クロロくんの光合成物語
1.
のび太くんと静香ちゃんが一緒に下校して家に向かっています。緑の葉がきれいです。
 静香ちゃん： 今日勉強した「光合成」ってすごいわね。植物って本当に偉いわ。
 のび太くん： そうだね。二酸化炭素を吸って、酸素を吐き出してくれる、その酸素がなかったらボク達はすぐに死んでしまうからね。
静香ちゃん： それに私たちの食べものは、みんな植物が直接、間接に作ってくれたものですものね。食料がなくてもやはり、私たちは生きていけないわ。
そんな時、道端の草から、小さな声が聞こえてきました。クロロくんの登場です。
 クロロくん：のび太くん、静香ちゃん、こんにちは。ボクたちのことをほめてくれてありがとう。
のび太くん： え、何か聞こえた？ 誰だろう。
静香ちゃん： 草の中から聞こえたわ。
クロロくん： ここだよ。ここ。家に帰ってドラえもんのスモールライトを借りてきて、ここで、小さくなればボクが見えるようになるよ。 |
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光合成とは、植物が光と水で電子と陽子を作り、副産物の酸素を放出、その電子と陽子のエネルギーで二酸化炭素を糖（デンプンやセルロース）に変えるプロセスです。
その光合成工場がクロロプラスト（葉緑体）です。 |
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クロロくんイラストについて：
クロロくんの頭は４つずつのとんがりが2組ありますが、これは、分子構造を模したものです。背骨のようなものは、しっぽのように長いフィトール基を模しています。腰や足はありませんが、前号のゲルマくんにちなみました。隣はシアノバクテリアの顕微鏡写真です（Wikipediaより）。 |
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２.二人はドラえもんに出してもらったスモールライトを持って戻り、草むらで小さくなりました。周りがどんどん大きくなって、ついに、世界が緑一色になりました。すると、葉っぱの上でニコニコしている人がいました。クロロくんでした。
クロロくん： クロロです。僕が見えるようになりましたね。ヨロシクね。のび太くんたちにもっと、ボクたちの光合成の仕事を知って欲しくて声を掛けたんだ。
のび太くん： 顔もからだも緑色だね。君は誰で、どんな仕事をしているの？
静香ちゃん： 可愛いわ。もしかして、草の精ですか？
クロロくん： ま、、、まあ、そんなとこです。今日はボクたちの仕事をじっくりと見て行ってくださいね。
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３. 3人は大きなドームのような所に入っていきました。
クロロくん： この大きな緑の饅頭（まんじゅう）みたいなものは、ボクたちの町みたいなものなんだ。このなかに、もっと小さい饅頭がつぶれて重なっているようなものが見えるでしょ。ここがぼく達が働く工業団地みたいな所でね、ひとつ一つの饅頭の皮みたいなところに「光第1工場」、「光第2工場」、「あっちゃんモーター」や「なっちゃん工房」が何組も並んでいるんだけど見えるかな？
静香ちゃん： つぶつぶしているものね。ちょっと小さすぎて良く分からないから、もっと近くに行けないかしら？
のび太くん： えー。あっちゃんとかなっちゃんとか、何のこと？
クロロくん： じゃあ、もうちょっとスモールライトを浴びて、あの膜の中の工場に入ってみようよ。
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クロロプラスト（葉緑体）
顕微鏡で葉っぱを覗くと細胞の中にぎゅうぎゅう詰めになっている緑の粒です。これは光合成の総合工場のようなもので、その中には饅頭を潰したような「チラコイド」が重なって随所に詰まっています。空洞の部分は「ストロマ」といいます。
チラコイド
この中で明反応が盛んに行われます。色々な小さな部品がチラコイド膜を貫いて付着していて、その内部(チラコイドルーメン）と外部（ストロマ）の水素イオン濃度の違いが、ATP合成酵素のモーターを回転させる原動力になります。 |
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光化学系ⅠおよびⅡ
光のエネルギーを取り込むシステムです。その外観は、イギリスのストーンヘンジに似ています。 そそり立つ巨石が、クロロフィルたちで、どこに太陽光が落ちてきても誰かが捕え、順次真ん中の特別ペアの二人にエネルギーを渡していきます。
