高校生物基礎 物質循環とエネルギー—循環する物質と流れていくエネルギーを分ける｜武蔵野個別指導塾

炭素をたどる図と呼吸による熱の放出から、エネルギーの流れと区別して学ぶ物質循環です。

よくあるのは、定期テスト前に生態系の図を見て、物質が戻る経路にならい、エネルギーも生態系内を循環すると書く場面です。植物を動物が食べ、死がいを分解者が利用するというつながりは、物質にもエネルギーにも関係します。ただし、同じ矢印から両者が同じように戻ると判断はできません。何を追う矢印かを先に決め、外から入るものと外へ出るものを探しましょう。

問題で見たい3つの視点

出方の1つは、生産者、消費者、分解者と二酸化炭素の間の矢印に、光合成や呼吸などの語を入れる型です。炭素を含む物質がどこからどこへ移るかを見ます。生物の名称を覚えていても、矢印の始点と終点が逆なら過程を取り違えます。

もう1つは、図や文章の中から、物質の循環を表す説明とエネルギーの流れを表す説明を選ぶ型です。炭素は形を変えながら生物と環境の間を移ります。一方、光として入ったエネルギーは生物の活動に利用され、最終的に熱として環境へ放出されます。熱が再び光合成の光として戻る経路は、この模式図にはありません。

理由を短く書く型もあります。「呼吸で二酸化炭素を出すから」で終わらせず、どの生物が呼吸し、炭素をどこへ戻すのかまで示します。エネルギーの説明では、熱の放出によって生態系内を同じ形で循環しないことにつなげます。生産量の細かい計算や、一定の伝達効率は扱いません。

炭素の経路とエネルギーの経路

生産者である植物などは、光合成によって環境中の二酸化炭素を取り込み、炭素を含む有機物をつくります。消費者は生産者やほかの消費者を食べて有機物を得ます。分解者は死がいや排出物に含まれる有機物を利用し、分解します。これらの生物は呼吸を行い、有機物から二酸化炭素を生じさせて環境へ戻します。植物も呼吸します。

図1の上段は炭素を含む物質の移動を簡略化した模式図です。矢印は炭素を含む物質が移る向きを示します。二酸化炭素から生産者へ向かう矢印は光合成、各生物から二酸化炭素へ戻る矢印は呼吸を表します。図1で分解者へ入る横向きの矢印は、消費者の遺体や排出物に由来する炭素の移動です。生産者の枯れた部分などから分解者へ炭素が移る経路もありますが、この図ではその線を省いています。

図1の下段はエネルギーの移り方です。矢印は物質の移動そのものではなく、エネルギーの入力、受け渡し、放出を示します。光のエネルギーの一部は光合成で有機物中の化学エネルギーとして蓄えられます。有機物が食べられたり分解者に利用されたりすると、そこに含まれる化学エネルギーも移ります。

呼吸では有機物が分解され、放出されたエネルギーの一部が生命活動に利用されます。その過程でも熱が生じ、環境へ放出されます。生産者、消費者、分解者のどの段階でも熱は放出されるため、次の段階に移るエネルギーは、前の段階で利用可能だった量の全部ではありません。物質の炭素原子が消えるという意味ではなく、同じ炭素を追う話とエネルギーの行方を追う話を区別することが要点です。

炭素の循環は、二酸化炭素から有機物、有機物から二酸化炭素へという形の変化を伴います。常に同じ分子がそのまま回るという意味ではありません。また、図は主要な道筋を示すもので、現実の炭素が必ず毎回すべての生物を順番に通ることを示してはいません。矢印を読んでよい範囲と、図からは決められないことを分けましょう。

基本例題: 草地の炭素を追う

次の資料は、自作した草地の模式図の条件です。草は生産者、草食動物は消費者、菌類などは分解者とします。環境中の二酸化炭素を草が取り込み、草を草食動物が食べます。草の枯れた部分や草食動物の死がい・排出物は、分解者が利用します。図2には草食動物から分解者への線を載せ、草から分解者へ直接つながる線は省略しています。3者は呼吸によって二酸化炭素を環境へ出します。草には光が入り、各生物から熱が環境へ放出されます。

