乾燥した環境に適応した植物の中には、主に夜に気孔を開いて二酸化炭素を取り込み、いったん蓄えた炭素を昼に利用するものがあります。CAMと呼ばれる仕組みです。夜に二酸化炭素を取り込むという一つの結果から、「光がなくても普通に光合成を完成させる」とまとめないことが大切です。
外から取り込む時刻と使う時刻は別
気孔を開くと気体を出し入れできますが、水蒸気も失われやすくなります。昼の暑く乾いた時間に気孔を閉じることは、水の損失を抑える方向に働きます。夜に取り込んだ炭素を有機酸などの形で一時的に蓄え、昼に光を利用する過程へつなぐのが、この仕組みの中心です。
この説明は、すべての乾燥地の植物が同じ反応をするという意味ではありません。サボテンに多い仕組みとして知られていますが、植物の種類や水分条件で気体の出入りは変わります。中学入試ではCAMという略語そのものより、資料が示す昼夜のグラフを、ふだんの植物のグラフとどう区別するかが重要です。
例題1 昼夜を通じた正味の取り込み
ある葉の外気との二酸化炭素のやり取りを、1時間あたりの単位量で示しました。夜10時間は毎時3を取り込み、昼14時間は毎時0.5を外へ出しました。この条件が続いた1日では、正味いくつを取り込みましたか。
答え・解説： 夜の取り込みは3×10＝30、昼の放出は0.5×14＝7なので、差は23です。昼に外へ出たから一日全体でも放出だった、と判断してはいけません。時間ごとの速さに、その状態の続いた時間を掛け、出入りの向きをそろえて差し引きます。
この23は外気との正味交換量です。葉の中で一時的に放出され、もう一度利用された二酸化炭素まで、すべて外気のグラフへ現れるわけではありません。外から測った矢印と、体内で行われる変化を混同しないことが、この題材で特に大切になります。
例題2 夜に蓄えた量と昼の消費
夜明けに、葉の中の一時的な蓄えに炭素量を表す値が40ありました。日没には10になり、その間に新たに蓄えへ入った分や別経路の損失はない模型です。昼に取り出された量はいくつですか。この値を、そのまま外気から昼に吸収した量といえますか。
答え・解説： 40−10＝30が取り出されています。しかし、それは葉の内部の蓄えから出た量であり、昼の外気からの吸収量ではありません。夜に取り込んでためた材料を、昼に使う条件を表しています。場所を表す箱を一つ増やすだけで、グラフの見かけの矛盾を整理できます。
蓄えが減ったことだけで、その全量が糖になったとまでいうには、使われた経路の条件が必要です。例題では「取り出された量」を求めています。問われた範囲を超えて、成長量や呼吸量を勝手に決めないようにしましょう。
呼吸しない植物という意味ではない
CAM植物も生きている細胞で呼吸をします。「昼は光合成、夜は呼吸」とだけ覚えた表を当てはめると、夜の取り込みを異常と考えてしまいます。気体交換の測定は、複数の過程を合わせた結果であることを思い出してください。夜の外気からの取り込みが見えても、呼吸がなくなったという証拠ではありません。
図には、夜の外気から一時貯蔵へ、昼の一時貯蔵から利用へという二つの矢印を分けて描きます。昼の太陽の印は、光を使う段階の近くへ置きます。夜の取り込みの矢印へ太陽を描かないことが、図と説明を一致させる小さな工夫です。身近な植物の知識を否定するのでなく、いつ、どこで、何を測ったかを加えて読むと、初めて見る資料にも対応できます。
昼夜の二つの表を重ねて読む
この植物を調べる資料では、外気との二酸化炭素のやり取りを示す表と、葉や茎の内部にある貯蔵物の量を示す表が別々に出ることがあります。夜に外から取り込んだ分を内部へ一時的に置き、昼にそこから使うと考えれば、昼間の外気からの吸収が小さくても、光を利用する反応が止まったとはいえません。窓口から入ってくる量と倉庫から出して使う量を別に記録するように、植物の外側と内側に二本の境界線を引くと読み違いを防げます。
例題の夜三単位、昼〇・五単位という数値は、どちらも一時間当たりです。夜と昼の長さが違うので、単に三から〇・五を引いた値は一日の収支になりません。表の数値が速さなのか、期間中の合計なのかを確かめてから時間を掛けます。途中で取り込みの速さが変わるグラフなら、区間ごとに計算して合計する必要があります。昼夜を一組と呼んでも、二つの区間を同じ長さとして扱う理由にはなりません。
CAMという仕組みは乾燥への適応を考える題材になりますが、水がなくても生きられるという意味ではありません。気孔を開く時刻を変えることは水の損失を抑える工夫の一つです。また、その時刻や強さは植物の種類や条件で変わります。入試ではサボテンという名前だけから数値を決めず、提示された測定条件に従います。夜に気孔を開くという説明を、夜にだけ光を必要とする反応が進むという説明に変えてしまわないことも、記述で確かめたい点です。