【中学理科】木が水を吸い上げるしくみ｜蒸散・気孔・道管・維管束と実験

校庭の大きな木を見上げると、高い枝の先まで葉が広がっています。根は地面の中にあるのに、水はどうやってあの高さまで届くのでしょうか。

水を引き上げる主役は、いちばん上の「葉」です。葉から水が水蒸気になって出ていくと、幹の中の水を引っ張る力が生まれます。その力が根まで伝わり、土から新しい水が入ってきます。

まずは、三つの役割を確認しましょう。

• 葉：水を外へ出し、水を引っ張るきっかけをつくる。
• 幹：水が通る道になり、中の水を通して引っ張る力を伝える。
• 根：土から水を取り込む。

「蒸散」「気孔」「道管」「維管束」を、一つの水の流れとしてつなげてみましょう。後半には、ワセリンを使う実験の計算問題と、家でできる豆苗の観察も用意しました。

1．葉から出ていく水は、目に見えない水蒸気

「蒸散」と「気孔」は、どう違う？

葉の中では、細胞の壁が水でぬれています。その水が表面から蒸発し、葉の中のすき間へ出ていきます。

液体の水が気体に変わったものが「水蒸気（すいじょうき）」です。水蒸気は目に見えません。

その主な出口が、葉にある小さな穴「気孔（きこう）」です。植物から水が水蒸気として出ていくことを「蒸散（じょうさん）」といいます。

「気孔は穴、蒸散は出来事」と分けて覚えると整理しやすくなります。

• 気孔：水蒸気などが出入りする「穴」。
• 蒸散：植物から水が水蒸気として出ていく「現象」。

根や幹を流れている間、水は液体です。葉の中で蒸発してから、気体として外へ出ていきます。

気孔はどこにある？開け閉めするのは誰？

気孔の両側には「孔辺細胞（こうへんさいぼう）」という二つの細胞があります。この細胞の形が変わることで、間のすき間が開いたり閉じたりします。いわば、水蒸気や二酸化炭素が通るドアのような役割です。

多くの陸上植物では、気孔は葉の裏側に多く見られます。一方、スイレンの水に浮く葉では、空気に触れている表側にあります。植物の暮らし方によって、気孔が多い側も違うのです。

葉を100℃にしなくても、水は蒸発する

ぬれた洗濯物は、お湯のように沸騰しなくても乾きます。葉の水も同じで、ふだんの気温で蒸発します。

詳しくは、洗濯物はなぜ100℃にならなくても乾く？蒸発と沸騰の違いで確認できます。

蒸発に使われるエネルギーは、日差しや周りから受け取る熱などで補われます。汗が乾くと肌が涼しくなるように、葉から水が蒸発することには、葉を冷やす働きもあります。

2．水が出ていくと、なぜ下の水が上がる？

葉の小さな水面が、奥の水を引く

葉の細胞の壁には、ごく小さなすき間があります。そこから水が蒸発すると、水面は奥へ引っ込み、くぼんだ形になります。

水の表面には、表面積を小さくしようとする「表面張力（ひょうめんちょうりょく）」が働きます。くぼんだ小さな水面が、ピンと張った膜のように奥の水を引く様子を思い浮かべてみてください。こうして、葉の奥から次の水が引き寄せられます。

水滴が丸くまとまることにも、同じ表面張力が関わっています。水滴はなぜ丸くなる？広がる水との違いと合わせると、水面に働く力をイメージしやすくなります。

引っ張る力を伝えるのは、水そのもの

水は、「分子（ぶんし）」という小さな粒が集まってできています。水分子どうしには、互いに引き合う性質があります。

鎖の端を引くと、その力は先の部分まで伝わりますよね。水で満たされた通り道でも、水分子どうしの引き合いによって、葉で生まれた引っ張る力が根まで伝わります。

水の流れを順番に並べると、こうなります。

1. 葉の中で水が蒸発する。
2. 小さな水面で、奥の水を引く力が生まれる。
3. 幹の中でつながった水に、その力が伝わる。
4. 根から新しい水が入り、失われた分を補う。

