研究の動機

　光の分光の学習で水槽の中を観察したら、緑色の水草の先が、ほんの少し赤く輝いているのを発見した。植物色素の中には、紫外線が当たると特有の蛍光色を示すものがある。さまざまな植物色素の蛍光色の違いを調べ、紫キャベツ液に含まれる植物色素アントシアニンの蛍光の性質と応用について追究したい。

《実験１》紫キャベツ液の15段階のpHごとの色の変化、紫外線を当てた時の蛍光を調べる。

〈方法〉

　紫キャベツに含まれるアントシアニンを水、エタノールでそれぞれ抽出した液（紫キャベツ液）に、pH0～14の15段階の水溶液を滴下して、色の変化を観察する。また紫外線（ブラックライト）を当てて蛍光を調べる。

〈結果〉

　水で抽出した紫キャベツ液の方が、色の変化が大きかった。色は赤、赤紫、紫、緑、黄の５段階に変わった。中性（pH７）のところの紫は、色が薄くて分かりづらい。紫外線に蛍光を示したのはエタノール抽出の紫キャベツ液だけ。pH７前後が明るい水色の蛍光を示した。

《実験２》代表的な植物色素の蛍光を観察する。

〈方法〉

　エタノールで「オオカナダモ」の葉から葉緑体の色素（クロロフィル）、紫キャベツから赤紫色の色素（アントシアニン）、ニンジンから橙色の色素（カロチン）、紅茶から黄褐色の色素（タンニン）、トマトから黄色の色素（リコピン）を抽出する。それぞれに紫外線を当てる。

〈結果〉

　紫外線を当てると、クロロフィルは赤色、アントシアニンは水色、カロチンは黄緑色、タンニンは赤色、リコピンは黄緑色の蛍光を示した。

《実験３》アントシアニンの蛍光の仕組みを明らかにする。

〈方法〉

　アントシアニンは構造式から、５つのグループ＝①シアニジン系②デルフィニジン系③ペラルゴニジン系④マルビジン系⑤ペオニジン系＝に分かれる。このうちシアニジン系の植物（紫キャベツ、ツツジ、タバコ、アジサイ）、デルフィニジン系の植物（ナス、黒大豆、赤シソ）、マルビジン系の植物（クワの実、マローブルー、アセロラ）に含まれる色素をエタノールで抽出し、紫外線を当てて蛍光を観察する。

〈結果〉

　シアニジン系の色素が明るい水色の蛍光を示した。

〈考察〉

蛍光を示すのは、シアニジンの構造式の第５位炭素にエタノールのエチル基（CH2-CH3）が付くことが条件ではないか。

《実験４》アントシアニンを用いて、電流を流すと色が変わるデバイスを作る。

〈方法①〉

　紫キャベツから抽出したアントシアニン水溶液に、濃度10％の食塩水を加えたもの、濃度１mol/lの硫酸ナトリウム水溶液を加えたものを用意する。それぞれのビーカーにステンレス電極を入れて３Vの電圧をかけ、色の変化を観察する。pH値も測定する。

〈結果〉

　食塩水では、＋極から塩素が発生し、最初の青色（pH7.5）から黄緑色（pH11.0）に変わった。硫酸ナトリウムでは、－極から水素が発生し、最初の紫色（pH６）から薄い青緑色（pH8.5）に変化した。電解質としては硫酸ナトリウムの方がよい。

〈方法②〉

　スライドガラスのケース（2.5㎝立方体）の中に紫キャベツから抽出のアントシアニン水溶液と硫酸ナトリウム水溶液（濃度１mol/l）を入れて、銅板の電極を付ける。３Vの電圧をかけて、色の変化を観察する。

〈結果〉

　30秒後から－極側の水溶液が緑がかり、２分後には全体の水溶液が青緑色になった。電流で色が変わるデバイスを作ることができた。

〈方法③〉

　スライドガラスのケースを３個並べ、それぞれに②と同じ水溶液を入れて、両端のケースに銅板電極を付ける。真ん中のケースは元の水溶液の色（紫色）を見るためのもので、両端のケースの電解液をつなぐブリッジとして、ろ紙を真ん中のケースをまたいでひたす。３Vの電圧をかけて、色の変化を観察する。

