高校生物 光合成で生じる酸素—標識した水と二酸化炭素から由来を考える｜武蔵野個別指導塾

水と二酸化炭素を別々に標識し、放出気体の量と標識割合からたどる酸素の由来です。

光合成で放出される酸素 O₂ の原子は、水 H₂O に由来します。これを見分けるには、水と二酸化炭素 CO₂ を別々に標識し、放出された O₂ を検出対象として比べます。よくあるのは、放出酸素の由来を炭素固定の矢印だけで決める場面です。CO₂ が有機物の炭素源であることと、O₂ の酸素原子の供給源が何かは、別々に調べる必要があります。

どんな資料で問われるか

1つ目は、標識した水を与えた区と標識した CO₂ を与えた区を比べ、どちらの区の放出 O₂ に標識が現れるかを読む型です。標識を付けた物質の名前と、測った生成物の名前を表の別の欄に置きます。水を標識したときに O₂ が標識されるという結果なら、水から O₂ への移動を支持します。

2つ目は、放出 O₂ の総量と標識の割合を使う計算です。割合の分母が O₂ 分子の数か、O₂ を構成する酸素原子の数かを最初に確認します。分子の割合を原子の割合と見なすと、片方の原子だけが標識された分子の扱いで答えが変わります。

3つ目は、時間ごとの測定値や対照の不足から結論の限界を考える型です。標識が検出されなかったとき、移動がないという説明のほかに、測定感度の不足や標識の希釈も考えられます。結果を読み取ることと、その原因を1つに決めることは同じではありません。

水の酸素と電子を分けて追う

同位体は、同じ元素でありながら中性子の数が異なる原子です。ここでは酸素の安定同位体 ¹⁸O を目印にし、標識されていない酸素を便宜上 ¹⁶O とします。H₂¹⁸O と書けば水の酸素原子に目印があり、C¹⁸O₂ と書けば CO₂ の2個の酸素原子に目印があります。目印は行き先を調べるためのもので、標識された原子と物質の総量は別の量です。

光合成の光を利用する反応は葉緑体のチラコイド膜で進みます。光化学系Ⅱに関係する反応で水が酸化され、酸素、電子、H⁺ が生じます。電子は光を利用した電子伝達に渡され、ATP と NADPH の生成につながります。ATP と NADPH は炭素固定に利用されますが、エネルギーを受け渡す経路と酸素原子の移動経路は同じ矢印ではありません。

図1のように、水から O₂ への矢印は酸素原子の移動を表します。一方、光から光化学反応への矢印と、ATP・NADPH から炭素固定への矢印はエネルギーの受け渡しを表します。CO₂ の炭素は有機物の炭素骨格に取り込まれます。この図は炭素固定での酸素原子の全経路を示すものではありません。

水の酸化を原子と電荷が合う形で表すと、次の式になります。電子を e⁻ と書きます。

2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻

左の水2分子には酸素原子が2個あり、右の O₂ 1分子にも2個あります。水素原子は左右とも4個、右側の電荷も H⁺ の正電荷と電子の負電荷でつり合います。この半反応式は電子の供給を示すもので、水だけを取り出して反応の全体を完結させた式ではありません。光合成の全体式を約分した形だけから、放出 O₂ の酸素原子がどの反応物から来たかを決めることはできません。

標識実験では、標識水を与える区と標識 CO₂ を与える区を用意し、その他の条件をそろえます。標識していない条件も対照にし、背景の標識や装置由来の信号を調べます。光、温度、試料量、測定時間、供給する水と CO₂ の量をそろえることが比較の前提です。短時間の測定でも、標識の混合や交換、もともと存在する水による希釈を無条件に無視してはいけません。問題で無視できると与えられた範囲で解きます。