この仕組みを説明する考え方を「凝集張力説（ぎょうしゅうちょうりょくせつ）」といいます。「凝集」は水分子どうしが引き合うこと、「張力」は引っ張る力のことです。

用語は発展知識として知っておきましょう。丸暗記するよりも、「葉が引き、水がつなぎ、根が補う」と覚えると、全体の流れを説明しやすくなります。

3．幹の中には、水が通る細い道がたくさんある

「水道管」の道管は、水の通り道

根から入った水は、茎や幹の「木部（もくぶ）」を通って葉へ向かいます。木部の中には「道管（どうかん）」などの細い通り道があります。マツなどの針葉樹では、主に「仮道管（かどうかん）」が水を運びます。

これらの水を運ぶ細胞は、成熟すると中身がなくなり、丈夫な壁が残ります。その壁に囲まれた空間を、水が流れていくのです。

木の幹の真ん中に大きなホースが一本あるのではなく、細い道がたくさん並んでいるのです。水には土から取り込んだ肥料分（ミネラル）も溶けていて、一緒に葉へ運ばれます。

道管と師管を区別しよう

理科では「師管（しかん）」という言葉も出てきます。何を運ぶのかに注目して区別しましょう。

• 道管：根から吸収した水や肥料分を運ぶ。
• 師管：葉の光合成でつくられた養分（糖など）を、必要な場所へ運ぶ。

師管の流れは、葉から根へ向かうものだけでなく、新しい芽や実などへ向かうものもあります。「道管は水や肥料分、師管は光合成でできた養分」という点が、まず押さえたい違いです。

