光合成における葉緑体、葉緑素、グラナ、チラコイド膜、および間質の重要性と役割を理解する光合成の場所、重要性、およびメカニズム。光合成における葉緑体、葉緑素、グラナ、チラコイド膜、および間質の役割を研究します。ブリタニカ百科事典 この記事のすべてのビデオを見る
光合成 、グリーンが 植物 そして他の特定の生物は光エネルギーを化学エネルギーに変換します。緑の植物の光合成中に、光エネルギーが捕捉され、変換に使用されます 水 、二酸化炭素、およびミネラルを酸素とエネルギーに富んだ有機物に 化合物 。
光合成水、光、二酸化炭素が植物に吸収されて酸素、糖、その他の二酸化炭素が生成される様子を示す光合成の図。ブリタニカ百科事典
光合成は、地球上の生命の大部分が存在するために重要です。それは、生物圏の事実上すべてのエネルギーが生物に利用可能になる方法です。一次生産者として、光合成生物は地球の食物網の基盤を形成し、すべての高等生物によって直接的または間接的に消費されます。さらに、大気中のほとんどすべての酸素は、光合成のプロセスによるものです。光合成が止まると、地球上にはすぐに食べ物やその他の有機物がほとんどなくなり、ほとんどの生物が姿を消し、地球の大気は最終的にガス状酸素をほとんど欠くようになります。
光合成のプロセスは一般的に次のように書かれています：6CO二+ 6H二O→C6H12または6+ 6O二。これは、反応物である6つの二酸化炭素分子と6つの水分子が、クロロフィル（矢印で示されている）によって捕捉された光エネルギーによって、糖分子と6つの酸素分子（生成物）に変換されることを意味します。砂糖は生物によって使用され、酸素は副産物として放出されます。
光合成する能力は両方に見られます 真核生物 と原核生物。最もよく知られている例は植物です。ごくわずかな寄生種またはマイコヘテロ栄養種を除いて、クロロフィルを含み、独自の食物を生産します。 藻類 真核生物の光合成生物の他の支配的なグループです。巨大な昆布や微細な珪藻を含むすべての藻類は、重要な一次生産者です。 シアノバクテリア 特定の硫黄細菌は光合成原核生物であり、そこで光合成が進化しました。エメラルドグリーンのウミウシは一時的に藻類の葉緑体を体内に取り込んで食料を生産することができますが、独立して光合成できる動物はいないと考えられています。
真核生物真核生物の詳細をご覧ください。 原核生物原核生物の詳細をご覧ください。地球上の生命の維持における光合成の重要性を過大評価することは不可能です。光合成が止まれば、地球上にはすぐに食べ物やその他の有機物がほとんどなくなるでしょう。ほとんどの生物は姿を消し、やがて地球の大気はガス状の酸素をほとんど欠くようになります。このような条件下で存在できる唯一の生物は、特定の無機化合物の化学エネルギーを利用できるため、光エネルギーの変換に依存しない化学合成細菌です。
何百万年も前に植物によって実行された光合成によって生成されたエネルギーは、化石燃料（すなわち、石炭、 油 、およびガス）産業社会に電力を供給します。過去の時代には、緑の植物や植物を食べた小さな生物は、消費されるよりも速く増加し、それらの残骸は、堆積やその他の地質学的プロセスによって地殻に堆積しました。そこから保護されています 酸化 、これらの有機物の残骸はゆっくりと化石燃料に変換されました。これらの燃料は、工場、家庭、輸送で使用されるエネルギーの多くを提供するだけでなく、プラスチックやその他の原料としても機能します。 合成 製品。残念ながら、現代文明は数世紀で数百万年にわたって蓄積された過剰な光合成生産を使い果たしています。その結果、何百万年にもわたって光合成で炭水化物を作るために空気から除去された二酸化炭素は、信じられないほど速い速度で戻されています。地球の大気中の二酸化炭素濃度は、地球の歴史上かつてないほど急速に上昇しており、この現象は大きな影響を与えると予想されています。 含意 地球上で 気候 。
世界での食品、材料、エネルギーの要件 人間 人口は急速に増加しており、光合成の量と 効率 光合成の出力を人々に役立つ製品に変換することです。それらのニーズへの1つの応答-いわゆる 緑の革命 、20世紀半ばに始まり、化学肥料の使用、害虫と植物の病気の制御、植物の育種、機械化された耕作、収穫、作物の処理を通じて、農業収量の大幅な改善を達成しました。この努力は、急速な人口増加にもかかわらず、深刻な飢饉を世界のいくつかの地域に限定しましたが、広範囲にわたる栄養失調を排除することはできませんでした。さらに、1990年代初頭から、主要作物の収穫量の増加率は低下し始めた。これは特にアジアのコメに当てはまりました。肥料や農薬の投入量の増加と新しい植物品種の絶え間ない開発を必要とする高率の農業生産の維持に関連するコストの上昇も、多くの国の農家にとって問題となっています。
植物に基づく第二の農業革命 遺伝子工学 、植物の生産性の向上につながると予測され、それによって部分的に 軽減する 栄養失調。 1970年代以来、分子生物学者は、病気や干ばつに対する耐性、製品の収量と品質、耐凍性、その他の望ましい特性の改善を達成することを目的として、植物の遺伝物質（デオキシリボ核酸、またはDNA）を変更する手段を持ってきました。しかし、そのような形質は本質的に複雑であり、遺伝子工学によって作物に変更を加えるプロセスは、予想よりも複雑であることが判明しています。将来、そのような遺伝子工学は光合成のプロセスの改善をもたらすかもしれませんが、21世紀の最初の数十年までに、それが作物収量を劇的に増加させることができることをまだ実証していませんでした。
