見かけの光合成速度と光の強さ

ある植物の葉 $100{\text{cm}}^2$ に、温度と二酸化炭素濃度を一定にしてさまざまな強さの光を当て、1 時間あたりに葉が外部から吸収した二酸化炭素の量を測定したところ、次の表のようになった。この測定値は、光合成で取り込んだ量から呼吸で放出した量を差し引いた量（見かけの吸収量）であり、負の値は二酸化炭素を放出したことを表す。

呼吸速度は光の強さによらず一定であるとする。この葉 $100{\text{cm}}^2$ に $10$ キロルクスの光を $3$ 時間当て続けたとき、この葉が $3$ 時間に光合成そのものによって取り込んだ二酸化炭素の総量（呼吸による放出を差し引かない量）は何 mg か。

ある植物 1 個体を、温度を一定に保った装置に入れ、一定の強さの光を当てたとき（明期）と光を当てないとき（暗期）に、1 時間あたりの酸素の出入りを測定したところ、次の表のようになった。

この植物を、明期と暗期の合計が 24 時間になるように、同じ条件で 1 日育てる。光合成でつくられる有機物と呼吸で分解される有機物はすべてグルコース ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6$ であり、光合成と呼吸は次の反応式で表されるものとする。
$$6C{\mathrm{O}}_2+12{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}⟶{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6+6{\mathrm{O}}_2+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$$
$${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6+6{\mathrm{O}}_2+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}⟶6C{\mathrm{O}}_2+12{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$$
また、呼吸の速さは明期と暗期で同じであり、それぞれの期間中、表の速さは一定であるとする。原子量は $\mathrm{H}=1$, $\mathrm{C}=12$, $\mathrm{O}=16$ とする。

この植物の 1 日のグルコースの増加量を $60\text{mg}$ にするには、明期を何時間にすればよいか。

ある植物を鉢ごと透明な容器に入れ、温度と二酸化炭素濃度を一定に保った。この状態でさまざまな強さの光を当て、植物体全体が 1 時間あたりに吸収する二酸化炭素の量を測定したところ、次の表のようになった。負の値は、二酸化炭素を放出したことを表す。

この植物を同じ温度と二酸化炭素濃度の条件のもとに置き、1 日（24 時間）のうち $t$ 時間は 10 キロルクスの光を当て、残りの $(24-t)$ 時間は暗黒にした。この 1 日で、植物体に含まれるグルコースの量がちょうど $60\text{mg}$ 増加したとき、$t$ の値を求めよ。

ただし、次のように考えるものとする。
- 呼吸速度は、光の強さにかかわらず一定である。
- 光合成で吸収した二酸化炭素はすべてグルコースの合成に使われ、呼吸ではグルコースだけが分解される。
- 光合成と呼吸は、どちらも反応式 $6{\text{CO}}_2+12{\text{H}}_2\text{O}\rightleftarrows {\text{C}}_6{\text{H}}_{12}{\text{O}}_6+6{\text{O}}_2+6{\text{H}}_2\text{O}$ にしたがって進む。
- 原子量は $\text{H}=1$, $\text{C}=12$, $\text{O}=16$ とする。

陽生植物 A と陰生植物 B の葉を用意し、温度 $25^{\circ }\text{C}$、二酸化炭素濃度を一定にして、さまざまな強さの光を当てた。葉 $100{\text{cm}}^2$ あたり 1 時間あたりの二酸化炭素の吸収量 [mg] を測定したところ、次の表のようになった。負の値は二酸化炭素を放出したことを表す。

次に、植物 A, B の葉（どちらも面積 $100{\text{cm}}^2$）を同じ条件で次のように 1 日（24 時間）育てた。

• 昼の 12 時間：温度 $25^{\circ }\text{C}$ で、一定の強さ $L$ [klx] の光を当てる。
• 夜の 12 時間：温度 $15^{\circ }\text{C}$ の暗黒に置く。

ただし、次のことを仮定する。

• 呼吸速度は光の強さによらず、$25^{\circ }\text{C}$ では表の光の強さ $0\text{klx}$ のときの値に等しい。
• $15^{\circ }\text{C}$ での呼吸速度は、植物 A, B のどちらも $25^{\circ }\text{C}$ での呼吸速度のちょうど半分である。
• 表の測定点の間では、二酸化炭素の吸収量は光の強さに対して直線的に（一次関数的に）変化する。
• 昼の条件は表の測定条件と同じで、二酸化炭素濃度などの他の条件は 1 日を通して一定である。

