高校生物 光呼吸と炭素固定—酸素と二酸化炭素の条件から反応の競合を考える｜武蔵野個別指導塾

Rubiscoの反応を分け、酸素濃度の比較と炭素収支から読み解く光呼吸です。

光呼吸は、カルビン回路の入り口で酸素が関わる反応から始まり、固定済みの炭素の一部をCO₂として失う過程です。よくあるのは、名前に「呼吸」があるため、光で促進されたミトコンドリアの呼吸と考えてしまう場面です。両者は区別し、まずRubiscoが何と反応するかを確認します。

どの条件を比べるか

問いの1つは、同じ酵素がCO₂とO₂のどちらを使うかです。二酸化炭素固定に進む反応と、光呼吸につながる反応が競合します。基質の濃度が変わると、一定時間にそれぞれへ進む割合も変わりえます。酵素名を覚えるだけでなく、条件と反応の向きを組にして答えます。

もう1つは、葉のCO₂の出入りを比較する資料です。葉が取り込む量には、固定と放出の両方が影響します。酸素条件を変えたときの差を光呼吸による差とみなすには、ほかの影響がないという仮定が必要です。測定値が直接示すことと、その値からの推定を分けます。

さらに、酸素添加反応でできた炭素を回収するモデルから、炭素収支を求める問題があります。分子数と炭素原子の数は別です。はじめに基準を1回の反応にそろえ、後から指定された回数に換算します。

競合する2つの入り口

Rubiscoは葉緑体のストロマで、炭素数5のリブロース1,5-ビスリン酸、略してRuBPに働きます。CO₂が付加されると、炭素数6の不安定な物質を経て、炭素数3の物質が2分子できます。この反応によって外から炭素が加わり、カルビン回路の反応と受容体の再生へつながります。反応が続くにはRuBPを再生する必要もあります。

一方、RubiscoはRuBPにO₂を付加する反応も触媒します。この場合、炭素数3の物質1分子と、炭素数2の物質1分子が生じます。後者はそのままカルビン回路を回ることができず、複数の細胞内の場所を経る回収過程に入ります。その過程で炭素の一部がCO₂として放出され、エネルギーも消費されます。回収経路の中間体名を並べるより、回収される炭素と外へ出る炭素を区別することが先です。

図1のように、CO₂を使う矢印とO₂を使う矢印は、同じRuBPから分かれます。炭素数で見ると、前者は5 + 1 = 3 + 3、後者は5 = 3 + 2です。O₂には炭素がないので、酸素添加によって炭素数が増えたと数えてはいけません。図の矢印は物質の流れを表し、ATPなどのエネルギーの流れそのものではありません。

光呼吸は固定した炭素を失い、回収にもエネルギーを使うため、糖などに利用できる正味の炭素獲得を小さくします。ただし、光呼吸の大きさだけで葉全体の光合成速度が決まるわけではありません。光、温度、CO₂の供給なども関係します。光があるとカルビン回路に必要なATPや還元力が供給されますが、光呼吸という名前からミトコンドリアの呼吸と同じ経路だと判断しないことが大切です。ミトコンドリアは光呼吸の回収過程にも関与しますが、通常の呼吸と同一という意味ではありません。

一般に、ほかの条件が同じならCO₂に対するO₂の割合が高い条件では、Rubiscoの酸素添加反応が相対的に起こりやすくなります。気孔が閉じて葉の内部のCO₂が減る場合も、競合を考える手がかりになります。ただし実際の葉では温度や気孔の状態も変わりうるため、濃度比だけから実測速度を数値で決めることはできません。

基本例題：回収される炭素を数える

次は計算のために作った条件です。酸素添加反応が2回起こり、それぞれRuBP 1分子から炭素数3の物質1分子と炭素数2の物質1分子ができます。炭素数2の物質2分子から、炭素数3の物質1分子が回収され、残りの炭素はCO₂ 1分子として放出されるとします。他への炭素の移動はないものとします。出発したRuBPの炭素原子10個のうち、炭素数3の物質として残る個数とCO₂に移る個数を整数で求めてください。

図2のように、最初に直接できる炭素数3の物質は2分子です。炭素数2の物質も2分子でき、その合計4個の炭素のうち3個が回収され、1個が放出されます。したがって炭素数3の物質は合計3分子です。

出発時の炭素原子数 = 5・2 = 10
直接できる物質の炭素原子数 = 3・2 = 6
回収物の炭素原子数 = 3・1 = 3
残る炭素原子数 = 6 + 3 = 9
CO₂に移る炭素原子数 = 1・1 = 1

