質問: 日本語では「葉緑素」と呼ばれる、光合成にあたり、光エネルギーを吸収する色素は何?
回答: クロロフィル

タイトル: クロロフィル
クロロフィル(Chlorophyll )は、光合成の明反応で光エネルギーを吸収する役割をもつ化学物質。葉緑素(ようりょくそ)ともいう。4つのピロールが環を巻いた構造であるテトラピロールに、フィトール (phytol) と呼ばれる長鎖アルコールがエステル結合した基本構造をもつ。環構造や置換基が異なる数種類が知られ、ひとつの生物が複数種類をもつことも珍しくない。植物では葉緑体のチラコイドに多く存在する。天然に存在するものは一般にマグネシウムがテトラピロール環中心に配位した構造をもつ。マグネシウム以外では、亜鉛が配位した例が紅色光合成細菌 Acidiphilium rubrum において報告されている。金属がはずれ、2つの水素で置換された物質はフェオフィチンと呼ばれる。抽出されたクロロフィルでは、化学反応によって中心元素を人工的に置換することができる。

タイトル: 光合成
チラコイド膜で最多の構成成分は、全体の8割を占める糖脂質(ガラクトシルジアシルグリセロールとジガラクトシルジアシルグリセロール)である。そして残りの1割は、スルホリピド(6-スルホキノボシルジアシルグリセロール)とキノボース(6-デオキシグルコース)である。チラコイド膜の脂質は高度に不飽和であるため、流動性が大きい。葉緑体は光の強弱に反応して細胞内を移動でき、強光下では光を避け、弱光下では光を捕集するように配置を変える。光の強さを検知しているのは、青色光受容体(フォトトロピン)である。なお、葉緑体の運動には、アクチンと言うタンパク質が関与する。チラコイド膜では、クロロフィル(光合成色素)が光エネルギーを使って水を分解し、プロトン(H)と酸素分子(O2)と、そして電子(e)を作る。この際にできた電子によってNADP(酸化型)から、NADPH(還元型)が作られる。

タイトル: 色素
生物が獲得した色素の機能を役割別に見ると、生体の内部組織の生理活性に寄与する色素と、生物の進化に寄与するシグナル理論(英語版)で利用される求愛行動や保護色、警告色(警戒色)のような色素に大別することができる。生理活性では、植物に由来する色素が非常に多い。なかでも代表的な色素が光合成を行う葉緑素(クロロフィル)である。葉緑素は太陽光の中から赤から近赤外の光エネルギーを効率よく吸収する為の色素である。その上、光エネルギーの収集効率を上げるためにわずかに極大吸収を換えた複数の色素が配置され、中心の色素分子に光エネルギーが集中するようになっている(アンテナ色素、光受容性タンパク質(英語版)に詳しい)。クロロフィル類以外にもカロテノイドやフィコビリンなど多種多様な光合成色素が知られている。動物や細菌にも広く分布する光受容体においても色素が光シグナルを受容する重要な役割を果たしている。

タイトル: クロロフィルa
クロロフィルaは紫、青、赤の光を吸収し、緑の光を主に反射する。この反射により、クロロフィルは緑色に見える。補助的な光合成色素は吸収される光のスペクトルを広げ、光合成に使用できる波長の範囲を広げる。クロロフィルaにクロロフィルbを並べると、吸収スペクトルが広がる。暗い場所では、植物はクロロフィルa分子に対するクロロフィルb分子の比率を大きくし、光合成の収量を増やす。光合成色素による光の吸収により、光子が化学エネルギーに変換される。葉緑体に放射される光エネルギーは、チラコイド膜の色素に当たり、それらの電子を励起する。クロロフィルa分子は特定の波長のみ捕捉するため、生物は黄色の円で示された補助色素を使用して、より広い範囲の光エネルギーを捕捉することがある。

タイトル: 人工光合成
太陽電池の研究は19世紀から始まり、1839年にフランスの物理学者アレクサンドル・エドモン・ベクレルが光起電力効果を発見。1884年にはアメリカの科学者チャールズ・フリッツが世界初の太陽電池を製作した。一方、光合成の研究は1910年頃から行われ、1956年にルドルフ・マーカスにより電子移動反応理論が発表された。1972年には東京大学の本多健一と藤嶋昭により、酸化チタン電極を用いて、紫外線を照射することにより水を水素と酸素に分解する本多-藤嶋効果が発表された。1974年から2000年にかけては、日本の新エネルギー研究プロジェクトであるサンシャイン計画、ニューサンシャイン計画が実行された。2011年には、根岸英一らと文部科学省とが人工光合成などの技術革新の具体化を進めることで合意した。人工光合成に関連する研究の主体と内容を以下に記す。

