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光合成と生態系1

19世紀のはじめ、植物学者が次のような事実を発見しました。
二酸化炭素 + 水 ⇒ 植物の成長 + 酸素
素晴らしい発見でしたが、オット何かが欠けているぞ!
ほどなく植物が「光エネルギーを化学エネルギーに変換している」ということが突き止められました。
これをまとめると、「植物が太陽光エネルギーを使って、二酸化炭素(CO2)と水(H2O)から有機化合物を合成する作用」で、光合成と名付けられました。今では小学校から習う大事な知識です。
化学反応式で表現すると、次のようになります。

6CO2 + 12H2O + 光エネルギー ⇒  C6H12O6+ 6O2 + 6H2O
反応式は反応前の化学物質(反応物)と反応後の化学物質(生成物)を記しているだけで、反応のプロセス自体を表してはいないので、もっと簡単には次のように表わせ、便宜的にこの式で記します。
6CO2 + 6H2O + 光エネルギー ⇒  6(CH2O) + 6O2

少しだけ詳しく見ると、光合成は大きく2つの反応に分けられます。
光エネルギーを化学エネルギーに変換する光化学反応(明反応)と、化学エネルギーから糖を合成するカルビン回路(暗反応)です。

光化学反応は葉緑体の中のクロロフィル(光合成色素)が光エネルギーを使って、水を酸素分子と水素イオンに分解し、また電子を作ります。そして電子と水素イオンによってNADPHとATPという有機物質をつくります。これらの反応は光エネルギーを使うので明反応です。
カルビン回路では、光化学反応で作られたNADPHとATPを利用して、二酸化炭素から種々の糖を作ります。ここでは光エネルギーを使わないので暗反応です。
ちょっと立ち入っただけで、何がなにやらですが、光合成の反応は、単なる化学反応の領域から、量子力学の世界に至る、複雑で精緻な過程なのです。

さて、植物は光合成で、食物を自給する一方、「呼吸」を行うことで、その食物から生命活動のエネルギーを得ています。その反応は次式です。
  6(CH2O) + 6O2 ⇒ 6CO2 + 6H2O + エネルギー
これは、光合成とまったく逆の反応です。これらの関係を図示すると...

kogose9c.gif

式の「左⇒右」は光合成によって、二酸化炭素と水から、グルコース(ブドウ糖)を作り、「右⇒左」はそのブドウ糖を二酸化炭素と水に分解して、エネルギーを得る過程です。
「左⇒右」と「右⇒左」の反応は、両辺の物質を見る限り、まったく逆の反応になります。
物質は循環し、そしてエネルギーは光から、化学エネルギーへ、そして熱エネルギーと変化して流れていきます。この図が生態系の物質循環とエネルギーの流れを、ごく単純に説明しています。 
(繰り返しますが、単純な化学反応式に見えるものの、実際は大変複雑な過程です。)

生物は自分自身を維持するために、材料とエネルギーを調達して、自らの体を構成する部品を作り出します。これを「代謝」と呼びます。代謝は生命活動そのものです。
代謝には大きく、「異化」と「同化」があります。
「異化」は複雑な有機物を、より単純な化合物に分解する過程から、エネルギーを引き出すことです。
「同化」は単純な物質から、より複雑な自身の体を構成する部品を作り出すことをいいいます。
同化を行うにはエネルギーが必要ですが、光エネルギーおよび、異化によって調達されたエネルギーを使います。

この図は同化の最初の過程(光合成)と、異化の最後の過程(酸素呼吸)を表しているわけです。
図に描かれていない反応式がずっと右へ続いて、グルコースから、アミノ酸が作られ、そのアミノ酸をつなげて複雑なタンパク質が作られていきます。
反対に右から左に、複雑なタンパク質が単純な化合物に分解されていく、という反応の流れが続くことになります。


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