問いは2つです。ア: 環境中の二酸化炭素から草の有機物へ炭素が移る過程を、用語で答えてください。イ: 草食動物の有機物中の炭素が環境中の二酸化炭素に戻る経路を、直接戻る経路と分解者を経由する経路の2つに分け、それぞれ1文で説明してください。

図2のように、まず草食動物から出る炭素の行き先を2方向に分けます。実線の矢印は炭素を含む物質の移動、下段の矢印はエネルギーが熱として放出される向きです。熱の矢印を二酸化炭素の移動として数えないようにします。

アは、始点が環境中の二酸化炭素、終点が草の有機物です。草が光を利用して有機物をつくる過程に当たるので、答えは「光合成」です。逆向きの呼吸なら有機物から二酸化炭素へ向かうため、始点と終点が合いません。

イの直接の経路では、草食動物自身が呼吸を行い、有機物中の炭素を二酸化炭素として環境へ戻します。もう一方では、死がいや排出物中の有機物が分解者に利用され、分解者の呼吸によってその炭素が二酸化炭素として環境へ戻ります。分解者が死がいを利用したというだけでは、環境へ戻る最後の過程が書けていません。

答えを資料に戻して点検します。直接の経路は草食動物の呼吸という条件に、経由する経路は死がい・排出物と分解者の呼吸という条件に対応します。どちらも終点は環境中の二酸化炭素です。草自身の呼吸も図にはありますが、問いの始点は草食動物の有機物なので、この2経路の説明には加えません。

図の矢印が欠けていたり、矢印の意味が指定されていなかったりするときは、見えていない経路を無条件にないと決めません。資料の説明文を確認し、それでも情報が足りなければ、何を示す矢印かを明記できないと判断します。色だけで炭素と熱を識別しようとする読み方も避け、始点、終点、過程の名前を併せて確かめます。

条件を変えた例題: 閉じた容器を考える

透明なふた付き容器に植物、植物を食べる小動物、分解者を入れ、物質が容器の外と出入りしないものとします。外から光を当て、容器から外へ熱は移るものとします。容器内で植物が光合成をし、3者が呼吸し、死がいや排出物は分解者に利用されます。これは経路を考えるための自作の条件であり、容器内の個体数が一定に保たれるという条件はありません。

問い: 容器の外と物質が出入りしなくても、光の入力と熱の放出を考える必要があるのはなぜですか。「炭素」と「エネルギー」を使い、2文で答えてください。また、光が当たらないときに植物の呼吸が止まるといえるか、「いえる」か「いえない」で答え、理由を1文で添えてください。

まず境界を見ます。容器の外と物質が出入りしないという条件は、炭素を含む物質が外へ移らないという設定です。容器内では光合成、食べること、分解、呼吸を通じて炭素が移り、二酸化炭素として環境に戻りえます。容器の外に出ないことと、生物の体内に固定されたままであることは別です。

一方、問題は光と熱について別の条件を与えています。物質の出入りがないからといって、エネルギーの出入りまでないとは読めません。答えの例は「炭素は容器内の生物と環境の間を形を変えて移ります。エネルギーは光として入り、熱として外へ出るため、容器内で循環し続けるわけではありません」です。光と熱の両方を条件に戻し、閉じたのは何についてかを確認します。

後半の答えは「いえない。植物は光が当たらないときも呼吸するからです」です。光合成に光が必要という知識を、呼吸にもそのまま移してはいけません。暗いときの光合成による取り込みと呼吸による放出を分けると、二酸化炭素の向きが混ざりません。条件には生物が生存し続ける期間や量がないので、そこから将来の個体数を推測することもできません。

間違った矢印を修正する

誤答の例は「生物が出した熱は生産者に戻り、光合成に使われるのでエネルギーは循環する」です。原因は、炭素が二酸化炭素として環境に戻り、光合成に再び利用されることを、熱にもそのまま当てはめた点にあります。炭素を含む物質とエネルギーの形を別々に書けば、戻るものの違いが見えます。

図3のように、二酸化炭素から生産者へは炭素の移動を描き、光から生産者へはエネルギーの入力を描きます。生物から外へ向かう熱の矢印は、光へ戻さず環境への放出で止めます。図3の矢印はそれぞれ炭素を含む物質の移動、またはエネルギーの入力と放出を表します。

