高校受験の理科 光合成—対照実験の条件から必要な物とできる物を考える｜武蔵野個別指導塾

葉を覆う実験や二酸化炭素の有無を変える比較を通じて、ヨウ素液の色と光合成に必要な条件の関係を読み取れます。

よくあるのは、中学生が光の必要性を調べるために、明るい場所の葉と暗い場所の葉を用意し、さらに一方にだけ二酸化炭素を与えてしまう場面です。結果に差が出ても、光と二酸化炭素のどちらが原因か決められません。比べたい条件を1つ決め、ほかの条件をそろえることから考えましょう。葉が何を取り入れ、何ができたかを、実験の操作と結果に結び付けます。

問題では何を比べるか

出方の1つは、葉の一部をアルミニウムはくでおおい、光を当てた後にデンプンができた部分を答える問題です。同じ葉の中で、おおった部分とおおわなかった部分を比べます。光以外の条件ができるだけ同じになる点に注目します。

もう1つは、植物を入れた容器の二酸化炭素の有無を変えて比べる問題です。両方に光を当て、同じ種類で同程度の植物を使います。二酸化炭素を除くための薬品を使う場合は、薬品自体が葉に触れないようにします。容器や置き場所もそろえ、調べたい条件以外の差を小さくします。

さらに、実験の順序や薬品の役割を問う問題もあります。ヨウ素液をかける前の葉の色を抜く操作には、反応した部分を見やすくする目的があります。結果が予想と違う場合も、操作や条件がそろっていたかを点検してから考えます。

葉の中で起こることと調べ方

光合成は、植物が光のエネルギーを使い、二酸化炭素と水から養分をつくるはたらきです。酸素も発生します。葉の細胞にある葉緑体で行われ、できた養分の一部はデンプンとして葉に一時的にたくわえられます。植物の細胞がすべて葉緑体を持つわけではありません。

図1のように、葉に入る物と出る物を矢印で分けます。水は主に根から吸収され、二酸化炭素は主に葉の気孔から取り入れられます。デンプンは光合成でできた養分が変化してたくわえられたものです。ヨウ素液で青紫色になれば、その調べた部分にデンプンがあると判断できます。ただし、この色だけから、光合成がいつ起きたかまで直ちに決めることはできません。

図1の矢印は光合成の関係を模式的に表しています。植物は明るい所でも暗い所でも呼吸をし、酸素を使って二酸化炭素を出します。したがって、容器全体の気体の増減は光合成と呼吸を合わせた正味の変化です。光合成による出入りと容器で測る正味の出入りを同じものとして扱わないようにします。

実験前には、植物を暗い所にしばらく置き、葉に以前からたくわえられていたデンプンを減らします。その後に条件を変えて光を当てれば、実験中にできたデンプンの差を調べやすくなります。暗く置く時間などは問題文の条件に従います。前にできたデンプンが十分に減っていなければ、光を当てなかった部分も青紫色になり、今回の条件による差を判定しにくくなります。

葉を調べるときは、まず熱湯に短時間入れて細胞をこわし、反応液がしみ込みやすくします。次にエタノールで葉の緑色を抜き、水で洗ってからヨウ素液をかけます。エタノールは燃えやすいため、直火で加熱せず、火を消して湯せんを使います。操作は教員の指示のもとで行います。脱色せずに反応を見ようとすると、葉の緑色が残って色の違いを見分けにくくなります。

実験の計画を読むときは、結果を見る前に、比べる2つの条件を横に並べると整理できます。例えば光を調べるなら、一方は光あり、もう一方は光なしです。そのうえで二酸化炭素、水、植物の種類や実験前の処置が対応しているかを確かめます。違いが目的の条件だけなら、結果の差とその条件の関係を考えられます。

同じ葉の一部をおおう方法には、同じ株の同じ葉を使える利点があります。ただし、覆いがずれたり、覆いの隙間から光が入ったりすれば、光をさえぎったつもりの部分に光が届く可能性があります。その場合は、おおった位置と実際に光が届いた範囲を確かめ直します。葉の傷や脱色のむらなども観察し、条件が成立しなかった可能性と、条件は成立したが予想と異なる結果になった可能性を分けて考えます。