道管と師管がまとまった「維管束」

道管や師管などがまとまった束を「維管束（いかんそく）」といいます。葉のすじである「葉脈（ようみゃく）」にも維管束が通り、茎の維管束とつながっています。

教科書に出てくる代表的な茎や葉では、次の位置関係を押さえましょう。

見る場所	道管の側	師管の側
茎の維管束	中心に近い内側	表面に近い外側
葉の維管束	葉の表側	葉の裏側

茎は「うち（内）の水道管」と覚えると、内側が道管だと思い出せます。葉では「道管は表側、師管は裏側」とセットにしましょう。

さらに、若い茎の断面では、束の並び方にも違いがあります。

• 双子葉類の例：ホウセンカやヒマワリでは、維管束が輪のように並ぶ。
• 単子葉類の例：トウモロコシでは、維管束が断面全体に散らばる。

「束の中の道管と師管の位置」と「茎全体での束の並び方」は、別々に確認するのがコツです。

中が空洞の木にも、葉があるのはなぜ？

中心に「心材（しんざい）」という、水運びの役目を終えた部分を持つ木があります。そうした木では、外側の「辺材（へんざい）」が現役で水を運びます。

中心が空洞になった木でも、外側の通り道が働いていれば、葉に水を届けられます。木を見るときは、太さだけでなく「どこを水が通るのか」にも注目してみてください。

4．根は入口。葉は水の出口を調節する

根には細い根や「根毛（こんもう）」があり、土と触れる面積を広げています。土から取り込んだ水は、根の中を通って幹の木部へ入ります。

植物によっては、根の側から水を押す「根圧（こんあつ）」も働きます。ただ、高い木のてっぺんまで水を届ける主役は、葉からの引っ張りです。

では、葉からどんどん水を出せばよいのでしょうか。

土が乾いて補給が追いつかないと、植物は水不足になります。そこで、気孔の開き方を調節して、水の出口を絞ります。

気孔は、光合成に必要な二酸化炭素の入口でもあります。

• 気孔を開く：二酸化炭素を取り込みやすいが、水も出ていく。
• 気孔を閉じる：水を節約できるが、二酸化炭素を取り込みにくくなる。

植物は、水を守ることと光合成をすることの間で、バランスを取っています。

5．ワセリンを使う蒸散の実験は、「残った出口」で考える

葉の表と裏では、どちらから水が多く出るのでしょうか。授業で使われるのが、葉にワセリンを塗って水の出口をふさぎ、吸い上げる水の量を比べる実験です。

何を同じにして、何を変える？

同じ種類で、葉の数・大きさや茎の長さがそろった枝を、水の入ったメスシリンダーにさします。光、温度、風、測定時間をそろえ、葉への処理だけを変えます。

水面に油を薄く浮かべるのは、水面から直接蒸発する分を抑えるためです。水の減少量から、植物の蒸散量を見積もります。

ここでは、問題を解くために次のように整理します。

枝	処理	残る水の出口
A	葉に何も塗らない	葉の表＋葉の裏＋茎
B	葉の表にワセリンを塗る	葉の裏＋茎
C	葉の裏にワセリンを塗る	葉の表＋茎
D	葉を取り、その傷口にワセリンを塗る	茎

Dでふさぐのは、葉を取った傷口です。水につける茎の下端はふさぎません。

計算のコツは、「ワセリンを塗った場所を消し、残った出口を書き出す」ことです。表をつくれば、どの枝どうしを引き算すればよいかが見えてきます。

計算してみよう

次は練習用の数値です。この問題では、三つのルールで考えます。

• 減った水の量は、蒸散した量と等しい。
• ワセリンを塗った場所からは、水が出ない。
• 塗っていない同じ部分から出る水の量は、どの枝でも同じ。例えば、茎の分はA〜Dで等しい。

「残った出口」の表を見ながら、引き算で求めてみましょう。

枝	A	B	C	D
水の減少量	10.0mL	7.5mL	3.0mL	0.5mL

1. 葉の裏から出た水は何mLですか。
2. 葉の表から出た水は何mLですか。
3. 葉全体から出た水は何mLですか。

答えと、引き算する理由を見る

1. A−C＝10.0−3.0＝7.0mL。Aから「葉の表＋茎」を引くと、葉の裏だけが残ります。
2. A−B＝10.0−7.5＝2.5mL。Aから「葉の裏＋茎」を引くと、葉の表だけが残ります。
3. A−D＝10.0−0.5＝9.5mL。全体から茎の分を引きます。7.0＋2.5でも確かめられます。

別の組み合わせでも確かめられます。葉の裏はB−D＝7.5−0.5＝7.0mL、葉の表はC−D＝3.0−0.5＝2.5mLです。同じ部分を引いて、知りたい部分だけを残すのがコツです。

この例では、裏側から出た水が表側より多くなりました。多くの植物で気孔が裏側に多いことと結びつきます。気孔の数そのものは、顕微鏡で表と裏を比べて確かめます。

実際の測定では、枝の状態によって数値も変わります。練習問題と違う結果でも、見た通りに記録して理由を考えましょう。

6．発展：ストローは約10mが限界なのに、木はなぜ100mを超える？

ストローで飲み物を吸うと、口につながる側の空気の圧力が下がります。コップの水面にかかる大気圧との差によって、水が上がってきます。

大気圧が水を押し上げる力には限りがあります。この方法で支えられる水の高さは、1気圧のもとでは理想的な条件でも約10m。人が実際に吸える高さは、もっと低くなります。

詳しい説明や身近な実験は、ストローで飲めるのはなぜ？穴の秘密と大気圧で紹介しています。

ストローが大気圧に水を押し上げてもらうのに対し、木では葉の小さな水面が液体の水を直接引っ張ります。水分子どうしが引き合い、その力を伝えます。この「下から押してもらう」と「上から水を引っ張る」の違いが、約10mの壁を超える鍵です。

このように液体の水が強く引っ張られた状態を「負圧（ふあつ）」といいます。用語そのものよりも、二つの仕組みの違いを押さえておきましょう。

ただし、水のつながりには弱点があります。通り道に気泡が広がると、その道では水の流れが妨げられます。たくさんある道のうち、使えないものが増えると、葉へ水を届けにくくなります。

毛細管現象だけで上がるの？

キッチンペーパーの端を水につけると、水が上へしみていきます。これは「毛細管現象（もうさいかんげんしょう）」です。

けれども、幹の管の細さだけでは、高い木の水運びを説明できません。理想的な条件で計算しても、内径0.02mmの細い管が支えられる水の高さは約1.5mです。詳しい計算条件は、末尾の参考資料にまとめました。

