代謝（知識）の問題

難易度 4国公立二次の標準レベル高校生物代謝（知識）

畑の土壌から細菌を含む液を少量とり、次の実験を行った。

実験有機物を含まず、窒素源としてアンモニウムイオン（ $N H_{4}^{+}$ ）だけを含み、炭素源として炭酸水素イオン（ $C O_{2}$ のもとになる）を含む培地を用意した。この培地に土壌の液を加え、暗所で 3 つの条件で 21 日間培養した。

条件 1：空気を通じながら培養した。
条件 2：酸素を除いた気体（窒素 $N_{2}$ と二酸化炭素）を通じながら培養した。
条件 3：加熱して細菌を死滅させた土壌の液を加え、空気を通じながら培養した。

条件 1 の培地中の窒素化合物の濃度（窒素原子の量に換算した相対値）と細菌数（相対値）の変化は次の表のとおりであった。条件 2・条件 3 では、21 日間、窒素化合物の濃度も細菌数もほとんど変化しなかった。

培養日数	$N H_{4}^{+}$	$N O_{2}^{-}$	$N O_{3}^{-}$	細菌数
0 日	10	0	0	1
7 日	5	4	1	8
14 日	0	3	7	20
21 日	0	0	10	25

この実験の結果から考えられることとして最も適当なものを、次のア〜オから 1 つ選べ。

ア　条件 1 で細菌が増殖したのは、細菌が光エネルギーを利用して、二酸化炭素から有機物を合成したためである。
イ　条件 1 で細菌が増殖したのは、細菌が空気中の窒素を固定して、培地中の窒素化合物を増やしたためである。
ウ　条件 1 で細菌が増殖したのは、細菌が窒素化合物の酸化で得たエネルギーで、二酸化炭素から有機物を合成したためである。
エ　条件 1 で細菌が増殖したのは、細菌が培地中の有機物を分解して得たエネルギーで、硝酸イオンを合成したためである。
オ　条件 1 で起こった窒素化合物の変化は、条件 2 の結果から、酸素がなくても進む反応であることがわかる。

この問題で使うもの

化学合成（説明と入口の問題）

この問題を解けるようになるまで（74 技能）

算数中学高校大学大学院

読み込み中…

右端（太枠）がこの問題で使う技能です。左へドラッグすると、さらに前の前提をさかのぼれます。技能を押すと、そこまでの道筋が光ります。

一覧で見る（前提が先）

ヒント

行き詰まったら、上から順に 1 つずつ開いてください。

ヒント 1

培地の成分（有機物の有無）と培養条件（明暗、酸素の有無）から、細菌がどこからエネルギーを得られるかを考えよう。窒素化合物の合計量の変化にも注目する。

ヒント 2

$N H_{4}^{+} \to N O_{2}^{-} \to N O_{3}^{-}$ の変化は酸化であり、無機物を酸化して得たエネルギーで炭酸同化を行うはたらきを化学合成という。

ヒント 3

暗所であることからア、有機物がないことからエ、条件 2 の結果からオ、窒素化合物の合計が一定であることからイを検討すると、選択肢をしぼれる。

答えと解説

答えを見る

ウ

結果を記録する（このブラウザにだけ保存されます）:

解説を読む

条件 1 では、 $N H_{4}^{+}$ が減少し、 $N O_{2}^{-}$ がいったん増えてから減少し、最後に $N O_{3}^{-}$ が増えている。各時点の窒素化合物の合計は

0 日： $10 + 0 + 0 = 10$
7 日： $5 + 4 + 1 = 10$
14 日： $0 + 3 + 7 = 10$
21 日： $0 + 0 + 10 = 10$

で一定であり、 $N H_{4}^{+} \to N O_{2}^{-} \to N O_{3}^{-}$ と順に酸化されたことがわかる。これは亜硝酸菌・硝酸菌などの硝化菌による硝化の過程である。

培地には有機物がなく、培養は暗所で行われたので、細菌は有機物の分解でも光合成でもエネルギーを得られない。それにもかかわらず細菌数が増えているので、細菌は無機物（ $N H_{4}^{+}$ , $N O_{2}^{-}$ ）を酸素で酸化して得た化学エネルギーを使って、 $C O_{2}$ から有機物を合成した（化学合成）と考えられる。酸素がない条件 2 や、細菌を死滅させた条件 3 では変化が起こらないことも、この考えと矛盾しない。したがって正解はウである。

