光合成は、植物、藻類、特定の細菌が太陽光からのエネルギーを利用して化学エネルギーに変えるプロセスです。ここでは、光合成の一般原則を説明し、科学者がクリーンな燃料と再生可能エネルギーの源を開発するのを助けるためにこの自然のプロセスをどのように研究しているかを強調します。
光合成の種類
光合成プロセスには、酸素光合成と無酸素光合成の2つのタイプがあります。酸素生成と酸素の光合成の一般的な原則は非常に似ていますが、酸素の光合成が最も一般的であり、植物、藻類、シアノバクテリアで見られます。
酸素の光合成の間、光エネルギーは水から電子を転送します（H2O）から二酸化炭素（CO2）、炭水化物を生成します。この転送では、CO2 「還元」または電子を受け取り、水は「酸化」または電子を失います。最終的に、炭水化物とともに酸素が生成されます。
酸素発生型光合成は、すべての呼吸する有機体によって生成された二酸化炭素を取り込み、酸素を大気に再導入することにより、呼吸に対するカウンターバランスとして機能します。
一方、無酸素光合成は水以外の電子供与体を利用します。このプロセスは通常、主にさまざまな水生生物に見られる紫細菌や緑硫黄細菌などの細菌で発生します。
ウィスコンシン大学マディソン校の植物学教授であるデービッド・バウム氏は、「無酸素性の光合成は酸素を生成しない-それゆえ、その名前だ」と述べた。 「生成されるものは電子供与体に依存します。たとえば、多くのバクテリアは卵臭がする硫化水素を使用し、副産物として固体硫黄を生成します。
どちらのタイプの光合成も複雑で多段階の作業ですが、全体のプロセスは化学方程式として適切に要約できます。
酸素産生光合成は次のように書かれています：
6CO2 + 12H2O +光エネルギー→C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
ここでは、6分子の二酸化炭素（CO2）12分子の水（H2O）光エネルギーを使用する。最終結果は、単一の炭水化物分子（C6H12O6、またはグルコース）と、それぞれに呼吸可能な酸素と水の6つの分子。
同様に、さまざまな無酸素光合成反応は、単一の一般化された式として表すことができます。
CO2 + 2H2A +光エネルギー→+ 2A + H2O
方程式の文字Aは変数であり、H2Aは潜在的な電子ドナーを表します。たとえば、Aは電子供与体の硫化水素（H2S）は、イリノイ大学アーバナシャンペーン校の植物生物学者であるGovindjeeとJohn Whitmarshを、「光生物学の概念：光合成と光形態形成」（Narosa Publishers and Kluwer Academic、1999）の本で説明しました。
光合成装置
以下は、光合成に不可欠な細胞成分です。
顔料
色素は、植物、藻類、細菌に色を与える分子ですが、太陽光を効果的に閉じ込める役割も果たします。異なる色の顔料は、異なる波長の光を吸収します。以下は、3つの主要なグループです。
- クロロフィル：これらの緑色の顔料は、青色光と赤色光を閉じ込めることができます。クロロフィルには、クロロフィルa、クロロフィルb、クロロフィルcと呼ばれる3つのサブタイプがあります。 Eugene RabinowitchとGovindjeeの著書「Photosynthesis」（Wiley、1969）によると、クロロフィルaはすべての光合成植物に含まれています。また、バクテリオクロロフィルと名付けられたバクテリアの変種があり、赤外線を吸収します。この色素は主に紫と緑の細菌で見られ、無酸素性の光合成を行います。
- カロテノイド：これらの赤、オレンジ、または黄色の色素は、青緑色の光を吸収します。カロチノイドの例は、キサントフィル（黄色）とカロチン（オレンジ）で、そこからニンジンが色をつけます。
- フィコビリン：これらの赤または青の色素は、クロロフィルやカロテノイドでは吸収されない光の波長を吸収します。シアノバクテリアや紅藻に見られます。
色素体
光合成真核生物は、細胞質に色素体と呼ばれる細胞小器官を含んでいます。ラトガーズ大学の研究者、チョンシンチャンとデバシシュバタチャリヤによるネイチャーエデュケーションの記事によると、植物や藻類の二重膜の色素体は一次色素体と呼ばれ、プランクトンに見られる複数の膜の種類は二次色素体と呼ばれていますニュージャージーで。
色素体は一般に色素を含んでいるか、または栄養素を蓄えることができます。 Geoffrey Cooperの著書「The Cell：A Molecular Approach」（Sinauer Associates、2000）で説明されているように、無色および色素沈着していない白色素体には脂肪とデンプンが含まれ、葉緑体にはカロチノイドが含まれ、葉緑体にはクロロフィルが含まれます。
光合成は葉緑体で起こります。具体的には、グラナとストロマ地域で。グラナはオルガネラの最も内側の部分です。プレートのようなカラムに積み重ねられたディスク状の膜のコレクション。個々のディスクはチラコイドと呼ばれています。電子の移動が行われるのはここです。グラナの柱の間の空の空間が間質を構成します。
