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地球上のほとんどすべての生物は、太陽光のエネルギーをブドウ糖と呼ばれる単糖に変換するプロセスである光合成に依存しています。この分子は、短期的なエネルギー源として、またはでんぷんのようなより複雑な炭水化物を構築して長期的なエネルギー貯蔵に使用することができます。独立栄養生物は、光合成によって光エネルギーを捕捉する生物です。一次生産者とも呼ばれ、消費者と呼ばれるそれらを食べる生物に必要なエネルギーを提供します。
光合成が可能な生物は、シアノバクテリア、藻類などの一部の原生生物、植物など、かなり多様です。真核細胞では、光合成は葉緑体と呼ばれる細胞小器官で行われ、色素クロロフィルの含有量が高いため緑色に見えます。顔料は、特定の波長の光を吸収する分子です。顔料に吸収されなかった光は可視光として反射され、顔料の色として観察することができます。植物は、太陽からの光を異なる波長で吸収するさまざまな機能を持つ複数の色素を生成します。たとえば、クロロフィルは赤と青の波長の光を吸収し、緑に対応する波長を反射します。カロテノイド、アントシアニン、ベタレインなどの他の顔料は、一般に600〜800nmの低エネルギー波長で光を反射するため、黄色から赤く見えます。 温帯地域では、秋のクロロフィルの減少により、葉の色が赤、黄色、オレンジに変わるときにこれらの色素が明らかになります。
クロロフィルは光合成に使用される葉緑体の主要な色素ですが、他の色素は光エネルギーをクロロフィルにチャネル化したり、細胞を光による損傷から保護したりするのを助けます。光合成は、光依存性反応と光非依存性反応の2つの経路で構成されており、葉緑体内の異なる場所で発生します。これらの細胞小器官には、外膜、内膜、および葉緑体内に長い円盤状の折り目を形成する最も内側のチラコイド膜の3つの膜が含まれています。内膜とチラコイド膜の間の液体で満たされた空間は、間質と呼ばれます。光依存性反応は、太陽光のエネルギーがチラコイド膜内に埋め込まれたクロロフィル色素の電子を励起するときに始まります。これらの高エネルギー電子は、チラコイド膜内の1つの電子キャリア分子から別の電子キャリア分子に渡され、総称して電子伝達鎖と呼ばれます。電子伝達鎖内の各移動は、電子をより低いエネルギー状態に導き、したがってエネルギーを放出します。このエネルギーの一部は、アデノシン三リン酸(ATP)やニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸(NADPH)などのエネルギーが豊富な小さな分子を合成するために利用されます。クロロフィルの失われた電子は、水素原子と酸素原子が分離されるときに、加水分解(水の分解を意味する)によって置き換えられます。加水分解によって生成された水素原子は、その電子をクロロフィルに供与し、酸素分子は大気中に放出されます。加水分解による電子の流れにより、クロロフィル顔料は、新しい電子を繰り返し励起して電子伝達系に通過させることで、光エネルギーを連続的に吸収することができます。
光に依存しない反応は間質で起こります。このプロセスは、光依存性反応によって生成されたATP分子とNADPH分子からのエネルギーを利用することにより、光エネルギーを間接的に利用します。この経路では、二酸化炭素(CO2)を使用して炭素3個の糖が生成され、それをグルコースまたは他の生体分子に変えることができます。このプロセスは、炭素が大気から隔離され、生体分子に固定されるため、炭素固定または炭素隔離とも呼ばれます。
光合成中の炭素隔離は、炭素循環の重要なステップであり、CO2は比較的一定のペースで1つの貯留層から別の貯留層に流れます。CO 2の流量が変化すると、貯留層間でのCO2の流量のバランスが変わる可能性があります。さらに重要なことに、CO2は温室効果ガスであるため、その大気濃度の増加は気温の上昇に寄与します。このCO2の大部分は化石燃料の燃焼によって放出されるため、数億年前に光合成によって隔離された二酸化炭素が前例のない速度で大気中に戻されます。したがって、森林と海洋藻類は、増加したCO2レベル1を減らすことにより、地球を冷却するためにますます不可欠です。これは、気候変動の中で森林破壊が深刻な懸念事項である多くの理由の1つです。
植物が光合成を使用して光エネルギーを生体分子に取り込むのと同じように、研究者は人工光合成を使用して、化石燃料の代替としてカーボンニュートラルなバイオ燃料を作り出すことを研究しています。人工光合成法は、ソーラーパネルと同様に、太陽からエネルギーを得て化学エネルギーとして蓄え、その一部は直接電気に変換するのではなく、長期間蓄えることができます2。科学者たちはまた、光合成細菌3を使用して単糖と乳酸を生成することができました。このアプローチは、生体分子、バイオ燃料、さらには有害な排出物がほとんどまたはまったくない生分解性プラスチックの製造に広く応用されています。さらに、このアプローチは、大気から過剰なCO2を除去するために使用できます。同様の考え方が医療分野でも適用されており、光合成細菌を用いて生理活性物質や薬剤を作製し、その一部はがんの診断や治療に応用されています4。将来の研究は、持続可能でカーボンニュートラルな分子を生成する効率を向上させると同時に、大気中のCO2レベルの増加の影響を修復する可能性があります。
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。
