植物の光合成は緑色光を捨てているのか？｜なぜ植物の葉は光を最大限に吸収する黒色ではなく緑色なのか

光合成とは

　光合成とは植物が太陽光のエネルギーを利用して無機化合物の二酸化炭素と水から有機化合物のブドウ糖を生成し、それをもとにデンプンやタンパク質など生きるために必要なエネルギー源や体を作る物質を合成する働きのことです。光合成は植物の葉などの細胞に含まれる葉緑体で行われます。

光合成の仕組み

植物の葉はどうして緑色なのか

　葉緑体にはクロロフィル（葉緑素）という色素がたくさん含まれています。次の図はクロロフィルの吸収スペクトルです。クロロフィルは500 nm以下の青色光と600 nm以上の赤色光を吸収する性質をもっています。その結果、500 nmから600 nmの緑や黄色の光を反射します。その反射光が緑色や黄緑色に見えるのです。

クロロフィルの吸収スペクトル

緑色の光は光合成に寄与しないのか？

　光合成の主役は緑色光を吸収せずに反射するクロロフィルであり、緑色光は光合成に必要な光ではないと説明しているWebページや参考書を見かけます。この説明はとりわけ光学や物理学を切り口とした解説に多いようですが、最新の植物学の論文を見ると、植物の光合成における光の利用は単純ではなく、緑色光が必要ないという結論は誤りであることがわかります。

Terashima, I., Fujita, T., Inoue, T., Chow, W.S. and Oguchi, R. (2009)
Green light drives leaf photosynthesis more efficiently than red light in strong white light: Revisiting the enigmatic question of why leaves are green.

　光合成が単に光をたくさん吸収すれば良いという仕組みであれば、可視光線の全域を吸収する黒色が良いことになります。しかし、そう話は単純ではありません。大量の光のエネルギーは細胞を破壊する恐れがあるのです。大気を通って地表に届く太陽光のうち最も多いのは緑色光です。そのためクロロフィルは緑色光を吸収する量を抑えているのですが、緑色光をまったく吸収しないというわけでもありません。このクロロフィルの緑色光を吸収しにくい性質は逆に緑色光の効率的な利用に役立ちます。クロロフィルに吸収されなかかった多くの緑色光は葉の中で散乱します。この散乱した緑色光を待ち受けているのがクロロフィルとは別のカロチノイドと呼ばれる色素です。

　植物は光合成を終えるとクロロフィルが少なくなり紅葉します。紅葉の色は植物の葉に含まれれるカロチノイドという色素の色です。カロチノイドは葉が青々としているときも存在していますが、その色は大量のクロロフィルに隠されて現れません。このカロチノイドは過剰な緑色光を吸収して熱として散逸させ、細胞を破壊する光のエネルギーを無害化する働きをしています。同時にカロテノイドに吸収された緑色光はクロロフィルへ受け渡され間接的に光合成を促進しているのです。なぜ植物の葉が光を最大限に吸収する黒色ではなく緑色なのか。植物は緑色光を反射して捨てているのでは太陽光を巧に有効活用するための産みだした仕組みなのです。

光合成におけるカロテノイドの機能
㧘橋拓子，西山佳孝
Hiroko Takahashi, Yoshitaka Nishiyama
Roles of carotenoids in photosynthesis Keywords: carotenoids, energy quenching, photosystem, photoprotection, repair of PSII

まとめ

　クロロフィルによる光合成は大量の光のエネルギーのもとでは効率が落ちるため、あえて太陽光にたくさん含まれている緑色光の直接的な利用を避けています。植物に含まれるカロチノイドが緑色光を吸収することで植物の細胞を守るのと同時にクロロフィルの光合成を間接的に促進しています。クロロフィルのスペクトルから、青色と赤色の光だけあれば植物を成長させるという説明は適切ではありません。

【関連記事】

・花の色はいろいろ｜花の色の仕組み

・木々の葉が黄色や赤色に色付く理由｜紅葉の仕組み

・白いアジサイ「アナベル」はなぜ白いのか？

・サクラ色はアントシアニン

・シソの葉の色

にほんブログ村

人気ブログランキングへ

Author:Photon（工学修士　専門：光学、光分析、機器分析　執筆：光と色やレンズの本を執筆　日本分析化学会会員）

本サイトの図表や解説は教育機関における著作物利用を管理する「SARTRAS（授業目的公衆送信補償金等管理協会）」を通じて学校教育の現場でも活用されています。

シロクマの毛は透明で肌は黒い

　シロクマの正式名称はホッキョクグマ（北極熊）で哺乳綱食肉目クマ科クマ属の食肉類です。

ホッキョクグマ（北極熊）

　ホッキョクグマは全身を覆う毛で身体が白く見えるためシロクマ（白熊）と呼ばれます。北極の環境下では雪や氷と同化し得物に気が付かれにくくなる効果があります。しかしシロクマの毛は本当は白色ではありません。シロクマの毛は中空でストローのような構造をしています。この透明の毛が密集して生えているため、光が当たると乱反射して白く見えます。

