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植物の生命を支える光合成

植物の葉が緑色であるのは、葉緑体という器官を細胞の中に含んでいるためです。この葉緑体の中で光合成という反応を行うことによって植物は自らの力で栄養分を作り出しています。

葉緑体こそが植物の根幹

葉緑体は「葉緑体膜」(外膜・内膜)という二重の膜でおおわれています。葉緑体膜は光合成に必要な物質を取り入れたり、光合成によってつくられた産物を外へ運び出す働きを持っています。
膜の内部には袋状の組織が何層にも重なって存在しています。この袋状の組織は「チラコイド」と呼ばれ、チラコイドが複数重なったものを「グラナ」と言います。更に葉緑体内部は「ストロマ」という液体で満たされており、光合成で生成されたデンプンはここに蓄えられます。
後述する光合成反応はこのチラコイドとストロマ内部で行われています。



葉緑体


光合成とは、光のエネルギーを利用して二酸化炭素と水から植物の養分となる有機物(デンプン:グルコースが複数結合したもの)や酸素を発生させる働きです。原料物質と生成物質だけに着目し、化学反応式で表すと、

12H2O(水)+6CO2(二酸化炭素)→C6H12O6(デンプン)+6O2(酸素)+6H2O(水)

実はこの反応は光エネルギーがあって初めて進みます。つまり光が当たらないと植物は養分を作り出すことができずに枯死します。では、二酸化炭素と水の混合物に光を当てればデンプンができるかと言えば、それも間違いです。植物の中では工場のような複雑な反応工程で反応が進み、その最終産物としてデンプンが産生されます。

この光合成の仕組みを少し細かく見てみましょう。
光合成の仕組みとは簡単に言うと、「光のエネルギー」を「ATP」と「NADPH」という二つの化学エネルギーに変換し、この化学エネルギーを利用してCO2を還元し、デンプンを合成する反応です。

光合成は、光エネルギーの吸収を初めとする複数の反応系が連続的に起こることにより進んでいきます。その反応は大きく以下のように分けることができます。


  1. ①光のエネルギーを吸収する反応
  2. ②ATPを生成する反応
  3. ③水を分解する反応
  4. ④水素の生成反応
  5. ⑤二酸化炭素をデンプンに変える反応

光合成反応経路引用:生物図説(秀文堂)p.56,1995

①光のエネルギーを吸収する反応

光のエネルギーを化学反応を起こすのに必要なエネルギーに変換するためには、まず光をなんらかの物質に吸収させなければなりません。その吸収を行うのが光合成色素で、葉緑体内に含まれています。光合成色素は様々な種類がありますが、メインで働いているのはクロロフィルです(クロロフィルは光合成を行うために必要な赤色・青色の光を吸収し緑色の光を反射するため、人間の目には植物が緑色に見えます)。
このクロロフィルは、太陽などからの光エネルギーを吸収することにより活性クロロフィルになります。しかし活性クロロフィルは不安定なため、元の状態のクロロフィルに戻ろうとします。その時エネルギー(電子)が発生します。ここで発生したエネルギーによって②③④の反応が起こります。

葉緑体のエネルギー発生

②ATPを生成する反応

ATP(アデノシン三リン酸)は多くの生物でみられる、生命現象を引き起こすために必要なエネルギー物質です。これが分解される反応(ATP→ADP+リン酸)が起こるとおよそ8kcalのエネルギーが放出されます。発生したエネルギーは⑤の反応系を稼働させるために使われます。

③水を分解する反応

水が分解することにより酸素と水素が発生し、酸素は外部に放出され、水素は取り込まれて次の反応に利用されます。

④水素の生成反応

③の水の分解反応により発生した水素(2H)は、NADPと結合してNADPH2を生成します。このNADPH2は還元反応を引き起こす還元剤として働き、ATPと同様に⑤の反応系を稼働させる役割を持ちます。
※還元反応とは、酸素(O)を外す反応や水素(H)を付加する反応です。光合成反応は二酸化炭素(CO2)をデンプン(C6H12O6)に変える反応なので、酸素が外されて水素が付加される還元反応にです。そのため光合成には還元剤が必要であるということが分かります。

⑤二酸化炭素をデンプンに変える反応

カルビン・ベンソン回路(光合成回路)と呼ばれる反応系です。 この反応系は大まかに言うと、吸収・固定された二酸化炭素(CO2)から、植物の養分となるデンプン(C6H12O6)が合成される回路です。

カルビン回路
(引用:http://biolokii.web.fc2.com/files2/008.html)


