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Plant nutrition · ⁨植物の栄養⁩

IGCSE Biology · ⁨IGCSE 生物⁩ · Topic 6 · ⁨トピック 6⁩

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7:36

光合成

植物は狩りをすることも、動くこともできません。したがって、空気中のガス、土壌からの水、そして光を用いて、ほぼゼロから自分の食糧を作ります。あなたが食べる的每一餐…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨英語ナレーション・英語+中文字幕 burning-in⁩

6.1

Photosynthesis · ⁨光合成⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
Core Supplement
1 Describe photosynthesis as the process by which plants synthesise carbohydrates from raw materials using energy from light
2 State the word equation for photosynthesis as: carbon dioxide + water $\rightarrow$ glucose + oxygen in the presence of light and chlorophyll 10 State the balanced chemical equation for photosynthesis as: $6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2$
3 State that chlorophyll is a green pigment that is found in chloroplasts
4 State that chlorophyll transfers energy from light into energy in chemicals, for the synthesis of carbohydrates
5 Outline the subsequent use and storage of the carbohydrates made in photosynthesis, limited to: (a) starch as an energy store (b) cellulose to build cell walls (c) glucose used in respiration to provide energy (d) sucrose for transport in the phloem (e) nectar to attract insects for pollination
6 Explain the importance of: (a) nitrate ions for making amino acids (b) magnesium ions for making chlorophyll
7 Investigate the need for chlorophyll, light and carbon dioxide for photosynthesis, using appropriate controls
8 Investigate and describe the effects of varying light intensity, carbon dioxide concentration and temperature on the rate of photosynthesis
9 Investigate and describe the effect of light and dark conditions on gas exchange in an aquatic plant using hydrogencarbonate indicator solution
11 Identify and explain the limiting factors of photosynthesis in different environmental conditions
日本語
コア サプリメント
1 植物が光エネルギーを用いて原料から炭水化物を合成するプロセスとして光合成を記述する
2 光合成の言葉式を「二酸化炭素+水 $\rightarrow$ 光とクロロフィルの存在下で、ブドウ糖+酸素」であると述べる 10 光合成の化学反応式を「$6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2$」であると述べる
3 クロロフィルが緑色の色素であり、葉緑体中に存在することを述べる
4 クロロフィルが光からのエネルギーを化学エネルギーへ転換し、炭水化物の合成に寄与することを述べる
5 光合成によって生成された炭水化物の後の利用および保存について、以下の範囲で概説する:(a) エネルギー貯蔵物質としてのデンプン (b) 細胞壁の構成要素としてのセルロース (c) 呼吸によってエネルギーを提供するために使用されるグルコース (d) 篩管による輸送のためのスクロース (e) 授粉のために昆虫を誘引するための蜜
6 以下の重要性を説明する:(a) アミノ酸の合成に必要な硝酸イオン (b) クロロフィルの合成に必要なマグネシウムイオン
7 適切な対照を用いて、光合成にクロロフィル、光、二酸化炭素が必要であることを検証する
8 光強度、二酸化炭素濃度、および温度を変化させた場合の光合成速度への影響を検証・記述する
9 バイカルボン酸指示液を用いて、水生植物における光条件および暗条件がガス交換に与える影響を検証・記述する
11 異なる環境条件下での光合成の律速要因を同定・説明する

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English
Photosynthesis: inputs and outputs

Photosynthesis 光合作用 is the process by which plants make carbohydrates 碳水化合物 from simple raw materials 原料, using energy 能量 from light. It is how plants feed themselves.

The word equation

$$\text{carbon dioxide} + \text{water} \rightarrow \text{glucose} + \text{oxygen}$$

In words: plants take in carbon dioxide 二氧化碳 and water, and make glucose 葡萄糖 and oxygen 氧气. This reaction can only happen in the light, and only where there is chlorophyll 叶绿素.