ヨウ素液の色が薄くて判定しにくい場合も、すぐに「デンプンなし」とは決めません。色の変化が見えにくい理由に葉の色が残っていることや液のかかり方の差がないかを調べます。測定や操作の状態が不明な結果からは、必要な条件を確定できません。比較に使う葉を同じ手順で処理し直し、はっきりした結果を得てから判断します。

基本例題：光をさえぎる部分を決める

自作の条件です。デンプンを十分に減らした鉢植えの葉の中央を、表と裏からアルミニウムはくではさみました。その後、植物全体に光を当て、葉を脱色してヨウ素液をかけました。はくでおおった部分にも、光以外の条件はおおわない部分と同じように与えられたものとします。おおった部分をA、おおわなかった部分をBとします。

問1：青紫色になるのはA、Bのどちらですか。記号で答えてください。問2：この比較で調べる条件を、1語で答えてください。問3：実際の実験では冒頭の条件が成立しておらず、AもBも青紫色になりました。実験前にデンプンを十分に減らす処置について、考えられる不備を1つ、短い文で答えてください。

図2のように、葉の中央だけに覆いがあります。図は条件を示す模式図で、葉の実際の大きさや形を表すものではありません。まず葉の各部分に光が届くかを整理します。

Aには、はくがあるため光が届きません。Bには光が届きます。二酸化炭素や水など、ほかの条件は同じです。したがって、Bで光合成が行われ、できた養分の一部がデンプンとしてたくわえられます。Aでは光がないため、この実験中には光合成によるデンプンはできません。

デンプンの有無をヨウ素液の色に戻します。Bは青紫色になり、Aは青紫色になりません。問1はB、問2は光です。問3は、暗い所に置くなどの処置が不十分で、もとのデンプンが残っていたことです。Aに残ったデンプンにもヨウ素液は反応するため、Aの色だけでは実験中に光合成が起きたとは言えません。

答えを条件へ戻して確認します。Bに光が届きAには届かず、ほかの条件は共通でした。Bにデンプンができたという結論は、この設定の光の違いと対応しています。もしBまで青紫色にならなければ、葉の状態、光の当て方や薬品の操作を調べる必要があり、この結果だけで光が不要とは言えません。結果が想定と異なるときは、結論を急がず比較が成立したかを見ます。

二酸化炭素の条件を加えて考える

次も自作の条件です。同じ種類で同程度の植物を2鉢用意し、どちらも葉のデンプンを十分に減らしました。透明な容器PとQに1鉢ずつ入れ、Pには二酸化炭素を取り除く薬品を葉に触れないように置き、Qには同じ量の水を置きます。両容器を密閉して同じ強さの光を当て、ほかの条件をそろえます。薬品は実験中にPの二酸化炭素を十分に取り除き、Qには二酸化炭素があるものとします。葉を脱色してヨウ素液で調べたとき、青紫色になるのはどちらですか。記号で答え、比較から言えることを1文で書いてください。

PとQは両方とも明るく、水も利用できる設定です。違う条件は二酸化炭素の有無です。Qでは二酸化炭素があり、光合成によってできた養分の一部がデンプンとしてたくわえられます。Pでは二酸化炭素が取り除かれているので、その条件では光合成によるデンプンはできません。答えはQです。比較から、光合成によってデンプンができるには二酸化炭素が必要だと言えます。

ここで、Pを暗い所、Qを明るい所に置いたとしたらどうでしょうか。Pで青紫色にならなくても、光がないことと二酸化炭素がないことの両方が原因の候補になります。Qとの差を二酸化炭素の有無に決められません。PにもQと同じ光を当てることで、比べる条件を二酸化炭素に絞れます。

逆に、薬品が十分に働かずPに二酸化炭素が残った場合、Pでも青紫色になる可能性があります。この場合は「二酸化炭素なしでも光合成できた」とすぐに結論せず、除去が実際にできたかを確認します。容器が密閉できていない場合も、外から気体が出入りするため、設定した比較が崩れます。条件が成立したかどうかは、結果を解釈する前の分かれ目です。