〈結果と考察〉

８分後に＋極は赤紫色だが、－極は青緑色になった。電極を入れ替えると、24分後に両極ともほぼ同じ青紫色となり、48分後には＋極は青紫色、－極は青緑色になった。色はほぼ元に戻ったが、元と微妙に違うのは、＋極と－極では電気分解で必要な電子量が違うためだ。

《実験５》青色蛍光ランプを製作する。

〈方法〉

　透明な親水性のフィルムを、アントシアニン水溶液に浸す。これを蒸発しないように、２枚の透明ブックカバーではさんだものをブラックライトの蛍光管の表面に巻く。蛍光管のスイッチを入れて、光の色や照度、紫外線量の変化を調べる。

〈結果〉

　元のブラックライトの照度は0.75ルクス、紫外線量は198μW／㎠。製作した蛍光ランプは照度58.5ルクスと明るく、紫外線量は0.1μW／㎠と100％近くを吸収した。明るい水色の蛍光に輝くランプ（青色蛍光ランプ）ができた。

《実験６》オオカナダモ電池を応用して、青色蛍光ランプの光合成への有効性を調べる。

〈方法〉

　同じ中学校の友人、稲川翔子さんが研究した「オオカナダモ電池」（※銅とアルミを電極にしたダニエル型電池の容器内に水草のオオカナダモを一緒に入れると、光合成と呼吸の働きによって２倍の電圧が得られるという“生き物電池”）に、①自然光②白色蛍光灯③紫外線ランプ（ブラックライト）④実験５の青色蛍光ランプ⑤白色蛍光灯＋青色蛍光ランプの光を当て、５分おきに４時間の電圧変化を測定する。対象として、電池にオオカナダモを入れず水だけにして、白色蛍光灯を当てたものと比べる。

〈結果と考察〉

　⑤の白色蛍光灯と青色蛍光ランプの併用が、最も電圧の上がり方が大きかった。これにより、オオカナダモによる光合成の強さが自然光とほぼ同じで、有効性があることが確認された。オオカナダモは紫外線の強い南米原産の水草であるから、特に青色の光に強く反応するためではないか。紫外線ランプでは、光合成が抑制されることが分かった。

《実験７》白色蛍光灯と青色蛍光ランプの併用が、一般の植物の生長に有効かを調べる。

〈方法①〉

　万能ネギ、ハツカダイコン、コマツナ、ルッコラの種から発芽させた苗に①白色蛍光灯②白色蛍光灯＋青色蛍光ランプの光を24時間、１週間当て続けて、生長の差を観察する。

〈結果〉

　万能ネギでは、白色蛍光灯の照射で茎の長さは54㎜、対する青色蛍光ランプとの併用照射では76㎜と、1.4倍の伸長だった。しかしハツカダイコン、コマツナ、ルッコラでは、茎の長さ・太さ、葉の広さは白色蛍光灯の方が大きく、青色蛍光ランプとの併用はいずれの生長も抑制した。

〈方法②〉

　ハツカダイコン、コマツナ、ルッコラの苗に①白色蛍光灯②白色蛍光灯＋赤色蛍光ランプ（赤色蛍光塗料）の光を24時間、１週間当て続けて、生長の差を観察する。

〈結果〉

　ハツカダイコンでは、白色蛍光灯の照射で茎の長さは95㎜、これに対して赤色蛍光ランプとの併用照射は120㎜と長く、生長を促進した。逆にコマツナ、ルッコラでは、白色蛍光灯よりも赤色蛍光ランプとの併用照射の方が生長を抑制した。

〈考察〉

　植物によって、発芽時期には青色と赤色の蛍光ランプの使い分けが必要になる。

感想

　日常食べている野菜や果物、穀物に含まれる植物色素が同じように蛍光を示すことは驚きだった。試行錯誤して、植物色素の蛍光が、第５位炭素にエチル基が付加して起こることを考え出したのは有意義だった。今後も植物色素の蛍光について、仕組みと応用を探究したい。