(Supplement) The balanced chemical equation is:

$$6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2$$

What chlorophyll does

Chlorophyll is a green pigment 色素 found in the chloroplasts 叶绿体. It traps light and transfers the energy from light into energy stored in chemicals. That chemical energy is then used to build carbohydrates.

What the plant does with the glucose

Use What happens
store changed to starch 淀粉, an energy store that does not dissolve
build made into cellulose 纤维素 to build cell walls 细胞壁
release energy broken down in respiration 呼吸作用 to release energy
transport changed to sucrose 蔗糖 and moved around the plant in the phloem 韧皮部
attract animals made into nectar 花蜜 to attract insects 昆虫 for pollination 传粉

Minerals from the soil

Plants also take up mineral ions 离子 from the soil through their roots:

  • nitrate ions 硝酸根离子 — needed to make amino acids 氨基酸 (and so proteins).
  • magnesium ions 镁离子 — needed to make chlorophyll.

A plant short of nitrate grows poorly with weak stems; a plant short of magnesium has yellow leaves (it cannot make enough chlorophyll).

The rate of photosynthesis

The rate 速率 of photosynthesis depends on three things:

  • light intensity 光照强度 — more light gives a faster rate, up to a point.
  • carbon dioxide concentration 浓度 — more carbon dioxide gives a faster rate.
  • temperature 温度 — a warmer temperature is faster, until it gets so hot that the enzymes are denatured.

(Supplement) At any moment, the one factor that is in shortest supply holds back the rate. This is called the limiting factor 限制因素. For example, on a dull day light intensity is usually the limiting factor; on a bright day carbon dioxide may be.

Worked example. On a graph of rate against light intensity, the line rises steeply at first and then levels off flat. Which factor is limiting on each part? On the rising part, adding light raises the rate, so light intensity is the limiting factor there. On the flat part, adding more light changes nothing, so light is no longer limiting - something else is, usually carbon dioxide concentration or temperature. The test is always the same: if adding more of a factor speeds the reaction up, that factor was the one holding it back.

Investigating photosynthesis

To show that a plant needs light, chlorophyll and carbon dioxide, you test a leaf for starch after taking one of them away. A control 对照 keeps every other condition the same, so the test is fair. (First leave the plant in the dark to use up its starch.) A leaf with green and white parts shows starch only in the green parts, which have chlorophyll.

You can also watch gas exchange 气体交换 in a water plant using hydrogencarbonate indicator 指示剂, which changes colour as the carbon dioxide level changes. In the light the plant takes in carbon dioxide for photosynthesis; in the dark it gives out carbon dioxide from respiration.

日本語
光合成:入力と出力
日差しを背にした緑の葉
緑の葉は光合成のために日光を捕獲します。

光合成とは、植物が光からのエネルギーを用いて、単純な原料から炭水化物を作るプロセスです。これが植物自身の栄養源となります。

言葉による式

$$\text{carbon dioxide} + \text{water} \rightarrow \text{glucose} + \text{oxygen}$$

言葉で表すと:植物は二酸化炭素と水を取り込み、ブドウ糖と酸素を作ります。この反応は光がある場合のみ、かつクロロフィルが存在する場合にのみ起こります。

(補足) 平衡化学方程式は以下の通りです:

$$6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2$$
太陽からの光エネルギーが到達し、二酸化炭素と水が入力され、ブドウ糖と酸素が出力されるチオプラストの模式図。下部に言葉による式を示す
光合成は光を使って二酸化炭素と水を取り込み、ブドウ糖と酸素を作ります
苔の葉細胞の光学顕微鏡写真:各長方形の細胞は小さな緑色の楕円形のチオプラストで満たされている
顕微鏡下で見た同じチオプラスト:苔の葉細胞内に詰まっており、緑色はクロロフィル

クロロフィルの役割

クロロフィルはチオプラストに含まれる緑色色素です。光を捕らえ、光エネルギーを化学物質に蓄えられたエネルギーへ変換します。この化学エネルギー subsequently 炭水化物の合成に使われます。

