代謝（知識）の問題

植物の光合成のしくみと、光合成速度を決める環境要因について述べた次の文のうち、正しいものを、次のア〜カからすべて選べ。

• ア　C4 植物では、葉肉細胞で取り込まれた $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ がまず C4 化合物として固定され、これが維管束鞘細胞に送られて $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ が放出され、カルビン回路に取り込まれる。
• イ　CAM 植物は、昼に気孔を開いて $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ を取り込み、夜に気孔を閉じてカルビン回路で $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ を有機物に固定する。
• ウ　光が十分に強く、$\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ 濃度が低い条件では、光をさらに強くしても光合成速度はほとんど変わらない。このときの限定要因は $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ 濃度である。
• エ　光が弱い条件では、温度を上げると光合成速度は大きく増加する。
• オ　トウモロコシやサトウキビなどの C4 植物は、C3 植物に比べて、高温で光が強い環境で光合成速度が大きくなりやすい。
• カ　CAM 植物では、C4 化合物の合成とカルビン回路が、葉肉細胞と維管束鞘細胞という異なる細胞で分担して行われる。

ある植物の葉を用いて、温度を $25{}^{\circ }\mathrm{C}$ に保ち、光の強さと空気中の二酸化炭素濃度を変えて光合成速度（相対値）を測定したところ、次の表の結果が得られた。温度以外の条件は表に示したものだけを変えたものとする。

この結果からわか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　弱い光のもとでは、光合成速度を限定している要因は二酸化炭素濃度である。
• イ　強い光・二酸化炭素濃度 $0.04\%$ のもとでは、光合成速度を限定している要因は光の強さである。
• ウ　弱い光のもとでは、光合成速度を限定している要因は光の強さである。
• エ　弱い光のもとでは、二酸化炭素濃度を $0.04\%$ から $0.10\%$ に上げると光合成速度は大きくなる。

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 $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ が発生するかどうかを調べた。

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 $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ 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 $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ 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。

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（$\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4^{+}$）だけを含み、炭素源として炭酸水素イオン（$\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ 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 ${\mathrm{N}}_2$ 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。

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。

ホウレンソウの葉をすりつぶして葉緑体を取り出し、葉緑体を壊したあと遠心分離して、チラコイド膜を含む画分 T と、ストロマの成分を含む画分 S に分けた。これらを使って、次の実験 1〜3 を行った。なお、$\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ が有機物に取り込まれたかどうかは、放射性同位体 ${}^{14}\mathrm{C}$ を含む $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ を与えて調べた。

実験 1　画分 T に、$\mathrm{NAD}{\mathrm{P}}^{+}$、ADP、リン酸を加えて光を当てたところ、${\mathrm{O}}_2$ が発生し、NADPH と ATP が生じた。

実験 2　画分 S に $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ を与え、暗所に置いたところ、$\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ は有機物に取り込まれなかった。

実験 3　実験 1 で光を当てたあとの液から画分 T を取り除き、残った液を画分 S に加えた。これに $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ を与え、暗所に置いたところ、$\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ が有機物に取り込まれた。

実験 1〜3 の結果と光合成のしくみについて述べた文として最も適当なものを、次のア〜オから 1 つ選べ。

• ア　実験 1 で発生した ${\mathrm{O}}_2$ は、光化学系 I で $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ が分解されて生じたものである。
• イ　実験 1 で ATP が生じたのは、${\mathrm{H}}^{+}$ がストロマ側からチラコイドの内側へ ATP 合成酵素を通って移動したためである。
• ウ　実験 3 では、$\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ は RuBP と結合して 2 分子の PGA になる反応で取り込まれ、この反応を触媒する酵素は画分 S に含まれている。
• エ　実験 1 で生じた NADPH は、光化学系 II から放出された電子が、光化学系 I を経ずに直接 $\mathrm{NAD}{\mathrm{P}}^{+}$ に渡されて生じたものである。
• オ　実験 3 で $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ が取り込まれたのは、画分 S にも光化学系 I と光化学系 II が含まれており、暗所でも反応が進んだためである。