プリンキピア

第8章光合成

Section Summary節のまとめ

The process of photosynthesis transformed life on Earth. By harnessing energy from the sun, the evolution of photosynthesis allowed living things access to enormous amounts of energy. Because of photosynthesis, living things gained access to sufficient energy that allowed them to build new structures and achieve the biodiversity evident today.
光合成は、地球上の生命を一変させた。その進化によって、生物は太陽のエネルギーを利用し、膨大な量のエネルギーへアクセスできるようになった。十分なエネルギーを得たことで、新たな構造をつくり、今日見られる生物多様性を実現できたのである。
Only certain organisms (photoautotrophs), can perform photosynthesis; they require the presence of chlorophyll, a specialized pigment that absorbs certain wavelengths of the visible spectrum and can capture energy from sunlight. Photosynthesis uses carbon dioxide and water to assemble carbohydrate molecules and release oxygen as a byproduct into the atmosphere. Eukaryotic autotrophs, such as plants and algae, have organelles called chloroplasts in which photosynthesis takes place, and starch accumulates. In prokaryotes, such as cyanobacteria, the process is less localized and occurs within folded membranes, extensions of the plasma membrane, and in the cytoplasm.
光合成ができるのは、特定の生物である光独立栄養生物だけである。可視光の特定の波長を吸収し、太陽光のエネルギーを取り込める特殊な色素、クロロフィルが必要である。光合成は二酸化炭素と水を使って炭水化物分子を組み立て、副産物として酸素を大気へ放出する。植物や藻類など、真核生物の独立栄養生物は葉緑体という細胞小器官をもち、その中で光合成が起こり、デンプンが蓄積する。シアノバクテリアなどの原核生物では、過程はそれほど局在せず、折り畳まれた膜、細胞膜の延長部、細胞質で起こる。

Visual Connection Questions図を使った問題

Exercises 1練習問題 1
Exercise 1問題 1
Figure 8.6 On a hot, dry day, the guard cells of plants close their stomata to conserve water. What impact will this have on photosynthesis?
図8.6 暑く乾燥した日には、植物の孔辺細胞は水を保つため気孔を閉じる。これは光合成にどう影響するか。
Solution解き方
Figure 8.6 Levels of carbon dioxide (a necessary photosynthetic substrate) will immediately fall. As a result, the rate of photosynthesis will be inhibited.
図8.6 光合成に必要な基質である二酸化炭素の量が、すぐに低下する。その結果、光合成の速度が抑えられる。

