光合成とは？定義・化学式・葉緑体での仕組みと生物への役割
光合成の基本を図解でわかりやすく解説。定義・化学式・葉緑体での仕組みと、植物や地球に果たす重要な役割を詳しく紹介。
光合成とは、植物などが食べ物を作る過程です。具体的には、葉や葉緑体内で光エネルギーを利用して、細胞がエネルギー源として使える有機物（主にグルコース）を無機物から合成する一連の反応です。多くの場合、光エネルギーは二酸化炭素と水を還元して糖を作り、その過程で副産物として酸素を放出します。植物だけでなく、様々な藻類、原生生物、そして一部のバクテリアも光合成を行います。光合成は地球上の生命にとって重要なプロセスであり、地球全体のエネルギー流と炭素循環を支える基盤です。例外として、光合成を行わず化学反応（化学合成）からエネルギーを得る生物も存在し、これらはしばしば化学合成微生物と呼ばれます（※原文の用語：化学好中球菌など）。
化学式（概略）
6 CO2(g)＋6 H2O＋光子→C6H12O6(aq)＋6 O2(g)
葉や根での物質移動
二酸化炭素は大気からの拡散によりストマタ（気孔）を通って葉に入ります。ストマタの開閉は水分状態や光環境、二酸化炭素濃度などによって制御され、気孔の開閉は光合成速度と蒸散（トランスピレーション）に大きく影響します。
水は土壌から表面積を増やした根毛細胞によって吸収され、導管を通って葉に運ばれます。水は光化学反応で電子供与体として消費されると同時に、蒸散を通じて植物体外へと移動します。
葉緑体と色素
光合成は主に葉の細胞内にある葉緑体で行われます。葉緑体には緑色の光吸収色素であるクロロフィルをはじめカロテノイドなどが含まれ、これらが太陽光のエネルギーを捕らえます。葉内の葉のパリセード細胞は葉緑体を多く含み、光を効率よく吸収する役割を担います。
葉緑体の内部は、平らな膜構造のチラコイドが積み重なったグラナ（顆粒）と、それを包む基質ストロマに分かれます。光エネルギーはチラコイド膜上の光化学系（Photosystem II・I）や電子伝達系で捕集され、ATPとNADPHという化学エネルギーに変換されます。水の分解（光化学分解）により電子が供給され、その際に酸素が生成されます。
光反応（光依存反応）とカルビン回路（光非依存反応）
- 光反応（チラコイド膜）：光がクロロフィルに吸収され、電子が励起されます。電子は電子伝達系を通って移動し、その過程でプロトン勾配が作られ、ATP合成酵素を用いてATPが合成されます。さらに電子はNADP+を還元してNADPHを作ります。水の分解により酸素（O2）が発生します。
- カルビン回路（ストロマ、光非依存反応）：光反応で作られたATPとNADPHを用いて、二酸化炭素を固定し、3炭糖（G3Pなど）を合成します。主要酵素はルビスコ（RuBisCO）で、最終的にこれらの中間体から六炭糖（ブドウ糖）などの炭素骨格が構築されます。生成した糖はすぐに代謝されてエネルギー源になったり、デンプンの形で貯蔵されたりします。
ブドウ糖の行方と酸素
ブドウ糖は細胞呼吸によって分解され、ATPとしてエネルギーを供給します（この過程の説明は呼吸の領域です）。余った糖はアミノ酸や脂質、セルロースといった他の生体分子に変換され、成長や貯蔵（デンプンの蓄積）に使われます。光合成で生じる酸素は副産物ですが、多くの生物の呼吸にとって必須の気体でもあります。酸素は組織で消費されるか、ストマタを通って大気中へ拡散します。
光合成が生物と地球にもたらす役割
- 生態系の基盤：光合成により固定された有機物は、食物連鎖の第一段階を構成し、ほとんどの生物のエネルギー源になります。
- 大気組成の維持：光合成は大気中の酸素を供給し、二酸化炭素の濃度を調節するため地球規模の気候や大気化学に影響します。
- 生物多様性と生産性：光合成効率や光合成資源（光、CO2、水、栄養）は生態系の生産性を決定し、農業や森林生態系の有用性に直結します。
光合成を制限する因子
光合成速度は主に以下の因子により制限されます：光強度と光の波長（クロロフィルは赤と青光を効率的に吸収します）、二酸化炭素濃度、温度（酵素活性に依存）、水の供給、栄養素（特に窒素、マグネシウムなど）や葉内の気孔の開閉状態。これらの因子は単独で、または組み合わさって光合成速度を決定します。
