I love photosynthesis because it gives me two things that I need. I need to breathe,

光合成は私に必要な2つのものを与えてくれるからだ。私は呼吸する必要がある、

so it gives me oxygen. And I need to eat. And so it's going to give me food. And so

だから酸素が必要なんだ。そして私は食べる必要がある。だから食べ物をくれる。だから

I love photosynthesis. You might think it's only found in these things, plants, but it's

私は光合成が大好きだ。光合成は植物にしか見られないと思うかもしれませんが、私は光合成が大好きなんです。

also found in bacteria. It's found in algae. And so it's found in protists. It's found

バクテリアにも含まれる。藻類にもある。原生生物にもある。それは

everywhere. And so photosynthesis has been around a long time. It's super important that

どこにでもある。光合成の歴史は長い。それはとても重要なことだ。

you understand how it works. And so let's start with the site in eukaryotic cells of

それがどのように機能するかを理解している。それでは、真核細胞における以下の部位から始めよう。

photosynthesis. And that's the chloroplasts. So this is a number of cells. And you can

光合成。それが葉緑体です。これはいくつもの細胞です。そして

see how many chloroplasts we could have in a typical cell. So there's a whole bunch of

典型的な細胞には葉緑体がいくつあるか見てみよう。だから、葉緑体の数は膨大だ。

them. There are a few terms you should be familiar with. And where they are. First one

彼らいくつか知っておくべき用語がある。そして、それはどこにあるのか。まず

is a thylakoid membrane. Thylakoid membrane is going to be organized like this. And basically

がチラコイド膜です。チラコイド膜はこのように構成されています。そして基本的に

that's where the light reaction is going to take place. If you've got a stack of thylakoids

そこで光反応が起こる。チラコイドが積み重なれば

like this together we call that a granum. The other big thing to understand photosynthesis

これをまとめてグラニュームと呼ぶ。光合成を理解するためのもうひとつの大きなポイント

is that this is filled with a liquid. And that liquid is called the stroma. And that's

これは液体で満たされている。その液体は間質と呼ばれています。そしてそれは

going to be the site of the Calvin cycle. If we were to grind up a leaf what we would

カルヴィン・サイクルの現場となる。もし葉っぱを粉砕するとしたら......。

find is that there's not only one pigment, chlorophyll A that does photosynthesis. But

光合成を行う色素はクロロフィルAだけではないということだ。しかし

theres a number of them that are working together. And so if you grind up a leaf into some chromatography

そのいくつかが一緒に働いている。だから、葉を粉砕してクロマトグラフィーにかけると

paper and then you put it in a solvent, what you'll get is chromatography. It's going to

紙を溶媒の中に入れると、クロマトグラフィーができる。それは

separate into all of its different parts. And so this right here would be chlorophyll

葉緑素はその異なる部分すべてに分離する。そしてこれがクロロフィルである。

A and chlorophyll B. And this would be like carotene and xanthaphylls. And they're all

これはカロテンとキサンタフィルのようなものだ。そしてこれらはすべて

working together. You'll see this other pigments in the fall when the chlorophyll moves back

一緒に働いている。葉緑素が戻ってくる秋には、この他の色素が見られるでしょう。

into the leaf and is reabsorbed. But if we look at what light they absorb, here's chlorophyll

葉に吸収される。しかし、クロロフィルがどのような光を吸収するか見てみると、次のようになる。

A and here's B. This is what's called their absorption spectrum. And what color of light

これが吸収スペクトルと呼ばれるものだ。そして何色の光

they are able to absorb. And you can see that they absorb a lot of the blue. A lot of the

吸収することができる。青色を多く吸収しているのがわかるだろう。多くの

red. But they don't absorb a lot of this in the middle, this green. And so a quick question

赤。しかし、真ん中の緑色はあまり吸収されない。というわけで、ちょっと質問

could be what is their least favorite color, plants? And the the right answer would be

彼らの嫌いな色は何色だろう？そして正解は

green. Because the reflect that green light. Now this is actually puzzled scientists for

緑色。緑色の光を反射するからだ。このことが科学者を困惑させている。

a long time. And we really don't have a definitive answer as to why plants are green. Know this

長い間。そして、なぜ植物が緑色なのかについて、私たちは明確な答えを持っていない。知っておこう

that if they were black they probably would get a little bit too hot. They would absorb

もし黒だったら、少し熱くなりすぎるだろう。熱を吸収してしまう。

too much light. And so let' start with an equation. Because this is simply a chemical

光が強すぎる。それでは、方程式から始めましょう。これは単純に化学的な

reaction. It's a chemical reaction with a number or steps. But what are the reactants?