Review Questions確認問題

Exercises 2–7練習問題 2–7
Exercise 2問題 2
Which of the following components is not used by both plants and cyanobacteria to carry out photosynthesis?
次のうち、植物とシアノバクテリアの両方が光合成に使うわけではないものはどれか。
  1. chloroplasts
    葉緑体
  2. chlorophyll
    クロロフィル
  3. carbon dioxide
    二酸化炭素
  4. water
    水
Solution解き方
A
A
Exercise 3問題 3
What two main products result from photosynthesis?
光合成によって生じる、主な二つの生成物は何か。
  1. oxygen and carbon dioxide
    酸素と二酸化炭素
  2. chlorophyll and oxygen
    クロロフィルと酸素
  3. sugars/carbohydrates and oxygen
    糖・炭水化物と酸素
  4. sugars/carbohydrates and carbon dioxide
    糖・炭水化物と二酸化炭素
Solution解き方
C
C
Exercise 4問題 4
In which compartment of the plant cell do the light-independent reactions of photosynthesis take place?
光合成の光非依存反応は、植物細胞のどの区画で起こるか。
  1. thylakoid
    チラコイド
  2. stroma
    ストロマ
  3. outer membrane
    外膜
  4. mesophyll
    葉肉
Solution解き方
B
B
Exercise 5問題 5
Which statement about thylakoids in eukaryotes is not correct?
真核生物のチラコイドについて、正しくない記述はどれか。
  1. Thylakoids are assembled into stacks.
    チラコイドは積み重なっている。
  2. Thylakoids exist as a maze of folded membranes.
    チラコイドは折り畳まれた膜の迷路として存在する。
  3. The space surrounding thylakoids is called stroma.
    チラコイドの周囲の空間はストロマと呼ばれる。
  4. Thylakoids contain chlorophyll.
    チラコイドはクロロフィルを含む。
Solution解き方
B
B
Exercise 6問題 6
Predict the end result if a chloroplast’s light-independent enzymes developed a mutation that prevented them from activating in response to light.
葉緑体の光非依存反応の酵素に変異が起こり、光に応じて活性化できなくなった場合、最終的に何が起こると予想されるか。
  1. G3P accumulation
    G3Pの蓄積
  2. ATP and NADPH accumulation
    ATPとNADPHの蓄積
  3. Water accumulation
    水の蓄積
  4. Carbon dioxide depletion
    二酸化炭素の枯渇
Solution解き方
B
B
Exercise 7問題 7
How are the NADPH and G3P molecules made during photosynthesis similar?
光合成でつくられるNADPHとG3Pには、どのような共通点があるか。
  1. They are both end products of photosynthesis.
    どちらも光合成の最終生成物である。
  2. They are both substrates for photosynthesis.
    どちらも光合成の基質である。
  3. They are both produced from carbon dioxide.
    どちらも二酸化炭素からつくられる。
  4. They both store energy in chemical bonds.
    どちらも化学結合にエネルギーを蓄える。
Solution解き方
D
D

