光合成がどのようにして光を捉え、地球上の生命に力を与えるのか

あなたはおそらく植物の良さを十分に理解していないでしょう。大丈夫です — 私たちの誰もそんなことはしません。私たちをこの地球に着陸させた複雑な人生のメロドラマの主役が植物であることを考えると、私たちは毎日、葉っぱの友人たちに自分の存在に感謝すべきです。

正直に言うと、物語全体は非常に複雑で絡み合っていて、私たちの緑の祖先が他の人々をどのように進化させたかについての真実を私たちは決して知ることはできないかもしれませんが、物語の1つの側面には確かに光合成、つまり太陽光から自分の食物を作る植物の能力が含まれています。

光合成: 生命の鍵

「光合成を理解する素晴らしい方法は、地球の大気を私たちの『姉妹』惑星の大気と比較することです」とジョージア大学の名誉教授グレゴリー・シュミットは言う。 「これら 3 つの惑星は、形成されて冷えたときはほぼ同じだったと考えられますが、金星と火星の大気には、95 パーセントの二酸化炭素 (CO2)、2.7 パーセントの窒素 (N2)、0.13 パーセントの酸素 (O2) が含まれています。地球の空気は 77 パーセントです。 N2、21 パーセントの O2、そして 0.41 パーセントの CO2 – この数字は増加していますが、これは私たちの大気中に 800 ギガトンの二酸化炭素が存在することを意味します。さらに1万ギガトン、つまり100億トンが行方不明か、化石石灰岩、石炭、石油の形で埋もれている。」

言い換えれば、炭素は何十億年もの間、大気中から地球の地殻に密輸されてきたものであり、それがこの惑星が多細胞生物の生息に適している唯一の理由なのです。

「では、その劇的な大気の変化はどのようにして地球に起こったのでしょうか？」シュミット氏は尋ねる。 「答えは 1 つだけで、とても簡単です。それは、地球の進化における最も驚くべき要素である光合成です。」

緑の革命

光合成、友達。地球が形成されてから約10億年後、生命が出現しました。おそらく最初は嫌気性細菌として、熱水噴出孔から出てくる硫黄と水素を飲み込みました。今、キリンがいます。しかし、最初の細菌とキリンの間の道には 10,000 ギガトンの階段がありました。それらの古代の細菌は、新しい熱水噴出孔を見つける手段を見つけなければなりませんでした。それが、 と呼ばれる熱感知色素の開発につながり、一部の細菌は今でもそれを使用しています。熱によって発生する赤外線信号を検出します。これらの細菌は、 クロロフィル(太陽からのより短く、よりエネルギーの高い光の波長を捕捉して動力源として使用できる色素) を作ることができる子孫の祖先でした。

つまり、本質的に、これらのバクテリアは太陽光のエネルギーを捕捉する手段を作り出したのです。次の進化の飛躍には、安定したエネルギー貯蔵手段の開発が必要でした。それは、内膜の一方の側ともう一方の側に陽子が蓄積することを促す、一種の太陽光電池を作り出すことです。

燃える水 (光化学系 II)

植物と藻類の進化の真の驚異は、ある時点で、これらの古代のクロロフィル生成細菌が酸素を生成し始めたという事実にあります。結局のところ、数十億年前、実際には大気中に酸素はほとんどなく、多くの初期の細菌にとって有毒でした（地球上の酸素のない場所に残っている嫌気性細菌には今でも有毒です）。しかし、太陽光を捕らえて蓄える新しいプロセスでは、関与するバクテリアが水を燃やす必要がありました。そう、消防士が消火に使うものを燃やしたのです。

燃焼のプロセスは単なる酸化です。つまり、ある原子から電子が剥ぎ取られ、それらの電子が別の原子に移動します（これを還元と呼びます）。初期の光合成細菌は、光子（基本的には光の粒子）を捕捉し、そのエネルギーを利用して水から多くの陽子と電子を取り除き、エネルギー生産に使用する方法を開発しました。

30億年前にブレークスルーのブレークスルーが起きたのは、クロロフィルが2つの水分子を同時に分割できるほど光合成機構が完成したときでした。最近ではこれを「クロロフィルタンパク質クラスター」と呼んでいます。

グリーンバッテリー (光化学系 I)

これらの光合成細菌が水を燃やし、その化学反応からのエネルギーを蓄える方法を見つけてから進化しました。光合成では、光化学系 II (水の燃焼) は、第 2 段階がなければ実際には維持できません。第 2 段階では、第 1 段階で水分子から電子を奪い、それらが崩壊する前に電子を利用します。光化学系 I は、これらの電子を化学組立ラインに付着させることでこれを実現し、生物が苦労して得たエネルギーを保持できるようにします。そのエネルギーは、細菌が食料として使用するために CO2 を糖に変換するために使用されます。

葉緑体の夜明け

光化学系 I と II が整理されると、シアノバクテリアが海洋を占領し、酸素はその廃棄物であったため、地球の大気中に豊富に存在するようになりました。その結果、多くの細菌が好気性になりました。つまり、細菌は代謝プロセスに酸素を必要とした（または少なくとも酸素を許容した）のです。約10億年後、原生動物は好気性細菌の餌を食い尽くす嫌気性生物（成長に酸素を必要としない生物）として進化しました。少なくとも一度は、細菌は完全に消化されずに細胞内に留まり、酸素不耐症の嫌気性生物が好気性環境に対処するのを助けることになった。これら 2 つの生物は互いにくっつき、最終的に捕食生物は と呼ばれる細胞小器官に進化しました。

同様のシナリオが約 10 億年前のシアノバクテリアでも起こりました。この場合、おそらく好気性原生動物がシアノバクテリアを食い荒らし、最終的に宿主の体内に店を構え、その結果、すべての植物に共通する小さな膜結合細胞小器官である葉緑体が生じた。

藻類や多細胞植物が進化し、地球の大気中の豊富な CO2 と増加する酸素の恩恵を受けるにつれて、葉緑体は各細胞内で光合成 (光化学系 I、II、さらに複雑なもの) が行われる場所になりました。ミトコンドリアと同じように、それらは独自の DNA を持っており、植物のために光を集めるのに忙しく時間を費やし、地球上の生命の基盤全体を作成します。