小さな苗が育ち、太い幹になります。増えた木の重さは、全部土から来たのでしょうか。根が土に入っているため、土を吸い上げて木へ変えているように想像しやすいところです。しかし、木の体を作る材料には、空気中の二酸化炭素や水も関わっています。
光合成で作られる有機物の炭素は、取り込んだ二酸化炭素に由来します。土から得る無機養分も必要ですが、「根から取り込むもの」と「体の重さのすべて」を同じにしないでください。成長を重さで読むときは、まず水を含んだ重さなのか、乾燥させた重さなのかを確認します。
空気にも、体の材料になる物質がある
空気は目に見えないため、材料として数え忘れがちです。二酸化炭素は気体ですが、重さがあり、炭素を含む物質です。植物は光合成によって二酸化炭素と水から有機物を作り、その一部を幹や根などの体づくりに使います。
ここで太陽の光も図に入れます。ただし、光は光合成に必要なエネルギーとして区別します。「日光がそのまま木の材料の粒になる」という図にしないでください。物質がどこから来るかを示す矢印と、エネルギーの矢印を分けると、説明が整理できます。
土が不要という話でもありません。根を支える場所になり、水や無機養分を供給する役割があります。材料の由来を詳しく考えることと、必要な条件を一つ削ってしまうことは違います。「全部土」も「土は何もしていない」も、どちらも行きすぎです。
水を吸っただけの増加を、成長と決めない
切った葉や茎に水が多く含まれると、重くなります。その重さが増えただけでは、新しく有機物が増えたとは限りません。水の影響を分けたいときには、同じ方法で乾燥させた試料の重さを比較します。これが乾燥重量を使う理由です。
乾燥後に残るものも、すべて炭素ではありません。有機物には炭素以外の成分も含まれ、無機成分も残ります。乾燥重量、炭素量、二酸化炭素量という三つの数字が資料に並んだら、同じものを別の名前で呼んでいるとは考えないでください。
また、乾燥の手順がそろっていなければ比較できません。家庭で火にかけて焦がすことは、乾燥とは別の変化を起こします。以下は測定済みの資料を読む例題であり、植物を自分で燃やす実験ではありません。
例題1｜水が多い苗と、乾燥重量が大きい苗
同じ種類の苗AとBを収穫して量ると、Aは80g、Bは70gでした。同じ手順で十分に乾燥させると、Aは12g、Bは14gでした。乾燥で失われた分を水とみなす模型で、含まれていた水の重さを求めてください。また、乾燥重量が大きいのはどちらですか。
答え・解説： Aの水は80−12＝68g、Bは70−14＝56gです。乾燥重量はBの14gの方が大きくなっています。収穫直後にはAの方が重かったのに、乾燥後は順序が逆です。
ただし、この二つの値だけで「Bの方が速く育った」とは決められません。栽培期間や、栽培前の大きさも必要だからです。現在の量を比べることと、一定期間に増えた量を比べることは別です。表に測定日と処理方法を書き加えるだけで、答えられる問いがはっきりします。
土の減りだけでは、出入りを全部数えられない
鉢で苗を育てて、木が増えた量と土が減った量を比較する話があります。しかし、鉢の上は空気に開いており、水も加えます。葉からは気体や水蒸気も出ていきます。鉢と木だけを量って、出入りのない閉じた箱として扱うことはできません。
実験結果から「減った土だけでは木の増加を説明できない」と考えることはできます。それでも、空気や水のどの成分が何g入ったのかまで、一度の重さの差だけで確定はできません。材料の由来を調べるには、重さの測定に加え、光合成に関する別の証拠も必要です。
例題2｜乾燥重量を、そのまま炭素量にする？
ある教材では、増えた木の乾燥重量のうち、炭素が占める割合を50％とする模型を使います。木の乾燥重量が600g増えたとき、増えた炭素は何gですか。また、「二酸化炭素を300g取り込んだ」と言い換えてよいでしょうか。
答え・解説： 炭素は600×0.50＝300gです。しかし、二酸化炭素300gとは言い換えられません。二酸化炭素の重さには、炭素だけでなく酸素の分も含まれるからです。
50％はこの模型で指定された値です。どんな植物でも、どの部分でも、必ずちょうど半分になるという規則ではありません。換算するときは、何を元に、何の割合を使って、どの量を求めたかを一行ずつ残します。単位がどちらもgだからといって、炭素と二酸化炭素を同じ数にしないでください。
一本の木の増加と、森林全体の収支は別
育つ木が炭素を蓄える一方、植物は呼吸もしています。落ち葉や枯れた部分の分解なども、森林全体の物質の出入りに関わります。一本の幹の増加を、そのまま森全体で一年間に吸収した二酸化炭素の量とすることはできません。
入試の資料では、どこまでを量ったかが大切です。「幹だけ」「根も含む」「水分を除いた後」といった小さな注記が、計算の意味を決めます。木が大きくなるという身近な変化から、測定する範囲と物質の行き先を考えてみてください。
光合成と呼吸の差し引きは光合成の収支を読む、植物から離れた後の物質は落ち葉が減ったら、全部土になった？につながります。