大麻の光合成はどのように行われるのか?

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大麻の光合成はどのように行われるのか?

目次

    光合成の最初の段階である明期は、光化学系と呼ばれるクロロフィルとタンパク質からなる複合体(葉緑体に存在)に光を吸収させる段階である。この段階で、太陽エネルギーは化学エネルギーに変換される。

    このシリーズでは、数百万年前に生命が誕生し、地球上の大気の組成を変えて以来、自然界で最も重要な生化学的プロセスに相当するものを解説していきます。これはもちろん、光合成です。

    その結果、地球上の大気には酸素が豊富に含まれるようになった。その結果、高等植物が地表を支配するようになり、それを餌とする、あるいは餌に守られる多くの生物が生息するようになったのである。原始時代の大気には、酸素はほとんど含まれていなかったが、アンモニウム、窒素、二酸化炭素などの気体が含まれていた。

    植物は、この簡単に手に入る二酸化炭素を、太陽光の力を借りて食べ物に変える方法を見つけたのです。問題は、水と二酸化炭素をどのようにして炭水化物に変えることができるのか?そして、そのようなプロセスにおいて、太陽光線はどのような役割を果たしているのでしょうか?これをわかりやすく解説していこうと思います。

    光合成とは?

    光合成は、太陽光(場合によっては栽培用ランプ)のエネルギーを利用して、無機物を有機物に変換することである。この過程で、光エネルギーは安定した化学エネルギーに変換され、アデノシン三リン酸(ATP)という分子が最初にこの化学エネルギーを蓄積する。その後、ATPはより安定した有機分子を合成するために使われる。

    また、地球上の生命は、水生環境では海藻、陸上環境では植物による光合成によって維持されていることが基本であることも指摘しておきたい。これは、光、必須ミネラル、大・小栄養素を利用して、生物の構成に不可欠な有機物を合成する能力があるからである。

    植物は、水と二酸化炭素を原料に、光をエネルギー源として砂糖などの炭水化物を作る工場と考えることができます。これを簡単な化学式でまとめると、次のようになります。

    H2O + Light + CO2 = C6H12O6

    植物細胞内でこの反応を起こすのは、葉緑体です。葉緑体は緑色をした構造体で、植物細胞に特徴的なさまざまな形態(色はクロロフィルという色素の存在による)をとっています。 ミトコンドリア(動植物の細胞呼吸をつかさどる小器官)も独自のDNAを持っており、おそらく細胞内共生細菌が起源と思われる。

    これらの小器官の中には、ストロマと呼ばれる内部環境を含む部屋がある。ストロマには、二酸化炭素を有機物に変える酵素や、光合成色素(クロロフィル)を含む膜を持つチラコイドと呼ばれる平たい袋など、さまざまな構成要素が収められている。

    光合成は単なるプロセスではなく、多様で複雑な生化学反応を包含している。一般に、光合成は明期、暗期、光呼吸の3つの段階に分けられます。このガイドでは、情報過多にならないよう、明期について説明します。他の相について知りたい場合は、暗期(固定、還元、再生を含む)と光呼吸の記事をご覧ください。

    光相では何が起こっているのですか?

    光合成の最初の段階である「光相」。太陽エネルギーを化学エネルギーに変換することを指す。光は、葉緑体の中にある光化学系と呼ばれるクロロフィルとタンパク質からなる複合体によって吸収される。光エネルギーを使うので光相と呼ばれ、自然光であれ人工光であれ、光が強い条件下でしか起こりえない。暗い条件下では、この段階は起こりません。

    光化学系Iと光化学系II(PSIとPSII)は、光を取り込み、そのエネルギーを使って、受容体の連鎖を通して電子の輸送を駆動する役割を担っている。別の言い方をすれば、電子は水分子からATPを形成するまで、輸送チェーンのように様々な中間化学形態を通過して飛び回る必要がある。

    PSIとPSIIは光を捕らえ、電子のエネルギーを元の状態よりも高いレベルまで増加させる。このエネルギーはクロロフィルのさまざまな分子を通って運ばれ、光化学系IIの中心で水が2つのプロトン(H+)、1つの酸素原子(O)、2つの電子という成分に分離される。

    その酸素が、残った水の分子と結合して、大気中の酸素(O2)をつくり出すのです。このようにして、人間を含む陸上動物が地表で呼吸できるようになるのだが、これは並大抵のことではない。

    クロロフィルを吸収する光エネルギーは、基本的に680ナノメートルと700ナノメートルの2つの特定波長に反応する。この2つの波長によって、どちらか一方の光化学系が励起される。そして、その時々にどちらが電子を切り離すかによって、光合成がとるべき道は、補完的ではあるものの微妙に異なってくる。

    光子の形をした光エネルギーは、クロロフィル分子の外部電子に伝わり、それが電子の輸送連鎖に加わることで葉緑体内で一種の電流を発生させる(下図参照)。

    このエネルギーは、光リン酸化によるATPの合成と、NADPHの合成に利用される。この2つの要素は、次の段階であるカルビンサイクルに必要である。このサイクルでは、最初の糖が合成され、スクロースとデンプンが作られる。これについては、光合成の暗期についてのガイドで説明する。

    光リン酸化の2つの形態を理解する

    しかし、光リン酸化には環状と非環状の2種類がある。どちらを用いるかは、電子が両方の光化学系を通過する経路に依存する。どちらを選択するかは、主にNADPHの生成と酸素ガスの放出に依存する。

    まず、光リン酸化を模式的に見てみよう。

    環状光リン酸化では、プラストシアニンという分子が電子(e-)を光化学系Iに運び、光化学系Iも反応中心と光に依存する構造を持っている。

    電子が反応中心(下図のP700)を励起すると、PSIに到達した電子は、再び高いエネルギーレベルの光エネルギーによって駆動される。電子は新しいアクセプターの連鎖を通り、最後のアクセプター分子に到達するまで輸送される。電子を捕獲したこの分子は、その電子を使ってADP(ATPの無エネルギー型)とリンの原子をATP(貯蔵用エネルギー)に変換することになる。

    非環状型光リン酸化では、そのプロセスは異なります。光子はPSIIに影響を与え、励起して2個の電子を放出し、その電子は第一の電子受容体であるフェオフィチンに伝達される。この電子は、Zスキームの最初の電子供与体である、チラコイド内の水の光分解によって得られる電子と入れ替わる。

    光分解で生じたプロトンは内部に蓄積され、酸素は気体の形で放出される。電子は輸送鎖に渡され、放出されたエネルギーをATPの合成に投入する。

    どのように?電子はプラストキノンに渡され、プラストキノンはストロマから2個のプロトンを捕獲する。電子とプロトンはチトクロムb6f複合体に渡され、チラコイドの内部にプロトンを送り込む。このようにして、チラコイド内には、水の光分解で生じるプロトンとの間に、大きなプロトン濃度が得られる。

    さらに、シトクロムからの電子はプラストシアニンに渡され、プラストシアニンはPSIに電子を譲り渡す。光エネルギーにより、電子は再び放出され、アクセプターに捕獲される。ここから、電子は一連の分子を通り、フェレドキシン(図中のFd)に到達する。この分子は、電子をNADP+-還元酵素に渡し、さらにストロマから2個のプロトンを捕獲する。2つのプロトンと2つの電子によって、NADP+はNADPH + H+の形に還元される(下図参照)。

    この一連のプロセスがライトフェーズと呼ばれるものです。

    このガイドがライトフェイズとその仕組みを理解するのに役立つことを願っています。そうであれば、次に進みましょう。暗期と光呼吸について説明したガイドをご覧ください。

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