光合成と限定要因: 光の強さ、CO₂、温度とオオカナダモの実験

光合成のはたらき

植物、藻類、シアノバクテリアは、光のエネルギーを使って二酸化炭素と水から糖をつくり、酸素を放出します。

6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

これは互いにつながった 2 つの段階で進みます。葉緑体のチラコイド膜で起こる光に依存する反応では、クロロフィルが光を吸収し、そのエネルギーで水を分解して酸素を放出し、ATP と NADPH をつくります。チラコイドを取り巻くストロマで起こるカルビン回路では、酵素ルビスコが二酸化炭素を固定し、ATP と NADPH がそれを糖に変えます。前半には光が、後半には二酸化炭素が必要で、後半は酵素反応の連なりなので温かいほど速く進みます。

限定要因

1905 年、フレデリック・ブラックマンは、いくつもの要因に左右される過程の速度は、最も不足している要因、つまり限定要因によって抑えられると指摘しました。二酸化炭素が足りない植物に光を増やしてもほとんど変わりませんが、二酸化炭素を増やすと、光や温度が上限になるまで速度は上がります。光合成の速度の曲線がどれも上がってから平らになるのはこのためで、平らな部分では別の要因が制限を引き継いでいます。

光の強さは光に依存する反応を制限します。光が弱いとき、速度は光にほぼ比例します。
二酸化炭素はカルビン回路を制限します。水草は溶けた CO₂ と炭酸水素イオンとして取り込むので、炭酸水素ナトリウム (NaHCO₃) を加えると速くなります。
温度は酵素の速さを決めます。10 °C 上がるごとにおよそ 2 倍 (Q₁₀ が約 2) になりますが、最適温度を超えると酵素が傷み始め、速度は急に落ちます。

光と距離: 逆二乗の法則

小さなランプの光は球面に広がり、その面積は距離の 2 乗に比例して大きくなるので、光の強さは 1 ÷ d² のように弱まります。ランプを 10 cm から 20 cm に離すと光は 4 分の 1、30 cm なら 9 分の 1 になります。そのためランプの実験の結果は、距離そのものではなく、光の強さに比例する 1 ÷ d² に対してプロットされることがよくあります。

呼吸と補償点

植物は昼も夜も常に呼吸をして酸素を使っています。出てくる酸素として測っているのは正味の速度、つまり総光合成から呼吸を引いたものです。光が弱いと両者がつり合い、植物から酸素がまったく出なくなることがあります。そうなる光の強さが補償点です。それより暗いと、植物はつくるより多くの糖を使います。

オオカナダモの実験

オオカナダモ (Egeria) やカボンバ (Cabomba) の枝を、切り口を上にして水を入れた試験管に逆さに入れ、横にランプを置きます。光合成でできた酸素は茎の空気の通り道にたまり、切り口から泡の列となって出てきます。ランプの距離をいくつか変えて 1 分間の泡の数を数えるか、毛細管に気体を集めてその長さを測れば、速度の目安になります。水に加えた炭酸水素ナトリウムは植物の二酸化炭素不足を防ぎ、試験管のまわりの水を入れたビーカーは温度を一定に保ちます。

計算例

シミュレーションは、ランプの距離 20 cm、白色光、1 リットルあたり 1 g の炭酸水素ナトリウム、水温 25 °C で始まります。

光: ランプは 10 cm で 1 m² 1 秒あたり 800 µmol の光子を与えるので、20 cm では I = 800 × (10 ÷ 20)² = 200 です。
光だけで支えられる速度は J = 0.1 × 0.75 × 200 = 1 分あたり泡 15 個です (白色光は 0.75)。
二酸化炭素: NaHCO₃ 1 g (1 モル 84 g) は 11.9 mM で、水の 0.5 mM を足すと C = 12.4 mM、C ÷ (C + 2) = 0.86 です。
温度: 25 °C では酵素は最大能力の 0.65 で働くので、到達できる上限は P_max = 60 × 0.65 × 0.86 = 1 分あたり泡 33.6 個です。
J は P_max よりかなり小さいので、光が速度を制限しています。総光合成は 14.0 で、呼吸が 3 を使い、1 分あたり 11 個の泡が出ます。

ランプを 10 cm に近づけると、光は 4 倍の 800 になり、J は 60 になって、正味の速度は 1 分あたり 27.4 個に上がります。4 倍にならないのは、速度がすでに P_max に近いからです。もう光は制限しておらず、25 °C では温度が制限しています。水を 35 °C に温めると正味の速度は 34.6 に上がりますが、炭酸水素ナトリウムを 10 g/L に増やしても 30.9 にしかなりません。