答えは、残る炭素が9個、CO₂に移る炭素が1個です。9 + 1 = 10となり、出発時の炭素数に戻ります。分子が2個できたという情報だけで炭素原子が2個と決めず、各分子の炭素数を掛けてから足します。回収された炭素数3の物質が直ちに糖になると決まるわけではなく、回路の維持にも用いられます。

標準例題：差が意味するもの

同じ種類の葉を同じ光と温度、同じ外部CO₂濃度に置き、O₂濃度を変えた自作資料を考えます。葉面積1 dm²当たり、10分間の正味CO₂吸収量は、条件Aで8 µmol、条件Bで5 µmolでした。Aは低O₂、Bは高O₂です。両条件でCO₂固定量は同じく12 µmol、通常の呼吸によるCO₂放出量も同じく2 µmolと仮定します。光呼吸による放出量をそれぞれ整数のµmolで求め、測定値を再現してください。

正味吸収量は、固定量から通常の呼吸と光呼吸による放出量を引いた値です。吸収を正として表すと次のようになります。

光呼吸による放出量 = 固定量 - 通常の呼吸による放出量 - 正味吸収量
A = 12 - 2 - 8 = 2 µmol
B = 12 - 2 - 5 = 5 µmol

Aは2 µmol、Bは5 µmolです。元に戻すとAは12 − 2 − 2 = 8 µmol、Bは12 − 2 − 5 = 5 µmolで、与えられた値と合います。どちらも放出量が負にならない点も確かめます。両者の差3 µmolは、この問題の仮定の下では光呼吸の放出量の差です。

別の見方では、固定量と通常の呼吸が同じなので、正味吸収量の差8 − 5 = 3 µmolが光呼吸による放出量の差になります。ただし差だけでは各放出量は決まりません。個々の量を求めるには、固定量と通常の呼吸量という追加の条件が必要です。

実験としては、低O₂で光呼吸が小さくなるという仮説を立て、同条件でO₂濃度を変えない対照も置きます。光、温度、外部CO₂濃度、葉面積と測定時間をそろえ、同じ条件の測定を繰り返します。装置の漏れや葉の状態の違いは誤差の原因です。外部濃度をそろえても葉内のCO₂濃度まで等しいとは限らず、固定量と通常の呼吸量が本当に同じかも別に調べる必要があります。測った正味吸収量だけでは、2つの放出経路を個別に測ったことにはなりません。実験は学校の指導の下で行います。

発展例題：時間変化を読む

別の自作資料で、同じ葉面積1 dm²について、低O₂から高O₂へ切り替えた後の正味CO₂吸収速度を調べます。切替時を0分とし、速度は各時点付近の短い区間の平均値で、単位はµmol/(dm²・分)です。0分で1.0、2分で0.8、4分で0.6、6分で0.6でした。同じ時刻の対照はずっと1.0とします。切替後4分から6分まで両方の速度が一定だったとして、対照に比べた吸収量の差を小数第1位のµmol/dm²で求めてください。

横軸を切替後の時間、縦軸を面積当たりの吸収速度とするグラフでは、4分から6分の曲線と時間軸の間の面積が、その2分間の吸収量に当たります。対照との差は2本の線の間の長方形の面積です。

速度の差 = 1.0 - 0.6 = 0.4 µmol/(dm²・分)
時間 = 6 - 4 = 2 分
吸収量の差 = 0.4・2 = 0.8 µmol/dm²

答えは0.8 µmol/dm²です。対照は1.0・2 = 2.0 µmol/dm²、切替側は0.6・2 = 1.2 µmol/dm²であり、差は0.8 µmol/dm²に戻ります。0分から4分については、途中の線の形が指定されていないため、端の値だけから厳密な面積は決まりません。点を直線で結ぶことを仮定すれば近似できますが、それは追加のモデルです。

高O₂で吸収が低下したことは資料から読めます。光呼吸の増加は説明の候補ですが、O₂以外の条件の変化や測定系への影響があれば、差の全量を光呼吸と断定できません。切替操作自体の影響を調べる対照、装置の安定性、繰り返しによるばらつきも判断に必要です。吸収速度の低下と炭素放出速度の直接測定を混同しないようにします。

間違いを矢印から直す

誤答「O₂が加わったので、固定された炭素が1個増える」。原因は、酸素添加とCO₂固定を同じ操作として読んだことです。O₂は炭素を持たず、RuBPの5個の炭素はまず3個と2個に分かれます。基本例題ではその後の回収とCO₂放出まで追い、10個が9個と1個に分かれることを確認します。