基本例題：水を標識した区と CO₂ を標識した区

次は自作の思考実験です。同じ量の葉を使い、同じ光と温度で2分間測ります。反応に使われる水と CO₂ は供給したものに置き換わっており、酸素原子の交換と背景信号は無視できるとします。呼吸による O₂ 消費も無視でき、回収した O₂ は光合成で生じたものです。A区は水の酸素をすべて ¹⁸O にし、CO₂ の酸素は ¹⁶O にします。B区は水の酸素を ¹⁶O にし、CO₂ の酸素をすべて ¹⁸O にします。両区とも O₂ を 8.0 μmol 回収しました。水が放出 O₂ の酸素源であるとき、各区で ¹⁸O を2個含む O₂ の量を有効数字2桁で求め、測定結果の意味を述べてください。

図2では、標識した入力を色付きの枠、測る O₂ を右側に置きました。A区の水からできた O₂ は2個とも ¹⁸O なので、回収した 8.0 μmol が該当します。B区の水は ¹⁶O なので、B区で ¹⁸O を2個含む O₂ は 0 μmol です。0 は該当する分子がないことを表す正確な値です。

A区の該当量 = 8.0 μmol・1 = 8.0 μmol
B区の該当量 = 8.0 μmol・0 = 0 μmol

答えは A区 8.0 μmol、B区 0 μmol です。実際にこの結果が得られ、提示された交換や混入に関する条件も成り立つなら、放出 O₂ の酸素が水に由来するという説明を支持します。結果が逆なら CO₂ を源とする説明に合いますが、同時に試料の取り違えや標識条件も点検します。与えられた結果に合わせて結論を変えるのであり、予想が外れた値を除外してはいけません。

検算として、A区の標識酸素原子は 8.0・2 = 16 μmol、B区は 0 μmol です。両区の O₂ 総量はいずれも 8.0 μmol のままで、標識の有無によって総量を増やしていません。標識された O₂ 分子の物質量は、回収した O₂ 全体の物質量を超えず、0以上です。

標準例題：分子の内訳から原子の割合へ

自作の資料として、ある短時間の測定で回収した O₂ が 10.0 μmol あり、その分子の内訳は ¹⁶O₂ が 4.0 μmol、¹⁶O¹⁸O が 4.0 μmol、¹⁸O₂ が 2.0 μmol だったとします。背景の酸素は除いてあります。O₂ 中の ¹⁸O 原子の物質量と、酸素原子全体に対する ¹⁸O の割合を有効数字2桁で求めてください。¹⁶O¹⁸O は2種類の酸素原子を1個ずつ含む分子です。

3種類の O₂ の物質量を合計すると 4.0 + 4.0 + 2.0 = 10.0 μmol となり、回収した気体の総量と一致します。酸素原子の総量は分子の2倍です。標識原子は混合分子から1個ずつ、¹⁸O₂ から2個ずつ数えます。

酸素原子の総量 = 10.0 μmol・2 = 20.0 μmol
¹⁸O の量 = 4.0 μmol・1 + 2.0 μmol・2 = 8.0 μmol
¹⁸O の原子割合 = 8.0/20.0 = 0.40

答えは 8.0 μmol、0.40、すなわち 40% です。別解では、各分子群の標識原子の割合 0、1/2、1 を、その群の O₂ の物質量 4.0、4.0、2.0 μmol で重み付けして平均します。各分子が同じ2個の酸素原子を持つため、この平均は原子全体での割合と一致します。¹⁸O を少なくとも1個含む分子は 6.0 μmol で、分子割合は 60% です。この値を原子割合の答えにすると、混合分子の標識されていない側を数え落とします。

確認として ¹⁶O の量は 4.0・2 + 4.0・1 = 12.0 μmol です。¹⁸O の 8.0 μmol と足すと酸素原子の総量 20.0 μmol に戻ります。どちらも非負で、原子割合は 0 から 1 の間です。内訳が与えられない場合、原子割合だけから混合分子と両方標識された分子の量を一意に決めることはできません。

発展例題：時間の資料と測定の限界

次の表は自作の測定資料です。ある葉の試料に標識水を与え、同じ条件で光を当てます。各時刻の値は測定開始からその時刻までに回収された O₂ の累積量で、葉1試料当たりの値です。縦軸に累積 O₂ 量 μmol、横軸に時間 min を取れば、表の点を結ぶグラフとして読めます。表の標識量は背景信号を除いた ¹⁸O 原子の物質量で、単位を μmol とします。O₂ の回収率は全区間で等しく、標識酸素原子の交換は無視できるとします。