反応。化学反応にはいくつかの段階がある。しかし、反応物とは何でしょうか？

Water and carbon dioxide. And so how does a plant grow? It's basically taking water

水と二酸化炭素。植物はどうやって育つのでしょう？それは基本的に、水

in from its roots and it's taking carbon dioxide in through its leaves. Through its stomata.

根から二酸化炭素を取り込み、葉から二酸化炭素を取り込む。気孔を通して。

The other thing it needs is light. And so it's just taking these simple ingredients.

もうひとつ必要なのは光だ。だから、これらのシンプルな材料を使うだけなんだ。

And then it's weaving those together into glucose. This monster molecule here. And then

そして、それらをグルコースに織り込んでいく。この怪物分子がそうです。そして

oxygen. And so this is the food that I get. And this is the oxygen that I breathe. Now

酸素。だからこれが私の食べ物。そしてこれが私が呼吸する酸素だ。さて

are plants just nice? No. They're making this sugar for themselves so they can break it

植物は優しいだけ？いいえ、彼らは自分たちのためにこの砂糖を作っているのです。

down using cellular respiration. And in fact if I put this arrow in the other direction,

細胞呼吸を使ってダウンする。そして実際、この矢印を別の方向に向けると、こうなる、

that becomes cellular respiration. So they're making food for themselves and they're also

それが細胞呼吸になる。つまり、彼らは自分自身のために食物を作り、また次のようなこともしているのだ。

going to make some of the structure. So like the cellulose in the cell walls of a plant

つまり、植物の細胞壁に含まれるセルロースのように。植物の細胞壁のセルロースのように

is made from that as well. Okay, so whenever I try to think what are the different steps

もそこから作られている。では、どのような段階を踏めばいいのでしょうか？

in photosynthesis? I always image this picture right here. There's photo and synthesis in

光合成で？私はいつもこの絵をイメージしています。光と合成がある。

the word. Photo means light. And synthesis means to make. And so there are two steps

という言葉がある。フォトは光を意味する。そしてシンセシスは作るという意味だ。そして、2つのステップがある。

in photosynthesis. The light reaction. And those are going to take place in the thylakoid

光合成における光反応だ。そしてそれらはチラコイドの中で行われます

membrane. And then the Calvin cycle. We used to call this the dark reactions which is a

膜。そしてカルヴィン・サイクル。以前はこれを暗反応と呼んでいた。

silly term. Doesn't happen during the dark. It happen during the light. And so basically

くだらない言葉だ。暗闇の中では起こらない。明るい時に起こるんだ。だから基本的に

the person who worked this all out is Melvin Calvin and so we named it after him. Where

メルヴィン・カルヴィンという人物の名前から取ったんだ。どこ

does this take place? You guessed it. It takes place in the stroma or this liquid portion.

これが行われるのか？ご想像の通り。間質、つまりこの液体部分で起こるのだ。

And so let's kind of do a cartoon version of photosynthesis. What are the reactants

では、光合成を漫画で表現してみよう。反応物質は何ですか？

again? Water, light and carbon dioxide. What are going to be the products that come out

また？水、光、二酸化炭素。何が生成されるのか？

of this? It's going to be oxygen and glucose. So let's watch what happens. In the light

これの？酸素とグルコースだ。では、何が起こるか見てみましょう。光の中で

dependent reaction water and light go into the thylakoid membrane and they produce two

水と光はチラコイド膜に入り、2つの反応を起こす。

things. They produce oxygen. Oxygen is simply a waste product. And then they're going to