木で大切なのは、葉の細胞壁にある、さらに小さなすき間です。そこで生まれる水面の力と、蒸発による水の出口が組み合わさり、根から葉へ水が流れます。

紙を使う観察や管の細さとの関係は、紙はなぜ水を吸う？毛細管現象と自由研究で詳しく扱っています。

7．観察してみよう：根のない豆苗にも、水は入る？

料理で使う豆苗は、根から切り離した後も、切り口から水を取り込めます。日本植物生理学会でも、根を切った豆苗が色水を吸い上げた観察が紹介されています。

5章では、水が出る場所を比べました。今度は色水を使って、吸い上げられた水が通る道筋を探してみましょう。

用意するものと手順

• 葉のついた新鮮な豆苗。
• 透明なコップ2個、水、食用色素。
• ハサミ、時計、記録用の紙。

1. 一方のコップに食用色素を溶かした水、もう一方に普通の水を、同じ高さまで入れます。
2. 長さ・太さや葉の大きさが近い豆苗を、3〜5本ずつ2組選びます。
3. 根や豆がついた部分を切り離し、葉のついた茎を使います。2組の茎を同じくらいの長さにそろえ、切り口をすぐにそれぞれの水につけます。葉は水面より上に出します。
4. 同じ室内に並べ、始める前の色と形を記録します。
5. 30分後、1時間後、2時間後などに、茎や葉の色の変化を見比べます。

食用色素は説明書に従って使い、観察に使った豆苗は食べないでください。茎を切るときは、刃先に手を近づけないよう注意しましょう。

見えたことから、どこまでいえる？

記録は、次のように分けると整理しやすくなります。

• 予想：根がなくても、水と一緒に色素が上へ運ばれるのではないか。
• 結果：何分後に、茎や葉のどこに色が見えたか。変化がなければ「変化なし」。
• 考察：切り口から入った水が、茎や葉へ運ばれたと考えられるか。

普通の水に入れた豆苗は、もともとの色と比べるために使います。茎の下から色が見え始めるのか、葉脈にも色が現れるのか。時間ごとに写真を並べると、変化を追いやすくなります。

観察で見るのは「どこに色がついたか」という事実です。その理由を考えるときに、「葉の蒸散」と「水分子どうしの引き合い」を使います。見えた事実と仕組みの説明を分けて書くと、伝わりやすいレポートになります。

花瓶の切り花にも、同じように根がありません。水の中で茎を切り直す「水切り」は、切り口から空気が入り込むのを抑え、水を取り込みやすくする工夫の一つです。

確認問題：水の流れを、自分の言葉で説明しよう

1. 「気孔」と「蒸散」は、どう違いますか。
2. 幹の中を進んでいる水は、液体と気体のどちらですか。
3. 道管と師管では、主に何を運びますか。
4. 土が乾いたとき、気孔を閉じるとどんな利点と不利な点がありますか。
5. 道管や師管などがまとまった束を何といいますか。
6. 気孔の開け閉めに関わる、二つの細胞を何といいますか。
7. ワセリンの計算問題でB−Dを求めると、どの部分からの蒸散量になりますか。
8. ホウセンカなどの若い茎の維管束で、道管は内側と外側のどちらにありますか。
9. 根のない豆苗が色水を吸ったとき、色がついたという結果と、水が上がる理由の説明を分けて書いてみましょう。

答えの例を見る

1. 気孔は葉にある小さな穴で、蒸散は植物から水が水蒸気として出ていく現象です。
2. 液体です。葉の中で蒸発すると、水蒸気になります。
3. 道管は根から吸収した水や肥料分、師管は葉の光合成でつくられた養分を運びます。
4. 水を失う量を減らせますが、光合成に必要な二酸化炭素も取り込みにくくなります。
5. 維管束です。葉脈にも維管束が通っています。
6. 孔辺細胞です。
7. 葉の裏側です。「葉の裏＋茎」から「茎」を引いています。
8. 道管は中心に近い内側、師管は外側です。
9. 結果の例は「茎の上のほうに色が見えた」。仕組みの説明は「葉で水が蒸発すると、水のつながりを通して引っ張る力が伝わり、切り口から水が補われる」です。

