光を当てた葉が重くなったとしても、生の重さだけでは光合成で養分が増えたとは言い切れません。葉に入った水や、蒸散で出た水によっても重さが変わるからです。そこで、同じ面積の葉を切り取り、十分に乾燥させた後の重さを比べるという考え方があります。
ただし、乾燥させれば何でも正確に分かるわけではありません。葉の厚さや葉脈の量が違えば、初めから乾燥重量が違うことがあります。中学入試の実験問題では、比較する面積、葉の状態、測定する時間をそろえ、さらにどの変化を無視するかを読み取ることが大切です。
水の増減を外し、葉に残った量を比べる
乾燥重量とは、ここでは同じ方法で水を十分に除いた後の重さです。同じ葉片を乾燥させて量った後、再び生きた葉として光を当てることはできません。そのため、実験前と実験後では別の葉片を使い、初めの性質が同程度とみなせる組を用意します。
光合成で作った養分の一部は呼吸で使われ、別の部分へ運ばれることもあります。乾燥重量の増加だけを、作られた養分の全量と呼ぶのは早すぎます。以下の例題では、外へ運ばれる養分はなく、光を当てた組と暗所の組で同じ量が呼吸により失われるという模型を使います。
例題1｜明るい組の増加と、暗い組の減少
初めの乾燥重量が同じとみなせる葉の試料を用意しました。いずれも葉の面積は合計20cm²です。開始時の試料は乾燥後100mg、2時間光を当てた試料は108mg、2時間暗所に置いた試料は96mgでした。上の模型に従い、光を当てた組で光合成によって加わった乾燥物の量を求めてください。
答え・解説： 明るい組に残った増加は108−100＝8mgです。暗い組で減った100−96＝4mgを、同じ時間の呼吸による損失とみなします。明るい組でも4mg失ったので、光合成で加わった量は8＋4＝12mgと推定できます。
明るい組108mgと暗い組96mgの差12mgとしても同じ答えになります。ただし、差を取ればいつでも光合成量になるのではありません。初めの乾燥重量と呼吸による損失を等しくみなせる条件が必要です。この例題のmgは非常に小さい重さを表す単位で、1gは1000mgです。面積や時間の違いを直す前に、重さの単位もそろえます。
葉を何枚使ったかより、面積の合計を見る
丸く打ち抜いた葉片を10枚ずつ集めても、一枚の大きさが違えば公平な比較になりません。同じ面積にそろえるか、最後に1cm²当たりへ換算します。また、太い葉脈がたくさん入る部分と、葉脈の少ない部分では、乾燥後の重さが違うことがあります。場所を偏らせず、複数の試料で確かめる工夫が必要です。
葉の半分を覆う操作についても、光を遮る以外に温度や空気の流れを変えないか注意します。覆った側と覆わない側が同じ条件だと書かれていれば、その範囲で比較できます。問題にない誤差を勝手に数値へ足す必要はありませんが、結論を現実のすべての植物へ広げることも避けます。
例題2｜大きな試料ほど光合成が盛ん？
Aは面積20cm²を2時間調べ、模型上の光合成による増加量が12mgでした。Bは面積30cm²を3時間調べ、増加量が18mgでした。両方とも同じ方法で呼吸分を補正済みです。1cm²、1時間当たりで比べると、どちらの値が大きいですか。
答え・解説： Aは12÷20÷2＝0.3mg、Bは18÷30÷3＝0.2mgです。そろえた尺度ではAの方が大きく、Bの1.5倍です。合計だけを見るとBの18mgが大きいのですが、Bは広い面積を長い時間測っています。
20cm²と2時間を掛けた40で12mgを割ると考えてもよいでしょう。分母には、測定に参加した葉の広さと時間の両方が入ります。この比較だけでAの植物が常に優れているとは言えません。光の強さ、温度、葉齢などが変われば測定値も変わります。今回そろえた条件の中での速さを比較しています。
「乾燥重量の増加」と「作った糖の重さ」を区別する
結果の表には、乾燥させる前の見かけの厚さではなく、採取面積と乾燥後のmgを並べましょう。試料番号を付けずに皿だけを入れ替えると、明所と暗所の対応が失われます。条件をそろえることは、植物を育てる段階だけでなく、採取、乾燥、計量、記録の各段階にも必要です。図から条件を読み取る練習では、どの番号がどの処理の葉なのかを最初に結んでおくと確実です。
実際の葉には糖やデンプン以外の物質もあり、呼吸や物質の移動も続いています。本稿の値は指定された模型に基づく乾燥物の増加の推定で、糖を直接取り出して量った数値ではありません。また、酸素の発生量を測る方法とは測定の対象が異なります。
解答では「明所で増えた8mg」に何がすでに差し引かれているかを説明してみてください。暗所の4mgを足す理由は、光合成が暗所でも起きたからではなく、明所で失われた分を見積もるためです。数字の足し算より、その数字が何の出入りを表すかを言葉にできれば、光合成の収支を読み違えにくくなります。