アマゾンのジャングルの大木から観葉植物、そして海の海藻に至るまで、植物界を支配する色は緑です。なぜ青やマゼンタ、灰色ではなく、緑なのでしょうか？答えは簡単です。植物は光スペクトルの赤と青の領域にある光子をほぼすべて吸収しますが、緑の光子は約90%しか吸収しないからです。もし植物がそれ以上吸収すると、私たちの目には黒く見えてしまいます。植物が緑色に見えるのは、反射するわずかな光が緑色だからです。
しかし、それは納得のいくほど無駄なように思えます。なぜなら、太陽が放射するエネルギーのほとんどはスペクトルの緑色の部分にあるからです。生物学者は、さらに説明を求められると、緑色の光は植物にとって害なく利用するには強すぎるのではないかと示唆することもありましたが、その理由は明らかになっていません。植物の光捕集機構に関する分子生物学的研究が数十年にわたって行われたにもかかわらず、科学者たちは植物の色の詳細な根拠を解明できていません。
しかし最近、サイエンス誌上で、科学者たちはついにより完全な答えを提示しました。植物の光合成機構が緑色光を無駄にする理由を説明するモデルを構築したのです。彼らが予想していなかったのは、このモデルが他の光合成生物の色も説明できるということです。この発見は、光捕集生物を支配する進化の原理を示唆しており、これは宇宙全体に当てはまる可能性があります。また、進化は（少なくとも時には）生物系を効率的にすることよりも、安定に保つことに重きを置いているという教訓も示しています。
植物の色の謎は、カリフォルニア大学リバーサイド校の物理学者ナサニエル・ガボール氏が数年前、博士号取得中に偶然発見したものだ。カーボンナノチューブによる光吸収に関する研究から着想を得て、彼は太陽光スペクトルからピークエネルギーを吸収する理想的な太陽光集光器とはどのようなものかを考え始めた。「この細い装置で緑色光に最大のエネルギーを集めるべきだ」と彼は語る。「そしてすぐに、植物はそれとは逆のことをしていることに気づきました。緑色の光を放出しているのです」
カリフォルニア大学リバーサイド校の物理学者ナサニエル・ガボール氏とその同僚は、光合成生物における光収集において、効率よりも「ノイズ」の低減を最適化するモデルを開発した。提供：カリフォルニア大学リバーサイド校
2016年、ガボール氏とその同僚は、エネルギーの流れを制御する光電池にとって最適な条件をモデル化しました。しかし、植物が緑色の光を反射する理由を解明するため、ガボール氏とグラスゴー大学の植物学者リチャード・コグデル氏を含むチームは、光合成中に何が起こるかをネットワーク理論の問題としてより詳しく調べました。
光合成の最初の段階は、集光複合体で起こります。集光複合体は、色素が埋め込まれたタンパク質の網目構造で、アンテナを形成します。緑色植物ではクロロフィルなどの色素が光を吸収し、そのエネルギーを反応中心へと伝達します。そこで、細胞が利用できる化学エネルギーの生成が開始されます。この量子力学的光合成の第一段階の効率はほぼ完璧で、吸収された光のほぼすべてがシステムが利用できる電子に変換されます。
しかし、細胞内のこのアンテナ複合体は常に動いている。「ゼリーのようなものです」とガボール氏は言う。「これらの動きは、色素を通るエネルギーの流れに影響を与え」、システムにノイズと非効率性をもたらす。例えば、日陰の量の変化などによって植物に当たる光の強度が急激に変動すると、入力にノイズが生じる。細胞にとって、安定した電気エネルギーの入力と安定した化学エネルギーの出力が組み合わさっているのが最適だ。反応中心に到達する電子が少なすぎるとエネルギー不足に陥り、「エネルギーが多すぎるとフリーラジカルやあらゆる種類の過充電効果を引き起こし」、組織に損傷を与えるとガボール氏は言う。
ガボール氏と彼のチームは、植物の光捕集システムのモデルを開発し、それを葉の林冠下で測定された太陽光スペクトルに適用しました。彼らの研究により、ナノチューブ太陽電池で有効な方法が植物では有効でない理由が明らかになりました。緑色光のピークエネルギーのみを集光することに特化したシステムは非常に効率的かもしれませんが、太陽光がちらつくと入力信号からのノイズがあまりにも大きく変動し、複合体がエネルギーの流れを制御できなくなるため、植物にとっては有害となるのです。
イラスト：サミュエル・ベラスコ／クアンタ・マガジン
安全で安定したエネルギー出力を得るためには、光合成系の色素を特定の方法で非常に細かく調整する必要がありました。色素は、内部ノイズを低減するために、同程度の波長の光を吸収する必要がありました。しかし同時に、光強度の変動によって引き起こされる外部ノイズを緩和するために、異なる速度で光を吸収する必要もありました。つまり、色素が吸収するのに最適な光は、太陽光スペクトルの強度曲線の中で最も急峻な部分、つまり赤色と青色のスペクトル部分でした。
モデルの予測は、緑色植物が赤色光と青色光を捕集するために利用するクロロフィルaとbの吸収ピークと一致しました。光合成機構は、最大効率ではなく、最適かつスムーズで信頼性の高い出力を得るために進化したようです。
コグデル氏は当初、このアプローチが他の光合成生物にも適用できるかどうか確信が持てませんでした。例えば、水中に生息し、色素が反射する色にちなんで名付けられた紫色細菌や緑色硫黄細菌といった生物です。研究者たちは、このモデルをこれらの細菌が生息する場所で利用可能な太陽光に適用し、最適な吸収ピークを予測しました。そして今回も、彼らの予測は細胞の色素の活性と一致しました。
「これがどれほど根本的なことか気づいたとき、鏡を見て、自分がこう考えていることに気づきました。『今までこのことについて考えなかったなんて、どうして私はこんなに愚かだったのだろう』」とコグデル氏は語った。
（銅ブナのように緑色に見えない植物もありますが、これはカロテノイドなどの色素を含んでいるためです。しかし、これらの色素は光合成に関与するものではなく、通常、日焼け止めのように植物を保護し、光への露出の緩やかな変化を緩和します。）
「生物学のパターンを信じられないほどシンプルな物理モデルで説明できたのは、本当に感銘深いことだと思います」と、ロンドン大学クイーン・メアリー校の生物物理学者クリストファー・ダフィー氏は述べ、このモデルに関する解説をサイエンス誌に寄稿した。「進化の原動力はシステムの堅牢性にあるという考えを理解し、推進する、理論主導の研究を見ることができてうれしく思います。」
研究者たちは、このモデルがより優れた太陽光パネルやその他の太陽光発電装置の設計に役立つことを期待しています。太陽光発電技術の効率は大幅に向上しましたが、「堅牢性と拡張性という点では、植物が解決した問題ですが、まだ解決されていないと言えるでしょう」と、マサチューセッツ工科大学の物理化学者ガブリエラ・シュラウ＝コーエン氏は述べています。
ガボール氏は、いつかこのモデルを地球外生命体にも適用することを心に決めている。「もし別の惑星があって、その恒星がどんなものか分かっていたら、光合成を行う生命体がどのような姿をしているのか推測できるだろうか？」と彼は問いかけた。公開されている彼のモデルのコードには、任意のスペクトルを選択してまさにそれを実行できるオプションがある。今のところ、この試みはあくまで仮説に過ぎない。「今後20年以内に、おそらく太陽系外惑星に関する十分なデータが得られ、その疑問に答えられるようになるだろう」とガボール氏は語った。
オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。
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