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光合成

辞書:科学用語の基礎知識 生物学編 (BBBIO)
読み:こうごうせい
外語:photosynthesis 英語 , fotosintez/o エスペラント
品詞:さ変名詞
2001/06/21 作成
2015/10/12 更新

植物藻類などの生物が行なう、光エネルギーを化学エネルギーに変換する営みのこと。

光合成は、日光のエネルギーを用いて生物に必要なエネルギーを得る反応である。

例えば植物の場合、光合成は葉緑体で行なわれていて、二酸化炭素からグルコース(葡萄糖)などの炭水化物を作り出す。光合成をする植物はこの炭水化物を使って生きている。

光合成は非常に複雑な過程の組み合わせで出来ており、また生物種によっては植物のそれとは全く異なる光合成をするものもある。

高校レベルまで

小中学校レベルの理科では、植物の「光によって澱粉を作り出す営み」として学ぶ。

高校レベルでは、深い理由には触れないが、水(H2O)と二酸化炭素(CO2)を用いる反応で、二酸化炭素が固定化され澱粉などの有機物になる反応が光合成であり、副産物として酸素が発生することを学ぶ。

結果として、高校レベルまででは、「光合成とは植物が光によって水を分解し酸素を発生させ、二酸化炭素を有機物に固定する反応」であると説明される。

大学以上

実は光合成をするのは植物だけではなく、光合成細菌と呼ばれるものもしている。

光合成細菌は、小中学校レベルの定義である「光から有機物を作る」反応であるため「光合成」として名前が付けられているが、一方で、水を分解して酸素を作らないため高校レベルでの高校生はしていない。

植物は水(H2O)から酸素(O2)を作るが、光合成細菌はたとえば、硫化水素(H2S)から硫黄(S)を作る反応などをしている。必要なものは水素(H)、より正確には水素が持つ還元力であって、反応で生じる酸素(O2)や硫黄(S)は不要物であるため捨てられる。これが、副産物として生じる酸素などの説明となる。

大学レベルでの光合成の説明としては、「光合成とは外来より得た物質から水素の還元力を取り出し、その還元力と光エネルギーを使って二酸化炭素を有機物に固定する反応」であると説明できる。

種類

光合成は様々な種類があり、既知の範囲内では、おおざっぱには次のように分類できる。

  • 酸素発生型光合成 (植物やシアノバクテリアなど)
  • 酸素非発生型光合成 (光合成細菌など)
  • バクテリオロドプシン型 (主として古細菌など)

酸素発生型光合成

反応

人間が日常よく目にする、植物藻類などの光合成がこの酸素発生型光合成である。

二酸化炭素(CO2)の還元に必要な電子は水(H2O)から得ており、水を酸化分解し、酸素が発生する。対する酸素非発生型光合成では硫化水素や有機酸を電子供与体として用いていることから、光合成に水は必要がなく酸素も発生しない。

酸素発生型光合成も、電子伝達過程によって次の二つに分けられる。

  • 非循環的電子伝達系
  • 循環的電子伝達系

非循環的電子伝達系では、次の反応が連なって実現する。

  • 光化学系Ⅱ
  • シトクロムb6f複合体
  • 光化学系Ⅰ

光化学系Ⅱで光エネルギーを用いた水の光分解で酸素を発生させ電子を得、この電子はプラストキノンを還元し、生成されたプラストキノールは電子をシトクロムb6f複合体へと渡す。この電子はプラストシアニンを経て、光化学系Ⅰへと渡される。光化学系ⅠでNADP+を還元しNADPHが生産される。ここまでが、光合成における光化学反応である。

NADPHはCO2固定など、生体内の様々な反応で還元力として使われている。

この一連の反応において生じる酸素は、現在の地球上の生物にとって非常に重要なものとなっており、人間も植物が作り出した酸素を日々呼吸で取り込んで使用している。

水分解

水は葉緑体の蛋白質複合体で分解され、酸素と電子を発生させる。

大まかな理屈は分かっていたが、具体的な仕組みを解明したのは、沈建仁(しんけんじん)岡山大教授(生化学)と神谷信夫(かみやのぶお)大阪市立大教授(構造生物学)のグループである。

水を分解する箇所は、マンガン原子4個、カルシウム原子1個、酸素原子5個が歪んだ椅子の形に結合しているとされた。

これと同じ化学構造の触媒を人工的に量産できれば、人工光合成として太陽光から効率的に電気を取り出すことができる可能性があるともされている。

酸素非発生型光合成

光合成細菌が行なう光合成である。次のような生物が酸素非発生型光合成を行なう。

  • 紅色細菌
  • 藍色細菌 (藍藻)
  • 緑色硫黄細菌
  • 緑色非硫黄細菌
  • ヘリオバクテリア
  • クロラシドバクテリア

植物、藻類、シアノバクテリアによる酸素発生型光合成とは違い、光合成電子伝達系の電子供与体に水を利用せず酸素が発生しないことから、酸素非発生型光合成と呼ばれている。

ヘリオバクテリアなどは、生育に光エネルギーを用いるが炭素固定をしないため、本来の光合成とは言えないため、光合成細菌の分類から外す考え方もある。

バクテリオロドプシン型

古細菌である高度好塩菌などが持つ膜蛋白に存在する光合成色素バクテリオロドプシンによる光合成である。

バクテリオロドプシンは光駆動プロトンポンプとも呼ばれており、光エネルギーを使って細胞内にある水素イオン(プロトン、陽子)を細胞外に移動させる働きを担う。

上二つの、真正細菌や真核生物の光合成とは由来も機構も全くことなる、独自の光合成である。

関連する用語
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