光合成とはどのような反応ですか？

光合成と総称される一連の化学反応がなければ、あなたはここにいなかったでしょうし、あなたが知っている他の誰もいなかったでしょう。 光合成が植物といくつかの微生物に限定されていることを知っているなら、これは奇妙な主張としてあなたを襲うかもしれません、 そして、あなたの体や動物の細胞の中には、この優雅な反応の組み合わせを実行するための装置がないということです。 何が得られますか？

簡単に言えば、植物の生命と動物の生命はほぼ完全に共生しています。つまり、植物が代謝のニーズを満たす方法は、動物にとって最高の利益であり、逆もまた同様です。 簡単に言えば、動物は酸素ガス（O₂）非ガス状炭素源からエネルギーを引き出し、二酸化炭素ガス（CO₂）と水（H₂O）その過程で、植物はCOを使用します₂ およびH₂食べ物を作って解放するO₂ 環境に。 さらに、現在、世界のエネルギーの約87％は、最終的には光合成の産物でもある化石燃料の燃焼に由来しています。

「光合成は植物にとって、呼吸は動物にとって」と言われることもありますが、植物は両方を利用し、動物は呼吸のみを利用するため、これは欠陥のあるアナロジーです。 光合成は、植物が炭素を消費および消化する方法と考えてください。移動ではなく光に依存し、小さな細胞機械が使用できる形で炭素を入れるために食べる行為に依存しています。

光合成は、生物のかなりの部分によって直接使用されていないにもかかわらず、 生命の継続的な存在を保証する責任がある1つの化学プロセスとして合理的に見なされます 地球そのもの。 光合成細胞はCOを取ります₂ およびH₂O生物が環境から集め、太陽光からのエネルギーを使ってブドウ糖の合成を促進します（C₆H₁₂O₆）、Oを解放します₂ 廃棄物として。 このブドウ糖は、動物がブドウ糖を使用するのと同じ方法で、植物のさまざまな細胞によって処理されます。 細胞：呼吸を受けてアデノシン三リン酸（ATP）の形でエネルギーを放出し、放出します CO₂ 廃棄物として。 （植物プランクトンとシアノバクテリアも光合成を利用しますが、この議論の目的のために、光合成細胞を含む生物は一般的に「植物」と呼ばれます。）

光合成を利用してブドウ糖を作る生物は独立栄養生物と呼ばれ、ギリシャ語から「自食」に大まかに翻訳されます。 つまり、植物は食物を直接他の生物に依存しません。 一方、動物は、成長して生き続けるために他の生物源から炭素を摂取しなければならないため、従属栄養生物（「他の食物」）です。

光合成はレドックス反応と見なされます。 酸化還元は「還元酸化」の略で、さまざまな生化学反応で原子レベルで何が起こるかを説明します。 光合成と呼ばれる一連の反応の完全でバランスの取れた式（その構成要素については後ほど説明します）は次のとおりです。

6H₂O +ライト+ 6CO₂ →C₆H₁₂O₆ + 6O₂

矢印の両側で、各タイプの原子の数が同じであることを自分で確認できます。つまり、6つの炭素原子、12の水素原子、18の酸素原子です。

還元は原子または分子からの電子の除去であり、酸化は電子の獲得です。 同様に、他の化合物に電子を容易に生成する化合物は酸化剤と呼ばれ、電子を獲得する傾向がある化合物は還元剤と呼ばれます。 酸化還元反応は通常、還元される化合物への水素の付加を伴います。

光合成の最初のステップは、「光があるようにする」と要約されるかもしれません。 日光が植物の表面に当たり、プロセス全体が動き始めます。 あなたはすでに多くの植物が彼らのように見える理由を疑うかもしれません：葉の形の大きな表面積と これらの生物が構造化されている理由がわからない場合、（魅力的ではありますが）不要に見えるそれらをサポートするブランチ こちらです。 植物の「目標」は、できるだけ多くの日光にさらすことです–最短、最小にする 動物のくずのラントのような生態系の植物は、両方とも十分な量を得るのに苦労しています エネルギー。 当然のことながら、葉は光合成細胞に非常に密集しています。

これらの細胞は、ミトコンドリアが呼吸が起こる細胞小器官であるように、光合成の仕事が行われる葉緑体と呼ばれる生物が豊富です。 実際、葉緑体とミトコンドリアは構造的に非常に似ており、生物学の世界の事実上すべてのように、 進化の驚異にたどり着くことができます。）葉緑体には、反射するのではなく、光エネルギーを最適に吸収する特殊な色素が含まれています。 それ。 吸収されるのではなく反射されるものは、人間の目と脳によって特定の色であると解釈される波長の範囲にあります（ヒント：「g」で始まります）。 この目的で使用される主な色素はクロロフィルとして知られています。

葉緑体は、すべての生細胞とそれに含まれる細胞小器官の場合と同様に、二重の原形質膜に囲まれています。 しかし、植物では、チラコイド膜と呼ばれる第3の膜が原形質二重層の内部に存在します。 この膜は非常に大きく折りたたまれているため、ブレスミントのパッケージとは異なり、円盤状の構造が互いに積み重なっています。 これらのチラコイド構造にはクロロフィルが含まれています。 内側の葉緑体膜とチラコイド膜の間の空間はストロマと呼ばれます。

