Contents
光合成は、植物が太陽光を利用してCO₂と水からエネルギーを生成し、酸素と糖を生み出す過程です。
この現象は地球上の生命の源ともいえるものであり、植物は光エネルギーを化学エネルギーに変換して成長し、私たちが消費する食料や酸素を提供しています。
光エネルギーの変換
光合成の第一段階では、太陽光が植物の葉の中にある葉緑体という小さな構造に吸収されます。
葉緑体内のクロロフィル（葉緑素）が光エネルギーを吸収すると、そのエネルギーは電子を高いエネルギーレベルへと励起させます。
この励起された電子は、エネルギーキャリアであるATPとNADPHという分子を生成し、これらは次の段階で使われます。
光合成の基本メカニズム
光合成は、光エネルギーを化学エネルギーに変換するプロセスで、2つの主要なステップに分かれています。
- 光反応（光依存反応）
- カルビン回路（光非依存反応、または炭素固定反応）
これらのステップを通じて、植物は光エネルギーを利用して二酸化炭素（CO₂）を固定し、エネルギーを糖に蓄えることができるというわけです。
ここでのポイントは、光エネルギーの変換と、それを化学エネルギー（ATPとNADPH）に変換するメカニズムです。
光エネルギーが植物の葉に到達すると、葉緑体内のチラコイド膜に存在するクロロフィル分子がそのエネルギーを吸収します。
ここでの光反応の役割は、太陽の光子のエネルギーをATPとNADPHという分子に変換することです。
光は、光子という粒子の形で植物に届きます。
可視光の波長範囲（400nm〜700nm）にある光が葉緑体に吸収されることで、電子が励起されます。
ちなみに人間が通常可視できる光の波長範囲は約380nmから750nmです。
これは、紫外線に近い紫色の光（380nm付近）から、赤外線に近い赤色の光（750nm付近）までの範囲に相当します。
詳細な可視光の波長範囲：
- 紫色: 約380nm〜450nm
- 青色: 約450nm〜495nm
- 緑色: 約495nm〜570nm
- 黄色: 約570nm〜590nm
- 橙色: 約590nm〜620nm
- 赤色: 約620nm〜750nm
一部の文献では、可視範囲を400nm〜700nmとして定義することもありますが、一般的な人間の視覚の範囲としては、380nm〜750nmが標準とされています。
この範囲外の波長、たとえば紫外線（380nm以下）や赤外線（750nm以上）は、通常人間の目では見ることができませんが、特定の動物や技術を使えばこれらの波長も観測可能です。
電子伝達系とプロトン勾配の形成
励起された電子は、電子伝達鎖を通じて運ばれ、その過程でエネルギーが失われます。このエネルギーは、チラコイド膜の内外にプロトン（H⁺）をポンプするために使われ、膜を挟んだプロトン勾配が作られます。
このプロトン勾配が、後のATP合成に非常に重要です。
電子伝達系の終点で、電子は光化学系I（PSI）に到達し、再び光によって励起されます。
この高エネルギーの電子は、最終的にNADP⁺に渡され、NADPHが生成されます。
同時に、チラコイド膜を通じたプロトン勾配により、ATP合成酵素がプロトンを膜を通じて移動させることで、ATPが合成されます。
光合成における光のエネルギー利用効率を計算する際、以下のポイントが考慮されます：
- 太陽から地球に届く光エネルギーは1平方メートルあたりおよそ1,000Wです。
- 植物が吸収する光エネルギーのうち、約**5%〜10%**が実際に化学エネルギー（糖やATP）に変換されます。
つまり、光エネルギーを効率よく利用するために、植物は適切な光の波長を選択的に吸収し、クロロフィルを使ってエネルギーを変換しています。
エネルギー変換の効率
1モルのATPを合成するには、約30.5kJ/molのエネルギーが必要です。
C3植物とC4植物の違い
C3植物とC4植物の比較
| 特徴 | C3植物 | C4植物 |
|---|---|---|
| CO₂固定の方法 | 直接カルビン回路でCO₂を固定 | 2段階でCO₂を固定し、カルビン回路に運ぶ |
| 環境適応性 | 温暖で湿潤な環境に適応 | 高温・乾燥環境に適応 |
| フォトレスピレーション | 高温や乾燥条件で多発 | ほとんど発生しない |
| 構造的な違い | 葉の内部でCO₂が固定 | 葉肉細胞と維管束鞘細胞が分かれてCO₂を固定 |
| 効率 | 適度な温度・湿度下では高効率 | 高温・乾燥環境で効率的 |
| 代表的な例 | 米、麦、大豆 | トウモロコシ、サトウキビ |
C3植物とC4植物は、どちらも光合成を行いますが、二酸化炭素（CO₂）を固定する仕組みに違いがあり、これにより異なる環境条件で効率よく光合成を行うことができます。以下に、両者の違いを詳しく説明します。
C3植物は、地球上で最も一般的な光合成の形態を持つ植物です。
カルビン回路の最初の段階で、CO₂が**リブロース-1,5-ビスリン酸（RuBP）と結びつき、3つの炭素原子を持つ化合物である3-ホスホグリセリン酸（3-PGA）**を生成します。この3-PGAがC3植物の名前の由来です。
C3植物の主な特徴：
- CO₂固定のプロセス：カルビン回路によって直接CO₂を固定します。
