発芽した種子を入れた装置で、細い管の液滴が動きました。この移動距離だけを見て、すぐに酸素の消費量と答えてよいでしょうか。種子が出した二酸化炭素の扱い、管の太さ、対照装置の変化を確かめてから、気体の体積へ直す必要があります。
本稿では、酸素を使う呼吸の測定を、与えられた条件から読み解きます。呼吸に使う装置や薬品を家庭で組み立てる案内ではありません。中学入試で初めて見る装置でも、何を取り除き、どの量を測っているかを整理すれば考えられます。
酸素が減っても、二酸化炭素が増える
種子の呼吸では酸素が使われ、二酸化炭素が放出されます。外へ漏れない容器であっても、酸素が減る一方で二酸化炭素が加わるため、気体全体の減り方をそのまま酸素の減り方にはできません。
例えば酸素が5mL減り、同じ温度・圧力で二酸化炭素が4mL増えた模型なら、二つを合わせた変化は1mLの減少です。全体の減少が小さいから、呼吸で使った酸素も少ないとは判断できません。
そこで二酸化炭素を吸収する部分を設け、放出された二酸化炭素が気体として残らない条件を作ります。水蒸気などの影響も無視または補正できるなら、減った気体の体積を酸素の取り込み量と対応させられます。吸収剤は種子に直接触れないよう隔てられた設定です。
液滴の移動を体積へ直す
細い管の断面積が一定なら、液滴が移動して掃き出した体積は「断面積×移動距離」です。1cm³は1mLなので、面積をcm²、距離をcmにそろえるとmLへ換算できます。
同じ3cmの移動でも、管の断面積が二倍なら体積は二倍です。移動が大きかった装置ほど呼吸量が大きい、と言うには、管の太さもそろえる必要があります。mmとcmが混在する表では、距離の単位を直してから掛けます。
ここでは圧力差を無視できる細管の液滴式装置として、体積の減少を液滴の移動で読み取れる条件を与えます。固い密閉容器の圧力低下を測る方式と、同じ読み方ではありません。装置の説明が違えば、換算の約束も確認し直します。
生物を入れない対照にも変化が出ることがある
気体は温度や外の気圧の変化でも体積が変わります。そのため、生物を入れず、同じような気体容積や管を持つ対照装置を用意する方法があります。対照で同じ向きへ動いた分が、共通の環境変化によるものだと指定されていれば、その分を差し引きます。
「対照を引けば必ず正解」というわけではありません。装置の気体量や温度条件が違えば、共通のずれとは限りません。以下の例題では、二つの装置に同じ体積変化が起こるよう条件がそろっているとします。
例題1：対照の変化を引いて呼吸量を求める
断面積0.02cm²の細管で、10分間に種子入り装置の液滴が4cm、対照装置の液滴が同じ向きへ1cm動きました。二酸化炭素は完全に吸収され、対照の変化は両装置に共通するものです。種子が取り込んだ酸素の体積と、1分間当たりの量を求めてください。
答え・解説：0.06mL、1分間当たり0.006mLです。 補正後の移動は4−1＝3cm。体積は0.02×3＝0.06cm³、つまり0.06mLです。これを10分で割って0.006mL/分になります。
種子側だけから求めた0.08mLには、対照にも見られた0.02mLの変化が混ざっています。差し引いた数字を酸素の量と呼べるのは、二酸化炭素や水蒸気の影響を処理した条件があるためです。
例題2：種子の重さと時間をそろえる
補正後の酸素消費量が、Aでは種子2gを10分測って0.12mL、Bでは種子3gを20分測って0.30mLでした。同じ温度・測定法とし、種子1g、1分間当たりで比べるとどちらが大きいですか。
答え・解説：Aが大きく、Aは0.006、Bは0.005mL/(g・分)です。 Aは0.12÷2÷10、Bは0.30÷3÷20で求めます。装置全体の0.30という値だけを見るとBですが、種子量も観察時間もBの方が多くなっています。
Aの値はBの1.2倍です。ただしこの比較だけで、種子の種類や健康状態が原因だと断定はできません。発芽の進み具合など、そろっていない条件がないかをさらに見ます。
減少しない結果にも、複数の説明がある
液滴が動かないとき、呼吸がないと即断するのは避けます。二酸化炭素が吸収されていない、装置が漏れている、測定時間が短い、といった可能性も考えられます。観測されたことと、それを説明する原因の候補は分けます。
装置図には「酸素を使う」「二酸化炭素を吸収する」「体積を読む」の三か所を書き込んでください。複雑に見える実験も、物質の出入りと測定の役割を分けると、計算の意味まで説明できるようになります。
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