タイトル: C4型光合成
オキサロ酢酸はNADHによってリンゴ酸へと還元され、リンゴ酸はNAD-ME(NAD-リンゴ酸酵素)によって脱炭酸反応が起き、NADHとピルビン酸とCO2を生成する。CO2は拡散によって、密接して並ぶ葉緑体へ移行しカルビン・ベンソン回路で再固定される。ピルビン酸は細胞質基質へ放出され、アミノ基が付加されてアラニンになる。アラニンは濃度勾配に従って原形質連絡を経由し、葉肉細胞へと移行する。葉肉細胞においてアラニンは再び脱アミノ化されてピルビン酸に戻り、葉緑体へ取り込まれる。この後はNADP-ME型と同様に、2分子分のATPエネルギーを使ってPEPへと戻る。NAD-ME型においても1分子のCO2濃縮には2分子分のATPが必要である。PCK型ともいう。ギニアグラス、ローズグラス、ニクキビなどがこのタイプに含まれる。

タイトル: Β-クリプトキサンチン
β-クリプトキサンチン(β-cryptoxanthin)は、天然に存在するカロテノイド色素の一つ。

タイトル: 生物色素
可視光スペクトルの大部分が深海に到達する前に吸収されることを考えると、深海動物の発光のほとんどは青色や緑色である。しかし、赤色光や赤外光を発する種も存在し、黄色の生物発光を示す種も発見されている。生物発光を行う器官はフォトフォア(photophore、発光器)という。このタイプはイカや魚類のみに存在し、その腹面を照らすために使われ、捕食者から輪郭を偽装する。色の強さを制御するためのレンズや光の強さを制御するためのレンズなど海洋動物の発光器の用途は様々であるが、イカには自身の光の強さを制御する発光器と色素胞の両方がある。クラゲが発光する光のバーストで明らかなように、生物発光のもう1つの原因はルシフェリン(photogen)で始まり発光体(photagogikon)で終わる。

タイトル: 緑
言語ごとの色の分節の食い違いは、最も一般的には色の分け方に物理学的な根拠がなく、ソシュール言語学が主張するように最終的にはそれが文化によって分節されていることによる。しかし、グルー言語が熱帯をはじめ比較的温暖な地域に多いことから、これは野外活動により浴びる紫外線から網膜を保護するために加齢とともに水晶体が黄変して、青色のような短波長の感度が低下し、実際に区別が困難になるためであるとする学説もある (lens-brunescence hypothesis)。現代でも高齢者は白内障による視界の黄変化により白と黄色、青と黒、緑と青などの区別が困難となる。医療機関では、手術の際に緑色もしくは青色の手術着や敷布を使用する。

タイトル: 松葉色
松葉色(まつばいろ)とは、マツの葉の色を模した、くすんだ緑色のこと。

タイトル: 金色
金は金色である。多くの金属は吸収帯が紫外線帯にあり可視光は全て反射するので白色(銀色)になるが、金では吸収帯が可視光にまで及んでいるため色が付く。より正確には、金は波長約550nm以下の光を吸収するので、それより長波長の黄緑・黄色・オレンジ・赤が混ざって、ややオレンジ寄りの黄色(金色)となる。金以外では銅とセシウムが黄色系の色だが、やや色合いが異なる。銅は金より広い600nm以下の光を吸収するため、赤っぽくなる。逆にセシウムは吸収帯が狭く、白っぽくなる。またこれらの金属は容易に錆びて、光沢を失ったり色合いが変わってしまう。合金では黄銅、硫化錫(IV)、スズ添加量が多い一部の青銅(砲金など)およびアルミ青銅、窒化チタン、サマリウム酸化物が金色に近い。金属的な光沢は構造色でも生み出せるので、黄色を選択的に反射する構造色は金色を呈する。

タイトル: C3型光合成
加えて、C3植物はC4植物に比べ、光利用効率が低く、過剰な光は光化学系IIや光化学系Iの還元力を蓄積させ、活性酸素を発生させるので植物にとって害となる。C3植物では光化学系IIや光化学系Iの還元レベルが光合成の律速段階とはなりやすく、このため、C3植物は光を有効に利用しきれない。これらの理由から、高温、乾燥、強光下、貧窒素土壌ではC3植物はC4植物に比べ不利である。ただし、光呼吸の影響が少ない地域では前述のようにC4経路でATPが2分子余計に必要になるため、C3植物が有利である。