ものだ。酸素を生成する。酸素は単なる廃棄物だ。そして彼らは

produce these chemicals. NADPH and ATP. So they have energy now. Let's watch what happens

これらの化学物質を生成する。NADPHとATPだ。これでエネルギーは確保された。何が起こるか見てみよう

to them. Well the energy is going to transfer to the Calvin cycle where carbon dioxide comes

エネルギーは、二酸化炭素がやってくるカルヴィン・サイクルに移動する。そのエネルギーはカルヴィン・サイクルに移動し、二酸化炭素が発生する。

in and then glucose goes out. And so this is the big picture of photosynthesis. But

そしてグルコースが出て行く。これが光合成の全体像である。しかし

now let's kind of dig in a little bit deep and talk about the light reaction. Okay, so

では、もう少し掘り下げて光の反応について話そう。さて、それでは

where are we? We're in the thylakoid membrane. So we're in this membrane right here. So if

ここはどこ？チラコイド膜の中です。私たちはこの膜の中にいますもし

we were to zoom in to that membrane right here, that's what this diagram is. Okay. So

この膜を拡大すると、この図のようになります。なるほど。

what are the two things coming in? Well the first one is going to be light. So light's

これから入ってくる2つのものとは？最初のものは光だ。光は

coming in here. Light's coming in here. What's the next things that we're going to have coming

光が入ってくる光はここに入ってくる。次に来るものは何だろう？

in? And that's going to be water. Okay, so let's look at some of the other big features

で？それは水です。では、他の大きな特徴を見てみましょう。

in this thylalkoid membrane. So this is the outside, or the stroma. And this is going

このチアルコイド膜の中にある。これが外側、つまり間質です。そしてこれが

to be the lumen or the inside. And so there's a couple of big things right here. What's

内腔、つまり内側です。ここに2つの大きなことがある。それは

in here? Well these are basically going to be proteins with chlorophyll on the inside

この中に？これは基本的に内側に葉緑素を持つタンパク質になるんだ

of it. And so we call that whole thing together a photo system. So this first one is actually

それの。だから私たちはこの全体をフォト・システムと呼んでいる。この最初の写真は

called photo system II. And then we go to photo system I. And the reason we go backwards

写真システムIIと呼ばれる。そして写真システムIに戻る。

is that that photo system I was discovered first. So basically what comes in? Light.

は、私が最初に発見されたあの写真システムです。基本的に何が入ってくるの？光。

What's that light used to do? Well that light is used to power the movement of an electron

その光は何に使われているのか？その光は電子の動きに使われている。

through an electron transport chain. So that electron is going through proteins, carrier

電子輸送連鎖を通して。つまり、電子はタンパク質、キャリア

proteins. And eventually that electron is going to go to here. It's going to go to NADPH.

タンパク質だ。そして最終的に、その電子はここに向かう。NADPHに行く。

Because remember that's one of the products of the light dependent reaction. Okay. What

光依存性反応の生成物のひとつであることを思い出してください。なるほど。何が

happens to the water then? So the water is going to be split right away. If you split

その時、水はどうなるのですか？水はすぐに分裂するんだ。もし

water what do you get? Well you get oxygen. So that's the O2 that's going to diffuse out

水は何をもたらすか？酸素です。つまり、酸素が拡散していくわけです。

of a cell. And that's the oxygen that you're actually breathing right now. And then we're

細胞の。それが今あなたが呼吸している酸素です。そして私たちは

going to have these protons which are simply hydrogen ions. So they're hydrogen atoms that

プロトンは単なる水素イオンである。つまり、水素原子は

have lost their electron. Okay, so this is getting kind of messy. So let's look what

電子を失ったさて、ちょっと面倒な話になってきた。では

happens next. As that electron moves through the electron transport chain, and again it's

が次に起こる。その電子が電子伝達連鎖の中を移動すると、またしても電子が移動する。

powered by the introduction of light here and light here. That electron is going to

ここに光を、ここに光を導入することで動力を得る。その電子は

be moving all the way down here and every time it goes through one of these proteins,

