植物生化学 第３回講義
光の吸収と電子の伝達
第３回は光合成色素による光の吸収過程とアンテナの仕組み、そして反応中心における電荷分離と電子の伝達反応について解説しました。今回の講義に寄せられたレポートとそれに対するコメントを以下に示します。
Ｑ：植物によって光合成色素が異なるのは興味深い。陸上植物の大半は緑色、海中では浅いところには緑藻が生息し、深くなるにつれて褐藻、紅藻が生育している。すなわち、それぞれの持つ色の補色光を吸収して光合成を行っていることになるのだが、海水は赤色光を吸収するため、海藻は海水に吸収されない低波長光を吸収する赤色色素を持つ。では、陸上植物の多くが緑色なことに適応的な理由があるのだろうか。まず考えられるのは、浅いところの緑藻が陸上にあがりそのまま進化したという説である。これはゲノムから進化の過程を推測することで確認することができる。林床の植物にとって緑色光を吸収する光合成色素をもつことが有利であると考えられるが、そのような葉をもつ植物は見たことがない。ここに陸上では緑色の光合成色素をもたないための淘汰が働いているのだろうか。青色光はエネルギ−が高く、赤色光は遠くまで届くという利点があるが、緑色光を吸収しない利点はよく考えられない。植物の成長には土壌の栄養も必要であるが、それは動物によってもたらされる。光走性をもった動物が、緑色光を有効波長にしている可能性もあるかもしれない。(これらの因果関係を証明する実験系は正直よくわかりません。)
Ａ：おそらく陸上植物の光合成を考える上で一番重要なのは光の強さ（明るさ）ではないかと思います。林の中と言っても、おそらく水の中と比べると、光は強い場合が多いかも知れません。それでも朝晩は光が弱くなるわけですから、対応しなければならない光の強さの範囲は陸上の方が圧倒的に広くなります。そのあたりにヒントがあるかも知れません。
Ｑ：海藻は浴びる光の波長が陸上とは違うためさまざまな光合成色素を持つが、陸上植物はなぜこれらを持たないのだろうか。水やプランクトンによる光の減衰のために陸上とは違う光合成色素が必要なのだろうが、減衰がない陸上でも生きていけるように見える。緑色の海藻は比較的浅いところに存在するので陸上に進出した植物は緑色だったのだろう。林床などを踏まえても海中よりは光環境が恵まれていることや、個体サイズが大きくなったことから光合成色素の進化よりも形態の進化が進んだのではないだろうか。また海藻特有の光合成色素は海底に向かうほど光環境が悪くなることの影響によって生じ、そうして生まれた色素を持つ個体が陸上に進出することがなかったのではないだろうか。
Ａ：上のレポートと同じラインの考察で、よく考えているようですが、考察がいずれもオープンクエスチョンで終わっているのが残念です。仮説は、いわば考察の出発点なので、そこからが腕の見せ所です。
Ｑ：植物はなぜ、何種類もの色素を持ち合わせているのだろうか。このことについて考察してみる。植物や植物プランクトンが持つ色素には、大きく分けて、クロロフィル、カロチノイド、フィコビリンがある。それぞれの吸収波長は400-500, 600-700 nm周辺（クロロフィル）、400-500 nm周辺（カロチノイド）、500-700 nm周辺（フィコビリン）であり、それぞれの色素群の中でも吸収波長が少しずつずれている。このことにより、ほかの色素によって吸収されなかった波長を効率的に吸収して、より光合成の効率を高めていると考えられる。また、色素によって吸収されない光の反射により、私たちは色を感じている。植物がいろいろな色素を併せ持ち、それらの色素が画一的な吸収帯を持たないことにより、いろいろな色の植物ができ、私たちの目を楽しませてくれているのであろう。もしかしたら、こういった理由によって故意にではない人為選択がなされてきたのかもしれない。
Ａ：もし、広い範囲の波長の光を吸収するために多くの色素があるとした場合、逆に全ての植物がたくさんの種類の色素を持たないのは何か、という疑問がわきますよね。なるべく、反対の側からも考えてみると考察をより深くできることができます。最後の部分、言うのであれば、もう少し具体的に議論できると良いですね。
Ｑ：Q-サイクルに関わるb/f複合体には、光化学系でないにもかかわらずβ-カロテンとクロロフィルaが存在する。これに意味があるとして、その意味とはなんだろうか。クロロフィルaは反応中心となり得る光合成色素であり、β-カロテンは過剰な還元力を中和する機能を持つ。これらが並ぶことによって、2つの経路が同時に働くQ-サイクルにおいて、電子の流れを調節し、2つの経路の同調に働いているのではないだろうか。
Ａ：面白そうな考え方ではありますが、具体性に欠けますね。ある程度空想でもよいので、具体的なメカニズムを考えないと、なかなか考察を深めるのは難しいものです。
Ｑ：授業においてMalacosteus nigerは、赤外線の感知だけでなく照射が行えると紹介された。生物は様々な形で、多様な波長の光を利用しており、その中には自ら光を発するものも存在する。植物においては光は光合成や光発芽などに利用されているが、発光や蛍光を利用する植物は存在するのだろうか。そこで植物が蛍光・発光を利用した際の利益、損失を考えてみることにする。まず蛍光の場合であるが、植物は光合成を行うので蛍光は必ず存在すると考えられるが、入射された光から得たエネルギーを失うことになるため光合成の効率を下げることが予想され、それを避けるような仕組みが存在していると思われる。一方発光では、ホタルや発光バクテリアやウミシイタケ等が持つルシフェラーゼの利用が考えられるが、これもATPのエネルギーを利用するためその分のエネルギー損失は存在すると思われる。蛍光・発光を利用することによって得られる利益については、夜間に花を発光させる事などが考えられる。節足動物などが持つ走光性を利用し、受粉の効率を上げることができれば、生存に有利に働くように思われる。よって、利益が損失よりも大きい場合には、そのような植物が存在し得ると考えられる。
参考文献：秀潤社「モデル植物の実験プロトコール 改訂3版」
Ａ：面白いですね。確かに夜に光る植物がいてもよいように思いますが、ぱっと思いつきません。キノコで光るのはいるけど、あれは菌類だし。あと、蛍光には波長を変える働きがあります。例えば、蛍光灯の管の内側の蛍光物質は、放電による紫外線を吸収して、可視光線を出しているわけです。ですから、光合成に使えない紫外線を吸収して、光合成に使える可視光に変えることができたら、植物にとって蛍光も使い道があるかも知れません。