酵母が糖を利用して二酸化炭素を出したとき、その全部を発酵によるものとしてよいでしょうか。酵母は条件によって酸素を使う呼吸も行います。二酸化炭素が出たという結果だけでは、糖がどの経路で使われたかを一つに決められません。
中学入試の初見資料では、呼吸と発酵について反応の割合を与え、気体の増減から内訳を求める問いが考えられます。ここでは糖をブドウ糖とし、増殖などへの利用を除いた単純な模型で考えます。実際の培養結果を、そのままこの二経路だけで説明する記事ではありません。
酸素を使う側を先に確定する
ブドウ糖を酸素を使って完全に分解する呼吸では、二酸化炭素と水が生じます。アルコール発酵では、酸素を使わずにエタノールと二酸化炭素が生じます。どちらでも二酸化炭素が出るため、先に酸素の消費量から呼吸側の量を求めると整理しやすくなります。
酸素があるなら発酵は絶対に起こらない、とまで一般化しないでください。酵母の種類や糖の濃さなどによって、酸素があっても発酵が行われる場合があります。問題では「二つの経路だけを考える」「どんな割合で気体が出入りするか」という指定を読みます。
同じ量の糖を基準にした表
計算のため、同じ量のブドウ糖を「糖1単位」と呼びます。気体の量も共通の単位「目盛り」でそろえます。糖1単位が呼吸に使われると酸素6目盛りを消費し、二酸化炭素6目盛りを出すとします。同じ糖1単位がアルコール発酵に使われると、酸素は使わず二酸化炭素2目盛りを出すものとします。
この6対2という対応は、同じ量のブドウ糖を比べた模型です。糖の1単位を勝手に1g、気体の1目盛りを勝手に1mLとして読み替えません。実際の質量と気体の体積を結びつけるには、その温度・圧力での換算が別に必要です。
例題1：二酸化炭素の残りを求める
上の模型で、酸素が60目盛り消費され、二酸化炭素が100目盛り生じました。呼吸と発酵に使われた糖は、それぞれ何単位ですか。気体の漏れや液への溶け込みは補正済みとし、糖はこの二つの経路だけで使われます。
答え・解説： 酸素を使うのは呼吸側なので、呼吸に使われた糖は60÷6＝10単位です。この分から二酸化炭素も60目盛り生じます。全体100から60を引いた40目盛りが、発酵による分です。
発酵では糖1単位から二酸化炭素2目盛りなので、40÷2＝20単位の糖が使われました。糖の合計は30単位で、呼吸へ使われた割合は10÷30＝3分の1です。二酸化炭素の割合60÷100＝60％とは一致しません。同じ量の糖から出る気体の量が、二経路で違うためです。
容器の気体の増加は発生量そのものではない
閉じた容器の気体が40目盛り増えたとしても、二酸化炭素が40目盛りしか生じなかったとは限りません。酸素60目盛りが減り、二酸化炭素100目盛りが増えれば、差し引きで40目盛り増えます。
このような読みには、温度と圧力、容器の仕組み、他の気体の変化などの条件が必要です。水蒸気やエタノール蒸気の影響を無視するのか、液に溶けた二酸化炭素をどう扱うのかも指定されます。生じた気体をすべて捕集した資料と、容器内の正味の増減だけを示す資料は、同じではありません。
例題2：糖の利用量が同じなら
糖30単位を、すべて呼吸に使う場合と、すべてアルコール発酵に使う場合を比べます。上の反応比を使い、それぞれ酸素の消費量、二酸化炭素の発生量、両気体の差し引きの増加量を求めなさい。
答え・解説： 全部呼吸なら酸素180目盛りを使い、二酸化炭素180目盛りが生じます。二つを差し引いた増加量は0です。全部発酵なら酸素は0、二酸化炭素は60目盛りで、差し引き60目盛り増えます。
したがって、気体が増えなかったという観察だけで「糖が使われていない」と言うことはできません。呼吸の例では、気体の種類が入れ替わっていても合計が変わらないからです。逆に、気体の増加が大きい方が、必ず多くの糖を使ったとも限りません。
現実の実験へ戻すときの境界
実際の酵母は、糖の一部を体をつくる材料にも使います。培養液に二酸化炭素が溶けたり、測定中に条件が変わったりすることもあります。そのため、この計算は、条件を限定した入試用の収支模型として理解します。
資料を読むときは、「酸素から呼吸分を求める」「全二酸化炭素からその分を引く」「残りを発酵の反応比で糖へ戻す」という順序で三行に分けてください。糖の割合と気体の割合を一度に計算しようとせず、同じ物差しの量どうしを引き算することが、内訳を求めるポイントです。
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