このタンパク質のひとつを通過するたびに、この下をずっと動いている、

it's pumping protons to the insides. So it's pumping protons to the inside. Now protons

内部へプロトンを送り込んでいる。プロトンを内側に送り込んでいるのですプロトン

have a positive charge. So basically what's happening is that you're building up a positive

プラスの電荷を持つ。つまり、基本的に何が起こっているかというと、プラスを蓄積しているのです。

charge on the inside. So there's a positive charge in here. If you know how cellular respiration

内側に電荷がある。つまり、ここにはプラスの電荷があるのです。細胞呼吸の仕組みを知っていれば

works, you'll realize that this is the opposite of that. So now we have all of these positive

が働けば、これがその逆であることに気づくだろう。だから今、私たちはこれらすべてのポジティブな

charges on the inside. Where do they go? Well there's only one hole that they can go through.

内側に電荷。どこに行くのですか？穴は一つしかない。

And that's is to go through this protein here. As those protons move out, they're moving

そしてそれは、このタンパク質を通過することです。プロトンが動き出すと、プロトンが動き出す。

through a protein called ATP synthase. And it works almost like a little rotor. And every

ATP合成酵素と呼ばれるタンパク質を介してね。それはほとんど小さなローターのように働く。そしてすべての

time a proton goes through we make another ATP. So what have we made in the light dependent

プロトンが通過するたびに、別のATPが作られる。では、光に依存して私たちは何を作ったのか？

reaction? We've made NADPH and we've made ATP. And what's nice about that is they're

反応？我々はNADPHを作り、ATPを作った。そして、それの何がいいかというと、それらは

now just sitting right here in the stroma and so they're able to go on to the Calvin

そのため、彼らはカルヴィンに進むことができる。

cycle which is going to be the next step in this process. And so who's providing the energy?

このプロセスの次のステップとなるサイクルである。では、誰がエネルギーを供給するのか？

Light. Whose providing the electrons? Water. And then a waste product of that is simply

光。誰が電子を供給しているのか？水だ。そして、その廃棄物は単に

going to be oxygen. Okay. Let's go to the Calvin cycle then. So what's happening in

酸素になるなるほど。ではカルヴィン・サイクルに行きましょう。では

the Calvin cycle? You can see here's those reactants. So we've got our ATP here, ATP

カルヴィン・サイクル？これが反応物です。ここにATPがあります。

here and NADPH. What are they providing? Simply energy. We also have this molecule here. It's

そしてNADPH。これらは何を供給しているのか？単純にエネルギーです。ここにはこの分子もある。それは

called RUBP. Basically it's a five carbon molecule. And then we have carbon dioxide

RUBPと呼ばれる。基本的には炭素数5の分子です。そして二酸化炭素がある。

coming in. So it moves through the stomata of the leaf. And it's going to diffuse its

入ってくる。葉の気孔を通って移動します。そして、葉の気孔を通り抜け、その気孔を拡散します。

way in. Carbon dioxide is a one carbon molecule. So basically there's an enzyme here called

の方法である。二酸化炭素は炭素1分子です。だから基本的に、ここに酵素がある。

rubisco and it's going to attach this one carbon molecule to a five carbon molecule.

ルビスコは炭素1分子を炭素5分子に結合させる。

It immediately breaks into three carbon molecules. And then it gets energy from ATP and NADPH.

すぐに3つの炭素分子に分解される。そしてATPとNADPHからエネルギーを得る。

And when we're done it's creating this chemical down here, called G3P. What does G3P become?

そしてG3Pと呼ばれる化学物質が作られる。G3Pは何になるのか？

Well it can be assembled quickly into glucose or sucrose or maltose or whatever they need

グルコースやスクロース、マルトースなど、必要なものは何でもすぐに組み立てられる。

to do, that's going to be produced right in here by the G3P. So that's where we're synthesizing.

G3Pがここで生成するんだ。つまり、私たちが合成しているのはここなのです。

In other words we're taking carbon and we're fixing it. We're making it usable. Now some

言い換えれば、我々はカーボンを修理しているのだ。使えるようにするのです。今、いくつかの

of that G3P is released. But a lot of it is recycled again to make more of this RUBP.