光合成の研究におけるもう1つの興味深い分野は、特定の動物が光エネルギーを化学エネルギーに変換できるという発見です。エメラルドグリーンのウミウシ（ エリシア・クロロティカ ）、例えば、から遺伝子と葉緑体を取得します Vauchena砂利 、 藻類 それは消費し、クロロフィルを生成する能力を制限します。十分な葉緑体があるとき 同化 、ナメクジは食物の摂取を忘れるかもしれません。エンドウヒゲナガアブラムシ（ エンドウヒゲナガアブラムシ ）光を利用してエネルギー豊富な製品を製造できます 化合物 アデノシン三リン酸 （ATP）;この能力は、アブラムシによるカロテノイド色素の製造に関連しています。
光合成の研究は、英国の牧師で科学者のジョセフ・プリーストリーによる観察から1771年に始まりました。プリーストリーは、容器内の空気がもはや支えられなくなるまで、密閉された容器の中でろうそくを燃やしていました。 燃焼 。それから彼はの小枝を置きました なので コンテナに植えて、数日後、ミントが何らかの物質（後に酸素として認識される）を生成し、閉じ込められた空気が再び燃焼をサポートできることを発見しました。 1779年、オランダの医師ヤンインゲンホウスは、プリーストリーの研究を拡大し、可燃性物質（つまり、酸素）を回復させるには、植物を光にさらす必要があることを示しました。彼はまた、このプロセスには植物の緑色組織の存在が必要であることを示しました。
1782年に、燃焼支援ガス（酸素）が、前年に二酸化炭素として識別されていた別のガスまたは固定空気を犠牲にして形成されたことが実証されました。 1804年のガス交換実験では、慎重に計量されたポットで育てられた植物の重量の増加は、吸収された二酸化炭素から完全にもたらされた炭素の取り込みと、植物の根によって取り込まれた水に起因することが示されました。残りは酸素で、大気中に放出されます。化学エネルギーの概念が十分に発達して、太陽からの光エネルギーが光合成中に形成された生成物に化学エネルギーとして蓄積されるという発見（1845年）を可能にする前に、ほぼ半世紀が経過しました。
真珠湾攻撃はいつでしたか
化学的用語では、光合成は光エネルギーです 酸化還元プロセス 。 （酸化とは分子からの電子の除去を指し、還元とは分子による電子の獲得を指します。）植物の光合成では、光のエネルギーを使用して水の酸化を促進します（H二O）、酸素ガス（O二）、水素イオン（H+）、および電子。除去された電子と水素イオンのほとんどは、最終的に二酸化炭素（CO二）、これは有機製品に還元されます。他の電子と水素イオンは、硝酸塩と硫酸塩を、タンパク質の構成要素であるアミノ酸のアミノ基とスルフヒドリル基に還元するために使用されます。ほとんどの緑色の細胞では、炭水化物、特にでんぷんと シュガー ショ糖—光合成の主要な直接有機製品です。炭水化物が一般式（CH二O）-植物の光合成中に形成されるものは、次の式で表すことができます。
この方程式は単なる要約です。光合成のプロセスには、実際には酵素（有機触媒）によって触媒される多数の反応が含まれるためです。これらの反応は2つの段階で発生します。光化学（つまり、光を取り込む）反応からなる光段階。そして暗いステージ、 構成する 酵素によって制御される化学反応。最初の段階では、光のエネルギーが吸収され、一連の電子移動を駆動するために使用されます。 ATP 電子供与体が還元されたニコチンアデニンジヌクレオチドリン酸（NADPH）。暗期では、集光反応で生成されたATPとNADPHを使用して、二酸化炭素を有機炭素化合物に還元します。この無機炭素の有機化合物への同化は、炭素固定と呼ばれます。
20世紀の間、緑の植物と特定の光合成硫黄細菌の光合成プロセスの比較は、光合成メカニズムに関する重要な情報を提供しました。硫黄菌は硫化水素（H二S）水素原子の供給源として、光合成中に酸素の代わりに硫黄を生成します。全体的な反応は
1930年代、オランダの生物学者Cornelis van Nielは、二酸化炭素を利用して有機化合物を形成することは、2種類の光合成生物で類似していることを認識しました。彼は、光依存段階と水素原子の供給源として使用される化合物の性質に違いがあることを示唆し、水素が硫化水素（バクテリアの場合）または水（緑の植物の場合）から未知のアクセプター（ A）と呼ばれ、Hに還元されました二A.バクテリアと緑の植物の両方で類似している暗反応の間、還元された受容体（H二A）二酸化炭素（CO二）炭水化物を形成する（CH二O）そして未知のアクセプターをAに酸化する。これは 推定 反応は次のように表すことができます。
ヴァンニールの提案は重要でした。なぜなら、一般的な（しかし間違った）理論は、二酸化炭素から酸素が除去され（水から水素が放出されるのではなく）、炭素が水と結合して炭水化物を形成する（水からの水素が結合するのではなく）というものだったからです。 COで二CHを形成する二または）。
1940年までに、化学者は光合成の反応を追跡するために重い同位体を使用していました。酸素の同位体でマークされた水（18O）初期の実験で使用されました。 Hを含む水の存在下で光合成した植物二18O生成酸素ガス含有18O;通常の水の存在下で光合成されたものは、通常の酸素ガスを生成しました。これらの結果は、光合成中に生成される酸素ガスが水に由来するというヴァンニールの理論を決定的に支持しました。