図3のように、反応に入る物質の炭素を数えれば、酸素を炭素の供給源とする誤りを修正できます。炭素数の収支は反応の方向を考える点検です。酸素原子の行き先までこの図から特定したことにはなりません。

別の誤答は「高O₂で正味吸収が3減ったから、光呼吸の量は必ず3」です。これは差と絶対量の取り違えです。標準例題で3 µmolなのは条件間の差で、各条件の放出量は2 µmolと5 µmolです。しかも差を光呼吸に割り当てるには、固定量と通常の呼吸が等しいという条件が要ります。仮定が与えられなければ、正味吸収量が変わったと答えるところで止めます。

「光呼吸があれば炭素数2の物質の炭素は全部失われる」という答えも修正が必要です。回収の過程で一部はカルビン回路に戻る形になり、一部がCO₂として放出されます。回収量を無視すると、失われる炭素を過大に数えます。

練習：条件を変えて確かめる

次の数値は計算用の自作条件です。問1から問5を先に考え、答えはその後で照合してください。

1. RuBP 1分子にCO₂ 1分子が固定され、炭素数3の物質が2分子できます。出発物質と生成物の炭素原子数をそれぞれ整数で答えてください。
2. 酸素添加が6回起きます。基本例題と同じ回収条件で、炭素数2の物質2分子から炭素数3の物質1分子とCO₂ 1分子が生じます。CO₂として放出される炭素原子数を整数で求めてください。
3. ある葉の同一面積・同一時間当たりのCO₂固定量は20 µmol、通常の呼吸による放出量は3 µmol、光呼吸による放出量は4 µmolと仮定します。正味吸収量を整数のµmolで求めてください。
4. 同じ面積の葉で、同じ長さの時間に測った正味吸収量が低O₂で14 µmol、高O₂で11 µmolでした。固定量と通常の呼吸による放出量は両条件で等しいと仮定します。光呼吸による放出量の差を整数のµmolで求め、どちらが大きいか答えてください。
5. 同じ葉面積当たりの正味吸収速度が、一定の2分間、対照で1.5 µmol/(dm²・分)、処理側で1.1 µmol/(dm²・分)でした。この間の吸収量の差を小数第1位のµmol/dm²で求めてください。

解答と戻し算

1. 出発物質は5 + 1 = 6個、生成物は3・2 = 6個です。CO₂の炭素1個が加わり、合計6個が2分子に分かれます。生成物の6個を出発時の5個と1個に対応させると保存が確かめられます。
2. 炭素数2の物質は6分子でき、2分子ずつ3組です。各組からCO₂が1分子ずつ出るため、放出される炭素は3個です。出発時の炭素は5・6 = 30個で、直接できる物質に18個、回収物に3・3 = 9個、CO₂に3個が入り、18 + 9 + 3 = 30個に戻ります。
3. 20 − 3 − 4 = 13 µmolです。正味吸収13 µmolに放出された3 µmolと4 µmolを加えると、固定量20 µmolに戻ります。各量は同じ面積と時間にそろっています。
4. 正味吸収量の差は14 − 11 = 3 µmolです。仮定の下では高O₂側の光呼吸による放出量が3 µmol大きいといえます。低O₂側の放出量をx µmolとすると、高O₂側をx + 3 µmolと置け、固定量などが同じなら正味吸収の差は3 µmolに戻ります。x自体は決まりません。
5. 速度差は1.5 − 1.1 = 0.4 µmol/(dm²・分)で、2分間では0.4・2 = 0.8 µmol/dm²です。対照は3.0 µmol/dm²、処理側は2.2 µmol/dm²で、差は0.8 µmol/dm²と確認できます。

手元に残す要点

• RubiscoはRuBPにCO₂を付ける反応とO₂を付ける反応を触媒します。
• 酸素添加後の回収では炭素の一部がCO₂として放出されます。
• 正味吸収量は固定と放出の差で、条件間の差は各量そのものではありません。
• 速度を量に直すときは面積と時間をそろえます。

答えに迷ったときの確認点

個別指導では、まずRuBPにCO₂を加えた場合とO₂を加えた場合を別々に描き、各矢印の前後で炭素数を声に出して数えます。次に、葉で測った正味吸収量と、仮定を置いて推定した光呼吸量に印を付けます。差から絶対量を決めていないか、条件が変わった際に何を一定としたかまで確かめると、答案の根拠が見えます。光呼吸の読み取りは、炭素の出入りと比較条件をそろえるところから始まります。