強大なクロロフィル分子：原理、機能、実世界での応用

執筆者 marketing | 11月 29, 2023 | Blogs, グローライト | コメント0件

クロロフィルとは何か？ – 生産者は科学者になれる。

クロロフィルとは何か？光を植物の成長に必要なエネルギーに変換する、植物にとって不可欠な元素である。しかし、私たちの中には、舞台裏にあるすべての科学に怯えている者もいる。そこでこの記事では、生産者や新進科学者が全体像とともに詳細を理解できるよう、この魅力的なトピックを解明する。

クロロフィルの機能とは？
クロロフィルの式は？
クロロフィル分子はどこにあるのか？
分子とは何か？ちょっとした科学。
クロロフィル分子とは何か？クロロフィルaとクロロフィルb
クロロフィルは色素分子である
クロロフィルと光の相互作用
クロロフィルと生命のサイクル
より良い光モニタリングで光合成を促進する

図1 – Photo by Pixabay

クロロフィルの機能とは？

考えてみれば、私たちが口にするものはほとんどすべて、直接的にせよ間接的にせよ、植物に由来している。私たちの食卓に並ぶ肉でさえ、栄養をすべて植物に依存する草食動物に由来する。この食物網全体の中心には、クロロフィルというひとつの分子がある。

クロロフィルは植物細胞の緑色色素で、植物が太陽光、二酸化炭素、水をエネルギー豊富なグルコースに変換するプロセスである光合成を開始する。このエネルギーが植物の成長を促し、それが地球上のあらゆる生命を支えているのである。

クロロフィルがなければ光合成は起こらず、植物は育たず、酸素は大気中に放出されず、我々が知っている食物連鎖は崩壊してしまう。微細な藻類から高くそびえる樹木まで、クロロフィルは生命そのものを動かす分子である。だからこそ多くの科学者は、水と並んで地球上の生命維持に最も重要な物質のひとつと考えているのだ。

クロロフィルの公式は？

クロロフィルは単一の分子ではなく、関連化合物のファミリーである。植物に最もよく見られるのは、クロロフィルaとクロロフィルbの2種類である：

クロロフィルaC₅₅H₇₂O₅N₄Mg
クロロフィルb：C₅₅H₇₀O₆N₄Mg

これらの分子は、中央のマグネシウムイオン（Mg²⁺）に配位した大きなポルフィリン環という共通の構造を持つ。この構造により、光エネルギーを効率的に吸収することができる。クロロフィルaとbの側鎖のわずかな違いによって、異なる波長の光を吸収することができ、植物は光合成のためにより広い範囲の太陽光線を取り込むことができる。

これらの分子構造が、クロロフィルに太陽エネルギーを化学エネルギーに変換する驚くべき能力を与えている。

図2 – すべての食物は最終的に植物に由来する –Photo by Lina Kivaka (Pexels)

クロロフィル分子はどこにあるのか？

クロロフィル分子は植物の光合成プロセスの一部である。こちら). そこでは、光合成は植物> 植物細胞> 葉緑体> チラコイド> チラコイド膜で行われると述べた。

図3 – クロロフィルは、チラコイド膜で起こる光合成の一部である（画像をクリックすると拡大します）。

チラコイド膜には、光を受けてそれを植物の利用可能なエネルギー（ADPとNADPH）に変える工場のようなものがある。この工場にはPSIIとPSIがあり、光を吸収するクロロフィル分子を含んでいる。

図4-チラコイド膜の光エネルギー工場

分子とは何か？ちょっとした科学。

水のことを考えれば、分子とは何かを理解するのは簡単だ。原子」とは、基本的で普遍的な要素である。例えば、酸素原子と水素原子がある。酸素原子1個と水素原子2個をつなげると、H2O分子、つまり単に水になる。二酸化炭素（CO2）は、1個の炭素原子と2個の酸素原子が結合したものである。つまり、分子とは、原子の束がつながってユニークな物質になっただけのものなのだ。

しかし、H2Oは液体であり、CO2は気体である。両者の特性は異なるが、それはなぜか？原子の質量、電荷、各原子内のサブ粒子など、分子構造の特徴が本質的に異なるからだ。

つまり、クロロフィル分子は単につながった原子の束なのだ。その分子構造が、光を吸収して光合成を引き起こすという独特の性質を決定している。

図6 – クロロフィル分子

図5 – 原子と分子

クロロフィル分子とは何か？クロロフィルaとクロロフィルb

前述したように、クロロフィルの分子構造は光を吸収する能力を決定する。しかし、ただの光の色ではない。植物は2種類のクロロフィル、クロロフィルaとクロロフィルbに進化した。

