生物のからだのはたらきの問題

メダカとオオカナダモを使って、水にとけている酸素の量の変化を調べた。実験では、ふたをして空気が出入りしない透明な容器に水を入れて使い、水温はつねに一定に保った。結果は次のとおりであった。

• 実験 1：メダカ 1 匹だけを入れた。光を当てても当てなくても、水にとけている酸素の量は 1 時間あたり $0.6\text{mg}$ ずつ減少した。
• 実験 2：オオカナダモ $20\text{g}$ だけを入れ、光を当てなかった。水にとけている酸素の量は 1 時間あたり $0.8\text{mg}$ ずつ減少した。
• 実験 3：オオカナダモ $20\text{g}$ だけを入れ、一定の強さの光を当てた。水にとけている酸素の量は 1 時間あたり $2.4\text{mg}$ ずつ増加した。

次に、同じようにふたをした容器にメダカ 5 匹とオオカナダモ $50\text{g}$ を入れた。1 日（24 時間）のうち、何時間かは実験 3 と同じ強さの光を当て、残りの時間は光を当てないようにする。1 日たったときに、水にとけている酸素の量がはじめの量より減っていないようにするには、光を当てる時間を 1 日あたり少なくとも何時間にすればよいですか。

ただし、オオカナダモが呼吸で使う酸素の量は光を当てても当てなくても変わらず、オオカナダモの光合成と呼吸の量はオオカナダモの質量に比例するものとする。また、メダカとオオカナダモ以外の生物のはたらきは考えず、どの生物のはたらきも水にとけている酸素の量によって変わらないものとする。

同じ量の水を入れた透明なびん A, B, C を用意し、すき間なくふたをして、水の温度を一定に保ったまま、一定の強さの光を当てた。それぞれのびんの水にとけている酸素の量の変化を調べたところ、次のようになった。

• びん A：同じ大きさのオオカナダモを 1 本だけ入れた。酸素の量は 1 時間あたり $0.3\text{mg}$ ずつ増えた。
• びん B：メダカを 1 ぴきだけ入れた。酸素の量は 1 時間あたり $1.5\text{mg}$ ずつ減った。
• びん C：何も入れなかった。酸素の量は変化しなかった。

同じびんに、びん B と同じメダカ 1 ぴきと、びん A と同じオオカナダモを何本か入れ、同じ条件で光を当てる。びんの水にとけている酸素の量が減らないようにするには、オオカナダモを最も少なくて何本入れればよいですか。

ただし、オオカナダモ 1 本あたりの酸素の量の変化と、メダカが使う酸素の量は、いっしょに入れても変わらないものとする。

ある植物の苗を温度が一定の部屋で育て、植物全体にふくまれる有機物（デンプンなど）の質量の変化を調べたところ、次のことがわかった。

• 光を当てているとき：植物全体の有機物の質量は、1 時間あたり $9\text{mg}$ ずつ増加した。
• 光を当てていないとき：植物全体の有機物の質量は、1 時間あたり $3\text{mg}$ ずつ減少した。

この植物に、1 日（24 時間）のうち何時間か光を当て、残りの時間は光を当てないようにする。1 日たったときに植物全体の有機物の質量が、はじめと比べて増えも減りもしないようにするには、1 日に何時間光を当てればよいですか。ただし、光を当てているときと当てていないときの有機物の質量の変化の割合は、それぞれ上の値のまま一定であるものとする。

ある鉢植えの植物を、透明で空気が出入りしない大きな容器に入れ、容器内の二酸化炭素の量の変化を調べた。温度はつねに一定に保った。結果は次のとおりであった。

• 光を当てないとき：容器内の二酸化炭素は 1 時間あたり $12\text{mg}$ ずつ増えた。
• 強い光を当てたとき：容器内の二酸化炭素は 1 時間あたり $30\text{mg}$ ずつ減った。
• 弱い光を当てたとき：容器内の二酸化炭素は 1 時間あたり $4\text{mg}$ ずつ減った。

この植物に、1 日（24 時間）のうち強い光を 6 時間、弱い光を $t$ 時間当て、残りの時間は光を当てないようにした。このとき、24 時間で、植物が光合成によって吸収した二酸化炭素の量と、植物が呼吸によって放出した二酸化炭素の量がちょうど等しくなった。$t$ は何時間ですか。

ただし、$t$ は $0<t<18$ を満たす数とする。また、植物の呼吸によって放出される二酸化炭素の量は、光の有無や強さに関係なく 1 時間あたり一定であり、強い光・弱い光を当てたときの光合成の量もそれぞれ 1 時間あたり一定であるものとする。容器内の二酸化炭素の量は、植物の光合成と呼吸だけによって変化し、容器内の二酸化炭素がなくなることはないものとする。

ある植物の苗を、透明で空気が出入りしない容器に入れ、容器内の二酸化炭素の量の変化を調べた。光を当てるときは、つねに同じ強さの光を当てた。結果は次のとおりであった。

• 温度 $25^{\circ }\text{C}$ で光を当てないとき：容器内の二酸化炭素は 1 時間あたり $6\text{mg}$ ずつ増加した。
• 温度 $25^{\circ }\text{C}$ で光を当てたとき：容器内の二酸化炭素は 1 時間あたり $18\text{mg}$ ずつ減少した。
• 温度 $15^{\circ }\text{C}$ で光を当てないとき：容器内の二酸化炭素は 1 時間あたり $3\text{mg}$ ずつ増加した。

この植物が光合成によってとり入れる二酸化炭素の量は、光の強さが同じならば、$15^{\circ }\text{C}$ と $25^{\circ }\text{C}$ で変わらないものとする。また、呼吸で出す二酸化炭素の量は、温度が同じならば光を当てても当てなくても変わらないものとする。

次に、この苗と同じ種類・同じ大きさの苗を 2 つ用意し、一方を一日中 $25^{\circ }\text{C}$ に保った部屋 A に、もう一方を一日中 $15^{\circ }\text{C}$ に保った部屋 B に置いた。どちらの部屋でも、1 日（24 時間）のうち同じ $x$ 時間だけ上と同じ強さの光を当て、残りの時間は光を当てなかった。すると、1 日の間に苗が差し引きで外からとり入れた二酸化炭素の量は、部屋 B の苗が部屋 A の苗の 2 倍になった。$x$ は何時間ですか。