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理科 · 光合成の場所と材料

葉から出る酸素はCO₂の酸素？光合成の場所と原子の行き先を追おう

編集：ひと息遊戯・ひと息学び 運営 · 公開日： · 編集方針

光合成では、二酸化炭素を取り込み、酸素を放出する。そう聞くと、「CO₂からCを取り去ればO₂が残るのかな？」と考えたくなります。けれども、緑色植物が光合成で放出するO₂の酸素原子は、水に由来します。

この違いを、反応が起こる場所、有機物になる炭素、放出される酸素という3つの問いに分けて見ていきましょう。同じ光合成でも、何の場所・何の原子を尋ねているかで、答えが変わります。

第1例題：葉緑体は場所、葉緑素は色素

第1例題で尋ねる小器官は、葉緑体です。その内部のチラコイド膜には、光を吸収する葉緑素（クロロフィル）などの色素があります。「体」で終わる葉緑体と「素」で終わる葉緑素を、場所と、そこにある物質として結びつけましょう。

葉の細胞の中へ、さらに葉緑体の中へ、と視点を近づけます。葉緑体という答えは「どこで？」に対応しますが、それだけで材料の原子がどこへ行くかまでは説明していません。

第2例題：有機物のCをたどると、CO₂へ戻る

第2例題は「炭素源となる気体」を尋ねます。有機物へ組み込まれる炭素は、二酸化炭素CO₂から取り込まれます。このようにCO₂の炭素を有機物へ組み込む過程が炭素固定です。

ここでは紙に「CO₂のC → 有機物のC」と書きます。光は反応を支えるエネルギーを供給しますが、光そのものが炭素原子になるわけではありません。また、この矢印はCだけを追っているので、CO₂のOが放出O₂になるという意味はありません。

第3例題：放出O₂の原子をたどると、水へ戻る

第3例題では、追う対象を炭素から「放出されるO₂の酸素原子」へ切り替えます。光反応では水から電子が取り出され、水が酸化される過程で酸素が生じます。したがって答えは水です。別の線で「水のO → 放出O₂のO」と書きましょう。

水の酸化だけを式で表すと、2 H₂O → O₂ ＋ 4 H⁺ ＋ 4 e⁻ となります。H⁺は水素イオン、e⁻は電子です。左の水2分子にはOが計2個あり、右のO₂のO2個に対応します。Hは左右とも4個、電荷も右の＋4と−4が打ち消し合います。これは水の酸化を切り出した半反応式で、光合成全体を表す式ではありません。

反応式の「数合わせ」と、原子の「通り道」を分けよう

光合成の代表的な正味の式は、6 CO₂ ＋ 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ ＋ 6 O₂ と書けます。光エネルギーの入力が必要です。この式では反応前後のC・H・Oの総数がそろいますが、その数合わせだけで個々の原子がたどる道筋を決めることはできません。

CO₂にもH₂OにもOが含まれます。「Oという文字があるから」と選ばず、炭素固定と水の酸化という実際の過程に戻りましょう。3例題を解き終えたら、「場所は葉緑体」「有機物のCはCO₂から」「放出O₂のOは水から」の3行を、答えを見ずに説明してみてください。

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まずは例題で確かめる

選択肢を比べてから「答えと解説を読む」を開いてください。ここで読んだ例題は、テストの解答や成績として保存されません。

例題 1 · 生物・植物

光合成で葉緑素を含む主な小器官は？

  1. ゴルジ体
  2. リソソーム
  3. 葉緑体
  4. 核
答えと解説を読む

正解：葉緑体

葉緑体のチラコイド膜などに色素があります。

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例題 2 · 生物・植物

植物の光合成で炭素源となる気体は？

  1. 二酸化炭素
  2. 酸素
  3. 窒素
  4. 一酸化炭素
答えと解説を読む

正解：二酸化炭素

光合成でつくる有機物の炭素は、二酸化炭素CO₂から取り込まれます。炭素固定は、CO₂の炭素を有機物へ組み込む過程です。光はエネルギー源、水は別の反応材料なので、エネルギーの供給と炭素の供給を分けて考えます。

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例題 3 · 生物・植物

光合成で放出される酸素の原子は主に何に由来する？

  1. 窒素
  2. デンプン
  3. 水
  4. 二酸化炭素
答えと解説を読む

正解：水

光反応で水が酸化され酸素が生じます。

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