吸収されたCO2は、葉緑体内のRuBP(リブロース二リン酸、C5化合物)と結合してPGA(ホスホグリセリン酸、C3化合物)となり固定されます。PGAはATPエネルギーでリン酸化された後、NADPH2で還元され、GAP(グリセルアルデヒド-3-リン酸、C3化合物)となります。そして、いくつかのGAPからグルコース(デンプン)が合成され、残りのGAPは回路にとどまりRuBPに再生され反応が繰り返されていきます。
全体の様子を図.5に示します。

植物の光合成全体図
引用:生物図説(秀文堂)p.56,1995



人工光合成への挑戦

人工光合成とは、植物体内で行われている光合成反応を人工的に行う技術です。太陽の光エネルギーを利用して、水や二酸化炭素から様々な有機化合物を合成できれば、広大な畑を使ってしかできなかった食料生産の必要性が減り、気象の変化も受けにくくなります。

人工光合成の考え方

人工光合成のシステムは、まず光触媒などを利用して水に太陽光を当て、酸素と水素に分解します。そしてこの水素を二酸化炭素と合成することで、エネルギー源となり得る有機化合物を生成する、という流れになっています。
この反応を行うためには以下のような技術開発が必要となります。

  • ①光触媒(太陽エネルギーを利用した水分解で水素・酸素を製造する)
  • ②分離膜(発生した水素・酸素を分ける)
  • ③合成触媒(水を分解してできた水素と、工場などから排出される二酸化炭素から燃料やプラスチック等の原料を合成する)

  • 人工光合成の研究は、光触媒でトップレベルの技術力を持つ日本が先行して研究が進められています。
     2011年に豊田中央研究所は太陽光エネルギーにより水を酸素と水素イオンに分解し、その水素イオンと二酸化炭素からギ酸を生成する技術を開発し、世界で初めて実証に成功しました。その後2012~2013年にパナソニックは同様の技術の改良版を開発し植物並みの変換効率(0.3%)を実現、2014年には東芝が半導体と金の触媒を組み合わせ変換効率1.5%を実現、2015年には新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)が2%の変換効率を実現しました。

     また最近の発表(2015年7月)では、大阪市立大の研究チームが人工光合成技術により酢酸からエタノールを作り出す技術を開発しました。
     これまでの人工光合成技術によって得られる生成物はギ酸や一酸化炭素など炭素数が1のものだけでしたが、この研究成果では、燃料として実用がより期待される炭素数が2のエタノールを生成することができるため、注目されています。

    この技術は上記で示したような従来の人工光合成とシステムが異なります。まず二酸化炭素とメタンから酢酸を生成します。そして人工光合成技術(光合成色素誘導体であるクロロフィルや酵素などを加え、太陽光エネルギーを与える)によって酢酸から燃料となるエタノールを合成します。

     最新の研究では岡山大学を中心とした研究グループによって、光合成の水分解反応で働く触媒と類似したモデル化合物を人工的に合成する、という研究成果が発表されています。
     光合成系で行われる、水を分解し酸素を発生する反応は、植物の葉の中の葉緑体にある光化学系II複合体と呼ばれるタンパク質複合体で行われています。このタンパク質複合体の中で水分解・酸素発生反応の触媒を行っているのがMn4CaO5クラスターと呼ばれるものです。岡山大の研究ではMn4CaO5クラスターを人工的に合成することに成功しました。この研究成果は、水分解活性を持つ人工化合物の合成を実現するだけでなく、天然触媒の反応機構の研究にとっても大きな前進であるといわれています。

    人工光合成を実用化するには10%の変換効率が求められるということで、今なお技術向上に向けた研究が進んでいます。


    人工光合成技術の人類史上の意義

    人工光合成は植物からしか得ることのできなかった食料や有機物を工場生産で得られるばかりでなく、地球温暖化の原因である二酸化炭素を減少させられるという点で、人類の生存に関わる極めて重要な技術です。
    人工光合成技術の意義は人類にとって核融合と同じくらい重いものがありますが、核融合と異なり、”人工光合成は必ずできる”ことが植物によって実証されています。経済性のある生産に成功するのは時間の問題ともいえます。そしてそのイノベーションに成功した社会こそが次の世界を引っ張ってゆくことになります。日本の若者には是非この大きな技術課題に挑戦していただきたいと思います。


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    参考
    日経新聞:2014.11.21、日経新聞:2015.2.22記事
    https://www.nedo.go.jp/news/press/AA5_100372.html
    https://www.osaka-cu.ac.jp/ja/news/2015/x6w0pm
    https://www.okayama-u.ac.jp/tp/release/release_id293.html