葉緑体は、細胞のエネルギーセンターであるミトコンドリアと似ており、環状DNA内に独自のゲノムまたは遺伝子のコレクションが含まれています。これらの遺伝子は、オルガネラと光合成に不可欠なタンパク質をコードしています。ミトコンドリアと同様に、葉緑体もまた、内部共生の過程を通じて原始的な細菌細胞に由来すると考えられています。
「プラスチドは10億年以上前に単細胞真核細胞によって獲得された飲み込まれた光合成細菌に由来する」とバウムはLive Scienceに語った。バウムは、葉緑体遺伝子の分析は、それがかつてシアノバクテリアのグループ、「酸素の光合成を達成できる細菌の1つのグループ」のメンバーであったことを示していると説明した。
ChanとBhattacharyaは2010年の記事で、二次色素体の形成はシアノバクテリアの共生によっては十分に説明できず、このクラスの色素体の起源はまだ議論の余地があると指摘しています。
アンテナ
色素分子はタンパク質と結びついており、光に向かって、また互いに向かって柔軟に動くことができます。アリゾナ州立大学教授のWim Vermaasの記事によると、100から5,000の色素分子の大規模なコレクションが「アンテナ」を構成しています。これらの構造は、光子の形で太陽からの光エネルギーを効果的に捕捉します。
最終的には、光エネルギーは、電子の形で化学エネルギーに変換できる色素タンパク質複合体に移動する必要があります。たとえば、植物では、光エネルギーはクロロフィル色素に移動します。クロロフィル色素が電子を放出すると、化学エネルギーへの変換が行われ、電子は適切な受容体に移動します。
反応センター
光エネルギーを化学エネルギーに変換し、電子移動のプロセスを開始する色素とタンパク質は、反応中心として知られています。
光合成プロセス
植物の光合成の反応は、日光の存在を必要とするものと必要としないものに分けられます。両方のタイプの反応が葉緑体で起こります：チラコイドにおける光依存性反応と間質における光非依存性反応。
光に依存する反応 （光反応とも呼ばれます）：光の光子が反応中心に当たると、クロロフィルなどの色素分子が電子を放出します。
「有用な仕事をするための秘訣は、その電子が元の家に戻る方法を見つけないようにすることです」とバウムはLive Scienceに語った。 「これは、クロロフィルが近くの電子を引っ張る傾向がある「電子ホール」を持っているので、容易に回避されません。」
放出された電子は、ATP（アデノシン三リン酸、細胞の化学エネルギー源）とNADPHを生成するために必要なエネルギーを生成する電子輸送チェーンを移動することで脱出できます。元のクロロフィル色素の「電子の穴」は、水から電子を取り込むことによって埋められます。その結果、酸素が大気中に放出されます。
光に依存しない反応 （ダークリアクションとも呼ばれ、カルビンサイクルとして知られています）：ライトリアクションは、ATPとNADPHを生成します。ATPとNADPHは、ダークリアクションを駆動する豊富なエネルギー源です。カルビンサイクルを構成する3つの化学反応ステップ：炭素の固定、還元、再生。これらの反応は水と触媒を使用します。二酸化炭素からの炭素原子は、有機分子に組み込まれて最終的に3炭素糖を形成するときに「固定」されます。これらの糖は、ブドウ糖を作るために使用されるか、カルビンサイクルを再び開始するためにリサイクルされます。
将来の光合成
光合成生物は、水素やメタンなどのクリーン燃焼燃料を生成するための可能な手段です。最近、フィンランドのトゥルク大学の研究グループが、緑藻が水素を生産する能力を利用しました。緑藻は、最初に暗い嫌気性（無酸素）状態にさらされ、次に光にさらされた場合、数秒間水素を生成できます。チームは、緑藻の水素生成を最大3日間延長する方法を考案しました。エネルギーと環境科学ジャーナルに掲載された2018年の研究。
科学者たちはまた、人工光合成の分野でも進歩を遂げています。たとえば、カリフォルニア大学バークレー校の研究者グループは、ナノワイヤー、または直径数十億分の1メートルのワイヤーを使用して二酸化炭素を捕捉する人工システムを開発しました。ワイヤーは、太陽光からのエネルギーを利用して二酸化炭素を燃料やポリマーに還元する微生物のシステムに供給されます。チームはそのデザインをジャーナルNano Lettersで2015年に発表しました。
2016年、この同じグループのメンバーは、特別に設計されたバクテリアを使用して、太陽光、水、二酸化炭素を使用して液体燃料を生成する別の人工光合成システムについて記述した研究をサイエンス誌に掲載しました。一般に、植物は太陽エネルギーの約1％しか利用できず、それを光合成中に有機化合物を生成するために使用できます。対照的に、研究者の人工システムは、太陽エネルギーの10％を利用して有機化合物を生成することができました。
光合成などの自然プロセスの継続的な研究は、科学者がさまざまな再生可能エネルギー源を利用する新しい方法を開発するのに役立ちます。日光を見ると、植物とバクテリアはどこにでもあり、光合成の力を利用することは、クリーン燃焼とカーボンニュートラルな燃料を作るための論理的なステップです。
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