光合成とは？
光合成を行う主な生物といえば「植物」です。植物は何のために光合成を行っているのでしょうか。まずは、光合成の基本的な知識を復習していきましょう。
植物がエネルギーを生成する化学反応
動物も植物も、生きていくためには栄養が必要不可欠です。動物は食事をしますが、植物はどのように必要な栄養を得ているのでしょうか。
日光を浴びた植物は、光エネルギーを利用して栄養となる有機物を作り出しますが、それを「光合成」といいます。
光合成とは、「太陽光を利用してエネルギーを合成する化学反応」のことです。植物は、この生成された有機物と地中や大気中から得た成分を組み合わせて、生命活動を維持しています。
一部例外はありますが、ほとんどの植物・植物プランクトン・藻類は、光合成を行っています。私たちにとっての食事が、植物にとっての光合成だといえるでしょう。
光合成の仕組み
植物が光合成をできるのは、光合成に必要な条件を備えているからです。また生成される物質は、私たちの生活にも深い関わりがあります。
光合成の仕組みと働きについて、詳しく見ていきましょう。
光合成に必要なもの
植物の光合成に必要なのは、以下の3要素です。
・光
・二酸化炭素
・水分
太陽光は光合成のエネルギー源です。「晴れの日しか光合成できないの？」と思うかもしれませんが、日中であれば雨や曇りの日にも光合成は行われています。
水と二酸化炭素は光合成の材料です。水は地中に染み込んだものを根から吸い上げますが、特に湿度の高い地域の植物は、葉から水分を吸収する能力が高くなっています。
二酸化炭素はさまざまな場所から大気中へ放出されたものを、植物の表面にある「気孔」から吸収します。
光合成を行う緑葉体の働き
「葉緑体」とは、植物が持つ色素が分化した器官です。その色素は「クロロフィル」と呼ばれ、太陽光を吸収する機能を備えています。
先に挙げた3要素がそろっていても、葉緑体がなければ植物は光合成できません。葉緑体は「光合成が行われる工場のようなもの」と考えるとよいでしょう。
しかし光合成は、植物だけが行っているわけではありません。動物の中にも体内に葉緑体を取り込んで、光合成を行う生き物がいるのです。細菌類の中には、葉緑体すら持たずに光合成を行っている種もあります。
光合成によって生成されるもの
植物が光合成すると、主に「酸素」と「デンプン」が生成されます。
もう少し踏み込んでみると、葉緑体の「光化学系」という場所で水が「水素」と「酸素」に分解されます。酸素はここで外界へ放出されるのです。
残りの酸素と水素は、「カルビン・ベンソン回路」という場所へ運ばれます。ここで最終的にデンプンなどの有機物が生成されて、植物の栄養となるのです。
光合成をできる植物がいなかった太古の地球には、酸素がほとんどなかったと考えられています。しかし次第に光合成生物が増えていき、今では大気の約20％が酸素になったのです。
光合成と呼吸の関係
「植物も呼吸している」と聞くかもしれませんが、光合成が植物の呼吸というわけではありません。植物は光合成で生成した栄養素を、呼吸によってエネルギーに変換するのです。
光合成は葉緑体で行われますが、呼吸は「ミトコンドリア」という器官で行われます。光合成で二酸化炭素を吸って酸素を放出し、呼吸で酸素を吸って二酸化炭素を放出しているのです。
植物は、光が当たっていないときは呼吸だけをしていますが、日中は呼吸で吸収するよりずっと多くの酸素を光合成で放出するとされています。
「光合成」と「呼吸」は別物であることを覚えておきましょう。
研究が進んでいる「人工光合成」とは？
近年では、二酸化炭素が増えたことによる悪影響が問題視されています。そのような状況の中で、環境問題の解決に一役買うかもしれないと期待されているのが「人工光合成」という技術です。
二酸化炭素を活用する技術
人工光合成とは、人工的な触媒を介して「エネルギー」と「有機物」を生成する技術です。
植物の光合成と同様に太陽光を利用して、水と二酸化炭素を原料にします。まだ研究段階ですが、すでに太陽エネルギーの変換効率は、植物を上回るレベルに達しています。
今後の課題は、人工光合成に利用される半導体デバイスや触媒の性能向上です。
人工光合成に直接関わる技術以外にも、利益を生み出すシステム作りや、安全に使用できる設計についても考えていかなければいけません。
人工光合成のメリット
人工光合成の目的の一つは、「水素」を生成することです。水素は温暖化ガスを発生させないため、環境に優しいエネルギーを利用できるようになります。
また、「化石燃料」の代替品となることも期待されています。生成された水素と二酸化炭素から製造される有機物があれば、化石燃料を使わなくてもプラスチック製品を作り出せるのです。
排出される二酸化炭素が減少するだけではなく、二酸化炭素を利用して有機物を生成するため、カーボンニュートラルな社会の実現に一歩近づくでしょう。
地球の生き物を支える光合成
光合成が行われると、酸素が放出されデンプンが生成されます。口から食事をすることのない植物にとって、光合成は生命維持に欠かせない仕組みです。
しかし、植物が酸素を生み出さなければ、地球上にある多様な生物が生まれることもありませんでした。光合成とは植物だけではなく、生き物全てにとって必要な役割を果たしているのです。
光合成の仕組みだけではなく、人や自然との関わりまで併せて教えることで、子どもの興味や関心を高められるかもしれません。
あなたにはこちらもおすすめ
構成・文／HugKum編集部
