光合成は、光エネルギーを糖に貯蔵された化学エネルギーに変換する生物学的プロセスです。ナショナルジオグラフィック教育によると、植物は太陽光、水、二酸化炭素を使用して酸素とエネルギーを糖の形で生成します。二酸化炭素と水を取り込み、酸素を放出しながら、グルコース分子にエネルギーを貯蔵します。
どこで起こるのか：葉緑体の内部
ナショナルジオグラフィック教育によると、このプロセスは植物細胞と藻類細胞に見られるオルガネラである葉緑体の内部で行われます。bio.libretexts.orgの生物学参考資料によると、葉緑体には2つの重要な領域があります。光に依存した反応が起こるチラコイド膜と、カルビン回路の光に独立した反応が行われる液体空間であるストロマです。
チラコイド膜に詰め込まれた緑色の色素であるクロロフィルは、主に青と赤の光波長からエネルギーを吸収し、緑色光を反射します。これが、ほとんどの葉が緑色に見える理由です。ナショナルジオグラフィック教育が指摘しています。
ステージ1：光に依存した反応
bio.libretexts.orgによると、チラコイド膜では、フォトシステムIIと呼ばれる構造内のクロロフィルによって吸収された光エネルギーは、水分子を分割するのに使用されます。その分割により、2つの電子、2つの水素原子、1つの酸素原子が放出されます。酸素は副産物として放出されます。これが植物が放出する酸素の供給源です。
解放された電子は、フォトシステムIIから電子輸送チェーンを通じてシトクロムb6fと呼ばれるコンプレックスを経由してフォトシステムIに移動します。移動する過程でエネルギーを失い、フォトシステムIで吸収された光によって再エネルギー化されます。bio.libretexts.orgによると。電子がシトクロムb6fを通じて移動するにつれて、水素イオンはチラコイド膜を横切ってポンプされ、濃度勾配が構築されます。この勾配は化学浸透を駆動し、ATPシンターゼはリン酸基をADPに追加してATPを形成します。フォトシステムIでは、高エネルギー電子は最終的にNADP+をNADPHに変換するために使用されます。
bio.libretexts.orgで要約されている、このステージの最終的な結果は、反応式です：2 H2O + 2 NADP+ + 3 ADP + 3 Pi → O2 + 2 NADPH + 3 ATP。ここで生成されたATPとNADPHは、化学エネルギーを第2段階に運びます。
ステージ2：カルビン回路
bio.libretexts.orgによると、カルビン回路はストロマで起こり、直接光を必要としません。3つのステージで実行されます。まず、炭素固定で、RuBisCOという酵素が二酸化炭素と、RuBPと呼ばれる5炭素分子を組み合わせ、固定されたCO2ごとに3-ホスホグリセリン酸(3-PGA)の2つの分子を生成します。
第2に、還元段階では、光に依存した反応中に作られたATPとNADPHが、3-PGAをグリセルアルデヒド-3-リン酸(G3P)に変換します。G3Pは植物がグルコースおよび他の炭水化物を作るのに使う構成要素です。第3に、再生では、生成されたG3Pのほとんどが、RuBPを再構成するために使用されます。サイクルが継続できるように、追加のATPを使用して行われます。bio.libretexts.orgによると。
G3Pの1分子を生成するには、サイクルの3ターンが必要であり、CO2の3分子、ATPの9分子、NADPHの6分子を消費します。グルコースの1分子を構築するには、サイクルの6ターンが必要です。bio.libretexts.orgによると。
なぜ光合成は植物を超えて重要なのか
ナショナルジオグラフィック教育によると、地球上のほとんどの生命は光合成に依存しています。草食動物は植物を食べることでエネルギーを得て、肉食動物は草食動物を食べることで間接的にエネルギーを得ます。光合成はほとんどの食物連鎖への入り口です。このプロセスはまた、大気中酸素の主要な供給源です。
地球の酸素供給にとって重要なのは、陸地の植物だけではありません。NOAAの国立海洋局によると、地球の酸素のおよそ半分は海洋から発生し、漂流する植物、藻類、光合成が可能な一部の細菌であるフィトプランクトンによって生成されます。NOAAは、地球上で最小の光合成生物として説明されているプロクロロコッカスを強調しており、この種だけで地球全体の生物圏の酸素の最大20％を生成し、すべての熱帯雨林を合わせたものよりも多く生成しています。
NOAAはまた重要な警告を指摘しています。海洋では、光合成によって生成される酸素はおよそ呼吸と分解を通じた海の生命によって消費される酸素と同じ量なので、海洋は大気への純利益よりも、バランスの取れた酸素サイクルとして機能します。
2つのステージ一覧
光に依存した反応対カルビン回路| 特性 | 光に依存した反応 | カルビン回路 |
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| 葉緑体内の場所 | チラコイド膜 | ストロマ |
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| 直接光が必要か | はい | いいえ |
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| 主な入力 | 光、水(H2O) | CO2、ATP、NADPH |
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| 主な出力 | ATP、NADPH、O2 | G3P（グルコースの構成要素）、ADP、NADP+ |
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| 主要な分子/酵素 | クロロフィル、フォトシステムI＆II | RuBisCO |
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