植物がブドウ糖如何使用する

用途 内容
貯蔵 デンプンに変換され、不溶性のエネルギー貯蔵庫となる
構築 セルロースに変換されて細胞壁を形成する
エネルギー放出 呼吸作用で分解され、エネルギーを放出する
輸送 スクロースに変換され、篩管を通じて植物体内を運ばれる
動物を惹きつける 蜜に変換され、昆虫を誘引して受粉を助ける
ブドウ糖はデンプン、セルロース、呼吸作用、輸送に使用される
植物が作ったブドウ糖如何利用

土壌からの鉱物

植物は根を通じて土壌から鉱物イオンも取り入れます:

  • 硝酸イオン — アミノ酸(およびタンパク質)の合成に必要なもの。
  • マグネシウムイオン — クロロフィルの合成に必要なもの。

硝酸が不足した植物は茎が弱く生育不良になり、マグネシウムが不足した植物は葉が黄色くなります(クロロフィルが十分に作れないため)。

2枚のカード:硝酸イオンはアミノ酸の合成に必要なので不足すると茎が弱く生育不良になる;マグネシウムイオンはクロロフィルの合成に必要なので不足すると葉が黄色くなる
硝酸が不足した植物は生育不良になり、マグネシウムが不足した植物は葉が黄色くなる

光合成の速度

光合成の速度は3つの要因に依存します:

  • 光強度 — 光が増えるとある点まで速度が速くなります。
  • 二酸化炭素の濃度 — 二酸化炭素が増えると速度が速くなります。
  • 温度 — 暖かい温度ほど速くなりますが、酵素が変性するほど高温になると低下します。

(補足) いかなる瞬間においても、最も不足している因子が速度を制限します。これを限界因子と呼びます。例えば、曇天の日には通常光強度が限界因子となり、晴天の日には二酸化炭素が限界因子となる場合があります。

光合成速度と光強度の関係のグラフ:光が強くなると速度は上昇し、他の要因が限界に達すると一定になる
光が増えると、別の要素が制限因子になるまで光合成が加速します

** worked example.** 光強度に対する速度のグラフにおいて、線は最初は急激に上昇し、その後水平になります。各部分で制限している要因は何ですか?上昇部分では、光を増やすことで速度が上がるため、その部分での制限要因は光強度です。水平部分では、光を増やしても変化がないため、光はもはや制限要因ではなく、他(通常は二酸化炭素濃度または温度)が制限要因となっています。テストの方法は常に同じです。ある要因を増やすことで反応が速くなる場合、その要因が以前は反応を遅らせていました。

光合成の探究

植物が光、クロロフィル、二酸化炭素を必要とすることを示すには、それら其中一个を除去した後に葉からデンプンを検出します。対照実験は他の条件をすべて同じに保つことで、公平なテストを可能にします。(まず、植物を暗所においてデンプンを使い果てるように置きます。)緑色と白色の部分を持つ葉では、クロロフィルを含む緑色の部分のみでデンプンが検出されます。

水素炭酸塩インジケーターを用いることで、水中の植物におけるガス交換を観察することもできます。これは二酸化炭素レベルの変化に伴って色が変わります。光下では植物は光合成のために二酸化炭素を取り込み、暗所では呼吸によって二酸化炭素を放出します。