修正した文は「炭素は二酸化炭素と有機物の間を移る一方、光として入ったエネルギーは熱として環境へ放出されるため、生態系内を循環しません」です。別の誤りとして「分解者だけが呼吸する」もあります。分解者の役割が目立つ図でも、生産者と消費者の呼吸を消してよいことにはなりません。各生物から環境へ戻る経路を、図の説明や条件と照らして探します。

さらに「生産者から消費者に物質が移ると、エネルギーは全く移らない」と書くと、有機物中の化学エネルギーの受け渡しが抜けます。正しくは、有機物とともにエネルギーも移りますが、その途中や各段階で熱が放出されます。移ることと、同じ量が循環することは別の判断です。

練習: 池と落ち葉の資料

次の問題は、いずれも学習用の自作資料です。各資料の条件を使い、指定された形で答えてください。

1. 池の藻類が水中の二酸化炭素を取り込んで有機物をつくり、小さな甲殻類が藻類を食べます。藻類から甲殻類へ炭素を含む物質が移る出来事を、1文で答えてください。
2. 森の落ち葉を菌類が利用し、菌類が呼吸します。落ち葉中の炭素が環境に戻るまでを、落ち葉、菌類、二酸化炭素の3語を用いて1文で説明してください。
3. ある模式図では光が生産者に入り、生産者、消費者、分解者のそれぞれから熱が環境へ出ます。「熱が環境へ出るので、エネルギーは生態系内を循環する」という文の正誤を答え、理由を1文で書いてください。
4. 暗い場所に置いた水草について、「光合成による二酸化炭素の取り込み」と「呼吸による二酸化炭素の放出」のどちらが続くかを、示された2つの語句から選び、理由を1文で書いてください。水草は生きており、呼吸に必要な条件は満たされています。

練習の答えと道筋

1. 「甲殻類が藻類を食べること」です。藻類がつくった有機物が食べられることで、その炭素が甲殻類へ移ります。資料に戻すと、矢印の始点は藻類、終点は甲殻類であり、向きが一致します。光合成は二酸化炭素から藻類への移動なので、この問いの2点を直接つなぐ答えにはなりません。

2. 「菌類が落ち葉の有機物を利用し、呼吸によってその炭素を二酸化炭素として環境へ戻します」です。落ち葉から菌類への利用と、菌類から環境への呼吸を順につなぎます。資料の2つの条件に戻せば、菌類を経由する道筋と終点がそろいます。落ち葉が消えたとだけ書くと炭素の行き先が残りません。

3. 誤りです。「エネルギーは光として入り、各段階から熱として環境へ放出されるため、生態系内を循環しないからです」。資料の光の入口と3つの熱の出口を見直します。各出口があることは、熱が再び生産者へ戻ることを意味しません。炭素の循環に関する別の矢印があっても、この判断は変わりません。

4. 「呼吸による二酸化炭素の放出」です。「植物は暗い場所でも、必要な条件が満たされれば呼吸を行うからです」。資料の暗さは光合成の条件に関係しますが、呼吸が止まる条件としては示されていません。答えを場面に戻し、水草が生きていて呼吸の条件もあることを確認します。

覚えておきたい道筋

• 炭素は光合成、摂食、分解、呼吸を通じて生物と環境の間を移ります。
• 生産者も消費者も分解者も呼吸します。
• 光として入ったエネルギーは受け渡され、熱として環境へ放出されます。
• 矢印が物質とエネルギーのどちらを表すかを先に確かめます。

どこで迷ったかを確かめる

図を見て言葉が出ないときは、まず矢印を指し、始点と終点を声に出してみます。始点が二酸化炭素で終点が植物の有機物なら光合成、反対に有機物から二酸化炭素へ向かうなら呼吸です。名称は合っていても矢印が逆なら、用語の暗記より先に移動の向きを直します。

個別指導で確かめるなら、炭素の経路を1本説明した後、同じ図に光の入口と熱の出口を描き加えてもらいます。両方を1種類の矢印で説明し始めた場合は、矢印の対象と容器などの境界を問い直します。図にない経路を断定した場合は、与えられた条件と推測を分けて言い直します。炭素が戻る道と、エネルギーが外へ流れる道を分けると、説明の向きが定まります。