光合成

毎年秋になると木々の葉が緑から黄色、オレンジ、赤の色合いに変わるのはなぜか疑問に思ったことはありませんか?そもそも葉に明るい色を与えるものは何ですか?その答えは、葉緑体と呼ばれる植物の細胞小器官にあり、葉緑体には、太陽光で特定の波長を吸収し、他の波長を反射する色素が含まれています。特定の色素の1つであるクロロフィルは、夏に最も豊富です。太陽光から高エネルギー、紫、青、赤の波長を吸収し、緑の波長を反射して葉に緑色の外観を与えます。葉には、カロテノイドなど、赤と黄色の光を反射する他の色素があります。秋になると、葉は色素の補充を停止します。クロロフィルは他の色素よりも早く分解されるため、これらのカロテノイドの色はマスクされません。

緑の葉に異なる顔料が存在することは、特定の溶媒への溶解度に基づいて分子を分離する親水性ポリマーであるクロマトグラフィーペーパーで実証できます。まず、葉の抽出物を紙にセットします。紙を有機疎水性溶媒に浸すと、溶媒は毛細管現象により紙に沿って移動し、葉抽出物中のさまざまな色素を分離します。最も疎水性の高い顔料は、紙のさらに上に運ばれます。一方、親水性顔料はセルロースに結合し、セルロースの動きを妨げます。すべての顔料を疎水性で分類した後、保持係数またはRf値を計算できます。Rf値は、顔料が移動した距離と溶媒が移動した距離の比率です。各顔料には固有のRf値があり、計算値を標準と比較することで顔料を簡単に識別できます。植物が二酸化炭素、水、光エネルギーを化学エネルギーと酸素に変換するプロセスである光合成は、主に植物の葉で行われ、クロロフィルはこのプロセスで重要な役割を果たします。葉緑体には数十のクロロフィル分子が含まれており、それぞれが特定の役割を果たし、複雑に相互作用します。最終的に、光エネルギーはクロロフィル分子に電子を放棄させ、他の代謝プロセスで利用されます。したがって、クロロフィルは、失った電子を置き換えるために電子の継続的な供給を必要とします。これらの置換電子は、水分子を陽子、電子、酸素分子に分解することに由来します。光合成の速度が高いと、水はより速く分割されて電子を補充し、酸素は急速に生成されます。

この現象は、重炭酸塩が炭素の豊富な供給源として機能する重炭酸塩溶液に葉の円盤を懸濁するだけで、実験室での光合成速度を評価するのに役立ちます。リーフディスク実験の開始時に、シリンジ内の真空で負圧を加えることにより、ガスをリーフディスクから押し出します。ガスが排出されたリーフディスクは重くなり、ビーカーに移すと重炭酸塩溶液の底に沈みます。光合成が行われると、クロロフィル電子を補充するために環境中の水が分割されます。結果として生じる酸素はディスクを軽くし、時間の経過とともにディスクを表面に浮かべます。光合成の速度が高い環境では、ディスクはより速く浮かびます。

このラボでは、まずクロマトグラフィーペーパーを使用してほうれん草の葉の色素を分離し、同定します。次に、水と重炭酸塩溶液中での光合成速度をリーフディスク実験で評価します。