まとめ：水は根から葉へ、引っ張る力は葉から根へ

水が進む向きは、根から幹、枝、葉へ。その流れを支える引っ張る力は、水の出口である葉の側で生まれます。

• 葉から水蒸気が出ていく現象が「蒸散」。
• 水蒸気の主な出口が「気孔」。両側の「孔辺細胞」が開け閉めに関わる。
• 根から吸収した水や肥料分を運ぶのが「道管」。光合成でできた養分を運ぶのが「師管」。
• 道管や師管などがまとまった束が「維管束」。葉脈にも通っている。
• ここで扱った代表的な茎では、道管は内側、師管は外側。葉では、道管は表側、師管は裏側。
• 水が上がる理由は「葉が引き、水がつなぎ、根が補う」。

次に校庭の木を見るときは、根から葉までの水の道と、葉から空へ出ていく水蒸気を思い浮かべてみてください。「蒸散」「気孔」「道管」が、一つの仕組みとしてつながります。

参考資料

森林総合研究所「木の高さまで水を吸い上げられる？」。蒸散による引っ張り、水分子どうしのつながり、気泡の影響。
https://www.ffpri.go.jp/snap/2016/1-kitomizu.html

Nature Education「Water Uptake and Transport in Vascular Plants」。葉の水面、凝集張力説、根から葉への水輸送。
https://www.nature.com/scitable/knowledge/library/water-uptake-and-transport-in-vascular-plants-103016037/

OpenStax『Biology 2e』30.5「Transport of Water and Solutes in Plants」。道管・師管、蒸散、気孔の調節。
https://openstax.org/books/biology-2e/pages/30-5-transport-of-water-and-solutes-in-plants

樹木の組織と水分通導についての研究者解説。道管・仮道管と木部の構造。
https://www2.kobe-u.ac.jp/~kurodak/structure%26sap_files/structure%26sap.html

米国国立公園局「Trees: the Inside Story」。辺材・心材と、中心が空洞になった木。
https://www.nps.gov/glac/learn/education/4-6-unit-six-activity-2-trees-the-inside-story.htm

日本植物生理学会「豆苗での色水吸い上げ実験」。根を切った豆苗の吸水と蒸散。
https://jspp.org/hiroba/q_and_a/detail.html?id=2723

農林水産省「はじめよう、花のある暮らし」。切り花の吸水を助ける水切り。
https://www.maff.go.jp/j/pr/aff/2106/spe1_04.html

OpenStax『College Physics 2e』11.8「Cohesion and Adhesion in Liquids: Surface Tension and Capillary Action」。毛細管現象の高さの計算。20℃の水が円管の内壁を完全にぬらす場合。水の表面張力0.0728N/m、密度1000kg/m³、重力加速度9.8m/s²、接触角0°、管の内径0.02mmで約1.5m。
https://openstax.org/books/college-physics-2e/pages/11-8-cohesion-and-adhesion-in-liquids-surface-tension-and-capillary-action

OpenStax『Biology 2e』30.2「Stems」、30.4「Leaves」。維管束の位置と並び方、葉脈と孔辺細胞。
https://openstax.org/books/biology-2e/pages/30-2-stems
https://openstax.org/books/biology-2e/pages/30-4-leaves

福岡教育大学・福原達人「植物形態学：表皮」。気孔と孔辺細胞、葉の表裏の分布とスイレンなどの浮水葉。
https://staff.fukuoka-edu.ac.jp/fukuhara/keitai/1-4.html

三重大学CST養成プログラム「データロガーを活用した理科実験」の「蒸散のはたらき」。ワセリンを使った葉の表裏の蒸散比較。本文の計算問題の数値は、資料の実測値ではなく説明用に設定。
https://cst.pj.mie-u.ac.jp/wp-content/uploads/2021/09/kyouzai_jikken.pdf