憂しと見し世ぞ今は恋しき

中学受験理科講座　植物のつくりとはたらき(3)〜光合成・呼吸・蒸散〜

haruyou

植物のつくりとはたらき（3）解説動画

光合成のしくみ

光合成とは

Haru_You
我々動物は食事によって養分をとるけど、植物は養分を取ることはできないよね。
じゃあ、どうやって生命活動を維持しているのか、ということを考えてみよう。

根から肥料を吸収してるから、それが栄養になるんじゃないの？
はるか

Haru_You
肥料の成分は生命活動のエネルギーにはならないんだ。
人間だって土食べても腹膨れないだろ。
植物は養分を他から取るのではなく、自分で作り出しているんだ。

どうやって？
はるか

Haru_You
そのはたらきが光合成というものだね。
植物は光合成を行うことによって、養分を作り出すことができるんだ。

光合成のしくみ

で、どうやって光合成をするの
はるか

Haru_You
植物の体内、特に葉の表側には葉緑体という緑色の色素がある。
この葉緑体が光合成の工場というか台所というか、にあたるんだ。
で、光合成で養分をつくる材料は水と二酸化炭素。
水は根から、二酸化炭素は気孔から取り込んでくる。

水も二酸化炭素も植物は簡単に取り込むことができるよね。
はるか

Haru_You
で、葉緑体では水と二酸化炭素を材料に、太陽の光をエネルギーとして養分（デンプン）を作り出すことができるんだ。
光合成で養分をつくるとき、おまけで酸素も発生する。

太陽の光を浴びるだけで養分ができるってことは、お腹が膨れるってことだよね。
人間も葉緑体があって光合成できたら便利なのにね。
はるか

Haru_You
いつか遺伝子操作で葉緑体人間が生まれるかもね。
でも、全身葉緑体で緑色だからナメック星人みたいになるぞ。

光合成で作ったデンプンのゆくえ

Haru_You
もういちど光合成についてまとめると、植物は葉緑体で水と二酸化炭素を材料に、日光をエネルギーにして、養分と酸素を生み出しているということだね。

光合成でつくった養分でからだを成長させたり、根や茎に蓄えたりするんだね。
はるか

Haru_You
うん、光合成で作った養分はデンプンなんだけど、そのままじゃ全身に運べないんだ。
デンプンは水に溶けないからね。
いったん、水に溶ける糖に分解した後、師管を通って全身に運ばれて使われるのを覚えておいて。

光合成の実験

アサガオの葉の準備

Haru_You
光合成でデンプンができることを確認する実験として、アサガオを使ったものがよくテストに出るんだ。
この手順を覚えておこう。
まず、一晩暗いところにアサガオを置いておく。
これで葉の中からデンプンはなくなるんだ。

かわいそうだけど、わざと光合成させないってことね。
はるか

Haru_You
次に、葉っぱにいくつか処理をする。
まず、葉の中に白い「ふ」の部分があるものを探そう。
その部分には葉緑体がないから、葉緑体のある部分と比較できるんだ。
それと、葉の一部にアルミ箔をかぶせておくことで、日光をあてない部分をつくっておくよ。

葉緑体と日光が光合成に使われるか確かめるためだね。
はるか

Haru_You
あと、水酸化ナトリウム水溶液をしみこませたろ紙を用意する。
水酸化ナトリウム水溶液は二酸化炭素を吸収するから、光合成に二酸化炭素が使われるかの確認ができるんだ。
図のように葉っぱの用意をしたら、葉っぱに十分日光を当てて光合成させてから摘みとるよ。

アサガオの葉の処理

Haru_You
摘みとった葉を、まずはお湯で柔らかくするんだ。

なんで？
はるか

Haru_You
生の葉っぱのままだと、薬品がしみこまないからね。
生の白菜と鍋の白菜でどっちがポン酢しみこむか考えてみな。
アサガオの葉を熱湯で柔らかくすることで、薬品をしみこみやすくするってこと。
次に、アサガオの葉をアルコールに漬けることで葉緑体を溶かすんだ。

