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高校生物基礎呼吸と光合成—物質の出入りとエネルギーの向きを対応させる｜武蔵野個別指導塾

公開 2026.11.12更新 2026.11.12武蔵野個別指導塾の特徴高校の定期テスト生物基礎単元別

明暗で変わる葉の二酸化炭素の出入りから、光合成と呼吸を読み分けます。

よくあるのは、定期テスト前の高校生が「植物は夜だけ呼吸する」と答える場面です。明るい所では光合成を学び、暗い所では呼吸を学ぶため、2つが交代すると考えてしまいます。しかし、光合成が行われているときも、植物の細胞では呼吸が行われています。葉の外への気体の出入りは、両方のはたらきが重なった結果です。見えた出入りから、どちらか一方が止まったと決めないことが出発点です。

要点（結論から）

呼吸は有機物を分解し、エネルギーを取り出します。
光合成は光を利用し、二酸化炭素と水から有機物をつくります。
植物は明るいときも暗いときも呼吸します。

何を手がかりに問われるか

呼吸と光合成の問題には、まず物質と場所を結ぶ型があります。二酸化炭素、水、酸素、有機物がそれぞれ使われる側か生じる側かを選び、葉緑体とミトコンドリアのどちらに対応するかを答える問題です。酸素が出るという一語だけで判断せず、何のはたらきによる出入りかを確認します。

次に、明るさを変えた資料から、葉全体の気体の出入りを読む型があります。外へ出た量は呼吸によって生じた全量とは限りません。同時に光合成で使われた分があるためです。反対に、外から取り入れた量も光合成で使った全量とは限りません。資料が示す量が各反応の量なのか、外部との正味の出入りなのかを問題文で区別します。

理由を文章にする型では、「暗いので光合成が行われない」「呼吸は続く」という条件と結論をつなぎます。結果だけでなく、何が続き、何が変わったかまで書くと、説明の向きが明確になります。

物質とエネルギーの道筋

呼吸は、有機物を分解してエネルギーを取り出すはたらきです。酸素を使う呼吸では、有機物と酸素が使われ、二酸化炭素と水が生じます。取り出されたエネルギーの一部はATPに移され、生命活動に利用されます。ATPはエネルギーそのものではなく、エネルギーの受け渡しに関わる物質です。真核細胞では呼吸の主要な過程がミトコンドリアで行われます。

光合成は、光のエネルギーを利用して二酸化炭素と水から有機物をつくり、酸素を放出するはたらきです。光のエネルギーは有機物に含まれる化学エネルギーとして蓄えられます。光合成を行う植物の細胞では、葉緑体がその場です。葉緑体をもつ細胞にもミトコンドリアがあり、光合成と呼吸が同時に行われます。ただし植物のすべての細胞が葉緑体をもつわけではありません。

図1のように、矢印はそれぞれのはたらきに入る物質と、そこから生じる物質の向きを示す模式図です。光は物質の矢印とは別にエネルギーの入力として示しています。呼吸では有機物に含まれるエネルギーの一部がATPへ移り、一部は熱として放出されます。物質は両者の間で利用され得ますが、エネルギーが同じ形のまま循環するわけではありません。

昼と夜は便利な目安ですが、光合成に必要なのは光です。昼でも暗い場所では光合成は行われず、夜でも光が当たれば光合成は行われ得ます。呼吸は明暗のどちらでも続きます。葉の外に酸素が出ているときも、呼吸で酸素を使っていることを忘れないようにします。反応の細かな経路や光化学系はここでは扱いません。

気体の向きを区別する

葉を取り巻く空気と葉の間の矢印は、葉の中の各反応を直接描いた矢印ではありません。たとえば呼吸で生じた二酸化炭素が、外へ出る前に光合成で使われることがあります。外部から入った二酸化炭素と区別せずに光合成の材料として数えられる一方、外部との出入りには中で使われた分が現れません。何を境界として測った量かを見てから式を立てます。

酸素についても向きは同じ方法で考えられます。光合成では酸素が生じ、呼吸では酸素が使われます。光合成による生成が呼吸による使用を上回れば、余った酸素が正味で外へ出ます。酸素が外へ出るからといって、呼吸で酸素が使われていないとはいえません。二酸化炭素と酸素はそれぞれ生成と使用の役割が逆なので、混ぜずに別々の収支として考えます。

資料に葉全体の正味の出入りしか示されていないとき、各反応の量をそれぞれ決めることはできません。たとえば差が同じでも、大きな生成量と使用量がほぼつり合う場合と、小さな量どうしがつり合う場合があります。必要な量が与えられているかを確かめ、与えられていない数値を勝手に補わないことも資料読解の一部です。

基本例題：外から入る量を読む

次の数値は説明のための自作資料です。同じ植物の葉について、同じ長さの時間に二酸化炭素が出入りする量を調べたとします。明るい条件で、呼吸により葉の中で二酸化炭素が4単位生じ、光合成により10単位使われました。葉の中で生じた二酸化炭素は光合成に利用できるものとします。外から葉に入る二酸化炭素の正味の量を、単位を付けて整数で答えてください。また、明るい条件でも呼吸があるかを「ある」「ない」で答えてください。

図2のように、まず光合成で使う10単位を見ます。このうち呼吸で生じた4単位が葉の中で利用されます。残りを外から補うので、求める量は次のようになります。

10単位 − 4単位 = 6単位

答えは外から入る量が6単位、呼吸は「ある」です。呼吸で生じる4単位を光合成の10単位に足すと、外から必要な量を多く数えてしまいます。逆に4単位だけ外へ出るとすると、同じ葉の中で光合成に利用される分を見落とします。

