植物は私たちの身近にあります。 その存在に慣れるのは簡単です。 しかし、緑豊かな草や木がない世界、つまり砂漠に覆われた惑星を想像してみてください。 私たちは生きていけるでしょうか？ 植物は、私たちが生きていくために必要な食物、酸素、繊維などを供給する、私たちの環境に欠かせない存在です。 植物の光合成能力は、自然界で最も驚異的で本質的な現象の一つです。

このことは、ノースウェスタン大学とシカゴ植物園の研究助教授であるアレッサ・パラ・ガリオ氏がよく知っています。 アレッサ・パラ・ガリオは、イタリアのパヴィア大学で生物科学の修士号を取得した後、スウェーデンのウプサラ大学で植物の発生に関する論文で博士号（生理的植物学）を取得しました。 現在の研究テーマは、植物の概日時計とミネラル栄養です。

Science in Societyでは、パラ・ガリオに光合成の重要性と彼女の研究における役割について話を聞きました。

基本的なレベルでは、光合成とは何ですか？

光合成とは、太陽からの光エネルギーが吸収され、有機化合物に変換されるプロセスのことです。 有機化合物とは、基本的にはさまざまな形の糖です。 有機化合物は代謝され、そこからエネルギーが抽出されます。

色素が太陽光を吸収するとどうなるのでしょうか？

色素は、太陽からの光を吸収するための特別な分子です。 色素に光を当てると、光子の吸収によって電子にエネルギーが与えられ、低エネルギー状態から高エネルギー状態へと移行します。

クロロフィルはどのような役割を果たしているのでしょうか？

クロロフィルは、植物だけでなく、藻類やバクテリアにも存在する、最も重要な光吸収色素でしょう。 クロロフィルが励起されると、電子受容体に電子を放出し、電子輸送チェーンを開始します。

電子伝達の際には、光合成を行う特殊な器官である葉緑体の膜を介して、プロトン（水素イオン）が送り込まれる。

光合成はなぜ重要なのでしょうか？ もしそれがなかったらどうなるのでしょうか？

植物や藻類、バクテリアは、太陽光を得て、そのエネルギーを使ってCO2（二酸化炭素）を有機物に変えることができる唯一の生物です。 二酸化炭素は主要な大気汚染物質の1つですから、光合成生物は実際に空気をきれいにしています。 その過程で、私たちが吸っている空気の大部分を占める酸素が生成されるので、植物が減ると二酸化炭素のリサイクルが減り、酸素の生成も減ります。

あなたの研究において、光合成はどのような役割を果たしていますか？

私は主に2つのテーマに興味があります。 1つは植物のミネラル栄養学、特に窒素です。 窒素代謝は光合成と密接に関係しています。なぜなら、窒素を同化する際の生成物であるグルタミン酸はクロロフィルの原料となるからです。

窒素が不足すると、葉が黄色くなる「クロロシス」が起こります。

私が興味を持っているもう1つのテーマは、植物の概日時計で、概日時計が植物の発育や代謝のさまざまな側面を制御しているというものです。 サーカディアン・クロックは、次に来るものに備えて生物を準備します。 夜明け前には、光合成に必要なすべての遺伝子がオンになり、光（日の出）があればすぐにプロセスが開始できるようになっています。

同様に、私たちが目を覚ます前には、アドレナリンが上昇し、いくつかのホルモンのレベルが変化し、糖分が循環する必要があります。 そして、目覚まし時計が鳴ると、私たちはすぐに行動を開始することができます。 ある研究によると、概日時計がなければ、目覚めるたびに心臓発作を起こしていたかもしれません。

では、植物と人間は同じような概日時計を持っているのでしょうか？

はい、分子構造は異なりますが、機能は同じです。つまり、24時間の自転周期を持ち、明暗が交互に繰り返される惑星での生活に適応するということです。

天候は光合成にどのような影響を与えますか？

光合成は光の強さに非常に敏感です。 ですから、一般的には正午、つまり1日の中で最も暑い時間帯のピーク時にシステムを停止させます。太陽からのエネルギーが強すぎると、生物学的構造にダメージを与えるからです。 太陽からのエネルギーが強すぎると、生体構造にダメージを与えてしまうからです。つまり、大量の電子が飛び交い、生体構造にとって非常に有害なものになってしまうのです。 そのため、適切な光量を使用するようにしています。

木の葉がない冬、私たちの酸素供給はどうなるのでしょうか？

私たちは、自分が住んでいる場所で生産された酸素だけを吸っているとは思いません。 例えば、アマゾンでは大量の酸素が生産されていて、それが最終的には私たちにも届きます。 つまり、私たちは身の回りにある植物だけに依存しているわけではないのです。

科学者たちは、光合成のプロセスを再現する方法を思いついたのでしょうか？

これは長年の課題であり、多くの研究室がこの課題に取り組んできました。 しかし最近、ストックホルムの王立工科大学のグループが、光合成と同じように、太陽光を利用して水を酸素に分解する触媒を作り出すことに成功しました。

この発見の重要性は、酸素だけではありません。水を分解すると水素が発生しますが、これは再生可能なエネルギーの代替源を見つけるという緊急課題にとって、非常に重要なことです。