それはなんで？
はるか

Haru_You
この後使うヨウ素液という薬品は焦げ茶色していて、デンプンがあると紫色になるのは知っているよね。
葉っぱが緑色のままだと、緑＋焦げ茶も緑＋紫もほぼ黒色になっちゃって、反応がわかりにくいんだ。
アルコールには葉緑体を溶かす効果があるから、葉の緑色を抜いて白っぽくすることで、ヨウ素液の色を見やすくするのが目的だよ。
このとき、アルコールは温かいほうがいいんだけど直接火にかけると危険なので、湯せんするのが普通かな。

光合成の実験結果

葉緑体と日光

ここまで準備したら、葉っぱを洗ってのばしてヨウ素液をつけるのね。
はるか

Haru_You
うん、うまく光合成できているものはデンプンができて青むらさき色になり、光合成してないものはヨウ素液の焦げ茶色のままになる。
で、ここでわかるのはまず「ふの部分」「アルミ箔をかぶせた部分」が光合成していないということ。

ふの部分には葉緑体がなかったから、アルミ箔の部分は日光がなかったから光合成できなかったんだね。
はるか

Haru_You
うん、これで光合成には葉緑体と日光が必要だということが証明されたね。

二酸化炭素

Haru_You
あと、水酸化ナトリウム水溶液に二酸化炭素を吸収させたもの、これも光合成が行われていないんだ。
砂糖を燃やすとこげて炭になるのを見てわかるとおり、デンプンや糖には炭素が含まれているから、二酸化炭素を材料にしないと光合成できないんだよ。

水酸化ナトリウム水溶液が光合成の話で出てきたら、二酸化炭素をなくすために使われているってことね。
はるか

Haru_You
うん、そして水酸化ナトリウム水溶液があると光合成できない、二酸化炭素がなくなるからということを覚えておこう。

呼吸のしくみ

細胞の呼吸

呼吸は口や鼻で息を吸って肺に酸素を送り込むことでしょ。
植物はこれもできないよね。
はるか

Haru_You
いや、肺やえらで行う呼吸（外呼吸）とは別の意味の呼吸があってね。
呼吸という言葉は、全身の細胞で行われるエネルギーを生み出す反応も表しているんだ。
これは植物、動物のどちらも行っているよ。

どうやってエネルギーを生み出しているの？
はるか

Haru_You
養分に酸素を反応させると、エネルギーが発生するんだ。
酸素を反応させるって、燃やすのと同じ意味だからね。
熱のエネルギーが発生するのはなんとなくイメージできるだろ。

じゃあさ、肺で呼吸してるのって、もしかして細胞で呼吸するのに酸素が必要だから？
はるか

Haru_You
そうだね。
動物なら肺やえらから取り込み、植物は気孔から取り込んだり自分で作り出した酸素を使って細胞内呼吸をしているんだ。
この細胞内呼吸により生命活動のエネルギーが生み出されているんだよ。

植物も見た目ではわからないけど呼吸しているの？
動かないからエネルギー必要なさそうだけど。
はるか

Haru_You
特に発芽や開花の瞬間なんかはエネルギーが多く必要だから、激しく呼吸しているんだよ。

呼吸の産物

Haru_You
呼吸で使われる養分は、もともとは植物が光合成で作り出すものなんだ。
だって、動物は自分で養分を作れないしね。

ということは、もともと水と二酸化炭素でできていたんだね。
あ、だから人間も呼吸すると二酸化炭素を放出するの？
はるか

Haru_You
その通り。呼吸では養分と酸素からエネルギーを取りだし、水と二酸化炭素が後に残されるんだ。

えーと、それって･･･
はるか

呼吸と光合成

呼吸と光合成は逆向きの反応

Haru_You
気がついたと思うけど、呼吸と光合成は逆向きの反応なんだよね。
二酸化炭素と水から養分と酸素が作られるのが光合成で、養分と酸素から二酸化炭素と水になるのが呼吸だね。
光合成のときは養分にエネルギーを取り込み、呼吸のときは養分からエネルギーを取り出すことができるんだ。

植物は両方やってるから、自分の中で完結できるんだね。
はるか

Haru_You
植物は光合成のときできた酸素を使って呼吸して、そのとき発生した二酸化炭素でまた光合成できるからね。
二酸化炭素を吸収して酸素を放出していることになるんだよ。