クロロフィル-aとクロロフィル-bは、ともに工場のPSIIとPSIに存在する。しかし、クロロフィル-bは青色光を吸収するのに優れ、クロロフィル-aは赤色光を吸収するのに優れている。分子構造に小さな欠片がある以外は、基本的によく似ている（図7）。しかし、このわずかな違いが、両者の光吸収能力を変えてしまう。

図7-クロロフィルaとクロロフィルb。分子の頭部にある小さな突起によって区別される。

クロロフィルは色素分子である

前述したように、クロロフィル分子はどちらも光を吸収することができる。クロロフィルも光を反射するが、そのほとんどはスペクトルの緑色領域である。

分子が光と相互作用する能力は、それを「色素分子」にする。色を示すことができるほとんどの物体には、絵の具や染料のように色素分子があるが、例えば私たちの髪の色のように、天然の色素分子もある。

しかし、透明なガラスや水のように、色素分子を持たない物体もある。

吸収チャートまたは感度曲線（図8）は、クロロフィル色素分子の働きを示している。

クロロフィルa：430nm（青）および662nm（赤）付近にメインピークを持つ。
クロロフィルb：453nm（青）と642nm（オレンジ）付近にメインピークを持つ

これは緑を吸収するのではなく、反射または透過しているからである。

図8（クロロフィル感度曲線） – image by Daniele Pugliesi CCA Share Alike 3.0

図9 – クロロフィル、光合成に青と赤の光を使う。キャノピーより下では、遠赤外光がより多くなり、ここでフィトクロムが活躍する。

クロロフィルと光の相互作用：青と赤の波長の役割

この疑問に対する答えは、進化の興味深い結果である。

ブルーライト

青い光は、視覚スペクトルの他の色よりも波長が短く、波長が短いということは、より多くのエネルギーを含んでいるということである。植物はこの高エネルギーを利用するように進化してきた。

太陽に直接面している葉は、その表面にフルスペクトル（図10）の色が降り注ぐ。しかし、太陽に面していなくても、広大な青空に面している葉は、その青い光を利用する（図11）。これは間接日光と呼ばれるもので、多くの観葉植物はこれで十分だ。

レッド・ライト

赤信号は？図8から、クロロフィルaが光合成に利用可能なスペクトルの範囲を広げていることがわかる。

遠赤外光

上記の戦略は、植物が光エネルギー収穫を最適化するために用いる進化的な方法である。密生したキャノピーの下でも、青や赤の光は透過するため、光合成は行われる。しかし、葉の下に最も多く存在する光のスペクトルは、700nm以上の遠赤色である（図12参照）。そこでフィトクロムが登場し、遠赤エネルギーを吸収してクロロフィルの生成を増やし、茎の成長を促す。 (フィトクロムと光形態形成を参照）。

図10 – 直射日光下での色のフルスペクトル – 植物はクロロフィルaとクロロフィルbの両方を使う。

図11-太陽に背を向けた葉の青空のスペクトル（間接日光）-クロルフィルbはまだ青色光を採用できる。

図12-光合成が困難なキャノピー下のスペクトル、ただし700nm以上はフィトクロムが救済する遠赤。

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クロロフィルと生命のサイクル

クロロフィルは、植物が成長し、すべての生命を維持する食品や派生食品になるのを助ける光合成を開始します。このような生活から、窒素を多く含む肥料（排泄物）が生まれ、農地でそのプロセスが再び始まる。光合成はまた、息苦しくなる二酸化炭素をリサイクルし、私たちが呼吸する貴重な酸素を作り出す。

それは持続可能な生態系の典型的なモデルであり、すべてはクロロフィルから始まる。

この記事では、科学者の卵になりたい生産者のために、クロロフィルについて何を、どこで、どのように説明した。私たちは、この強大な分子について啓蒙し、あるいはいくつかの空白を埋め、結局のところ科学はそれほど悪いものではないのだと納得していただけたなら幸いである。

図13 – 写真：Joshua J. Cotten on Unsplash

結論より良い光モニタリングで光合成を促進する

クロロフィルが光、特に青と赤の波長とどのように相互作用するかを理解することは、植物が健全に成長するために本当に必要なものを認識するのに役立つ。しかし、理論だけでは十分ではない。実際には、栽培用ライトはスペクトルの質が大きく異なることがあり、正確な測定がなければ、植物が光合成に最適な光スペクトルを受けていることを確認するのは難しい。

そこで、UPRtek PG200N Spectral PAR Meterが威力を発揮する。園芸照明評価用に特別に設計されたPG200Nは、PAR範囲（400-700 nm）にわたって正確なスペクトル分析を提供し、クロロフィル比較モードを備えています。このユニークな機能は、クロロフィルaとbのスペクトル感度曲線を、リアルタイムで測定された栽培ライトのスペクトルに重ね合わせることで、以下のことが可能になる：