4分から6分の間に回収された O₂ の平均速度と、その区間の O₂ に含まれる酸素原子のうち ¹⁸O の割合を、有効数字2桁で求めてください。また、割合が変化した理由をこの表から断定できるか答えてください。

累積値を時間でそのまま割ると、開始からの平均になります。求める区間を切り出すには、6分の値から4分の値を引きます。

区間の O₂ = 11.0 - 7.0 = 4.0 μmol
平均速度 = 4.0 μmol/2 min = 2.0 μmol/min
区間の ¹⁸O 原子 = 4.6 - 2.2 = 2.4 μmol
区間の酸素原子総量 = 4.0・2 = 8.0 μmol
区間の標識原子割合 = 2.4/8.0 = 0.30

答えは 2.0 μmol/min、0.30 です。標識原子 2.4 μmol に非標識原子 5.6 μmol を加えると 8.0 μmol となり、O₂ 4.0 μmol の原子数に戻ります。2分から4分では、O₂ は 4.0 μmol、¹⁸O 原子は 1.6 μmol ですから、区間の割合は 1.6/8.0 = 0.20 です。標識割合が後半で高いことは読み取れますが、細胞内の水が標識水と混ざったためか、別の条件が変わったためかは、この表だけでは決まりません。

区間平均速度は2点を結ぶ線の傾きです。各時刻の瞬間速度や、区間内の細かな増減は表にありません。また O₂ の量は測定値ですが、水がどの速さで入れ替わったかは追加の仮定を要する推定です。酸素消費や回収率が変動する実験なら、その影響を測る対照も必要です。例えば標識なしで同じ光条件を測り、背景を調べます。光を当てない対照は暗所での気体変化の確認に役立ちますが、それだけで明所の呼吸量が同じと証明できるわけではありません。

仮説を「標識水中の酸素が放出 O₂ に移る」として試すなら、標識する物質を変え、光、温度、試料量と時間を一定にします。水の標識条件と CO₂ の標識条件を比べるときは、無標識区も置き、O₂ 分子全体の物質量と ¹⁸O 原子の物質量を分けて測ります。装置の漏れ、試料ごとの違い、標識の希釈、検出限界が誤差の候補です。回収量がゼロなら割合は計算できません。検出限界未満という結果も厳密なゼロと区別し、測定条件や対照を点検します。実験を行う際は学校の指導の下で扱います。

間違いの矢印を直す

誤答の例は「CO₂ が炭素固定に使われるので、放出 O₂ も CO₂ から生じる」です。原因は、炭素原子の行き先と、酸素原子の行き先を1本の矢印にまとめることです。図3のように、CO₂ の炭素は有機物へ、水の酸素は放出 O₂ へと、追う原子を矢印に書き添えます。CO₂ から炭素が固定されることは、放出 O₂ の由来を直接示しません。

もう1つの誤答は、標識分子の割合を、そのまま標識原子の割合とすることです。¹⁶O¹⁸O には標識原子が1個、¹⁸O₂ には2個あります。標準例題では両者を合わせた分子は総分子の 60% でしたが、標識原子は総原子の 40% でした。分母と数えたものを言葉で書き、分子を原子に変換してから割ります。

実験資料でも、標識が見えなければすぐ「移動しない」と書きがちです。検出限界、試料の混合、標識を与えた時間、対照の背景を確かめて初めて、どこまで言えるかが決まります。逆に標識が検出されても、交換や混入を除外できなければ直接の由来を一意に確定できません。予想に合うかどうかと、他の説明が残るかどうかを分けて記述します。

練習問題

以下はすべて自作の条件です。数値を測定結果として与えた問題では、記載された条件以外の混入と交換は無視します。割合は小数で答え、指定がある値は有効数字2桁で表してください。

1. 水の酸素をすべて ¹⁸O、CO₂ の酸素を ¹⁶O とした区で、光合成による O₂ を 6.0 μmol 回収しました。水が放出 O₂ の酸素源であるとき、¹⁸O₂ は何 μmol ですか。有効数字2桁で答えてください。

