美しい湖はなぜ緑色なのでしょうか?木の反射でしょうか？実はそれのおかげです！

客道は緑の山々の向こうにあり、船は緑の水面の前にあります。

多くの景勝地の湖が緑色なのはなぜでしょうか?海岸沿いの木々が緑に覆われているからでしょうか？それとも湖底の水草が揺れているからでしょうか？実際のところ、これらは主な理由ではありません。これも、目に見えない植物の一種、微細藻類によるものです。

画像ソース: unsplash.com 撮影者: Dirk Von Loen Wagner

微細藻類とは何ですか?

「藻類」というと、昆布や海藻などのおいしい食材を思い浮かべます。見た目は緑野菜に似ていますが、部位によって味は同じで、緑野菜の根、茎、葉はそれぞれ特徴が異なります。

これは、細胞の分化レベルが低く、部位によって細胞の構成、構造、機能にほとんど違いがないためです。これらは、同じ「構成要素」で作られた「建物」として理解できます。

長さが数メートルにもなることから、総称して「大型藻類」と呼ばれています。

対照的に、より多くの藻類は単細胞微生物として生き残ることを選択し、総称して「微細藻類」、または略して微細藻類と呼ばれます。

いくつかの一般的な微細藻類。画像出典：参考文献[1]

微細藻類は通常、髪の毛よりも何倍も細い数マイクロメートルの大きさで、高倍率の光学顕微鏡でなければはっきりと見ることができませんが、微細藻類科は非常に大きく、多種多様な種が存在します。

環境への適応力が強いため、自然界に広く分布しています。数多くの川や湖から広大な海まで、北ヨーロッパの永久凍土から北アフリカの砂漠まで、その痕跡はいたるところに見られます。

藻類が繁栄している秘密は、それが光合成微生物であることです。陸上植物と同様に、太陽光、空気、水があれば、光合成によって有機物を合成し、自らの生存と繁殖を維持することができます。

同時に、単細胞生物として、環境と物質やエネルギーを非常に便利に交換することができ、光合成速度は陸上植物よりもはるかに高いです。

統計によると、世界で毎年光合成によって生成される有機物の半分は微細藻類によるものです。つまり、私たちが毎日呼吸する空気と摂取する栄養素の半分は、この目に見えない藻類のおかげであるのです。

微細藻類の過去と現在

私たち人類の歴史は数百万年程度で、恐竜の時代は遠い昔のことですが、微細藻類は恐竜よりずっと古い35億年前に誕生しました。

当時、地球はちょうど異天体からの衝突がピークに達し、壊滅的な被害を受けていた。陸地には岩以外何もなく、大気中には酸素の痕跡もありませんでした。

海底火山の噴出孔に生息する微生物は浅い海に広がり、水中に降り注ぐ太陽光をエネルギー源として利用し始め、酸素を放出する最も初期の光合成微細藻類であるシアノバクテリアへと進化しました。

シアノバクテリアは共生を通じて真核微細藻類を形成します。画像出典：参考文献[2]

シアノバクテリアは核が形成されていない原核細胞です。他の細胞との融合により、光合成機能を持つ真核細胞、すなわち真核微細藻類が生成されます。

これらの微細藻類は異なる光環境に生息するため、体内で光エネルギーを吸収する色素も異なり、その結果色が異なります。この分類によると、緑藻、紅藻、黄金藻があります。

周知のとおり、生命の進化の一般的な方向は、海から陸へ、単細胞から多細胞へです。微細藻類も例外ではなく、特に緑藻は徐々に陸上の川や湖、池に広がり、9億年前に最古の陸生植物を生み出しました。

この瞬間から、地球はゆっくりと今日私たちが目にする姿になり始めました。

一方、微細藻類や陸生植物は、光合成によって大気中の二酸化炭素を吸収し酸素を放出することで、地球の気候を調節し、生命が嫌気呼吸からより効率的な好気呼吸に移行するための基本条件を作り出し、恐竜などの大型多細胞陸生動物の誕生と進化を促進しました。

一方、微細藻類や陸生植物は食物連鎖の底辺生産者として、数多くの草食動物や高等肉食動物を支え、生態系のバランスを維持し、地球の生物圏の種の多様性を大きく豊かにしています。

緑藻類は陸に上がり、陸上植物へと進化しました。画像出典：参考文献[3]

今日、土地は緑の植物で占められています。光合成に関して言えば、まずこれらが私たちの頭に浮かびます。しかし、微細藻類は、次のような目に見えない場所で、私たちの日常生活に静かに関わっています。

微細藻類はタンパク質が豊富で、肉の代用品として、または料理の栄養価や風味を高める食品添加物として食卓に出すことができます。たとえ食べる習慣がなくても、微細藻類は動物の飼料としても利用でき、肉を食べる自由を守ることができます。

微細藻類は優れた環境浄化機能を持っています。さまざまな廃水中の重金属イオンや余分な栄養素を吸収し、天然水域の富栄養化や汚染を防ぎ、緑の水と青い空を与えてくれます。

微細藻類は、バイオディーゼルなどの再生可能なバイオマスエネルギーを抽出したり、発酵させてエタノールを生産したりするためにも使用でき、徐々に化石エネルギーに取って代わり、それによって世界の二酸化炭素排出量を削減し、温室効果ガスによって引き起こされる気候異常を解消します。微細藻類の光合成効率を向上させるにはどうすればよいでしょうか?

