ベンソンの実験
５年Ａ組

行松和輝

５年Ｃ組

國松大悟

指導教諭

矢野幸洋

指導教諭

櫻井昭

１．要約
ベンソンの実験は、植物は光合成において、一定の期間光を当てさえすれば、そのときに生み出した化学物質を用いて、暗闇においてもその後の反応を続けることが可能であるということを明らかにしている。この実験を新しい手法を用いて追実験し、正確に数値化できないかを調べた。また、その手法には画像解析ソフトを用いて、正確性とともに効率性もあげた。これにより、光合成の条件による効率変化を調べることが容易になる。

キーワード

ベンソンの実験、画像解析ソフト（imageJ）、数値化、光合成の第四過程

２．研究の背景と目的
僕たちが研究しているのは大まかにいを入れ、植物が酸素とデンプンを合成するかを調べる。

えば、植物に光合成を暗闇の中でさせよう

この実験では、その結果として、植物はというものだ。この研究は、｢ベンソンの実ある一定の時間だけ酸素とデンプンの合成験」と呼ばれる実験の結果により、成功すが行う、ということを示した。つまり、こる可能性が保障されている。何故なら、ベの実験によって植物は一旦光を浴びた後でンソンの実験とは、光合成の最後の過程は、あれば、光合成の最後の過程を暗闇の中で光なしでもおこなえるということを主張すも行うことが出来るということが実証される実験であるからだ。ている。

具体的にベンソンの実験の実験方法を示そう。ベンソンの実験では光合成をするためには、二酸化炭素と光エネルギーと水が必要であり、一つでも欠けると光合成ができなくなることを用いる。
まず、脱気して空気を無くした状態で植物に光を当てる。そして植物に、光合成をせずに光エネルギーだけをためさせ、その光エネルギーによって光合成の次の段階までを行わせる。そこで最後に、この光エネルギーがたまった状態で暗闇に入れて空気

図１

ベンソンの実験だが、この研究の前提であるその実験方

すでに pH 値が変わっており、正確性が極法は何故か教科書などにも詳しく記載されめて低い。これだけの違いが、同じはずのていない。そこで本研究の前提としてこれ段階で生じてしまっているので、今調べたまでにその追実験を試み、結果の確認には、い、暗闇で光合成をしているという証拠で視覚的に成功した。しかしながら、前回のある④から⑤にかけての変化は、極めて微実験では上手く数値化できなかったため、妙で信憑性に欠ける。

今回は正確に数値を計測する方法を探った。

これらはまさに酸素の量をはかろうとして、pH 値という指標を用いたがために起き３．研究内容た失敗である。なぜなら、pH 値を測るため

３－１．前回の実験方法には、各段階で測る前にいちいち計測部をひとまず、今回の実験方法の比較対象と洗浄しなくてはならず、検定もしなくてはして、前回までの実験方法とその問題点をならないからである。これでは、正確性が示す。

落ちるとともに、実験にかかる時間も長く

まず大まかにだが、前回の実験方法ではなってしまう。

光合成で消費される二酸化炭素量を、pH 値これらの実験結果と考察を踏まえて、私という指標を用いて測った。結果を以下にたちは光合成によってできるもう一つの物示す。

質、デンプンの合成量を測ることにした。
①②③④⑤そして、その計測には、ゲノム解析に用いA

7.1

7.67.74.04.9

られている、色の濃淡を見ることのできる

B

7.28.28.2

5.15.3

画像解析ソフト（imageJ）を用いた。

C

7.1

7.87.94.95.1

D

7.1

9.0

6.2

5.2

5.1

E

7.2

9.2

6.5

4.95.5と効率性をあげ、より正確にそして迅速にF

7.1

8.96.44.97.1

実験結果を得ることができるのではないかG

7.2

8.76.1

5.3

6.3と考えた。

面積とまり具合をそれぞれ測定し、面積当たりの光合成量を測定し、写真を各段階で撮ればいいだけにすることにより、精度①純水の pH 値②そこに石灰水を入れたものの pH 値

３－２．実験方法③オオカナダモを入れ、15 分間 2000lux（１）シロツメクサの葉を一枚ずつ写真での光に当てたものの pH 値
④その後、二酸化炭素を 24ml 入れたものの pH 値