ア：誤り。培養は暗所で行っているので、光エネルギーは利用できない。
イ：誤り。条件 1 で窒素固定が起これば、空気中の $N_{2}$ からアンモニウムイオンがつくられて培地中の窒素化合物の合計が増えるはずだが、実際には合計は 10 のまま一定で、増えていない。
エ：誤り。培地には有機物が含まれていないので、有機物の分解でエネルギーを得ることはできない。
オ：誤り。酸素を除いた条件 2 では窒素化合物の変化が起こっていないので、この反応には酸素が必要であることがわかる。

別解

表より、条件 1 では $N H_{4}^{+}$ が減って $N O_{2}^{-}$ を経て $N O_{3}^{-}$ が増えている。窒素原子の合計は各時点で 10（例: 7 日で $5 + 4 + 1 = 10$ 、14 日で $0 + 3 + 7 = 10$ ）のままで、窒素化合物の総量は増えていない。細菌数は 1 から 25 に増えている。培地には有機物がなく暗所なので、この細菌は光合成ではなく、アンモニウムイオンや亜硝酸イオンの酸化で得たエネルギーで二酸化炭素から有機物を合成（化学合成）している。これは硝化細菌のはたらきである。

各選択肢の検討。
ア: 暗所で培養しており、光エネルギーは利用できない。誤り。
イ: 窒素化合物の窒素原子の合計は 10 のまま変わらず、窒素固定で増えていない。誤り。
ウ: $N H_{4}^{+} \to N O_{2}^{-} \to N O_{3}^{-}$ の酸化でエネルギーを得て、二酸化炭素から有機物を合成する化学合成であり、結果と一致する。正しい。
エ: 培地に有機物は含まれていない。また硝酸イオンは分解で得たエネルギーで合成されるのではなく、アンモニウムイオンの酸化によって生じる。誤り。
オ: 酸素を除いた条件 2 では窒素化合物の濃度が変化しなかったので、この反応は酸素がないと進まないとわかる。「酸素がなくても進む」は誤り。

よって答えはウ。条件 3 でも変化がないことから、変化は生きた細菌のはたらきによるとも確かめられる。

この問題の確認

AI が作成した問題です。公開前に次の確認を行いました。

別の AI が答えを見ずに 3 回解き、3 回とも同じ答えになりました
AI の査読で、条件・解説・表記を確認しました
答えの正しさについて慎重に扱うべき点が見つからなかったため、自動で公開しました

確認の方法について

間違いを報告する

この問題の誤り・分かりにくい点・難易度や学年のずれを知らせる

関連する問題

難易度 3（共通テストレベル）
2 種類の植物 P と Q の葉を用いて、次の実験を行った。
実験温度を $30^{\circ} C$ に保ち、十分に水を与えた状態で、空気中の $C O_{2}$ 濃度を変えながら、光を当てた葉の見かけの光合成速度（ $C O_{2}$ 吸収速度、相対値）を測定した。光の強さは、これ以上強くしても、どの $C O_{2}$ 濃度でもどちらの植物の見かけの光合成速度も変化しない強さとした。負の値は、葉から $C O_{2}$ が放出されたことを示す。結果を次の表に示す。
$C O_{2}$ 濃度（%） 0.005 0.01 0.02 0.04 0.08
植物 P 12 30 45 45 45
植物 Q $- 3$ 6 20 33 45
この実験の結果から考えられることとして最も適当なものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。
- ア　植物 P では、 $C O_{2}$ 濃度が 0.02% から 0.08% の範囲で、見かけの光合成速度を限定している要因は $C O_{2}$ 濃度であり、 $C O_{2}$ 濃度を上げるほど見かけの光合成速度は大きくなる。
- イ　植物 Q では、 $C O_{2}$ 濃度が 0.04% のとき、見かけの光合成速度を限定している要因は光の強さであり、光をさらに強くすれば見かけの光合成速度は大きくなる。
- ウ　植物 Q を、この実験の光と温度の条件のもとで $C O_{2}$ 濃度 0.005% の空気中で長時間育てると、光合成で有機物が合成されるので、植物体の有機物の量は増加していく。
- エ　植物 P は、 $C O_{2}$ 濃度が低くても見かけの光合成速度が大きい。これは、葉肉細胞で $C O_{2}$ を $C_{4}$ 化合物として固定し、それを維管束鞘細胞に運んで $C O_{2}$ を放出させ、カルビン回路に $C O_{2}$ を供給するしくみをもつためと考えられる。
- オ　植物 P は、夜間に気孔を開いて取り込んだ $C O_{2}$ を $C_{4}$ 化合物として液胞に蓄え、昼間は気孔を閉じてそれを分解した $C O_{2}$ で光合成を行うため、この実験の条件で $C O_{2}$ を盛んに吸収したと考えられる。