微細藻類が受け継いだ光合成のおかげで、人間を含む地球上のほぼすべての生物が生きていくための物質的・エネルギー的基盤が築かれています。光合成は地球上で最も重要な化学反応としても認識されています。

ノーベル賞が創設されてから100年以上経ちますが、光合成に関する研究は8回も受賞しており、その注目度の高さと役割の大きさが伺えます。

現在、微細藻類や緑植物の光合成効率は比較的低く、バイオマスエネルギーは化石エネルギーや新エネルギーよりも高価になっています。したがって、光合成による炭素固定効率をシンプルかつ効率的に向上させることが、バイオマスエネルギーの市場競争力を高める鍵となります。

科学者たちは光合成の具体的なメカニズムをまだ完全には理解していませんが、その反応プロセスを大まかに概説することはできます。真核微細藻類と緑植物では、光合成は葉緑体で行われ、明反応と暗反応の 2 つの部分に分けられます。

葉緑体における光と闇の反応。画像出典：参考文献[4]

光反応では、葉緑体は太陽光を吸収して水を分解し、酸素を放出し、高エネルギーの活性物質を合成します。暗反応では、光反応によって生成された高エネルギー活性物質と一連の炭素固定酵素の触媒作用の助けを借りて、二酸化炭素が糖などの有機物に還元されます。

光反応と暗反応は同時に進行するため、光合成の速度はバレル効果と同様に、2 つのうち遅い方に依存します。暗反応はまさにこの欠点であり、その原因は2つあります。1つは二酸化炭素の供給が不十分であること、もう1つは炭素固定の鍵となる酵素であるルビスコの触媒活性が低すぎることです。

2つ目の理由に対して、自然は「効率の悪さを量で補う」という戦略を採用し、炭素固定の鍵となる酵素であるルビスコを大量に合成し、地球上で最も豊富なタンパク質にしています。

しかし、第一の理由としては、大気中の二酸化炭素濃度が0.04％であるため、自然は無力なのです。微細藻類は主に水中に生息しますが、水中の溶存二酸化炭素濃度は大気中よりもはるかに低くなります。諺にあるように、料理が上手な人は米なしでは料理ができません。二酸化炭素という原料がなければ、当然バイオマスの合成速度は速くなりません。

2023年に学術誌「ネイチャー・コミュニケーションズ」に掲載された論文では、微細藻類の光合成による炭素固定を人工的に強化する新たな戦略が報告された。
微細藻類の表面に水中の二酸化炭素を濃縮できる人工材料の層を自己組織化することで、二酸化炭素を微細藻類の表面に効果的に濃縮し、微細藻類固有の二酸化炭素輸送機構を通じて葉緑体に輸送し、微細藻類の光合成炭素固定効率を大幅に加速します。

微細藻類の光合成炭素固定戦略を人工的に強化する原理の模式図。画像出典：参考文献[5]

それは雨の日に口を開けてドアの前に立っている人のようなものです。彼はあまり水を飲むことができません。集水装置を使ってタンクに水を満たし、玄関に置けば、長期間にわたって飲料水に困ることはないでしょう。

この戦略は、微細藻類の表面に集められた人工材料を巧みに利用して二酸化炭素を濃縮し、微細藻類が水に溶解した二酸化炭素しか利用できないというボトルネックを打破し、微細藻類の光合成炭素固定率をほぼ2倍にします。同じ時間内に私たちが使用できるバイオマスをより多く生産できるだけでなく、大気中の二酸化炭素をより多く消費するため、できるだけ早くカーボンニュートラルという野心的な目標を達成するのに役立ちます。

結論

微細藻類は地球の進化に重要な役割を果たし、今日でもさまざまな形で私たちの幸せな暮らしを支え続けています。しかし、全体的な光合成効率が低いため、微細藻類関連産業のさらなる発展は制限されています。

そのためには、自然界の光合成の具体的な制御メカニズムを深く研究し、「自然を理解する」ことに努めるだけでなく、心を解放し、学問分野を超えて光合成を改善する方法を模索し、人類社会の発展が自然の静けさと平和と手を取り合うようにしなければなりません。

参考文献

[1] BENEMANN J.バイオ燃料と動物飼料のための微細藻類。エネルギー2013、217：5869-5886。

[2] CLARK DP & PAZDERNIK NJ.「分子生物学（第2版）」 2013年、812-853ページ。

[3] DE VRIES J & ARCHIBALD J M.植物の進化：陸上生命への道のランドマーク[J]。 2018年、217(4):1428-1434。

[4] GAN P、LIU F、LI R 他。葉緑体—エネルギー捕捉と炭素固定を超えて：低温ストレスに応じた光合成の調整。国際分子科学ジャーナル2019、20：5046。

[5] LI D、DONG H、CAO X、他。クロレラピレノイドサ上に金属有機構造体を組み立てることによる光合成CO2固定の強化[J]。ネイチャーコミュニケーションズ2023、14(1):5337。

企画・制作

著者: 李定益、李雪洋 中国科学院大連化学物理研究所

プロデューサー丨中国科学博覧会

編集者：イヌオ