　またホッキョクグマの地肌は黒色をしています。光の熱をよく吸収する黒い地肌に透明な毛が太陽光を送ります。これによってホッキョクグマの体温が上がります。さらに毛も太陽光に温められ、毛に含まれている空気が保温効果を生み出します。厳寒の北極の環境で冷たい外気を遮断しているわけです。その他、分厚い脂肪や短い足も寒冷地への適応です。ホッキョクグマは北極での生活のために身体を適応させて進化させたと言って良いでしょう。

　余談ですがホッキョクグマが日本に初めてやって来たのは明治35年です。恩賜上野動物園で飼育・展示されることになりましたが、このとき和名をシロクマと名付けることができずホッキョクグマと名付けられました。その理由は当時、恩賜上野動物園でアルビノのツキノワグマが飼育・展示されておりシロクマの愛称で呼ばれていたからです。

にほんブログ村

人気ブログランキングへ

真鯉と緋鯉の違い｜緋鯉（ヒゴイ）が赤い理由

　先日、近所の河原を歩いたら真鯉（マゴイ）の群れを見つけました。なかなか壮観でしたが、しばらくすると緋鯉（ヒゴイ）が現れました。真鯉（マゴイ）の体色は黒色で緋鯉（ヒゴイ）の体色は赤色や赤黄色ですが、真鯉と緋鯉の違いは何でしょうか。

真鯉（マゴイ）と緋鯉（ヒゴイ）

　真鯉も緋鯉もコイ目・コイ科に分類される同じ魚でコイのことです。コイは大型の淡水魚で、その名前は体が肥えていることや味が肥えていることに由来します。真鯉も緋鯉も天然のコイで全く同じ魚ですが、緋鯉を含む色鯉は真鯉の突然変異したものです。漢字の「緋」は火のような濃く明るい紅色を意味していますから、緋鯉は赤色のコイのことです。

　魚は色素胞と呼ばれる色素細胞を持っています。代表的なものはメラニン色素を含む黒色素胞、カロテノイドやプテリジンの色素を含む赤色素胞や黄色素胞でこれらは光吸収性色素胞といいます。また色素は含まれないが光を散乱反射する白色素胞、魚類独特の構造色による銀白色を呈するグアニン板状結晶を含む虹色素胞があります。これらの色素胞によって魚の体色が決まります。

　普通の真鯉はメラニンを含んだ黒色素胞が多いため黒色の体色をしています。ところが突然変異でメラニン色素の少ないコイが生まれることがあります。このような突然変異のコイはカロテノイド色素やプテリジン色素が多いため赤や赤黄色の体色になります。このようなコイを緋鯉（ヒゴイ）と呼びます。天然の緋鯉を飼育して品種改良したコイが美しい錦鯉（ニシキゴイ）です。この関係は真鮒（マブナ）、緋鮒（ヒブナ）、金魚も同じです。

　なお天然では緋鯉は目立つため天敵に狙われやすく大きく育つのは希です。写真の緋鯉は天然のものと考えられますが、色合いが悪くて売り物にならない錦鯉が放流されることもあるようです。

　※写真に映っているコイが細長く見えるのは水面での光の屈折によるもので水底が浅く見える現象と同じです。

【関連記事】

・花の色はいろいろ｜花の色の仕組み

・白いアジサイ「アナベル」はなぜ白いのか？

・サクラ色はアントシアニン

・玉虫色とは何色？

・その色、どこから

にほんブログ村

人気ブログランキングへ

見る―眼の誕生はわたしたちをどう変えたか

見る―眼の誕生はわたしたちをどう変えたか

サイモン・イングス (著) 吉田 利子 (翻訳)

　2009年に出版された本ですが、眼に関する様々なことが解説された本です。いろいろな動物の眼の進化や仕組みなどを解説しています。また、ヒトの視覚の研究の歴史についても触れられており、過去の科学者の取り組みなどを紹介しています。眼について光学と生物学だけではなく、幅広い分野の話を取り上げています。

単行本: 450ページ
出版社: 早川書房 (2009/1/23)
ISBN-10: 4152089997
ISBN-13: 978-4152089991
発売日： 2009/1/23
商品の寸法: 18.6 x 14.2 x 3.4 cm