周りのクロロフィルたちはアンテナ色素とも呼ばれ、光を収穫する役割をし、真ん中の特別ペアに光のエネルギーを集中させます。
光化学系（＝PhotoSystem)というシステムには取り込む光の波長の違いにより、光化学系Ⅰ（PSⅠ）とその周りに沢山の光化学系Ⅱ（PSⅡ）がありますが、最終的に電子はPSⅠに集められます。
スペシャルペア（2量体）
系の反応中心にあり、まるで２人でダンスをしているようなクロロフィルのスペシャルペアは、光化学系にある色素たちの中で唯一、電子を励起できる力を与えられています。このペアの頭部付近には、マンガンクラスターという金属錯体が漂っていて、その形の変化が、水分解に多大な寄与をするようです。（詳細は不明で今、多くの研究者が解明の努力をしています→解明し、応用できれば人類の「夢の発電システム」になります）
チラコイド膜の部品たち
チラコイド膜に設置されている部品の一覧です --- 光化学系Ⅱ（分家？）に入った光のエネルギーで、クロロフィルなどの色素が振動し、水を分解します。生成した励起状態の電子はプラストキノンに運ばれるとき、外部にある水素イオンをプラストキノンに引き込み、シトクロムに向かいます。
水素イオンはチラコイド膜の内部に入り、ATPモーターを動かす動力になります。一方、少し元気を失った電子は、プラストシアニンに乗せられて、光化学系Ⅰ（本家？）に送られます。ここで、また、光のエネルギーをもらい、フェレドキシンを経て、NADP（なっちゃん）に水素イオンが結合するのを助け、NADPHを作ります。
こうして、水分解で出来た元気な電子と水素イオン（陽子）は次のデンプン作りの暗反応でエネルギーを供給するATPやNADPHを作り上げ、その使命を終わります。
可視光線の波長は400～800ナノメーターの幅があり、色素は自分の吸収できる持ち分が決まっています。そこで、出来るだけ多くの波長帯を吸収するため、クロロフィルだけでなくカロチンなどの他の色素も光の吸収で連携をとって応援しています。 |
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４.
三人は小さなつぶれたお饅頭のようなものに近寄って行きました。饅頭の皮のような膜に沿って埋め込まれた色々な工場が見えます。光第2工場は沢山ありましたが、その内のひとつの中に入って行きました。クロロくんの仲間が沢山（たくさん）いました。まるで、お相撲をする国技館のような造りの所で、沢山のクロロくんたちが観客のように真ん中にいる二人の力士みたいなクロロくんたちを取り囲んでいます。 すると、その時、光る粒が後ろの方にいるクロロくんたちの1人に当たりました。
のび太くん： ここは光第２工場なんだね。あれ！ 光の粒が落ちてきて、消えたと思ったら、それを浴びたあそこの人が踊りだしたよ。
静香ちゃん： あ、さっきの人は踊りをやめて静かになたのに、今度は隣の人が踊りだしたわ。
のび太くん： あ、今度は斜め前の人が踊りだしたよ。踊りを踊るのがどんどん伝わっていくんだね。最後は真ん中の2人が踊り出した。
のび太くんと静香ちゃんがじっとその様子を見ていると、周りの人たちはもう誰も踊らないのに、真ん中の大きな二人だけが踊りだしました。
クロロくん： よく見ているね。観察力が鋭いなあ。光の粒が1人に当たると、振動がどんどん伝わっていって最後に真ん中にいる「特別な二人」（スペシャルペア）というボクたちの代表に光の粒のエネルギーが受け継がれるのだよ。こうして、みんなで二人を取り囲んでいれば、みんながそれぞれアンテナみたいになって、光の粒がどこに降りても、最後は結局真ん中の二人の所に集まり、光のエネルギーが振動となって真ん中に集められるというシステムなんだ。
静香ちゃん： とっても上手く出来ているのね。でも、なんで真ん中の二人に光のエネルギーを振動に変えて伝えるの？
クロロくん： 良く見てて。 ホラ、いま、二人が踊っていると、卵みたいなものがぼろぼろと二つ落ちてきたでしょ。あれは、電子なんだ。
のび太くん： え、電子！ 発電所じゃないのに、卵が産み落とされるように電子が生まれるの？
クロロくん： そうだよ。ボクたちは一種の太陽電池で、電子を作り出せるんだ。それも根から汲み上げた水から作るんだよ。
静香ちゃん： 水から電子を作るんですって？ そんな話聞いたことないわ。ウソでしょう？