タイトル: カロテノイド
脂溶性なので、有機溶媒で抽出しクロマトグラフィーで単離する。リコペン(Lycopene, lycopene、ドイツ語読みでリコピン)は化学式 C40H56、分子量 536.87 のカロテノイド。水にはほとんど溶けない脂溶性の赤色色素。多くの植物ではβカロテンやαカロテンの前駆体としてわずかに存在するのみであるが、トマトや柿、金時ニンジン、グミなどに多量に存在する。抗酸化作用が大きいと考えられている。ルテイン (lutein) は分子式 C40H56O2、ジヒドロキシ-αカロテンに相当する。また、狭義にはルテインを指してキサントフィル (xanthophyll) と称することもある。CAS登録番号 127-40-2。色は黄色で、高い抗酸化作用を持ち、緑黄色野菜、果物に多く含まれる。カナリアの羽毛の黄色色素でもある。極大吸収 (CO2) 445, 475, 508 nm。

タイトル: 植物プランクトン
植物プランクトンは光合成によってエネルギーを生産し、有光層と呼ばれる海や湖の水面で生活する。光合成を通じ、植物プランクトンは二酸化炭素を「食べて」、酸素を産生する。地球上の酸素の維持に大きな役割を果たし、植物全体の酸素生産量のおよそ半分を担っている。植物プランクトンの固定した二酸化炭素は、海水中や淡水中の食物連鎖の基礎になっている。鎖の数が少ないという意味において、海中で最も注目に値する食物連鎖の1つは、植物プランクトンがオキアミに食べられ、それをヒゲクジラが食べるというものである。海洋の場合、海洋生物の基礎生産を担う植物プランクトンと透明度は負の相関がある。つまり、基礎生産の高い(水産資源量の多い)海は、植物プランクトンが多いことにより緑色等に着色した海であり、透明度は低い海である。一般に植物プランクトンの増殖と海藻類の増殖は競合する。

タイトル: フラボキサンチン
フラボキサンチン(Flavoxanthin)は、金色がかった黄色の天然のキサントフィル色素である。様々な植物中に少量見られる。食品添加物としては、着色料として、E161aのE番号を持っている。

タイトル: フィコビリソーム
紅藻ではフィコエリスリンが多様化しており、少なくとも5種類の吸収特性が異なるフィコエリスリンが報告されている。灰色藻はフィコエリスリンを欠くため青緑色を呈する。また紅藻の中でもイデユコゴメ綱の単細胞紅藻であるシアニジウム (Cyanidium) やシアニディオシゾンはフィコエリスリンを失っており、青緑色である。なおクリプト藻の仲間もフィコビリタンパク質の一部を持つが、フィコビリソームは形成しない。これはコアとなるアロフィコシアニンを欠くためであると考えられている。

タイトル: 光触媒
光触媒(ひかりしょくばい、英: photocatalyst)は、光を照射することにより触媒作用を示す物質の総称である。また、光触媒作用は光化学反応の一種と定義される。通常の触媒プロセスでは困難な化学反応を常温で引き起こしたり、また化学物質の自由エネルギーを増加させる反応を起こす場合がある。天然の光触媒反応として光合成が挙げられるが、人工の化学物質を指すことが多い。英語で光触媒の作用は photocatalysis と呼ばれる。大谷文章は『光を照射したときに起こる反応において,光を吸収する物質が反応前後で変化しない場合』を広義の光触媒反応と定義している。

タイトル: ベタニン
ビートに含まれる他の色素には、インディカキサンチンやブルガキサンチンがある。

タイトル: Α-カロテン
α-カロテン(α-Carotene)は、一方の末端がβ環でもう一方の末端がε環であるカロテンである。カロテンのうち、2番目に多く存在する。生物内ではδ-カロテンから合成され、緑黄色野菜のみならず多くの植物にみられる。水にはほとんど溶けない脂溶性の物質で、純物質は紫色をしている。体内で酸化されレチノイドとなるが、βカロテンに比べると効力が低いとされている。[ α ] 643 18 {\displaystyle {\rm {\left[\alpha \right]_{643}^{18}}}} = +385°、極大吸収 (CHCl3) 485, 454 nm。