$C O_{2}$ 濃度（%）	0.005	0.01	0.02	0.04	0.08
植物 P	12	30	45	45	45
植物 Q	$- 3$	6	20	33	45

難易度 3（共通テストレベル）

酵母をすりつぶしてしぼり汁をつくり、次の実験を行った。

実験しぼり汁をセロハン膜の袋に入れ、大量の水の中に十分な時間浸して透析した。セロハン膜は、水や低分子の物質は通すが、タンパク質のような高分子の物質は通さない。透析後、袋の中に残った液を「内液」とした。袋の外の水は濃縮して、もとのしぼり汁と同じ体積にし、「外液」とした。また、内液や外液の一部を煮沸して冷ましたものも用意した。これらを次の表のように混ぜて、適温で一定時間保ち、二酸化炭素 $C O_{2}$ が発生するかどうかを調べた。

実験	加えたもの	$C O_{2}$ の発生
1	透析前のしぼり汁＋グルコース	あり
2	内液＋グルコース	なし
3	外液＋グルコース	なし
4	内液＋外液＋グルコース	あり
5	煮沸した内液＋外液＋グルコース	なし
6	内液＋煮沸した外液＋グルコース	あり
7	内液＋外液（グルコースは加えない）	なし

この実験の結果から考えられることとして最も適当なものを、次のア〜オから 1 つ選べ。

ア　内液に含まれる活性に必要な成分は熱に強く、外液に含まれる活性に必要な成分は熱によってはたらきを失う。
イ　実験 2 で $C O_{2}$ が発生しなかったのは、透析の操作によって内液中の酵素が変性し、はたらきを失ったためである。
ウ　外液に含まれる活性に必要な成分は、セロハン膜を通過する低分子の物質で熱に強く、補酵素のような物質と考えられる。
エ　実験 4 で $C O_{2}$ が発生したのは、外液中の成分が基質となり、内液中の酵素によって分解されたためである。
オ　外液に含まれる活性に必要な成分は、透析の前後を通じて内液中の酵素と強く結合しており、透析では酵素から離れない。

難易度 1（教科書の例題レベル）

亜硝酸菌を用いて、次の実験を行った。

有機物を含まず、二酸化炭素を十分に含む無機塩類の培地 A・B を用意した。培地 A にはアンモニウムイオン $N H_{4}^{+}$ を加え、培地 B には加えなかった。それぞれに同じ数の亜硝酸菌を入れ、光の当たらない暗所で、同じ温度で数日間培養した。培養の前後で調べた結果を次の表に示す。

培地	$N H_{4}^{+}$ の量	亜硝酸イオン $N O_{2}^{-}$ の量	硝酸イオン $N O_{3}^{-}$ の量	亜硝酸菌の数
A（ $N H_{4}^{+}$ あり）	減少した	増加した	検出されなかった	増加した
B（ $N H_{4}^{+}$ なし）	検出されなかった	検出されなかった	検出されなかった	増加しなかった

この結果から考えられることとして最も適当なものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。

ア　亜硝酸菌は、光のエネルギーを利用して二酸化炭素から有機物を合成している。
イ　亜硝酸菌は、アンモニウムイオンを酸化して得た化学エネルギーを利用して、二酸化炭素から有機物を合成している。
ウ　亜硝酸菌は、培地中の有機物を分解して得たエネルギーを利用して増殖している。
エ　亜硝酸菌は、亜硝酸イオンを硝酸イオンに酸化して得た化学エネルギーを利用している。