プリンキピア

第8章光合成

Section Summary節のまとめ

Using the energy carriers formed in the first steps of photosynthesis, the light-independent reactions, or the Calvin cycle, take in CO2 from the atmosphere. An enzyme, RuBisCO, catalyzes a reaction with CO2 and another organic compound, RuBP. After three cycles, a three-carbon molecule of G3P leaves the cycle to become part of a carbohydrate molecule. The remaining G3P molecules stay in the cycle to be regenerated into RuBP, which is then ready to react with more CO2. Photosynthesis forms an energy cycle with the process of cellular respiration. Because plants contain both chloroplasts and mitochondria, they rely upon both photosynthesis and respiration for their ability to function in both the light and dark, and to be able to interconvert essential metabolites.
光非依存反応、すなわちカルビン回路は、光合成の最初の段階でつくられたエネルギー運搬体を使い、大気中のCO2を取り込む。酵素RuBisCOは、CO2と別の有機化合物RuBPの反応を触媒する。回路を3周すると、三炭素分子のG3Pが1分子外へ出て、炭水化物の一部になる。残りのG3Pは回路内でRuBPへ再生され、さらにCO2と反応できる状態になる。光合成は細胞呼吸とともに、エネルギーの循環を形成する。植物は葉緑体とミトコンドリアの両方をもつため、明所でも暗所でも機能し、不可欠な代謝物を相互変換するために、光合成と呼吸の両方に依存している。

Visual Connection Questions図を使った問題

Exercises 23練習問題 23
Exercise 23問題 23
Figure 8.19 Which of the following statements is true?
図8.19 次の記述のうち、正しいものはどれか。
  1. In photosynthesis, oxygen, carbon dioxide, ATP, and NADPH are reactants. G3P and water are products.
    光合成では、酸素、二酸化炭素、ATP、NADPHが反応物で、G3Pと水が生成物である。
  2. In photosynthesis, chlorophyll, water, and carbon dioxide are reactants. G3P and oxygen are products.
    光合成では、クロロフィル、水、二酸化炭素が反応物で、G3Pと酸素が生成物である。
  3. In photosynthesis, water, carbon dioxide, ATP, and NADPH are reactants. RuBP and oxygen are products.
    光合成では、水、二酸化炭素、ATP、NADPHが反応物で、RuBPと酸素が生成物である。
  4. In photosynthesis, water and carbon dioxide are reactants. G3P and oxygen are products.
    光合成では、水と二酸化炭素が反応物で、G3Pと酸素が生成物である。
Solution解き方

Review Questions確認問題

Exercises 24–28練習問題 24–28
Exercise 24問題 24
Which molecule must enter the Calvin cycle continually for the light-independent reactions to take place?
光非依存反応が起こるため、カルビン回路へ絶えず入る必要がある分子はどれか。
  1. RuBisCO
    RuBisCO
  2. RuBP
    RuBP
  3. 3-PGA
    3-PGA
  4. CO2
    CO2
Solution解き方
D
D
Exercise 25問題 25
Which order of molecular conversions is correct for the Calvin cycle?
カルビン回路における分子変換の正しい順序はどれか。
  1. RuBP + G3P → 3-PGA → sugar
    RuBP + G3P → 3-PGA → sugar
  2. RuBisCO → CO 2 → RuBP → G3P
    RuBisCO → CO 2 → RuBP → G3P
  3. RuBP + CO 2 → [ RuBisCO ] 3-PGA → G3P
    RuBP + CO 2 → [ RuBisCO ] 3-PGA → G3P
  4. CO 2 → 3-PGA → RuBP → G3P
    CO 2 → 3-PGA → RuBP → G3P
Solution解き方
C
C
Exercise 26問題 26
Where in eukaryotic cells does the Calvin cycle take place?
真核細胞のどこでカルビン回路が進むか。
  1. thylakoid membrane
    チラコイド膜
  2. thylakoid lumen
    チラコイド内腔
  3. chloroplast stroma
    葉緑体のストロマ
  4. granum
    グラナ
Solution解き方
C
C
Exercise 27問題 27
Which statement correctly describes carbon fixation?
炭素固定を正しく説明しているのはどれか。
  1. the conversion of CO2 into an organic compound
    CO2を有機化合物に変えること
  2. the use of RuBisCO to form 3-PGA
    RuBisCOを使って3-PGAを作ること
  3. the production of carbohydrate molecules from G3P
    G3Pから炭水化物分子を作ること
  4. the formation of RuBP from G3P molecules
    G3P分子からRuBPを作ること
  5. the use of ATP and NADPH to reduce CO2
    ATPとNADPHを使ってCO2を還元すること
Solution解き方
A
A
Exercise 28問題 28
If four molecules of carbon dioxide enter the Calvin cycle (four “turns” of the cycle), how many G3P molecules are produced and how many are exported?
二酸化炭素4分子がカルビン回路に入るとき（回路が4「回転」するとき）、G3Pは何分子作られ、そのうち何分子が回路の外へ取り出されるか。
  1. 4 G3P made, 1 G3P exported
    G3Pが4分子作られ、1分子取り出される。
  2. 4 G3P made, 2 G3P exported
    G3Pが4分子作られ、2分子取り出される。
  3. 8 G3P made, 1 G3P exported
    G3Pが8分子作られ、1分子取り出される。
  4. 8 G3P made, 4 G3P exported
    G3Pが8分子作られ、4分子取り出される。
Solution解き方
C
C