- 効率性：穏やかな温度環境や適度な水分がある条件下で効率的に光合成を行います。
- フォトレスピレーション（光呼吸）：高温や乾燥条件では、CO₂の代わりに酸素（O₂）がカルビン回路に入り込み、エネルギーを無駄に消費するフォトレスピレーションが起こります。このため、C3植物は暑くて乾燥した環境では効率が下がります。
- 例：米、麦、ジャガイモ、大豆などの一般的な作物。
光呼吸の問題
C3植物は、気孔が開いているときにCO₂を取り込みますが、乾燥条件下で気孔が閉じると、内部のCO₂濃度が低下し、代わりに酸素がカルビン回路に取り込まれることがあります。このプロセスがフォトレスピレーションです。フォトレスピレーションではエネルギーが浪費され、糖の生成が抑えられるため、光合成の効率が低下します。
C4植物は、C3植物とは異なる光合成の仕組みを持ち、特に乾燥した地域や高温環境に適応しています。
C4植物では、CO₂はまず、カルビン回路とは異なる部位で固定され、4つの炭素原子を持つ化合物（オキサロ酢酸、マレート）として保存されます。この「4つの炭素原子」を使うことが、C4植物の名前の由来です。
C4植物の主な特徴：
- 二段階のCO₂固定：まず、葉の表面に近い葉肉細胞でCO₂が固定され、次にカルビン回路が行われる維管束鞘細胞に運ばれます。これにより、CO₂が局所的に高濃度に保持され、フォトレスピレーションを抑制します。
- 効率性：高温や乾燥条件でもフォトレスピレーションがほとんど発生せず、非常に効率的に光合成を行います。
- 構造の違い：C4植物は、葉肉細胞と維管束鞘細胞が分離されており、CO₂を効率的に分配するメカニズムを持っています。
- 例：トウモロコシ、サトウキビ、ソルガムなどの作物。
C4植物のCO₂固定メカニズム
C4植物では、まずホスホエノールピルビン酸（PEP）という化合物がCO₂を取り込み、オキサロ酢酸という4つの炭素原子を持つ化合物を生成します。これがC4植物の名称の由来です。オキサロ酢酸はマレートに変換され、維管束鞘細胞に運ばれます。この細胞内でCO₂が再び放出され、カルビン回路に入ります。このプロセスにより、CO₂の濃度が局所的に高く保たれるため、フォトレスピレーションがほとんど起こりません。
進化的観点から見ると、C3植物は地球の気候が比較的安定していた時代に発展したため、涼しい環境や湿潤な環境で優れた光合成効率を発揮します。
一方で、地球が乾燥化し、温暖化してきた時期に、C4植物は高温や乾燥条件に適応するために進化しました。
この違いにより、現代の地球温暖化や気候変動の中では、C4植物は特に乾燥地域での農業において重要な役割を果たすと考えられています。
人工的に加えた波長の光
人工的に加えた波長の光でも光合成を促進することは可能です。
ただし、特定の波長の範囲であることが重要です。
植物の光合成に最も効果的な波長は、可視光スペクトルの**青色光（約450nm付近）と赤色光（約660nm付近）**です。
植物における光合成の主役であるクロロフィル（葉緑素）は、特定の波長の光を効率的に吸収します。
- 青色光（約450nm付近）：光合成における成長の促進、葉の成長を助けます。
- 赤色光（約660nm付近）：光合成を進め、開花や果実形成を促進します。
クロロフィルは、緑色光（約500〜570nm）の吸収効率が低く、このため植物は緑色に見えるのです。
緑色光は光合成にあまり寄与しないため、人工的に加える光は主に青色と赤色が適しています。
LED照明などの人工光源を使用して、光合成を促進することが現代の農業や室内栽培で広く行われています。
この技術を「植物工場」や「LED農業」とも呼びます。
人工的に作られた光は、以下のような利点があります。
- 波長を正確に制御：青色や赤色の光をピンポイントで照射することで、光合成効率を最大化できます。
- 光の強度を調整：太陽光の強度をシミュレーションし、光合成に必要な適切な光量を供給できます。
- 昼夜のサイクルを制御：自然光のサイクルを模倣したり、最適な時間帯に光を当てることで、成長をコントロールできます。
波長の違いによる影響
- 赤外線（700nm以上）：赤外線は植物にとって光合成にはほとんど寄与しませんが、温度調整やその他の植物の発育に影響を与えることがあります。
- 紫外線（380nm以下）：紫外線も光合成には寄与しませんが、殺菌効果や植物の防御機能の向上など、特定の効果が知られています。
人工波長（光源）のデメリット
このように見てみると、人工的な波長にはメリットしかないように思えますが、もちろんデメリットもあります。
最大のデメリットはコストがかかるということ。
初期設備投資はもちろん、電気代コストがかかってきます。
太陽は無料です。
また、人工光は特定の波長に集中しているため、植物にとって最適な光の組み合わせを再現するのが難しいことがあります。
太陽光には、広範囲の波長が含まれており、植物が多様な成長段階でさまざまな波長を吸収するために適しているのに対し、人工光では特定の波長だけを強調することが一般的です。
そのため、植物の成長が不完全だったり、特定の栄養価が不足することも考えられます。