光合成は、光依存性と光非依存性の一連の反応に分けられます。通常、これは明暗反応と呼ばれ、後で詳しく説明します。 結論として、光反応が最初に発生します。

太陽からの光がチラコイド内のクロロフィルや他の色素に当たると、本質的に爆発して緩みます クロロフィルの原子からの電子と陽子は、それらをより高いエネルギーレベルに上昇させ、それらをより自由にします 移行します。 電子は、チラコイド膜自体で展開する電子伝達系反応に迂回されます。 ここで、NADPなどの電子受容体はこれらの電子の一部を受け取ります。これらの電子はATPの合成を促進するためにも使用されます。 ATPは本質的に細胞にとって、米国の金融システムにとってのドルと同じです。これは、事実上すべての代謝プロセスが最終的に実行される「エネルギー通貨」です。

これが起こっている間、日光浴をしている葉緑素分子は突然電子が不足していることに気づきました。 これは、水がほつれに入り、水素の形で置換電子に寄与し、それによってクロロフィルを減らす場所です。 水素が失われると、かつては水だったものが今では分子状酸素– O₂. この酸素は細胞からそして植物から完全に拡散します、そしてそれのいくつかはちょうどこの秒であなた自身の肺にその方法を見つけることに成功しました。

光合成は、進行するためにエネルギーの入力を必要とするため、吸エルゴン反応と呼ばれます。 太陽は地球上のすべてのエネルギーの究極の源です（おそらく、さまざまな人々によってある程度理解されている事実です 太陽をそれ自体が神と見なした古代の文化）と植物はそれを最初に傍受しました 生産的な使用。 このエネルギーがなければ、小さくて単純な分子である二酸化炭素を、かなり大きくて複雑な分子であるブドウ糖に変換する方法はありません。 どういうわけかエネルギーを消費せずに階段を上っていくと想像してみてください。植物が直面している問題を見ることができます。

算術的に言えば、吸エルゴン反応は、生成物が反応物よりも高いエネルギーレベルを持っている反応です。 これらの反応の反対は、エネルギー的に言えば、発エルゴン反応と呼ばれ、生成物は反応よりもエネルギーが低く、それによって反応中にエネルギーが解放されます。 （これは多くの場合、熱の形をしています–繰り返しますが、運動によって暖かくなりますか、それとも冷たくなりますか？） これは、反応の自由エネルギーΔG°で表され、光合成の場合は+ 479kJです。 モル^-1 または1モルあたり479ジュールのエネルギー。 正の符号は吸熱反応を示し、負の符号は発熱プロセスを示します。

光反応では、水は日光によって分解されますが、暗い反応では、陽子（H⁺）と電子（e⁻）光反応で解放されたものは、COからグルコースや他の炭水化物を組み立てるために使用されます₂.

光反応は次の式で与えられます。

2H₂O +ライト→O₂ + 4H⁺ + 4e⁻（ΔG°= +317 kJ・mol⁻¹)

そして暗い反応は次のように与えられます：

CO₂ + 4H⁺ + 4e⁻ →CH₂O + H₂O（ΔG°= +162 kJ・mol⁻¹)

全体として、これにより、上記で明らかにされた完全な方程式が得られます。

H₂O +ライト+ CO₂ →CH₂O + O₂（ΔG°= +479 kJ・mol⁻¹)

両方の反応セットが吸エルゴン反応であり、光反応がより強くなっていることがわかります。

生体システムにおけるエネルギー結合とは、あるプロセスから利用可能になったエネルギーを使用して、他の方法では発生しない他のプロセスを駆動することを意味します。 社会自体はこのように機能します：企業は多くの場合、降りるために前もって多額のお金を借りなければなりません 地面、しかし最終的にこれらのビジネスのいくつかは非常に収益性が高くなり、他のスタートアップのために資金を利用できるようにすることができます 企業。

光合成は、太陽光からのエネルギーが葉緑体の反応に結合され、反応が展開できるため、エネルギー結合の良い例です。 植物は最終的に、他の反応にすぐにまたは将来的に結合できるブドウ糖および他の炭素化合物を合成することによって、地球規模の炭素循環に報いる。 たとえば、小麦植物はでんぷんを生産し、世界中で人間や他の動物の主な食料源として使用されています。 しかし、植物によって作られたブドウ糖のすべてが保存されているわけではありません。 その一部は植物細胞のさまざまな部分に進み、解糖系で放出されたエネルギーが最終的に植物ミトコンドリアでの反応と結びついて、ATPが形成されます。 植物は食物連鎖の最下部を表し、受動的なエネルギーと酸素として広く見られていますが ドナー、彼らは彼ら自身の代謝の必要性を持っています、他のように大きく成長して繁殖しなければなりません 生物。

余談ですが、化学反応がバランスの取れた形で提供されていない場合、学生は化学反応のバランスをとることを学ぶのに苦労することがよくあります。 その結果、生徒はいじくり回すときに、バランスの取れた結果を達成するために、反応中の分子の添え字の値を変更したくなるかもしれません。 この混乱は、反応のバランスをとるために分子の前の数字を変更することが許容されることを知っていることに起因する可能性があります。 分子の添え字を変更すると、その分子はまったく別の分子に変わります。 たとえば、Oを変更します₂ Oへ₃ 単に質量で50パーセント多くの酸素を追加するだけではありません。 それは酸素ガスをオゾンに変えますが、それは遠隔的に同様の方法で研究中の反応に関与しません。