世界を大きく変える人工光合成

リラックス

小学校の理科の時間で、光合成とは何かを教えられました。その時は、あくまでも小学生向けの内容なので深くまで掘り下げませんでしたけど、いま思うと光合成ってすごいことですよね。

重要なことだから、義務教育で教えるのだと思います。農業の専門学校や農大に行ったら、もっと化学の分野まで踏み込んで光合成について学べたのかもしれません。食物連鎖の中で一番の基礎となる部分ですし、この分野の研究成果はどの国でも喉から手が出るほど欲しいはずです。

光合成のシステムとは

光合成は、太陽光のエネルギーを使って、二酸化炭素と水から有機化合物を作り出すことです。植物のなかで、葉緑体(クロロプラスト)を持つものが、行っています。光化学反応により、NADPH(ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸)とATP(アデノシン3リン酸)という、2つの物質を作ります。その後、この2つの物質を葉緑体の中のストロマ(カルビン回路と呼ばれる)に送り込み、炭素固定反応を起こすのです。

炭素を固定し、通常は糖などの有機化合物を作り出しています。この有機化合物を使って、細胞に必要なコラーゲンなどのタンパク質に変換しているのです。そのタンパク質や糖などが、食物連鎖の一番下にあり、植物プランクトン、動物プランクトン、そして魚、動物、人間のようなピラミッドを構成しています。

この光合成がなければ、生物はほぼ生きていけません。現在では、低酸素の環境で地球の内部から出る温泉の栄養素のみで生きている生態系も見つかっていますが、基本的に動物が活動するための高いカロリーと十分な酸素を供給しているのは光合成です。6500万年前、地球に隕石が衝突しその塵によって「核の冬」のような状態になりました。植物は枯れ、その光合成によるエネルギー源が断たれたために、多くの恐竜が死滅したというのが定説になっています。

人工光合成が目指すもの

この光合成を人工的に起こそうというのが、人工光合成を研究している科学者たちです。光合成のエネルギー変換率は、一概には言えませんが5%ほどだと言われています。光化学反応は35%くらいの効率で変換できるのですが、それを最終的に生み出される有機化号物質に変換するまで、エネルギーロスがあるのです。

このエネルギーロスを減らすこと、つまり光合成の効率を良くすることは、ほぼ不可能と言われています。理由は、長い進化の過程でいまの変換効率が最適であるという結果になっているからです。もっとエネルギーが必要なら、とっくの昔にそのような葉緑体を持った植物が生まれているはずだ、という説です。

効率を良くできないならどうするか。ドイツのマックス・プランク研究所で、従来の葉緑体よりも速いスピードで光合成をできる、人工葉緑体を作り出す実験に成功したとのことです。

この人工葉緑体は、炭素固定反応を起こすルビスコ酵素を、10倍速い別の酵素に置き換えました。「CETCHサイクル」と名付けられたこの反応と、ホウレンソウから取り出したチラコロイドという物質と組み合わせることで、グリコール酸塩という有機化合物の合成に成功しています。

将来的には、遺伝子組み換え技術により、より速く成長する穀物などの品種を作ることが可能になるかもしれません。

世界から飢餓が無くなるのか

光合成のスピードを上げることで、エネルギー変換のサイクルが速く得られるようになります。将来的にエネルギー変換率を上げることを目指すならば、まず化石燃料、石油や石炭などのエネルギー変換率を超えるようなロスが少ないものを作る必要があります。化石燃料の変換率はおよそ40%くらいなので、かなりハードルは高いかもしれません。しかし、このエネルギーは、タービンを回し電気に変え、装置に送電するという手順によって、どんどんエネルギーロスしていくのです。

電気を使った農業が成り立たないことは、これで理解ができたように思います。ロスを考えると明らかにマイナスですものね。しかも、化石燃料は枯渇する恐れもあります。再生可能エネルギーについて真剣に考えるべき時代なのでしょう。

人工光合成が実用化されれば、もちろんノーベル賞ものです。窒素固定法以来の大発明になるのではないでしょうか。エネルギー問題が解決され、完全栄養食のようなもので人間が生きていければ、今よりももっと人口を養えるでしょう。タンパク質不足には、コオロギのような昆虫食が有効です。牛や豚といった動物の肉を得るよりも、クリーンで効率の良いタンパク源なのです。

人口が増えることが前提の資本主義社会の維持に、人工光合成の研究は役に立つかもしれません。資本主義には良い面、悪い面がありますが、少なくとも紛争や飢餓、民族間の争いなどが潤沢なエネルギーの供給によって無くなることがあるならば、とても意義があることだと思います。


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