Critical Thinking Questions考察問題

Exercises 8–12練習問題 8–12
Exercise 8問題 8
What is the overall outcome of the light reactions in photosynthesis?
光合成の明反応では、全体として何が得られるか。
Solution解き方
The outcome of light reactions in photosynthesis is the conversion of solar energy into chemical energy that the chloroplasts can use to do work (mostly anabolic production of carbohydrates from carbon dioxide).
太陽エネルギーが、葉緑体が仕事に使える化学エネルギーへ変換される。その仕事は主に、二酸化炭素から炭水化物を同化的につくることである。
Exercise 9問題 9
Why are carnivores, such as lions, dependent on photosynthesis to survive?
ライオンなどの肉食動物が、生存のため光合成に依存するのはなぜか。
Solution解き方
Because lions eat animals that eat plants.
ライオンは、植物を食べる動物を食べるからである。
Exercise 10問題 10
Why are energy carriers thought of as either “full” or “empty”?
エネルギー運搬体を「満タン」または「空」と考えるのは、なぜか。
Solution解き方
The energy carriers that move from the light-dependent reaction to the light-independent one are “full” because they bring energy. After the energy is released, the “empty” energy carriers return to the light-dependent reaction to obtain more energy. There is not much actual movement involved. Both ATP and NADPH are produced in the stroma where they are also used and reconverted into ADP, Pi, and NADP+.
光依存反応から光非依存反応へ向かう運搬体は、エネルギーを持っていくので「満タン」である。放出後の「空」の運搬体は、さらにエネルギーを得るため光依存反応へ戻る。実際には、大きな移動はない。ATPとNADPHはともにストロマでつくられ、同じ場所で使われてADP、Pi、NADP+へ戻される。
Exercise 11問題 11
Describe how the grey wolf population would be impacted by a volcanic eruption that spewed a dense ash cloud that blocked sunlight in a section of Yellowstone National Park.
火山の噴火が濃い火山灰雲を噴き上げ、イエローストーン国立公園の一部で太陽光を遮ったとする。ハイイロオオカミの個体群がどのような影響を受けるか説明せよ。
Solution解き方
The grey wolves are apex predators in their food web, meaning they consume smaller prey animals and are not the prey of any other animal. Blocking sunlight would prevent the plants at the bottom of the food web from performing photosynthesis. This would kill many of the plants, reducing the food sources available to smaller animals in Yellowstone. A smaller prey animal population means that fewer wolves can survive in the area, and the population of grey wolves will decrease.
ハイイロオオカミは、その食物網の頂点捕食者である。小さな獲物を食べ、自分はほかの動物の獲物にならない。太陽光が遮られると、食物網の底辺の植物が光合成できなくなる。多くの植物が死に、小動物の食物源が減る。獲物の個体群が小さくなると、その地域で生きられるオオカミも少なくなるため、ハイイロオオカミの個体群は減少する。
Exercise 12問題 12
How does the closing of the stomata limit photosynthesis?
気孔が閉じると、なぜ光合成が制限されるか。
Solution解き方
The stomata regulate the exchange of gases and water vapor between a leaf and its surrounding environment. When the stomata are closed, the water molecules cannot escape the leaf, but the leaf also cannot acquire new carbon dioxide molecules from the environment. This limits the light-independent reactions to only continuing until the carbon dioxide stores in the leaf are depleted.
気孔は、葉と周囲の環境の間でガスや水蒸気の交換を調節する。閉じると水分子は葉から逃げられないが、同時に、環境から新たな二酸化炭素分子を取り込めなくなる。そのため、光非依存反応を続けられるのは、葉に蓄えられた二酸化炭素を使い切るまでに限られる。
chemoautotroph
化学独立栄養生物
organism that can build organic molecules using energy derived from inorganic chemicals instead of sunlight
太陽光の代わりに無機化学物質から得たエネルギーを使い、有機分子をつくれる生物。
chloroplast
葉緑体
organelle in which photosynthesis takes place
光合成が起こる細胞小器官。
granum
グラナム
stack of thylakoids located inside a chloroplast
葉緑体内でチラコイドが積み重なった構造。
heterotroph
従属栄養生物
organism that consumes organic substances or other organisms for food
有機物やほかの生物を食物として摂取する生物。
light-dependent reaction
光依存反応
first stage of photosynthesis where certain wavelengths of the visible light are absorbed to form two energy-carrying molecules (ATP and NADPH)
光合成の第1段階。可視光の特定の波長を吸収し、エネルギーを運ぶ二種類の分子、ATPとNADPHをつくる。
light-independent reaction
光非依存反応
second stage of photosynthesis, through which carbon dioxide is used to build carbohydrate molecules using energy from ATP and NADPH
光合成の第2段階。ATPとNADPHのエネルギーを使い、二酸化炭素から炭水化物分子を組み立てる。
mesophyll
葉肉
middle layer of chlorophyll-rich cells in a leaf
葉の中ほどにある、クロロフィルを豊富に含む細胞の層。
photoautotroph
光独立栄養生物
organism capable of producing its own organic compounds from sunlight
太陽光を使い、自ら有機化合物をつくれる生物。
pigment
色素
molecule that is capable of absorbing certain wavelengths of light and reflecting others (which accounts for its color)
特定の波長の光を吸収し、ほかの波長を反射する分子。反射する波長がその色を決める。
stoma
気孔
opening that regulates gas exchange and water evaporation between leaves and the environment, typically situated on the underside of leaves
葉と環境の間のガス交換や水の蒸発を調節する開口部。通常、葉の裏側に位置する。
stroma
ストロマ
fluid-filled space surrounding the grana inside a chloroplast where the light-independent reactions of photosynthesis take place
葉緑体内でグラナを囲む、液体で満たされた空間。光合成の光非依存反応が起こる。
thylakoid
チラコイド
disc-shaped, membrane-bound structure inside a chloroplast where the light-dependent reactions of photosynthesis take place; stacks of thylakoids are called grana
葉緑体内にある、膜で囲まれた円盤状の構造。光合成の光依存反応が起こる。積み重なったチラコイドはグラナと呼ばれる。
thylakoid lumen
チラコイド内腔
aqueous space bound by a thylakoid membrane where protons accumulate during light-driven electron transport
チラコイド膜に囲まれた水性の空間。光で駆動される電子伝達の間に、陽子が蓄積する。