クロロくん： それがウソではないんだよ。ボクたちは人間が作る機械とは全然違うやり方だけど、危険で恐ろしい原発や近代の機械も使わずに、こんな感じで水から電子を上手に作り出せるんだ。電子だけでなく陽子（ようし）も一緒に作るんだよ。その時君たちに絶対必要だけど僕たちには不必要な酸素をゴミとして空気中に捨てるんだ。ところで、ボクたちはなぜ電子や陽子を作っているのか分かるかい？
のび太くん： 光合成をするためでしょ！ 当り？ ぼく、意外と勘がいいんだよ。
クロロくん： まあ、そうだけど、光合成という仕事は、大きく分けると「明反応（めいはんのう）」と「暗反応（あんはんのう）」の2つがあって、明反応でボクたちが作った電子や陽子（ようし）が伝えるエネルギーで、暗反応が行われ、ブドウ糖を経てデンプンやセルロースなどの養分ができるんだ。
静香ちゃん： ちょっと難しそうね。クロロくんはデンプンは作らないのね。
クロロくん： デンプンを作るのは「暗反応」を受け持つ「あっちゃん」や「なっちゃん」という人たちが中心となってやるんだ。 ボクたちが水分解で作った電子と陽子のうち、電子はなっちゃんに、陽子はあっちゃんに渡して、デンプンを作る時のエネルギーにしてもらうんだ。
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５．のび太くんは「陽子」というものが何だか分からないのでクロロくんにたずねました。
のび太くん： ところで、陽子について教えてくれない？ 電子は下敷きみたいなものををゴリゴリ擦（こす）ると、静電気が起きるけど、あれは電子が飛び出しているんだと先生が言っていたので、何となく分かるんだけど、陽子ってよくわからないなあ？
クロロくん： 陽子はね、原子の真ん中にある原子核（げんしかく）の中に入っているんだけど、太陽が原子核だとすると、電子は地球や火星のような惑星みたいな感じかな。
のび太くん： 原子核に陽子はいくつも入っているの？
クロロくん： 水素に限って言えば、原子核には陽子がたった1個、その周りを回る電子もたった1個だけど、酸素の原子核には陽子が全部で８個あり、まわりには電子が８個あるんだ。 酸素の原子核には陽子の他に中性子（ちゅうせいし）という別の粒もあるんだよ。
静香ちゃん： また難しくなってきたようね。
のび太くん： ところで、クロロくんたちは水を分解できるっていったけど、どうやるの？
クロロくん： そうだね。それが光合成の明反応の中でも、最も肝心な話だね。ちょっと難しいけど、我慢して聞いてくれるかな？
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水の分子は酸素１個と水素２個が強い共有結合をしています。
水分解
水素と酸素が反応して水になる、つまり水素が燃えるのは、普通の反応なので、その時は熱エネルギーが出ます。
2H + O → H2O + 熱エネルギー
水分解はその逆の反応です。
H2O + 光エネルギー → ２H + O
水を分解するには強いエネルギーが必要です。シアノバクテリアは初めて太陽光エネルギーで、水を分解し、電子と陽子を得ることに成功しました。その時発生する酸素はゴミですので、捨ててしまいますが、これが生物の進化に革命をもたらしました。
植物は、比較的低いエネルギーである可視光線を最大限活用するために、クロロフィル（葉緑素）やカロチンなど多くの色素を組織化して、連携作業をし、出来るだけ多くの波長の光を捕えるシステムを発達させました。 かくして植物はその立地のエネルギー源に頼らず、太陽光という海面や地上にあまねく降り注ぐエネルギーを生命維持の源として利用する智恵を得たのです。
私たちは、あさましくも戦争をしてまで石油や天然ガスなどの化石燃料を確保したり、人々を奈落の果てに追いやる原発に頼るような愚行に走らず、植物の生き方を素直に学びたいものです。
その智恵の奥義を人間はまだ完全には理解できていませんが、その一部を応用して、人工の発電システム作りに努力している科学者も沢山います。たとえば、酸化チタン（TiO2)などを陰極にしてその周りに色素を散りばめると発電します。電子でなくても、水素を発生させて溜め、あとで、水素の燃料電池にするという方法もあります。
植物から教えていただいた技術です。 |
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電子伝達系（ミクロのタクシー網）
まるでタクシーかと思うようなミクロのシステムで、乗客は電子です。陽子も便乗することがあります。たとえば、光化学系Ⅱのスペシャルペアによって励起され、チラコイド膜の外側（ストロマ）に産み落とされた電子は、ストロマで待機してるプラストキノンQbという「タクシー」に乗り込みます。