2. O₂ 5.0 μmol の内訳が ¹⁶O₂ 1.0 μmol、¹⁶O¹⁸O 3.0 μmol、¹⁸O₂ 1.0 μmol です。¹⁸O 原子の物質量と原子割合を有効数字2桁で求めてください。

3. 累積 O₂ が2分で 2.0 μmol、5分で 8.0 μmol、累積 ¹⁸O 原子がそれぞれ 0.40 μmol、2.8 μmol でした。2分から5分までの平均 O₂ 回収速度と、その区間の標識原子割合を有効数字2桁で求めてください。いずれも葉1試料当たりの量です。

4. 光を当てた同量の葉で、水を標識した区と CO₂ を標識した区を比較します。水を標識した区の放出 O₂ に標識が現れ、CO₂ を標識した区では検出限界以上の標識が現れませんでした。交換や混入がないとき、何を支持する結果ですか。また、無標識の対照を置く目的を1つ答えてください。

5. 回収した O₂ は 0 μmol で、標識原子も検出限界未満でした。標識原子割合を 0 と答えられますか。理由と、次に確かめる測定上の点を1つ答えてください。

練習の答えと道筋

1. 6.0 μmol です。水の酸素がすべて ¹⁸O で、水が O₂ の酸素源なら、回収した O₂ は両方の原子が標識されています。6.0 μmol の O₂ に含まれる標識原子は 12 μmol で、原子総量にも一致します。

2. ¹⁸O 原子は 5.0 μmol、原子割合は 0.50 です。混合分子から 3.0 μmol、両方標識された分子から 2.0 μmol の ¹⁸O が得られます。O₂ 5.0 μmol の酸素原子は 10.0 μmol なので 5.0/10.0 = 0.50 です。¹⁶O 側も 1.0・2 + 3.0 = 5.0 μmol で、合計は 10.0 μmol に戻ります。

3. 速度は 2.0 μmol/min、割合は 0.20 です。区間の O₂ は 8.0 − 2.0 = 6.0 μmol、時間は 3 min なので 6.0/3 = 2.0 μmol/min です。区間の ¹⁸O は 2.8 − 0.40 = 2.4 μmol、酸素原子は 6.0・2 = 12.0 μmol ですから 2.4/12.0 = 0.20 です。区間量を開始時の累積量に足すと O₂ は 8.0 μmol、¹⁸O は 2.8 μmol に戻ります。

4. 放出 O₂ の酸素が水に由来するという説明を支持します。2区は標識を与えた物質が異なり、検出対象はどちらも O₂ です。無標識対照では、試料や装置の背景信号を調べられます。検出限界未満を数学的なゼロと断定せず、測定感度の範囲で結論を述べます。

5. 0 とは答えられません。原子総量が 0 なら割合の分母が 0 となり、割り算が定義できないためです。例えば装置の漏れや回収・検出の感度を対照で点検します。実際に酸素が生じなかったことと、回収または検出できなかったことは、この結果だけでは区別できません。

手元に残す要点

水の酸素が光合成で放出される O₂ の源です。
標識する入力と検出する生成物を分けて比べます。
O₂ 分子1個に酸素原子は2個あります。
累積値の差が区間の量であり、割合の分母を確認します。
対照と検出限界を踏まえて結論の範囲を決めます。

どこで止まったかを見分ける

CO₂ の矢印から放出 O₂ まで一気に結んだ場合は、まず「炭素の行き先」と「酸素の行き先」を別の色や言葉で説明できるか確かめます。標識計算で止まった場合は、¹⁶O¹⁸O を1分子描き、標識原子と全原子をそれぞれ数えてから物質量へ広げます。

個別指導では、同じ資料について「何を変え、何を測ったか」「この結果と両立する別の説明は何か」を順に尋ねます。測定値から区間量を引き出せるか、答えを総量に戻して確かめられるかを見ると、計算と実験解釈のどちらで迷ったかが見えます。標識の印は、原子の行き先を問うための目印です。