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光合成による水の分解、「最大の疑問」をついに解明、定説覆す
植物のタンパク質にレーザーで刺激を与え、その結果起こるプロセスをX線で捉えることによって、科学者らは光合成反応に未知の段階が存在することを発見した。画像はX線で透視したハグマノキの葉。（IMAGE BY NICK VEASEY, SCIENCE PHOTO LIBRARY）
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光合成は地球の生命にとって不可欠だ。生態系の基礎をになう植物は、これによって自らの栄養を得ている。しかし、光合成がどのような仕組みで行われているのかについては、まだ正確にはわかっていない。
今回、ふたつの新たな実験によって、光合成の中でも特に難しい反応のひとつである水の分解における謎の一端が明らかになった。
水の分子が分解されると、酸素が空気中に放出される。「われわれ全員が依存している、あらゆる高等生物にとって不可欠な酸素は、まさに光合成の副産物なのです」と語るのは、米ローレンス・バークレー国立研究所の化学者で、ひとつ目の研究の共著者であるジャン・カーン氏だ。昆虫、魚、人間を含むすべての動物は酸素呼吸を行っており、大半の植物もまた、細胞呼吸のために酸素を必要とする。
カーン氏のチームは、「光化学系II（こうかがくけいに）（PSII）」と呼ばれる、水を分解するタンパク質の複合体をバクテリアから抽出し、そのふるまいを観察した。光化学系IIにレーザーやＸ線を照射することによって、彼らは原子レベルのプロセスを捉えることに成功した。この論文は2023年5月3日付けで学術誌「ネイチャー」に発表された。
また、同じく2023年5月3日付けで「ネイチャー」誌に掲載されたもうひとつの研究では、光合成の最中に起こっている光化学系IIの変化を赤外線を利用して観察した。
これらの研究手法により、水分子の分解における、これまで観察されていなかった様子が初めて捉えられた。
水分子を分解する目的は電子の放出であり、その電子が光合成におけるその後のプロセスの動力源となる。「これは光合成全体を動かすエンジンなのです」とカーン氏は言う。
謎に包まれていた4つめの段階
光化学系IIの内部には、マンガン、カルシウム、酸素などのイオン（電荷を帯びた粒子）のクラスターがある。このマンガンクラスターこそが水分子の分解を担う触媒であり、新たなふたつの研究もそこに焦点を当てている。「この段階は、原子レベルでは十分に理解されていないのです」と、研究の共著者で、ドイツ、ベルリン自由大学の生物物理学者ホルガー・ダウ氏は言う。
これまでの研究から、マンガンクラスターの水分解反応は4つの段階で進行することがわかっている。まず、光化学系IIの中に水分子が入り、クラスターと結合する。その間、クラスターは入ってくる光から、分解に必要なエネルギーを3段階にわたって蓄積する。最後の4段階目では、さらに酸素分子ができて分解がリセットされるが、この極めて重要な段階は謎に包まれていた。
そこで、4段階目で何が起こるのかを知るために、カーン氏らのチームは、バクテリアから取り出した多数の光化学系IIを暗所に置き、レーザー光を短時間、複数回当てて光合成反応を引き出してから、Ｘ線を照射して原子の構造がどのように変化するのかを観測した。こうした方法により、水分子の分解の重要な段階が実際に進行している様子を詳しく捉えることについに成功した。
これによって判明したのは驚きの事実だった。「これまで考えられていた理論は、酵素自体が電子を得た後、最後の段階で化学反応が一気に起こるというものでした」と、ローレンス・バークレー国立研究所の生物物理学者で、ひとつ目の研究の共著者であるビッタル・ヤチャンドラ氏は言う。しかし、彼らのデータはこの予想を支持するものではなかった。「わかってきたのは、最後の段階は一気に起こるのではなく、そこにはより小さなステップが複数存在するということです」
この中間のステップがどのようなものであるのかはまだ明らかになっていない。もしかすると、2つの水分子が一時的に過酸化水素（H2O2）に変化し、その酸素原子が新たな結合で結ばれて、水素が強制的に排除されているのかもしれない。
ふたつ目の研究においては、ダウ氏らが補完的な証拠を発見している。彼らは新鮮なホウレンソウの葉から光化学系IIを取り出し、同じようにレーザーを照射してから、光化学系IIがどのように変化しているのかを赤外線を使って確認した。
研究チームはこの測定を23万回行っている。「この実験を開始したのは15年前なのです」と、ダウ氏は言う。
これらのデータもやはり、水分子の分解反応には中間のステップがあることを示唆していた。ダウ氏のチームはまた、分解反応は、1つの電子と4つの陽子が協調して動くことで初めて可能になることも発見した。このことから、光化学系IIが、水分解反応に関連する最小の粒子に至るまで精密な制御を行っていることがわかる。
これらふたつの研究は、「この触媒反応経路の最後の段階を解き明かしました」と、英ケンブリッジ大学のジェニー・チャン氏は述べている。「これは同分野における最大の疑問のひとつでした」。なお氏は今回の研究には関与していない。
光合成の進化の起源
光合成は太陽光を利用して二酸化炭素と水を糖に変え、廃棄物として酸素を放出する。この仕組みは25億年以上前に単細胞のバクテリアにおいて進化した。
光化学系IIや光合成自体がそもそもどのように進化したのかは、まだはっきりとはわかっていない。確かなのは、水分解の仕組みは数十億年もの間、ほとんど変化していないということだ。「自然界はこの方法を一度しか見つけ出していません」とチャン氏は言う。その理由は、水分解反応が、分子の結びつきを無理矢理に引き離すという、極めて複雑なものであるためなのかもしれない。
水分子を分解させるメカニズムはひとつしか存在せず、しかも光化学系IIのような非常に精巧な酵素が必要とされる。では、進化はどのようなめぐり合わせからこれに行き当たったのだろうか。
その答えを知る鍵のひとつは、われわれに馴染みのある光合成のほかにも、水分解を介さない、より原始的な光合成が存在するということだ。こちらの光合成もやはり光エネルギーを利用するが、電子は硫化水素などの水以外の化学物質から供給され、酸素の放出も起こらない。
こうした「無酸素性」の光合成は、一般に知られている方の光合成よりも古くから存在する。「緑色硫黄細菌のような無酸素光合成を行う生物は今も多く見られますが、それらが生態系において占める地位はごくささやかなものです」とカーン氏は言う。
現代の水分解型の光合成はおそらく、こうしたより古く単純な仕組みから進化したものと思われる。「水というのは電子の供給源としては非常に賢い選択です。なぜなら、水は基本的に地球上のあらゆる場所に存在するからです」とカーン氏は言う。水をエネルギー源として利用することで、「光合成を行う生物は、ほぼすべての生息地に進出できました」
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