シミュレーションの使い方

光合成と限定要因のシミュレーターで、次のことを試してみましょう。

速度をランプの距離に対してプロットし、10、20、40、80 cm で泡を数えます。次に同じものを光の強さに対してプロットし、曲線が平らになる様子を見ます。
ランプを約 45 cm より遠ざけます。補償点より暗くなると、植物は光合成を続けていても泡は止まります。
ランプを近づけたまま炭酸水素ナトリウムを 0 にします。ランプがどれだけ明るくても、二酸化炭素が速度を 1 分あたり 5 個未満に抑えます。
温度に対してプロットします。速度は約 33 °C の最適温度まで上がり、呼吸が光合成を上回る 45 °C までに落ち込みます。
緑の光に切り替えます。同じ距離で赤い光が与える速度のごく一部にまで下がります。

モデルの前提

点光源が逆二乗の法則に正確に従い、部屋の光はないものとします。
速度は、光と酵素が許す値のうち小さいほうで、両者の間はなめらかにつながります (曲率 θ = 0.9 の非直角双曲線)。これは葉の光合成の一般的なモデルと同じです。
二酸化炭素は飽和曲線 C ÷ (C + 2 mM) に従い、溶けた CO₂ と炭酸水素イオンは同じように使えるものとします。
温度は Q₁₀ = 2 で酵素を速め、37 °C を中点として酵素を傷めます。傷みは瞬時に起こり、完全に元に戻ります。
呼吸は 25 °C で 1 分あたり泡 3 個分で、10 °C ごとに 2 倍になり、明るいときも暗いときも同じです。
泡はすべて同じ大きさで、光合成でできた酸素だけを含みます。カウントはモデルの速度のまわりに、ランダムな数 (ポアソン分布) としてばらつきます。
色はランプごとに 1 つの効率として入ります: 同じ光子数で赤 1、白と青 0.75、緑 0.3 です。

境界的なケース

ランプがとても近い場合: 5 cm では光は 3,200 µmol m⁻² s⁻¹ と直射日光より強くなりますが、速度は 10 cm のときの 27.4 から 30 個に上がるだけです。曲線は飽和しています。
補償点: それより暗いと正味の速度は 0 と表示されます。植物が何もしていないのではなく、自分の酸素をすべて使っているのです。
炭酸水素ナトリウムなし: 水の 0.5 mM だけが残り、二酸化炭素がすべてを制限します。
熱い水: 約 42 °C から酵素が働かなくなり、上がり続ける呼吸が光合成を上回るので、ランプがどれだけ明るくても泡は出ません。
凍る寸前: 0 °C では酵素は最大能力の約 10 分の 1 でしか働かないので、明るい光でも泡はわずかです。

モデルが成り立たなくなる場合

ランプが水を温める。 白熱灯やハロゲンランプを試験管の近くに置くと水が温まるので、ランプを動かすと光だけでなく温度も変わります。LED ランプを使うか、ランプと植物の間に水槽を置けば防げます。
近いランプは点ではない。 ランプの直径の数倍以内では、光は 1 ÷ d² のようには弱まらず、植物の一部が別の部分に影をつくります。
泡は大まかな目安。 泡の大きさはまちまちで、酸素の一部は泡になる前に溶け、気体には窒素や二酸化炭素も含まれます。気体の体積や、センサーで溶存酸素を測るほうが正確です。
傷みは元に戻らない。 熱で変性した酵素は水が冷えても回復せず、とても強い光は光化学系を傷めます (光阻害)。そのため速度は平らなまま保たれず、下がっていきます。
緑の光は無駄ではない。 オオカナダモの薄い葉は緑の光をあまり吸収しませんが、厚い葉では緑の光が何度も通り抜けるうちに吸収されます。マクリーが作物の葉で行った測定では、緑の光子は赤の約 70% の効果がありました。
植物は変化する。 何時間もたつうちに、植物は強い光の下で集光のしくみを減らし、動かない水の二酸化炭素を使い果たし、温度に順応します。そのため長い実験はモデルからずれていきます。
光呼吸。 ルビスコは酸素とも反応してエネルギーを無駄にし、温度が高いときや二酸化炭素が少ないときほどそれが増えます。単純な温度の曲線はこれを 1 つの係数にまとめています。

光合成と限定要因: 光、二酸化炭素、温度