【内容】

　光を効率よくとらえようとしてさまざまな生き物が眼を発達させ、見るという能力を獲得した。これまで見つかった最大の眼は、巨大なダイオウイカのもので、目玉の直径が40センチあったという。イカの眼とヒトの眼はまったく異なる進化をたどってきたものだが、それでも両者はじつによく似た構造をしているのだ。

　では、わたしたちはどうやってものを見ているのだろう。多くの哲学者や科学者がその謎に取り組んできた。プラトンは、眼がある種の光線を放射するおかげでものが見えるのだと唱えた。19世紀、死者の網膜には像が残ると言われ、殺人事件の捜査で眼球の写真が撮られた。色覚障害のあった科学者ドルトンは、自分の眼球の色が異なるのだと考え、死後に自分の眼を解剖させている。

　眼には想像以上の物語がある。眼の進化と意識、色覚や錯覚に隠された秘密、視覚の未来まで、眼と「見ること」のすべてを探る

・触れて触る眼―ホシバナモグラの鼻、ハダカデバネズミ
・カンブリア紀の大爆発と眼の誕生
・三葉虫のひさしを持った眼、あいだをおいてはめ込まれた眼
・ショウジョウバエの脚に作られた眼
・第三の眼、松果体
・「視光線」を放射している眼？
・色と言葉
・ステレオグラム
・殺人の原因にもなった視覚の化学
・虹が10色に見える4色型色覚をもつ女性
　その他

人気ブログランキングへ

木々の葉が黄色や赤色に色付く理由｜紅葉の仕組み

紅葉する樹木は

　秋が深まる頃、木々の葉が黄色や赤色に色づき、鮮やかな紅葉を楽しむことができます。紅葉とは樹木の葉が落葉の前に色が変わることですが、全ての全ての木が紅葉するわけではありません。紅葉するのはカエデやイチョウなどの落葉樹で、秋が深まると一斉に葉を落とします。一方、マツやスギなどの常葉樹は１年を通して深緑の葉を留めています。落葉樹のように一斉に葉を落とすことはありませんが、古くなった葉は落として、新しい葉に変えていきます。

葉はどうして緑色なのか

　植物は光合成によって無機物である二酸化炭素と水からブドウ糖をつくり、それをもとにデンプンやタンパク質など生きていくために必要なエネルギー源や体を作る物質を合成しています。光合成は葉の細胞に含まれている葉緑体で行われます。植物の葉が緑色に見えるのは細胞内に葉緑体がたくさん存在しているからです。葉緑体にはクロロフィル（葉緑素）という色素が含まれています。

光合成の仕組み

　葉にはクロロフィル以外にもカロテノイドという黄、橙、赤色を示す色素が含まれています。しかし、光合成を盛んに行っている春や夏はクロロフィルの色素がたくさん存在するため、葉は全体としては緑色に見えます。

　次の図はクロロフィルの吸収スペクトルです。クロロフィルは500 nm以下の青色光と600 nm以上の赤色光を吸収し、500 nmから600 nmの緑や黄色の光を吸収せずに反射します。その反射した光が緑色や黄緑色に見えるのです。

クロロフィルの吸収スペクトル

どうして紅葉するのか

　木々の葉が色づくことをひとくちに紅葉と言いますが、紅葉には葉が赤色に変わる「紅葉」と黄色に変わる「黄葉」があります。落葉樹の葉の色が緑色から赤色や黄色に変わるのは、秋が深まって、気温が低下し、日照時間が短くなると、光合成が行われなくなるためです。光合成が行われなくなると、緑色の色素のクロロフィルが少なくなるため、それ以外の色素の色が現れてきます。

　イチョウなどの「黄葉」する葉はクロロフィルの量が少なくなると葉の中に存在していたカロテノイドの色が現れてきます。

　一方、カエデなどの「紅葉」する葉は紅葉の時期になると葉と枝の境に「離層」と呼ばれる細胞ができます。この細胞が葉と枝の間の物質の移動を遮断するため、光合成で作られていた糖分が葉の中に留まり、糖分の濃度が上がります。そこに日光が当たると、クロロフィルと糖分が反応してアントシアニンという赤色の色素が生じます。クロロフィルが少なくなり、アントシアニンの量が増えると、葉の表面が赤くなります。

カエデとイチョウ

　植物がもつ色素はクロロフィル、カロテノイド、アントシアニン以外のものもあります。花がさまざな色を呈するのも色素によるものです。

花の色と色素

人気ブログランキングへ

【関連記事】

• 花の色はいろいろ｜花の色の仕組み
• 白いアジサイ「アナベル」はなぜ白いのか？
• シソの葉の色
• サクラ色はアントシアニン

サクラ色はアントシアニン

例年は今頃からサクラが咲き始めるのですが、今年は新型コロナの騒ぎもある中で、ずいぶん早めに咲き始めました。雪が降り、雨が振り、風が吹いて、花びらが散っていきました。