答えを場面に戻して確かめます。外から入る6単位と呼吸で生じた4単位を合わせると10単位です。これは光合成で使う量に一致します。したがって、外に出る分は残らず、正味の向きは葉の内側です。外からの流入があることは、呼吸が停止した証拠ではありません。呼吸の量より光合成の量が大きいという、この資料の条件を反映しています。

条件が変わると向きも変わる

別の自作資料を考えます。同じ時間に、ある葉の呼吸で二酸化炭素が3単位生じるものとします。弱い光の下では光合成で1単位、別の明るさでは3単位使われます。暗い条件では光合成による使用は0単位です。呼吸で生じたものは葉の中で光合成に利用できるとします。各条件で、外部との二酸化炭素の正味の出入りを「外へ」「外から入る」「出入りなし」のいずれかと整数の単位で答え、呼吸が続くかも答えてください。

弱い光では3単位生じ、1単位が使われるため、3 − 1 = 2単位が外へ出ます。別の明るさでは3 − 3 = 0単位で、正味の出入りはありません。暗い条件では3 − 0 = 3単位が外へ出ます。呼吸は3条件とも続いています。

確認すると、弱い光では光合成に使う1単位と外へ出る2単位の合計が呼吸で生じる3単位に戻ります。別の明るさでは3単位がそのまま光合成に使われます。暗い条件では使われない3単位が外へ出ます。いずれも資料の収支に合います。

分かれ目は、二酸化炭素の生成量と使用量の大小です。生成量が大きければ外へ出て、使用量が大きければ不足分が外から入ります。同じなら正味の出入りはありません。ただし正味が0という結果は、両方の量が同じであることを示すのであって、両方が0であることを意味しません。実際の葉では明るさ以外の条件も影響し得るため、この問題で呼吸量を一定としたことは資料の条件として扱います。

量と条件を言葉に戻す

式を立てる前に、何を求めるかを確認します。葉の外へ出る量を求める問いで、光合成が使う量そのものを答えても、数値の単位が合っているだけでは正解になりません。求める量の名前に線を引き、生成、使用、外部との出入りのどれに当たるかを決めます。外から入るのか外へ出るのかも、数と一緒に答えます。

条件が変わる問題では、前の条件の値をそのまま使えるとは限りません。上の例題では呼吸量が一定だと与えられたため、3単位を各条件に使いました。その条件がなければ、明るさを変えても呼吸量が必ず同じだと決められません。逆に、正味の出入りが変わったという観察だけから、呼吸量と光合成量のどちらがどれだけ変わったかを一意に決めることもできません。

答えがずれたときの直し方

「明るい葉が二酸化炭素を取り入れたので、呼吸は行われていない」という答えは誤りです。外部との正味の出入りを、呼吸そのものの有無と混同したことが原因です。図3のように、葉の中で生じる量と使われる量を別々に置き、その差を外部との出入りとして読み直します。光合成が呼吸より多く二酸化炭素を使えば、呼吸が続いていても外から入ります。

「正味の出入りがないので、光合成も呼吸もない」という答えも同じ混同です。出入りが0になる場合には、2つの量が等しい場合と、両方が0の場合があります。資料が示した条件を確認し、どちらかを選びます。植物の生きた細胞の呼吸を考える問題では、明暗だけを理由に呼吸を消さないようにします。

また「光合成で酸素を取り入れる」と書いた場合は、呼吸の物質の向きと取り違えています。光合成は二酸化炭素と水を使い、有機物と酸素を生じる、と出発物質から書き直します。単語だけを暗記するより、各物質に入る向きか出る向きかの矢印を付けると、誤りの位置が見つかります。

自分で確かめる問題

以下の数値はすべて自作の資料です。各量は同じ長さの時間に測るものとし、葉の中で呼吸により生じた二酸化炭素は光合成に利用できるものとします。計算結果は整数と単位で答え、出入りがない場合は0単位と書いてください。

ある葉を明るい所に置くと、呼吸で二酸化炭素が2単位生じ、光合成で7単位使われました。外部との正味の出入りの向きと量を答えてください。
別の葉では、呼吸で二酸化炭素が6単位生じ、弱い光の下で光合成に4単位使われました。外部との正味の出入りの向きと量を答えてください。
さらに別の葉では、呼吸で二酸化炭素が5単位生じ、光合成でも5単位使われました。正味の出入りの量を答え、その結果だけから呼吸がないといえるかを「いえる」「いえない」で答えてください。
光を当てた葉を暗い所へ移しました。呼吸は続き、光合成は行われなくなったとします。暗い所での二酸化炭素の正味の出入りの向きを答え、その理由を「呼吸」「光合成」の両語を使った1文で書いてください。

解答とたどり方

外から5単位入ります。光合成で使う7単位から呼吸で生じる2単位を引くと、7 − 2 = 5単位です。外からの5単位と中で生じた2単位を合わせると、使用量7単位に戻ります。明るい所で外から入っていても、資料のとおり呼吸はあります。
外へ2単位出ます。呼吸による6単位から光合成で使う4単位を引くと、6 − 4 = 2単位です。使われる4単位と外へ出る2単位の合計は、呼吸で生じた6単位です。生成量が使用量を上回るため、向きは問題1と逆になります。
0単位で、呼吸がないとは「いえない」です。5 − 5 = 0で、呼吸による5単位は光合成で使う5単位に対応します。外部との収支は0でも、両方のはたらきが続いています。正味の量と、それぞれのはたらきの量を区別します。
外へ出ます。「光合成では二酸化炭素が使われなくなり、呼吸では二酸化炭素が生じ続けるからです。」と書けます。条件に戻ると、暗い所では使用量が0で、呼吸による生成があるため、その分が外へ出るという向きに一致します。暗いことを呼吸の開始理由とする必要はありません。