生物学 I
学習目標
このセクションの終わりには、以下のことができるようになります。
- 光合成のプロセスを要約する
- 光合成と他の生物との関連性を説明する
- 光合成の反応物と生成物を特定する
- 光合成に関わる主な構造を説明する
地球上のすべての生物は、1つまたは複数の細胞から構成されています。 各細胞は、主に炭水化物分子（食物）に含まれる化学エネルギーで動いていますが、この炭水化物分子の大部分は、光合成という一つのプロセスで作られています。 ある種の生物は、光合成によって太陽エネルギー（太陽光）を化学エネルギーに変換し、そのエネルギーを使って糖質分子を作ります。 これらの分子をまとめるのに使われたエネルギーは、生物が食物を分解するときに放出されます。
光合成によって得られたエネルギーは、地球上の生態系に継続的に入り込み、生物から生物へと伝達されます。
光合成によって得られたエネルギーは、地球上の生態系に継続的に入り、生物から生物へと伝達されていきます。
Concept in Action
光合成についてもっと知りたい方はこちらへ。
太陽への依存と食料生産
光合成ができる生物とできない生物があります。 光合成ができる生物とできない生物があり、自分で食物を作ることができる生物を独立栄養生物といいます。 autotrophの語源はギリシャ語で「自分自身」（auto）「養う人」（troph）という意味です。 よく知られているのは植物ですが、他にもバクテリアや藻類などの種類があります（図1）。 海洋の藻類は、地球上の食物連鎖に膨大な量の食物と酸素を供給している。 また、植物は、太陽光と二酸化炭素から得られる炭素を利用して、化学エネルギーである炭水化物を合成する独立栄養生物の一種である。
図1. (a)植物、(b)藻類、(c)シアノバクテリアと呼ばれるある種の細菌は、光合成を行うことができる光独立栄養生物です。 藻類は、水中で広大な面積に生育し、時には水面を完全に覆うこともある。 (クレジット (クレジット a: Steve Hillebrand, U.S. Fish and Wildlife Service; クレジット b: “eutrophication&hypoxia”/Flickr; クレジット c:
図2. 光合成によって炭水化物分子に蓄えられたエネルギーは、食物連鎖を介して伝達されます。 シカを食べる肉食動物は、シカが食べた光合成植物に由来するエネルギーを得ている。
従属栄養生物とは、光合成ができないために、他の生物を食べてエネルギーや炭素を得る生物のことです。 従属栄養生物の語源は、ギリシャ語で「他の」（hetero）「食べる」（troph）という意味で、他の生物を食べることを意味しています。 たとえ他の動物であっても、その食物の起源は、独立栄養生物の光合成にある。 人間も他の動物と同様に従属栄養生物である。 従属栄養生物は、直接または間接的に独立栄養生物に依存している。 シカやオオカミは従属栄養生物です。 シカは植物を食べてエネルギーを得ます。 シカを食べたオオカミは、シカが食べた植物からエネルギーを得ます。 植物のエネルギーは光合成によるものなので、この例では植物が唯一の独立栄養生物です（図2）。 このように考えると、人間が食べるものもすべて光合成を行う独立栄養生物につながることになります。
行動する生物学
食料品店での光合成
図3. 光合成は、人間の食生活の主な要素を構成する製品の起源である。 (credit: Associação Brasileira de Supermercados)
アメリカの主な食料品店は、乳製品、肉類、青果、パン、シリアルなどの部門に分かれています。
多種多様な商品がありますが、それぞれの商品は光合成に関連しています。 肉や乳製品は、植物性の食物を与えられた動物であるため、光合成につながります。 また、パンやシリアル、パスタなどは、光合成を行う植物の種子である穀物が主原料です。 デザートや飲み物はどうでしょうか？ これらの製品には、光合成によって生成された炭水化物の基本分子である糖分が含まれています。
光合成の主な構造と概要
光合成は、太陽光、二酸化炭素、水を出発原料として行われます（図4）。 光合成が完了すると、酸素が放出され、グルコースを代表とする糖質分子が生成される。