1 日あたりの二酸化炭素の吸収量の差し引き（吸収量から放出量を引いたもの）が植物 A と植物 B で等しくなるのは、$L$ が何 klx のときか。ただし $0\leqq L\leqq 12$ とする。

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 $30{}^{\circ }\mathrm{C}$ に保ち、十分に水を与えた状態で、空気中の $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ 濃度を変えながら、光を当てた葉の見かけの光合成速度（$\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ 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 $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ 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 $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ が放出されたことを示す。結果を次の表に示す。

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、$\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ 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 $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ 濃度であり、$\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ 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、$\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ 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 $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ 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、$\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ 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 $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ を ${\mathrm{C}}_4$ 化合物として固定し、それを維管束鞘細胞に運んで $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ を放出させ、カルビン回路に $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ 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 $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ を ${\mathrm{C}}_4$ 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 $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ で光合成を行うため、この実験の条件で $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ を盛んに吸収したと考えられる。

ある植物の葉に、温度と二酸化炭素濃度を一定にしてさまざまな強さの光を当て、葉 $100{\text{cm}}^2$ あたり 1 時間あたりの二酸化炭素の吸収量を測定したところ、次の表のようになった。負の値は二酸化炭素を放出したことを表す。

この植物の葉面積 $200{\text{cm}}^2$ の部分に、同じ温度・二酸化炭素濃度のもとで、1 日（24 時間）のうち 10000 ルクスの光を 10 時間、6000 ルクスの光を 2 時間当て、残りの 12 時間は暗黒においた。

この 1 日の間に、この葉面積 $200{\text{cm}}^2$ の部分で増加した有機物の量を、グルコースに換算すると何 mg か。

ただし、呼吸速度は光の強さに関係なく一定とし、光合成でつくられる有機物と呼吸で分解される有機物はすべてグルコースとする。光合成と呼吸の反応は、全体として次の式で表されるものとし、原子量は $\mathrm{H}=1$, $\mathrm{C}=12$, $\mathrm{O}=16$ とする。

$$6\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+12{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}⟶{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6+6{\mathrm{O}}_2+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\text{光合成})$$
$${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6+6{\mathrm{O}}_2+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}⟶6\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+12{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\text{呼吸})$$

ある植物 1 個体を透明な密閉容器に入れ、光の条件と温度を変えて、容器内の二酸化炭素量の 1 時間あたりの変化を測定した。結果は次の表のとおりである。光 A は強い光、光 B は弱い光である。

この植物を、同じ条件のもとで次のように 1 日（24 時間）育てた。まず $25^{\circ }\text{C}$ で光 A を何時間か照射し、続けて $25^{\circ }\text{C}$ で光 B を 4 時間照射し、残りの時間はすべて $15^{\circ }\text{C}$ の暗黒に置いた。この日、植物が光合成によってつくったグルコースの総量は $528\text{mg}$ であった。

この日 1 日の植物体の有機物の増加量は、グルコースに換算して何 mg か。

ただし、光合成の産物と呼吸の基質はすべてグルコース ${\text{C}}_6{\text{H}}_{12}{\text{O}}_6$ とし、光合成と呼吸の反応式は次のとおりとする。原子量は $\text{H}=1$, $\text{C}=12$, $\text{O}=16$ とする。
$$6{\text{CO}}_2+12{\text{H}}_2\text{O}⟶{\text{C}}_6{\text{H}}_{12}{\text{O}}_6+6{\text{O}}_2+6{\text{H}}_2\text{O}$$
$${\text{C}}_6{\text{H}}_{12}{\text{O}}_6+6{\text{O}}_2+6{\text{H}}_2\text{O}⟶6{\text{CO}}_2+12{\text{H}}_2\text{O}$$
また、光を照射しているときの呼吸速度は、同じ温度の暗黒での呼吸速度と等しいものとする。各条件での速度は時間によらず一定であり、容器内の二酸化炭素濃度の変化は光合成速度・呼吸速度に影響しないものとする。