Explore · ⁨探索⁩

What limits photosynthesis · ⁨光合成を制限する要因⁩

Change light and CO₂. The slowest factor — the limiting factor — sets the rate. · ⁨光量とCO₂を変化させろ。最も遅い要因——制限因子——が速度を決定する。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
photosynthesis/ˌfəʊtəʊˈsɪnθəsɪs/ 光合成
carbohydrates/ˌkɑːbəʊˈhaɪdreɪts/ 炭水化物
raw materials/rɔː məˈtɪərɪəlz/ 原材料
energy/ˈenədʒi/ エネルギー
carbon dioxide/ˈkɑːbən daɪˈɒksaɪd/ 二酸化炭素
glucose/ˈɡluːkəʊs/ ブドウ糖
oxygen/ˈɒksɪdʒn/ 酸素
chlorophyll/ˌklɔːrəʊˈfɪl/ クロロフィル
pigment/ˈpɪɡmənt/ 顔料
chloroplasts/ˈklɔːrəʊplæsts/ 葉緑体
starch/stɑːtʃ/ デンプン
cellulose/ˈseljuːləʊs/ セルロース
cell walls/sel wɔːlz/ 細胞壁
respiration/ˌrespɪˈreɪʃn/ 呼吸作用
sucrose/ˈsuːkrəʊs/ スクロース
phloem/ˈfləʊɪm/ 篩管
nectar/ˈnektə/ 蜜
insects/ˈɪnsekts/ 昆虫
pollination/ˌpɒlɪˈneɪʃn/ 受粉
ions/ˈaɪɒnz/ イオン
nitrate ions/ˈnaɪtreɪt ˈaɪɒnz/ 硝酸イオン
amino acids/əˈmiːnəʊ ˈæsɪdz/ アミノ酸
magnesium ions/mæɡˈniːzɪəm ˈaɪɒnz/ マグネシウムイオン
rate/reɪt/ 速度
light intensity/laɪt ɪnˈtensɪti/ 光強度
concentration/ˌkɒnsənˈtreɪʃn/ 濃度
temperature/ˈtemprɪtʃə/ 温度
limiting factor/ˈlɪmɪtɪŋ ˈfæktə/ 制限要因
control/kənˈtrəʊl/ 統制
gas exchange/ɡæs eksˈtʃeɪndʒ/ ガス交換
indicator/ˈɪndɪkeɪtə/ 指示薬
adapted/əˈdæptɪd/ 適応
surface area/ˈsɜːfɪs ˈeərɪə/ 表面積
cuticle/ˈkjuːtɪkl/ 角質層
epidermis/ˌepɪˈdɜːmɪs/ 表皮
mesophyll/ˈmesəfɪl/ 葉肉
palisade mesophyll/ˈpælɪseɪd ˈmesəfɪl/ palisade mesophyll(柱状組織)
spongy mesophyll/ˈspʌndʒi ˈmesəfɪl/ spongy mesophyll(海綿状組織)
air spaces/eə ˈspeɪsɪz/ 空気隙間
Watch lesson · ⁨レッスンを視聴⁩
6.2

Leaf structure · ⁨葉の構造⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
Core Supplement
1 State that most leaves have a large surface area and are thin, and explain how these features are adaptations for photosynthesis
2 Identify in diagrams and images the following structures in the leaf of a dicotyledonous plant: chloroplasts, cuticle, guard cells and stomata, upper and lower epidermis, palisade mesophyll, spongy mesophyll, air spaces, vascular bundles, xylem and phloem
3 Explain how the structures listed in 6.2.2 adapt leaves for photosynthesis
日本語
コア サプリメント
1 ほとんどの葉は大きな表面を持ち、薄く、これらの特徴が光合成への適応であることを説明する
2 双子葉植物の葉の図や画像において、以下の構造を同定する:葉緑体、角質層、気孔保衛細胞、気孔、上表皮、下表皮、掌状葉肉、海綿状葉肉、空気腔、維管束、木部、篩部
3 6.2.2 に列挙された構造がどのように葉を光合成に適応させているかを説明する

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

A leaf is well adapted 适应 for photosynthesis. Most leaves are broad, with a large surface area 表面积 to catch plenty of light, and thin, so that gases and light quickly reach all the cells.