でも、次の電子が励起されるまで少し待ちます。その時、ストロマにある陽子（水素イオン）２個も便乗して結局、電子２個、陽子２個が相乗りして目的地であるシトクロムｂ６－ｆというタンパク質複合体へ向かいます。
この長い名前の複合体は陽子を水素イオン濃度の高いチラコイド内部（＝チラコイドルーメン）へ強制的に送りこみます。もともと、２分子の水分解で水素イオンは４つ増えていたのに加え、この複合体がさらに２個の水素イオンを送りこむので、チラコイドルーメンの中は益々水素イオン濃度が高くなります。
これを、水素イオンの濃度勾配が高くなると表現しますが、そうなるとルーメンからストロマに向かって水素イオンが濃度勾配の差で押し出されるますので、その際ATPのモーターを回転させ、摩擦熱をを生みだし、この熱エネルギーで、２つのリン酸をもつADPにさらに活性の鋭いリン酸を結合させATPに変えます。
一方、電子はシトクロムから今度はプラストシアニンという青いタクシー（＝電子伝達体）に乗り換え、光化学系Ⅰに向かいます。光化学系Ⅰでも光エネルギーをもらって更に元気になった電子は外部のストロマにあるフェレドキシンという複合体を経て、フェレドキシンNADP+還元酵素という複合体に到着します。そこで、NADP＋という物質に２個の電子は結合するのですが、この時、ストロマにあった水素イオンも１個結合し、結局NADPHという物質を作ります。この物質は次の「暗反応」でデンプンを作る際、ATPと共にその反応エネルギーを提供する重要な物資になります。
ATP合成酵素
チラコイドルーメンの内側は水素イオン（陽子）で非常に濃くなっているので、水素イオンは浸透圧を利用して、このATP合成酵素というモーターを回す原動力になります。下のかぼちゃのような回転体は1秒で１７回転し、その摩擦熱でADPはP（リン酸）をもう一つ付け、ATPに変わります。ATPは生体内のエネルギー貨幣ともいわれ、多くのエネルギー代謝に関わることができる大切な物質です。
二つの「あっちゃん」... 上：ADP(普通のあっちゃん）と無機リン酸
下：ATP（元気なあっちゃん）
ADPから無機リン酸を結合させ、ATPを合成するのには、光エネルギーを陽子（水素イオン）の濃度勾配の差という形で実現しました。そして、次にATPは二酸化炭素を糖に変える時、無機リン酸を切り離す際に多量のエネルギーを放出します。 これが、ブドウ糖を作る原動力になります。物語ではこの物質を「あっちゃん」と呼んでいました。 |
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６. クロロくんは、真ん中で踊っている二人の特別ペアを指さしました。
クロロくん： さっきあのペアは卵のような電子を二つを産み落としたよね。だから、また卵が欲しいんだ。水の分子から電子を一つ、更に、一つと合計2つ引き抜くんだ。なぜ、そんな能力があるかはボクも知らないんだ。ただ、光のエネルギーを利用していることは確かなんだ。
引き抜いた電子は、まだ勢いがないので、さっきクロロの特別ペアが電子にゲンキを与えて、光第２工場の裏山に登らせるんだよ。
のび太くんたちは、クロロくんの案内で裏山の上まで移動しました。
のび太くん： 見て、頂上に登ってきたあの二つの卵、丸いタクシーのようなものに乗ったよ。それに、外にいた変なものもまた２個一緒に乗り込んだよ。
クロロくん： あれは饅頭の外をうろついていた陽子なんだ、電子と一緒に生まれた陽子じゃないけどね。確かにタクシーだね。必要な場所まで電子を送り届けるんだ。あのタクシーはついでに陽子も相乗りさせて稼いでいるんだ。
静香ちゃん： すごい、タクシーまであるなんて。ところで、一緒に生まれた陽子のほうはどうなったの？
クロロくん： 水分子の中の二つの水素はそれぞれ電子を一つずつ奪われたので、裸の陽子が二つ出来て、お饅頭の内部の空間に漂っているんだ。
内部はさっき外からタクシーで相乗りしてきて内部に来た陽子もいるし、陽子の数はどんどん増えるよね。ｌつまり、陽子の濃度がだんだん高くなるということなんだ。
ところがね、陽子は数が増えると自分の縄張りが狭くなるので、自分の仲間を外へ追い出したくなるんだ。これは浸透圧と同じ現象なんだよ。結局、あっちゃんモーターの中に空いている隙間から外に追い出すんだけど、その時、モーターを回すことになるんだね。
のび太くん： タクシーで驚いていたら、今度はあっちゃんモーターだって？ 訳がわからないから、ちゃんと説明してほしいな。