光合成と呼吸の量

補償点グラフ

でもさ、昼間は光合成するから二酸化炭素を吸収するけど、夜は光合成できないから二酸化炭素を放出しちゃうよね。
それに、日当たりが悪ければ養分を作れなくて、いずれ枯れちゃうことになるじゃん。
はるか

Haru_You
そうだね、植物が二酸化炭素を吸収し、枯れないでいるためには一定の光の量がひつようになるね。
そのちょうどぴったり、枯れないでいるために必要な光の量を補償点というんだ。

補償点より光が強くなれば、それだけたくさん養分作れるの？
はるか

Haru_You
うん、一定の光の量までは光が強くなれば光合成による養分の生産や二酸化炭素の消費量は増えるけど、ある強さの光で光合成量は一定になるんだ。
それを光飽和点というけど、こっちはテストにあんま出ないかな。

蒸散のしくみ

蒸散とは

Haru_You
植物のはたらきには光合成、呼吸ともう1つ蒸散がある。
蒸散とは植物の体内の水を水蒸気として放出することだね。

光合成は養分をつくるため、呼吸はエネルギーをつくるためだよね。
じゃあ、蒸散は何のためなの？
はるか

Haru_You
まず1つの目的が、蒸散することで根からの水をの吸収をさかんにするためだね。
道管は気孔から根までつながっているから、気孔から水が出ていけばストローのように根から水が吸い上げられるんだよ。
もう1つが、体温の調節だね。
日差しが強いときや気温が高いときなど、蒸散による気化熱で体温の上昇を防ぐんだ。

あ、だから暑い日の植物は水分がなくなってしおれちゃうんだね。
はるか

気孔と蒸散

さっき気孔って言葉が出てきたけど、蒸散は気孔でするの？
はるか

Haru_You
うん、葉の裏に多くある気孔から水蒸気を放出しているんだ。

それはどうやって確認できるの？
はるか

Haru_You
塩化コバルト紙という青い紙があるんだけど、塩化コバルト紙は水分を含むとピンク色に変色するんだ。
葉の表と裏の両方に塩化コバルト紙をつけると、裏につけたほうが先にピンク色になるから、葉の裏から蒸散していることがわかるんだよ。

蒸散量の実験

蒸散量の実験準備

Haru_You
また、葉の裏から多く蒸散していることを確認する実験があるんだ。
まず、同じくらいの大きさ・枚数の葉がついた枝を3本と、葉をむしった枝を用意する。
葉のついた枝のうち、1本は葉の表にワセリンを、1本は葉の裏にワセリンを塗る。

ワセリンってなに？
はるか

Haru_You
べたべたしたクリームだよ。
ワセリンを塗ると気孔がふさがって、蒸散できなくなるんだ。
この4本の枝を同じ量の水を入れた試験管に差し、試験管の水面に油を浮かべる。

油を浮かべるのはなんで？
はるか

Haru_You
蒸散量を正確に計算するのに、試験管の水面から水が蒸発するのを防ぐためだね。

蒸散量の測定

Haru_You
数日間、陽当たりのいいところに置いておくと蒸散によって試験管の水量が減っているんだ。

ここでは、何もしてない枝が27mm、葉の表にワセリンを塗ったものが19mm、葉の裏にワセリンを塗ったものが10mm、枝だけのものが2mm、水面が下がったのね。
はるか

Haru_You
一般的には水面の高さで計測するけど、試験管の断面積がわかれば体積も計算できるからね。

蒸散量の計算

各部分からの蒸散量

枝しかないものも2mm蒸散してるんだね。
はるか

Haru_You
なので、他の枝も2mm蒸散していると考えられるんだ。
すると、裏にワセリンを塗ったものは葉から10-2＝8mm蒸散したと考えられるし、表にワセリンを塗ったものは19ｰ2＝17mm蒸散したことになるよね。

裏にワセリン塗ってたら、表からしか蒸散してないし、表にワセリンを塗ってたら裏からしか蒸散してないよね。
だから表から8mm、裏から17mm蒸散してるってことか。
はるか

植物のつくりとはたらき(3)　一問一答演習問題プリント

植物のつくりとはたらき（3）

植物のつくりとはたらき（3）

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はるか