撮り、面積を測定する。
（２）それらのシロツメクサの葉を①アスピレーターにより真空状態にし⑤この試験管を 10 分間暗室に放置したて光を 30 分当て、その後空気を入れ、後の pH 値

暗闇に入れるものと定めた。
これでは、最初の①の段階であっても、②アスピレーターにより真空状態にして光を 30 分間当てた後そのまま暗11～16 が実験結果で述べた③の状態のシ闇に入れるもの③何もしないで暗室に 30 分間入れる

ロツメクサの葉ものの３つに分ける。

ここで、Number が番号、Area が面積、

（３）試験管にエタノールを入れ、そこにAverage がピクセル強度(高ければ高いほど先ほどの葉をそれぞれ入れ、30 分間染まり具合が悪いことになる)、AVEREGE

約 70℃で湯煎し、漂白する。

が上から順に、①の状態すべての平均、②（４）漂白後のシロツメクサをそれぞれヨの状態すべての平均、③の状態すべての平ウ素液で染色し、その後染まり具合均をそれぞれ指している。

を画像解析ソフトでピクセル強度と４．考察して計測する。

まずは良かった点を述べよう。
３－３．実験結果

実験結果をみる限り、精度が上がったのは一目瞭然だと思う。前回は pH を測定し（実験結果の説明）

AVERAGE

たが、小数点第１位までしか測定すること

NumberArea

Average16988

53.453626267

56.049636297

61.961246777

21.8656

55714

32.565864673

45.625476881

34.493687742

31.0062

しかしながら残念なことに、この実験に

95643

35.9384

は、デンプン量を測定したために、ある欠10521822.781点が生じた。それは、光を当てたのが 30 分、11597117.3684

暗闇に入れていた時間が 20 分だけ当てた

12591430.0478のでこの実験中に合成されたデンプン量が138370

41.78314711260.4364

デンプンはたとえ光合成によって合成され155588

48.6554

たとしても、シロツメクサの葉にしっかり165653

20.3138と吸着しないため、エタノールによる脱色ができなかった。それに対し今回は画像解析ソフトを用いることによって面積、そし45.17916てピクセル強度までも小数点第３位まで出すことが可能になり、実験誤差が縮小したといえる。そしてもう一つ良かった点は、画像解析ソフトを用いているため、数値化してデータ処理するのも容易になった点で33.96892

36.43413ある。

実験結果として表れていないと思われる。

1～5 が実験方法で述べた①の状態のシロのときに、葉緑体の色素と共に消えてしま

ツメクサの葉い、今回の実験のヨウ素液による反応には6～10 が実験方法で述べた②の状態のシロ現れてこないということだ。

ツメクサの葉このことにより、実験の前に葉に蓄積されていたデンプンだけが染まってしまい、実験中に合成されたデンプンが染まらなか指導してくださった矢野先生、櫻井先生有り難うございました。

ったので、正確なデータが出ない可能性があり、実験が不透明になってしまった。

７．参考

５．まとめと今後の課題
失敗した要因の一つである、実験の前の段階で固定されているデンプンについては、実験を行う一日前に採取して暗闇に置いておくことで、解決できると思う。
また、葉でのデンプンの合成量を上げるためには、光を当てる時間を長くすること

図２ 脱色後のシロツメクサが一番良い方法だが、今回の実験では、水を与えないため、光を長く当てすぎると、シロツメクサがしおれてしまう。
これに関して、生息範囲が水中のオオカナダモで試みてみた。しかし、アスピレー
ターで真空状態にするとき、水から空気を抜くのにあまりにも時間がかかり効率が悪いことが判明した。効率の良い実験という観点を重視するためには、水分を与えつつ長い時間光をあてる方法を見つけることが必要であると考えている。
最後になるが、僕たちは既になされたベンソンの実験の追実験をする立場であるため、これまでずっと、研究をする前から実験結果を予想しすぎていた感がある。つまり、自分たちの実験結果をベンソンの実験と照らし合わせて判断し、理解しようとしすぎ、本来の実験の結果をしっかりと見ていなかったように思う。そこでこれからは、理論的に分かっていることでも、研究前から思い描く結果にこだわらず、実際の実験結果をしっかりと吟味し、そこから得られる発見を大事にしていこうと思う。

６．謝辞

図３

染色後のシロツメクサ