝15となり、これが光合成で使った全体の量です。

答え：1時間に15 cm3です。

「減った」と書かれているので引き算を選ぶ、という解き方は避けます。求める量が差し引き前か後かを確認してから計算します。また、現実には温度などで呼吸量も変わるため、この計算に使えるのは「呼吸量が変わらない」という問題の条件がある場合です。

例題4　ワセリン実験で裏側の蒸散量を求めます

同じ種類で葉の枚数や面積をそろえた枝を用意し、同じ時間、同じ明るさ、温度、風の条件で調べました。容器の水面は覆い、水面からの蒸発を防いであります。水の減少量は蒸散量に等しく、ワセリンで覆った面からの蒸散はなく、覆っていない部分の蒸散量は処理によって変わらないものとします。

葉の裏側からの蒸散量を求め、表側と比べてどちらが多いか説明しましょう。

1. 両面に塗った1 gに注目します。葉の両面をふさいでも残る量なので、茎など、葉の両面以外から出た分として扱います。
2. 表側だけに塗った9 gの内訳を考えます。裏側から出た分に、葉の両面以外から出た1 gが加わっています。したがって裏側は9−1＝8 gです。
3. 表側も同じ方法で求めます。裏側だけに塗った4 gから1 gを引き、表側は3 gとなります。3＋8＋1＝12で、塗らない場合とも一致します。
4. 比較の範囲を明確にします。この植物の、この実験条件では、裏側の蒸散量が表側より多いといえます。

答え：裏側からは8 gで、表側の3 gより多く蒸散しています。

つまずきやすいところと直し方

誤り1　昼は光合成だけと書いてしまいます

誤った書き方は「昼は光合成、夜は呼吸」です。どこが違うかというと、光合成が盛んなときにも呼吸が続くという事実が抜けています。正しい書き方は「呼吸は昼夜とも行い、光があるときには光合成も行う」です。

この誤りは、はたらきの有無と、外から測る気体の増減を同じものとして扱うと起こります。例題3なら、呼吸の4 cm3を消さずに残し、その上に光合成の15 cm3を重ねて考えます。昼という時刻だけで判断せず、問題文が十分な光を与えているかも確認します。

誤り2　ワセリンを塗った面の水が出たと考えます

誤った書き方は「表側に塗ったときに9 g減ったので、表側から9 g出た」です。どこが違うかというと、ワセリンでふさいだ面と、開いている面が逆になっています。正しい書き方は「表側をふさいだので、主に裏側などから出た水を測っている」です。

表に「ふさぐ面」と「残る出口」の2列を自分で書き足すと、処理の名前に引きずられにくくなります。両面をふさいでも水が減るなら、その値をそのまま葉の分に加えず、茎などによる分として分ける必要があります。ただし、実際の植物では塗る処理がほかの部分のはたらきにも影響し得ます。差し引き計算は、問題文で示された条件のもとで行います。

また、裏側の蒸散量が表側の何倍かという結果だけから、気孔の個数も必ず同じ倍率だとはいえません。気孔の開き方なども水の出やすさに関係するためです。量の結果と、穴の個数の結果は区別して答えます。

誤り3　根が吸った水も、葉の養分も師管に入れます

誤った書き方は「水にも養分が溶けているので、根からの水は師管を通る」です。どこが違うかというと、無機養分と、葉でつくられた養分を取り違えています。正しい書き方は「根からの水と無機養分は主に道管、葉でつくられた養分は主に師管を通る」です。

図3のように、水は根から葉へ、葉でつくられた養分は根や芽へ、と出発点から矢印をたどります。図の2本の線は通り道を区別するために離して描いた模式図で、茎の中の左右の位置を示すものではありません。

師管の矢印が葉から上の芽にも下の根にも向かう点を確認しましょう。養分は必要とする場所へ運ばれるので、道管と師管の違いを上向き・下向きだけで判断しないことが、断面図以外の問題にも役立ちます。