のG3Pが放出される。しかし、その多くはこのRUBPを作るために再びリサイクルされる。

And so that's why it's a cycle over and over again. What's the big picture? If we don't

だから何度も繰り返されるんだ。全体像は？もし私たちが

have ATP, if we don't have NADPH, then this process is going to shut down. What's the

ATPがあってもNADPHがなければ、このプロセスは停止してしまう。それは何ですか？

other thing that could shut it down? If we don't have carbon dioxide. Okay, so that's

もう1つ、停止させる可能性があるのは？二酸化炭素がなければね。そう、それは

basically photosynthesis. And again it's been working for billions of years. But there's

基本的には光合成です。そしてまた、それは何十億年もの間、機能してきた。しかし

a slight problem. And that problem is called photorespiration. What is photorespiration?

ちょっとした問題がある。その問題とは光呼吸と呼ばれるものだ。光呼吸とは何か？

Well photorespiration occurs only when we don't have enough carbon dioxide. So if we

光呼吸が起こるのは、二酸化炭素が足りないときだけです。ですから、もし私たちが

don't have enough carbon dioxide, let me cross that out, well we certainly can't make our

二酸化炭素が足りない、それは消しておこう。

G3P. But something worse happens. Oxygen can actually jump into the Calvin cycle. And using

G3P。しかし、もっと悪いことが起こる。酸素が実際にカルヴィン・サイクルに飛び込んでしまうのだ。そして

rubisco can form another chemical. Now that chemical doesn't do anything. In other words

ルビスコは別の化学物質を生成することができる。その化学物質は何もしない。つまり

it has no purpose. And the cell actually has to break it down. And so as a result of that

それは何の目的もない。細胞はそれを分解しなければならない。その結果

plants, and we call almost all plants C3 plants. And the reason we call them C3 plants is this

私たちはほとんどすべての植物をC3植物と呼んでいる。C3植物と呼ぶ理由は次の通りである。

G3P is going to be a 3 carbon molecule. So for these C3 plants, photorespiration is bad.

G3Pは炭素3分子になる。つまり、これらのC3植物にとって、光呼吸は悪いことなのだ。

In other words, they don't get anything out of it. And so they're going to lose based

つまり、何も得られない。だから彼らは負ける。

on that oxygen kind of jumping into the Calvin cycle. And so you might think evolutionarily,

その酸素がカルヴィン・サイクルに飛び込んでくる。だから、進化的に考えてもいい、

why would this have even evolved? Well remember, photosynthesis shows up first. And then oxygen

なぜこのような進化を遂げたのだろうか？まず光合成が始まる。それから酸素

in the atmosphere shows up much later. And so it wasn't a problem initially, but it became

大気中の酸素はずっと後になって現れる。そのため、当初は問題にはならなかったが、やがて次のようになった。

a problem. Another question you might think is, when are we not going to have enough carbon

問題である。もうひとつの疑問は、いつになったら炭素が足りなくなるのかということだ。

dioxide? When wouldn't we have carbon dioxide? Well how do they get carbon dioxide? And plant

二酸化炭素？二酸化炭素はいつ発生するのか？どうやって二酸化炭素を得るのだろう？そして植物

is going to have a stomata. And it's surrounded by guard cells. And so basically when a plant

には気孔がある。そしてそれはガード細胞に囲まれている。だから基本的に、植物が

opens up its stomata, carbon dioxide can diffuse in. And so the only time the plant wouldn't

気孔が開き、二酸化炭素が拡散する。そのため、植物が二酸化炭素を取り込まない唯一の時間は、気孔が開くときだけである。

have carbon dioxide, because we have tons of carbon dioxide in the atmosphere, is when

大気中に何トンもの二酸化炭素があるからだ。

it's actually closed. And when would it be closed in a plant? The only time it's closed

実際に閉鎖されている。工場ではいつ閉鎖されるのですか？閉鎖されるのは

is when it's really, really hot. And a plant doesn't want to lose water. Because through

本当に暑いときだ。そして植物は水を失いたくない。なぜなら

transpiration you're constantly losing water. And so if you're a plant, if it's a hot day