The middle of the leaf, the mesophyll 叶肉, is where most photosynthesis happens. These are the main parts of a leaf:

Structure Job / how it helps photosynthesis
cuticle 角质层 a clear waxy layer on top; it reduces water loss but still lets light through
upper epidermis 表皮 a clear layer of cells with no chloroplasts; it lets light pass to the cells below
palisade mesophyll 栅栏叶肉 tall, column-shaped cells packed with chloroplasts, near the top; they do most of the photosynthesis
spongy mesophyll 海绵叶肉 rounded cells with air spaces 气腔 between them, so gases can move easily
stomata 气孔 tiny holes, mostly on the lower surface, that let carbon dioxide in and oxygen out
guard cells 保卫细胞 a pair of cells around each stoma; they open and close it
lower epidermis a thin layer that holds the stomata
vascular bundles 维管束 contain xylem 木质部 (brings water to the leaf) and phloem (carries sugars away)
日本語

葉は光合成に良く適応しています。ほとんどの葉は広く、十分な光を捕らえる大きな表面積を持ち、薄いため、ガスと光がすべての細胞に素早く届きます。

葉の中央部である葉肉は、大部分の光合成が行われる場所です。これらが葉の主な構成部分です:

構造 役割 / 光合成への貢献
角質層 上部にある透明な蝋質の層;水分蒸散を防ぎつつ、光を通す
上表皮 クロロプラストを持たない透明な細胞層;下部の細胞へ光を通す
柱状葉肉 上部に近い、クロロプラストを豊富に含む縦長の円柱形細胞;大部分の光合成を行う
海綿状葉肉 丸い細胞で、間に気隙があるため、ガスが容易に移動できる
気孔 主に下面にある小さな穴;二酸化炭素を取り込み、酸素を排出する
保倉細胞 各気孔を取り囲む一対の細胞;開閉する
下表皮 気孔を支える薄い層
維管束 木質部(水を送る)と篩部(糖を運ぶ)を含む
蜡質角質層、上表皮、柱状および海綿状葉肉、維管束、下表皮、および2つの保倉細胞を持つ気孔を示すラベル付きの葉の断面図
葉の断面図:各組織が光合成とガス交換に適応しています
葉の下面の顕微鏡写真、パズルのような表皮細胞の間にある複数のレンズ状気孔、それぞれに2つの保倉細胞が見えるもの
葉の下面の実際の気孔 — 各孔には2つの保倉細胞があります(スケールバー 20 μm)
Explore · ⁨探索⁩

Inside a leaf · ⁨葉の内側⁩

Tap each layer of a leaf cross-section to see how its structure is built for photosynthesis and gas exchange. · ⁨葉の横断面の各層をクリックして、光合成とガス交換のための構造を確認する。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
stomata/ˈstəʊmətə/ 気孔
guard cells/ɡɑːd selz/ 気孔周囲細胞
vascular bundles/ˈvæskjʊlə ˈbʌndlz/ 維管束
xylem/ˈzaɪləm/ 木質部
6.2

Exam tips · ⁨試験対策⁩

English
  • Learn the word equation exactly: carbon dioxide + water → glucose + oxygen (in light, with chlorophyll).
  • Chlorophyll is in the chloroplasts; it does not get used up — it transfers light energy.
  • Link each factor to the rate: more light, more carbon dioxide, warmer (but not too hot) → faster, until a limiting factor stops further increase.
  • For leaf structure, always link the part to its job: broad and thin to catch light; palisade cells full of chloroplasts; stomata and air spaces for gas exchange.
  • Nitrate ions → amino acids; magnesium ions → chlorophyll.
日本語
  • 言葉式を正確に覚える:二酸化炭素 + 水 → ブドウ糖 + 酸素(光、クロロフィルあり)。
  • クロロフィルはクロロプラスト内にあり、消費されず、光エネルギーを伝達する。
  • 各要因を速度に結びつける:光が強くなる、二酸化炭素が増える、暖まる(ただし暑すぎない)→ 速くなるが、制限要因によってさらに増加できなくなるまで。
  • 葉の構造については、常に部位とその役割を結びつける:光を捕らえるために広く薄い、クロロプラストが多い柱状細胞、ガス交換のための気孔と気隙。
  • ニトレートイオン → アミノ酸;マグネシウムイオン → クロロフィル。

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