Critical Thinking Questions考察問題

Exercises 29–33練習問題 29–33
Exercise 29問題 29
Why is the third stage of the Calvin cycle called the regeneration stage?
カルビン回路の第3段階が再生段階と呼ばれるのはなぜか。
Solution解き方
Because RuBP, the molecule needed at the start of the cycle, is regenerated from G3P.
回路の開始時に必要な分子RuBPが、G3Pから再生されるためである。
Exercise 30問題 30
Which part of the light-independent reactions would be affected if a cell could not produce the enzyme RuBisCO?
細胞がRuBisCOという酵素を作れなくなった場合、光非依存反応のどの部分が影響を受けるか。
Solution解き方
None of the cycle could take place, because RuBisCO is essential in fixing carbon dioxide. Specifically, RuBisCO catalyzes the reaction between carbon dioxide and RuBP at the start of the cycle.
英語のヒント
RuBisCOは二酸化炭素の固定に不可欠なので、回路はまったく進まなくなる。具体的には、RuBisCOは回路の開始時に二酸化炭素とRuBPとの反応を触媒する。
Exercise 31問題 31
Why does it take three turns of the Calvin cycle to produce G3P, the initial product of photosynthesis?
光合成の最初の生成物であるG3Pを作るのに、カルビン回路が3回転する必要があるのはなぜか。
Solution解き方
Because G3P has three carbon atoms, and each turn of the cycle takes in one carbon atom in the form of carbon dioxide.
G3Pは炭素原子を3個持ち、回路1回転につき二酸化炭素の形で炭素原子を1個取り込むためである。
Exercise 32問題 32
Imagine a sealed terrarium containing a plant and a beetle. How does each organism provide resources for the other? Could each organism survive if it was the only living thing in the terrarium? Why or why not?
植物と甲虫が入った密閉されたテラリウムを想像しなさい。それぞれの生物は相手にどのような資源を供給するか。テラリウム内の生物が一方だけだった場合、それぞれは生き残れるだろうか。その理由も述べなさい。
Solution解き方
An energy cycle between a plant and a beetle would be as follows:
植物と甲虫の間のエネルギーの循環は、次のようになる。
  1. Plant consumes carbon dioxide and releases oxygen as a byproduct of photosynthesis
    植物は光合成で二酸化炭素を消費し、副産物として酸素を放出する。
  2. Beetle consumes oxygen and releases carbon dioxide to create chemical energy during aerobic respiration
    甲虫は好気呼吸で化学エネルギーを生み出すために酸素を消費し、二酸化炭素を放出する。
  3. Plant takes up carbon dioxide from the air
    植物が空気中から二酸化炭素を取り込む。
  4. Repeat cycle
    この循環を繰り返す。
The plant would also provide a carbon-based food source for the beetle.
植物は、炭素を含む食物も甲虫へ供給する。
  1. The beetle is a heterotroph, and would not survive without the plant because it would deplete all the oxygen within the terrarium.
    甲虫は従属栄養生物であり、植物がなければテラリウム内の酸素をすべて使い果たすため、生き残れない。
  2. The plant is an autotroph and could survive without the beetle, but it would be unlikely to grow. Through photosynthesis, the plant can make and store its own energy in carbon-based molecules, and produce oxygen. The oxygen can then be used to power aerobic respiration in the plant, which releases carbon dioxide. However, since the plant essentially continues to reuse its own resources cycling between carbon- and oxygen-consuming pathways, its growth would be limited.
    植物は独立栄養生物なので甲虫がいなくても生き残れるが、成長する可能性は低い。植物は光合成によって、炭素を含む分子に自分のエネルギーを作って蓄え、酸素を生じる。その酸素を植物自身の好気呼吸に使い、二酸化炭素を放出できる。しかし、植物は基本的に炭素を消費する経路と酸素を消費する経路の間で自分の資源を使い回し続けるので、成長は限られる。
Exercise 33問題 33
Compare the flow of energy with the flow of nutrients in a closed, sunny ecosystem consisting of a giraffe and a tree.
キリンと1本の木からなる、日当たりのよい閉鎖生態系で、エネルギーの流れと栄養素の流れを比較しなさい。
Solution解き方
In the defined ecosystem, energy would radiate from the Sun, and be absorbed by the chlorophyll in the leaves of the tree. Photosynthesis would occur in the leaves, transforming the light energy into stored chemical energy in the covalent bonds of carbon molecules. The giraffe would eat the leaves of the tree, and digest the carbon molecules to release energy.
この生態系では、太陽から放射されたエネルギーが木の葉のクロロフィルに吸収される。葉で光合成が起こり、光エネルギーが炭素を含む分子の共有結合に蓄えられた化学エネルギーへ変換される。キリンは木の葉を食べ、炭素を含む分子を消化してエネルギーを取り出す。
In the same ecosystem, nutrients would cycle between the tree and the giraffe. The giraffe would consume oxygen and release carbon dioxide as its cells perform aerobic respiration to create chemical energy. The tree will consume the released carbon dioxide during photosynthesis to create its own stored chemical energy, and release oxygen as a by-product.
同じ生態系で、栄養素は木とキリンの間を循環する。キリンの細胞は好気呼吸で化学エネルギーを生み出す際に酸素を消費し、二酸化炭素を放出する。木は光合成でその二酸化炭素を消費し、化学エネルギーを作って蓄え、副産物として酸素を放出する。
Calvin cycle
カルビン回路
light-independent reactions of photosynthesis that convert carbon dioxide from the atmosphere into carbohydrates using the energy and reducing power of ATP and NADPH
ATPとNADPHのエネルギーと還元力を使い、大気中の二酸化炭素を炭水化物へ変える光合成の光非依存反応。
carbon fixation
炭素固定
process of converting inorganic CO2 gas into organic compounds
無機物であるCO2ガスを有機化合物へ変える過程。
reduction
還元
gain of electron(s) by an atom or molecule
原子または分子が電子を受け取ること。