図4. 光合成では、太陽エネルギー、二酸化炭素、水を使って酸素を放出し、エネルギーを蓄える糖分子を作ります。
光合成の複雑な反応は、図5に示す化学式でまとめることができます。
光合成のプロセスは、二酸化炭素と水が、太陽光のエネルギーを利用して、糖と酸素を生成するという方程式で表されます。
この方程式は単純に見えますが、細胞呼吸をまとめた反応が多くの個別の反応を表しているように、光合成で行われる多くのステップは実際には非常に複雑です。
植物の場合、光合成は主に、上下に分化した何層もの細胞からなる葉で行われます。 光合成のプロセスは、葉の表層ではなく、中間層の葉肉と呼ばれる部分で行われます（図6）。
すべての独立栄養の真核生物では、光合成は葉緑体と呼ばれる器官の中で行われます。
すべての独立栄養の真核生物は、葉緑体と呼ばれる器官の中で光合成を行っている。 葉緑体は内膜と外膜の二重構造になっている。 葉緑体の中には第3の膜があり、チラコイドと呼ばれる円盤状の構造物が積み重なっている。 チラコイド膜にはクロロフィルという色素（光を吸収する分子）が埋め込まれており、これによって光合成が行われる。 植物の緑色はクロロフィルのおかげである。 チラコイド膜は、チラコイド空間と呼ばれる内部空間を包んでいる。 光合成には他の種類の色素も関与しているが、クロロフィルが圧倒的に重要である。
Art Connection
暑くて乾燥した日には、植物は水を節約するために気孔を閉じます。
光合成の2つの部分
光合成は、「光依存反応」と「カルビンサイクル」の2つの段階で行われます。 チラコイド膜で行われる光依存性反応では、クロロフィルが太陽光からエネルギーを吸収し、水を使って化学エネルギーに変換します。 光依存性反応では、水の加水分解により酸素が副産物として放出される。 間質で行われるカルビンサイクルでは、光依存性反応で得られた化学エネルギーをもとに、二酸化炭素分子の中の炭素の捕獲と、それに続く糖分子の組み立てが行われる。 この2つの反応は、一方の反応から他方の反応へとエネルギーを輸送するためにキャリア分子を使用する。 光依存反応からカルビンサイクル反応にエネルギーを運ぶキャリアーは、エネルギーをもたらすことから「フル」と考えることができる。
Section Summary
光合成のプロセスは、地球上の生命を大きく変化させました。 太陽からのエネルギーを利用することで、生物は膨大な量のエネルギーを利用できるようになりました。
光合成を行うことができるのは、光を吸収して光エネルギーを化学エネルギーに変換する特殊な色素であるクロロフィルを持つ独立栄養生物のみである。 光合成は、二酸化炭素と水を使って炭水化物分子（通常はグルコース）を組み立て、酸素を空気中に放出する。
Additional Self Check Questions
1. 暑くて乾燥した日には、植物は水分を節約するために気孔を閉じます。
2.光合成における光反応の全体的な目的は何ですか
3.ライオンのような肉食動物が生き残るために光合成に依存しているのはなぜですか
回答
1. 反応物である二酸化炭素の濃度が下がり、生成物である酸素の濃度が上がります。
2.太陽エネルギーを化学エネルギーに変換して、細胞に仕事をさせる。
3.ライオンは植物を食べる動物を食べるから。
Glossary
autotroph：自分で食料を生産できる生物
chlorophyll：光合成の反応を促す光エネルギーを取り込む緑色の色素
chloroplast：光合成が行われる小器官
granum: 葉緑体の中にあるチラコイドの積み重ね
従属栄養生物：他の生物を食料として消費する生物
光依存性反応：光合成の最初の段階で、可視光が吸収されて2つのエネルギー運搬分子（ATPとNADPH）が生成される
メソフィル：葉の中層の細胞
光独立栄養生物。
色素：光エネルギーを吸収できる分子
ストマ：葉と環境の間のガス交換と水の調節を行う開口部、複数形：ストマ
ストロマ。 光合成のカルビンサイクル反応が行われる葉緑体内のグラナを囲む液体で満たされた空間
シラコイド：葉緑体内の円盤状の膜構造で、膜に埋め込まれたクロロフィルを使って光合成の光依存反応が行われる