C3・C4・CAM植物の違い（簡潔に）
光合成にはいくつかの生化学的経路の違いがあり、代表的なのがC3、C4、CAM経路です。C3植物は標準的なカルビン回路でCO2を固定しますが、乾燥や高温条件ではルビスコの酸素付加反応（光呼吸）が増え効率が落ちます。C4植物は初期のCO2固定を別の細胞層で行い、高温・乾燥環境での効率を高めます。CAM植物は気孔を夜間に開いてCO2を取り込み日中に固定することで水分節約を図ります。これらの適応は、植物が置かれた環境に応じた光合成効率向上の戦略です。
まとめ
光合成は、光エネルギーを化学エネルギーに変換して無機物から有機物を合成する重要な生物学的プロセスです。葉緑体内の光反応でATPとNADPHを生成し、カルビン回路でCO2を固定して糖を合成します。生成物は植物自身の成長や貯蔵、他の生物にとってのエネルギー源となり、地球の酸素供給や炭素循環にも深く関わっています。
太陽光からのエネルギー、根に吸収された水、大気中の二酸化炭素は、光合成によってブドウ糖と酸素を生成します。
反応
光合成には主に2つの反応があります。光に依存した反応は光を必要とし、光に依存しない反応は光を必要としない。
光依存反応
太陽からの光エネルギーを利用して水分子を分裂させます（光分解）。太陽の光が植物の葉緑体に当たることで、酵素が水を分解します。水は分解されると、酸素、水素、電子を作ります。
水素は、光によって通電された電子と一緒に、光に依存しない反応で使用されるNADPをNADPHに変換します。酸素は光合成の廃棄物として植物の外に拡散し、ATPはADPと無機リン酸塩から合成されます。これらはすべて葉緑体のグラナで行われています。
光に依存しない反応
この反応の間、二酸化炭素と光依存反応の生成物（ATPとNADPH）、そしてカルバンサイクルの中で植物に見られる様々な化学物質を使って糖が作られていきます。したがって、光に依存しない反応は、光に依存した反応なしには起こりえません。二酸化炭素は植物内に拡散し、葉緑体の化学物質、ATP、NADPHとともに、グルコースが作られ、最終的には転座によって植物内を移動します。
葉緑体の模式図
初期進化
最初の光合成生物は、おそらく生命の歴史の中で早い段階で進化したと思われます。彼らは水ではなく、水素や硫化水素のような還元剤を電子の供給源として使っていたのかもしれません。その後、シアノバクテリアが出現し、彼らが作り出した過剰な酸素が酸素大災害の原因となりました。これが複雑な生命の進化を可能にしたのです。
効果
現在、光合成によるエネルギー捕獲率は世界全体で平均約130テラワットとなっており、これは現在の人類文明が使用している電力の約6倍に相当します。また、光合成生物は、年間約1億～1億1,500万トンの炭素をバイオマスに変換している。
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質問と回答
Q:光合成とは何ですか?
A:光合成は、植物や一部の微生物が太陽光を利用して二酸化炭素を糖に変えるプロセスです。光エネルギーを化学エネルギーに変換するのです。
Q:光合成の産物は何ですか?
A:光合成の産物は糖質です。糖質は細胞内でエネルギーとして使われたり、他の分子を作るために使われます。
Q:光合成は、地球上の生物にどのような影響を与えているのでしょうか?
A:光合成は、大気中に酸素を供給する役割を担っており、地球上の生命にとって不可欠なものです。光合成がなければ、地球上の生命は存在しないでしょう。
Q:光合成をするのは誰?
A:緑色植物、藻類、原生生物、一部の細菌が光合成を行います。化学反応からエネルギーを得る一部の生物は化学求栄養生物と呼ばれ、光合成を行いません。
Q:光合成は発熱反応ですか、それとも吸熱反応ですか?
A:光合成は吸熱反応であり、光合成を行うためには熱を必要とします。
Q:光合成は光をどのようなエネルギーに変換するのですか?
A:光合成は、光エネルギーを化学エネルギーに変換する反応です。
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