誤答を条件表に戻して直す

「暗く、二酸化炭素もない容器と、明るく、二酸化炭素がある容器を比べれば、光の必要性を確かめられる」という答えを考えます。図3のように、この2つの容器では光と二酸化炭素の両方が異なります。色に差があっても、光による差かどうかを切り分けられません。

図3の修正後は、両方に二酸化炭素がある状態で、光の有無だけを変えています。これなら、ほかの条件をそろえたうえで、光とデンプンの有無との関係を調べられます。二酸化炭素を調べたいなら、今度は両方を明るくして二酸化炭素の有無を変えます。

もう1つの誤りは「青紫色にならない葉には、もともと養分が全くない」と決めることです。ヨウ素液が示すのはデンプンの有無であり、ほかの養分まで調べた結果ではありません。観察した事実は「青紫色にならなかった」と書き、そこから言える範囲を「デンプンが検出されなかった」と絞ります。薬品をかけ忘れた場合には反応自体を観察できないので、操作の確認も必要です。

自分で条件を組み立てる練習

次の4問は自作です。各問の条件は、それぞれ独立しています。

1. 以前のデンプンを十分に減らした葉の先端Cをおおい、根元側Dはおおわずに光を当てました。光以外の条件は同じです。ヨウ素液で青紫色になる部分をC、Dから選び、記号で答えてください。
2. 二酸化炭素の必要性を調べます。2つの容器は二酸化炭素の有無以外をそろえ、どちらにも同じ強さの光を当てます。植物を実験前に暗い所へ置く目的を、「デンプン」という語を使って1文で答えてください。
3. 葉を脱色せずヨウ素液をかけたところ、葉の緑色が残りました。結果の判定で起こりやすい問題を1文で答えてください。
4. 同程度の植物を入れた容器EとFを比べます。Eは明るく二酸化炭素があり、Fは暗く二酸化炭素もありません。光以外の条件が同じになるようFの二酸化炭素を調整し、光の必要性を調べます。Fに必要な変更を1文で答えてください。

答えと考え方

1. Dです。Dに光が当たり、Cには当たりません。光以外は同じで、以前のデンプンも十分に減っているため、Dにできたデンプンが青紫色を示します。CとDに答えを戻すと、光の有無と反応する部分が対応します。
2. 葉にもともとたくわえられていたデンプンを減らし、実験中にできたデンプンの差を調べやすくするためです。両方にこの処置をすることで、以前のデンプンが結果に混ざる影響を小さくします。処置を省いて両方が青紫色になっても、新しくできた量の差をその色だけから判断しにくくなります。
3. 葉の緑色が残ると、ヨウ素液による青紫色への変化を見分けにくくなります。緑色を抜いてから調べると、反応した部分とそうでない部分を比べやすくなります。脱色はデンプンをつくるためではなく、色の変化を観察するためです。
4. Fにも二酸化炭素を与えます。変更後はEとFのどちらにも二酸化炭素があり、光はEにありFにはありません。問題文に戻して2つの条件を照合すると、光の有無だけが異なる比較になります。Fを明るくするだけでは、二酸化炭素の有無を比べる実験になるので、問いの目的が変わります。

手元に残す要点

光合成には光、二酸化炭素、水が必要です。
できた養分の一部はデンプンとしてたくわえられます。
ヨウ素液はデンプンがある部分を青紫色にします。
対照実験では、調べたい条件以外をそろえます。

どこで考えが止まったかを見る

条件を選べないときは、図3の各容器について、光と二酸化炭素の有無をそれぞれ言葉にしてみます。違いを2つ挙げられれば、次にどちらをそろえるか考えられます。条件は言えても色を答えられない場合は、デンプンの有無とヨウ素液の反応を別々にたどります。

個別指導では、図1の矢印を説明できるか、図2で光の届く場所を指せるか、図3で比較を直せるかを順に確かめます。保護者がお子さまの説明を聞くときも、正解の記号だけでなく、その記号を選んだ条件を尋ねると、どの段階で迷ったか見えます。条件をそろえた比較が、光合成の証拠を支えます。