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練習問題

練習1　比較する条件を選びます

例題2の表を使います。光が光合成に必要かを調べるには、A、B、Cのどの2つを比べますか。そろっている条件と変えた条件を、それぞれ書きましょう。二酸化炭素がない組どうしを比べても光の必要性を確かめにくい理由も考えてみます。

練習2　見かけの減少量を求めます

ある植物が1時間の光合成で二酸化炭素を18 cm3使い、同じ1時間の呼吸で5 cm3出しました。外の二酸化炭素は何 cm3増減しますか。また、同じ呼吸量のまま暗い場所に1時間置き、光合成を行わなかったときは何 cm3増減しますか。

練習3　葉の両面の蒸散量を分けます

例題4と同じ条件で調べると、塗らない場合は16 g、表側だけに塗ると12 g、裏側だけに塗ると6 g、両面に塗ると2 g、水が減りました。表側と裏側からの蒸散量をそれぞれ求めましょう。計算後には、それぞれの量と葉の両面以外からの量を足して、全体に一致するか確かめます。

練習4　管の名前と蒸散を説明します

切り口を色水につけた茎で、根から水を運ぶのと同じ通り道に色がつきました。この管の名前を答えましょう。また、葉でつくられた養分が根へ運ばれる管の名前と、気孔から水蒸気が出るはたらきの名前も答えましょう。師管については、根だけが行き先ではない理由を一文で書きます。

答えと解説

練習1の答えはAとCです。二酸化炭素がある条件をそろえ、光の有無を変えています。二酸化炭素がないと、そのことが原因で光合成ができないため、光を当てた効果を確かめにくくなります。

練習2の答えは、明るいときは13 cm3減少し、暗いときは5 cm3増加する、です。明るいときは18−5＝13で、光合成が使った量から呼吸が出した量を引きます。暗いときは光合成で使う量が0なので、呼吸で出す分だけ増えます。

練習3の答えは、表側が4 g、裏側が10 gです。裏側をふさいだ6 gから2 gを引くと表側の4 g、表側をふさいだ12 gから2 gを引くと裏側の10 gになります。4＋10＋2＝16なので、処理しない場合の量と一致します。

練習4の答えは、順に道管、師管、蒸散です。理由の例は「葉でつくられた養分は、根のほかに成長する芽や果実などでも使われるから」です。水の色がついたという観察と、葉から養分が運ばれるという説明を混ぜずに答えます。

次の単元へのつながりと家庭での確かめ方

植物が光を使って養分をつくることは、食物連鎖で植物が出発点になる理由につながります。また、葉でつくられた養分が根や種子に蓄えられることは、発芽直後の植物が何を使って育つのかを考える手がかりです。蒸散の量を条件ごとに比べる読み方は、生物以外の対照実験にも使えます。

家庭で5分ほどでできる確認の1つは、紙に葉を描き、二酸化炭素と酸素の矢印を光合成と呼吸で色分けして入れることです。保護者が「暗くすると、どの矢印がなくなるでしょう」と尋ね、お子さまに光合成の矢印だけを消してもらいます。植物を暗所へ移す実験をしなくても、考え方を確認できます。

もう1つは、練習3の4つの処理を小さな紙に書き、表側から4 g、裏側から10 g、それ以外から2 gという内訳と対応させることです。ふさいだ面を指で隠し、残る量を足して表の値になるかを確かめます。薬品や熱湯を使わず、計算と実験操作の意味を結びつけられます。

個別指導で答えが合わないときは、計算をやり直す前に、根・茎・葉のどこを見ているか、表の数値が何を測ったものかまで戻って確かめます。「9 g」という数字を読めても、「どの出口から出た9 gか」を説明できない場合には、先に図の出口を整理します。

まとめ

実験で得た数字には、測った対象と条件が必ずついています。葉にデンプンがあったという結果も、実験前に残っていたものを減らし、光の有無だけを比べてこそ、光のはたらきの説明に使えます。答えを見直すときには、用語の暗記が合っているかに加えて、結論の根拠となる比較があるかを確かめましょう。

気体の増減が0でも、植物の活動が止まったとは限りません。目に見える差し引きの奥にある、同時に続くはたらきまで説明できて、植物の実験を読めたことになります。