タイトル: マルビジン
マルビジン (Malvidin) は、O-メチル化アントシアニジンの一種である。主要な植物色素として、その配糖体は自然界に広く存在する。

タイトル: 発色団
分子内の隣接する2つのp軌道がπ結合を形成するように、分子内の3つ以上の隣接するp軌道が共役π系を形成することができる。共役π系において、電子は無線アンテナがその長さに応じて光子を検出するのと同じように、p軌道の一定の距離に応じて共鳴することで所定の光子を捕捉することができる。通常、π系が多くと共役している(長い)ほど、捕捉される光子の波長は長くなる。言い換えると、分子図に見られる隣接する二重結合が加えられるたびに、黄色の光を吸収する可能性が低く、赤色の光を吸収する可能性が高くなるため、系は徐々に黄色に見える可能性が高くなると予測することができる(「共役二重結合が8個未満の共役系は、紫外線領域でのみ吸収し、人間の目には無色である」「青色または緑色の化合物は、通常、共役二重結合のみに依存しない」)。

タイトル: 緑礬
緑礬(りょくばん、melanterite)は鉱物(硫酸塩鉱物)の一種。化学組成は硫酸鉄(II)の7水和物(FeSO4・7H2O)。単斜晶系。黄鉄鉱(FeS2)や磁硫鉄鉱(Fe1-xS)などが酸化分解することによって生じる二次鉱物。

タイトル: コチニール色素
欧州連合ではコチニール色素およびコチニールレーキはE120として食品ごとに使用が認可されており、他の添加物と同様の表示義務が課せられている。日本ではコチニール色素は食品衛生法の既存添加物名簿に収載されており、他の添加物と同様の表示義務が課せられている。しかしコチニールレーキは指定添加物でも既存添加物名簿所収でもないため使用できない。

タイトル: 緑藻
このような緑藻は、浅水域や陸上域に生育しているものが多い。緑藻の中には、光合成能を二次的に失ったものがわずかに知られている。このような緑藻はふつう細胞小器官としての色素体は残している (白色体)。例として、ポリトマ属 (Polytoma; 緑藻綱) や プロトテカ属 (Prototheca; トレボウクシア藻綱) がある。これらの緑藻は菌類のように吸収栄養性 (細胞膜を通して有機物を吸収する) であり、多くは自由生活性であるが (酵母として分類されていたものもある)、寄生性の種も知られている。緑藻の中には、少なくとも生活環の一時期に鞭毛をもつものが少なくないが、接合藻のように鞭毛細胞を失ったと考えられている例も多い。鞭毛細胞はふつう等長・等運動性の鞭毛をもつ (等鞭毛性 isokont) が、長さ・運動が異なる鞭毛を前後に伸ばしている種もいる (プラシノ藻の一部)。

タイトル: 紫
間もなく別の赤紫系合成染料フクシン(後述)が発明されたため、合成染色市場を独占するほどには至らなかったが、この色の服は流行し、合成染色事業は大成功を収めた。現在では染料としては他の合成染料が用いられていることが多く、この名は色名として用いられる(モーブ (色)を参照)。モーブに続いて、1859年に発明・発表された色素である。フランスの実業家ルナール・フレール (Renard Frères) の専属化学者ヴェルガンにより発明された。このアニリン系色素は固形では緑色をしているが、熱湯やエタノールに溶解させると赤紫色に変化する。さらに少量のアルデヒドを加えると紫色になる。マゼンタの染料・顔料に使われる。現在ではこの色素による赤紫や紫色の染色が行われるほか、印刷インクや、実験観察のための細胞の染色やアルデヒドなどの分析試薬にも用いられる。

タイトル: ルテイン
色の濃い葉物野菜に多く含まれる。

タイトル: バイオフォトニクス
バイオルミネッセンスは生体内の化学反応による光の自然生成であるという点でバイオフルオレッセンスとは異なるが、ともに自然環境からの光の吸収と再放出を意味する。

タイトル: ファイトケミカル
共役系の広がりなどの効果により、光の吸収帯が可視光にできた結果として、色素としての役割を果たせている。また、これらの色素の一部は抗酸化剤としても用いられ、抗酸化物質として作用する物もある。ファイトケミカルの中には、発がん性を示す物もあれば、{抗発がん性 (en:Anticarcinogen) を示す物もある。疫学的研究により、果物や野菜に含まれるファイトケミカルはがんの危険性を減少させるという証拠が得られている。しかし、喫煙者がβ-カロテンを多量に摂取した場合はがんのリスクが増すことが示されている。理由はよく分かっていない。かつてアメリカ国立癌研究所 (NCI) によって2000万ドルの予算でがんを予防するために、ファイトケミカルを特定して加工食品に加える目的で、デザイナーフーズ計画 (designer foods project) が開始された。

タイトル: 光呼吸
 C4植物は CO2 濃度を高く保つことによって O2 → 活性酸素 という反応を起こさないようにできるので、活性酸素を生じさせず、光呼吸も行う必要がない。