蒸散は常に水分を失っている。もしあなたが植物なら 暑い日なら

you have this really tough choice. If you open up your stomata, you're going to lose

あなたは本当に厳しい選択を迫られている。もし気孔を開ければ、あなたは失うことになる。

water. You could shrivel up. If you close it, you can't get carbon dioxide in and then

水。縮んでしまうかもしれない。閉じてしまうと、二酸化炭素を取り込むことができなくなる。

you're going to start doing photorespiration. And so of course nature has come up with solutions

光インスピレーションを始めることになる。そしてもちろん、自然は解決策を考え出した。

to this over time. And it's only going to be found in plants that live in really hot

に変化する。そしてそれは、本当に暑い場所に生息する植物にしか見られない。

environment. So here's the first solution. And this totally makes sense. This is in CAM

環境です。これが最初の解決策だ。これは完全に理にかなっています。これはCAM

plants. CAM plant would be a jade plant or like a pineapple. Basically what they do is

植物だ。CAMの植物は翡翠やパイナップルのようなものだ。基本的に彼らがすることは

they only open their stomata at night. And so at night they open up their stomata. And

彼らは夜だけ気孔を開く。そして夜になると気孔を開きますそして

then the carbon dioxide will come in and they'll create malic acid out of it. So they're going

そうすると二酸化炭素が入ってきて、そこからリンゴ酸が作られる。つまり

to store it in vacuoles inside the cell. Okay. So now when it's day time what they can do

細胞内の液胞に貯蔵する。では、日中になったら、何ができるのでしょう？

is they can close the stomata because they don't want to lose water. And now they can

彼らは水を失いたくないので気孔を閉じることができる。そして今、彼らは

actually take that carbon dioxide out of the malic acid and they can use it in the Calvin

実際にリンゴ酸から二酸化炭素を取り出し、それをカルヴィンに使うことができる。

cycle to make sugars. So the great thing about CAM plant is again they're only taking in

サイクルで糖を作る。つまり、CAMプラントの素晴らしいところは、再び、彼らが摂取しているのは

carbon dioxide at night when it's cool. And then during the day they can close their stomata

涼しい夜には二酸化炭素を排出する。そして日中は気孔を閉じることができる。

and they don't lose water. Another example of this would be in C4 plants. What they do

そして水を失わない。もう一つの例はC4植物である。C4植物は

is instead of doing it day and night, what they'll do is they'll take that carbon dioxide

昼も夜も二酸化炭素を排出するのではなく、二酸化炭素を排出するのだ。

in and they'll actually use enzymes to make a 4 carbon molecule out of it. That 4 carbon

で、実際に酵素を使って炭素4分子を作る。その炭素4

molecule will move to some cells on the inside of the leaf called the bundle sheath cells.

分子は葉の内側にある束鞘細胞と呼ばれる細胞に移動する。

And then they can simply introduce carbon dioxide into the Calvin cycle here. And so

そして、二酸化炭素をカルヴィン・サイクルに取り込むことができる。それで

again, both of these solutions are basically taking in carbon dioxide when you can get

繰り返しになるが、どちらの解決策も基本的には二酸化炭素を取り込むことになる。

it. Creating a chemical out of it. And then they can introduce that chemical into the

それをそこから化学物質を作り出す。そしてその化学物質を

Calvin cycle and they don't have to wait for carbon dioxide to diffuse in. Now of course

カルビンサイクルのおかげで、二酸化炭素の拡散を待つ必要がない。もちろん

there's going to be extra steps in here so it's going to require more energy. And so

そのため、より多くのエネルギーが必要になります。だから

we only see this in areas where it's really, really warm. But an example of a C4 plant

このような現象が見られるのは、本当に温暖な地域だけである。C4植物の例

that we all eat and use a lot of, in fact most of us are just made out of this stuff

実際、私たちのほとんどはこの材料でできている。

is corn. And so that's photosynthesis. A simple problem is photorespiration, but I hope that's

はトウモロコシです。これが光合成です。簡単な問題は光呼吸です。

helpful.

役に立つ。