写真は4月2日（木）の朝、出勤途上で撮影したサクラです。ほとんど満開に近い状態でした。

次の写真は別のサクラの木です。花びらを接写しました。

 

花の色素にはいろいろありますが、ソメイヨシノのサクラ色はアントシアニンによるものです。

サクラの開花のプロセスを良く見てみると、ツボミのときには、ずいぶん濃いピンク色をしています。これはアントシアニンが大量に存在しているからですが、ツボミが開花すると、アントシアニンの量が減少し、花びらは白に近い淡いピンク色になります。

開花してしばらくたつと、再びアントシアニンの量が増えだします。おしべの花糸が赤みを帯び、花びらもピンク色を呈してきます。散り際の満開のサクラが一番見応えがあります。

このブログでは花の色素について、下記の記事で解説してあります。興味がありましたら、ご一読ください。

光と色と：花の色はいろいろ

人気ブログランキングへ

床と壁がわからなくなる錯覚をさせる？ スパイダーキャット

レーザーポインタの光の点を追いかける黒猫です。猫がごく普通にじゃれているように見えますが、実はこの猫の正体はスパイダーキャットだったのです。

その正体は次の影像を見るとわかります。

Poobs the cat a laser pen and carpet wall.

これだけ見事だと、錯覚で床と壁がわからなくなりますｗ

人気ブログランキングへ

闇に光る目｜猫の目はなぜ光る？（猫の目が光る仕組み）

闇に光る目

　玄関ポーチの屋根の上に猫を発見。カメラを向けたらこちらをじっくり見ていました。

闇に光る目 猫の目はなぜ光る？

　上から目線だから逃げる気配まったくなしです。

闇に光る目

猫の目が光る仕組み

　猫の目がよく光るのは網膜の構造によります。猫のような夜行性の動物は網膜の光を感じる細胞の裏側に反射板のようなタペタム層（脈絡壁板が）存在します。視細胞を通り抜けた光はこのタペタム層で跳ね返り、この反射光が再び網膜の視細胞を刺激します。このため夜行性の動物は暗闇でも目が良く見えるようになっています。

　また猫の目の瞳孔は光量に応じて大きく変化します。明るい場所では瞳孔が縦に細くなり光の取り込みを制限し、暗い場所では瞳孔が丸く大きく開いてたくさんの光を取り込みます。上の写真のように猫の目が光って見えるのはタペタム層が光を反射しているからです。

　ヒトにはタペタム層がないため暗闇では目がよく見えませんし、猫のように目が光ることはありません。猫はヒトと比較すると約1/7の光量で物を見ることができます。猫は動体視力が優れていますが静止しているものを見る能力は人間より劣ります。

　暗い場所でフラッシュ撮影するとヒトの目の部分が赤く写ることがあります。これを赤目現象と呼びます。これはフラッシュの光が大きく開いた瞳孔から目の奥の網膜に届き網膜の毛細血管に反射して赤く見えるためです。猫のタペタム層のような効果はありません。

にほんブログ村

人気ブログランキングへ

透明な体や光る体をもつ不思議な深海生物たち

深海に生きる生物には、体が透明だったり、光を発したり、面白い特徴をもつものがたくさんいます。この映像はそのような深海の生物をカメラでとらえたものです。

Deep Sea Creatures - Nature's Microworlds - Episode 11 Preview - BBC Four

人気ブログランキングへ

虹色の光を放つクシクラゲ

先日、稲妻のような光を放つウコンハネガイという貝を紹介しましたが、今日は虹のような光を放つクシクラゲの仲間を紹介します。クシクラゲは、名前にクラゲがつきますが、クラゲの仲間ではなく、有櫛動物です。

このクシクラゲはオーストラリアのタスマニア島で発見された新種の有櫛動物です。足の部分に繊毛が生えているのですが、この部分が虹色に光ります。ウコンハネガイと同様、このクシクラゲは自ら発光しているわけではありません。繊毛が光を反射しているだけです。光が色づいているのは、繊毛によって、光の回折と干渉が生じているためでしょう。つまり、CDやDVDなどの表面が虹色に見える仕組みと同じです。しかも、繊毛が動いているので、色がつぎつぎと変化し、とても綺麗に見えます。

最近は手軽に海中で動画を撮影できるようになっているため、こうした新種が見つかりやすくなっています。

The Lovely Lobed Comb Jelly

人気ブログランキングへ