クロロくん： ほら、あそこにかぼちゃのようなものが見えるかい。下の膨らんだところがグルグル回っているでしょ。本当に驚くかもしれないけど、ミクロの世界には本当にミクロのモーターがあって、グルグル回転して力を発揮しているんだよ。
１秒間に１７回転しているんだ、このお陰で、摩擦熱が発生して、あっちゃんは普通のあっちゃんであるADPという物質から、元気いっぱいのあっちゃんであるATPという物質になるんだよ。あとで、ブドウ糖などを作るとき、このATP、つまり元気なあっちゃんは大活躍してくれるんだ。
静香ちゃん： 不思議ねえ。こんな小さな世界にこんな精巧な機械があるなんて、、、。
のび太くん： ところで、さっきタクシーに乗っていった電子は、その後どうなるの？
クロロくん： これを説明すれば、ボクたちの仕事である明反応は説明終了かな。 |
７. クロロくんの説明も終わりに近づいたようですね。
クロロくん： 今度は「なっちゃん」の登場だよ。なっちゃんはさっきのあっちゃんと同様にブドウ糖を作る時に重要な働きをするんだ。 ところで、タクシーにのった電子はね、休憩してからまた別のタクシーにのるんだ。
今度は、光第１工場で、ここは第２工場より、エネルギーレベルが高いところなんだよ。でも、同じようにまた、真ん中にいるクロロの代表たちに元気を付けてもらって、第１工場うら山を登るんだ。頂上には程なくして、なっちゃん工房があるんだけど、そこで、なっちゃん、つまりNADP+という物質にくっついて、元気ななっちゃん、つまりNADPHという物質にするんだ。
元気な「なっちゃん」は、元気な「あっちゃん」と一緒になって二酸化炭素をブドウ糖にする仕事をするんだよ。
のび太くん： そうかあ、みんな最終的にデンプンやセルロースを作るのが目的で、君たちクロロくんたちは元気な電子をなっちゃんに、沢山の陽子をあっちゃんに提供するんだね。
静香ちゃん： そして、そのあっちゃんやなっちゃんが二酸化炭素をブドウ糖にして、そのあとブドウ糖はデンプンやセルロースになって、私たちや牛さん馬さんの食料を提供してくれるのね。
クロロくん： のび太くんも静香ちゃんも、すごいなあ、ずばりその通りだよ。ボクたち明反応を支える人たちは、ブドウ糖工場のための動力エネルギー供給部門という訳さ。
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二つの「なっちゃん」... 上：NADP＋(普通のなっちゃん）
下：NADPH還元剤（元気ななっちゃん）
二酸化炭素の固定のために、ATPと共に重要な任務を担う物質です。この物質の生成のために電子は健気にも長く険しい幾多の道を歩んでくるのです。物語ではこの物質を「なっちゃん」とよび、それを作る酵素を「なっちゃん工房」としました。 |
いつも、筆者の机上にいるドラえもん：
ボク、ドラえもん。クロロくんの物語が出来て、ボクもうれしいよ。
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８. 二人は、クロロくんにお別れをいって家路に向かう時間になりました。
静香ちゃん： クロロさん、今日はとっても楽しかったし勉強になったわ。ありがとう。
のび太くん： 実際目で見ると本当によくわかるね。 電子や陽子ってすごい活躍をするんだね。
クロロくん： 訪ねてくれてボクも嬉しいし、楽しかったよ。
静香ちゃん： 今度いつか、でんぷん工場も見学したいわ。
クロロくん： じゃあ、デンプンのデンちゃんに連絡しておくよ。 きっと、よく見せてくれると思うよ。
静香ちゃんとのび太くん： デンちゃん？ ハハハ。ありがとう、クロロくん。 さようなら。
二人は、クロロくんに手を振って別れました。
静香ちゃん： あ、のび太さん、ビッグライトは持ってきた？
のび太くん： あれ、どこだっけ？ ない！ どこかに落したかな？
静香ちゃん： 嫌だわ、のび太さんたら、、、！
のび太くん： うそだよ。ちゃんとあるよ。内側のポッケにしっかりしまっておいたんだ。これがないと、元にもどれないものね。
おわり。 |
あとがき
根っこから吸い上げた水を、光のエネルギーを借りてクロロくんとその仲間は分解します。水素と酸素で出来ている水を分解すると、水素はさらに、電子や陽子にまで分解され、酸素は別の酸素と一緒になって酸素分子として出てきます。
一口に水を分解、といってもそれは容易いことではありません。葉緑体が行うこの作業は人間の力ではまだ、真似ることはできません。いま、多くの科学者が、この光合成の明反応に注目して、太陽光から、安く、効果的に電力を取り出そうと研究しています。 夢が成就するといいですね。
「光合成」で私たちがよく誤解していることが3つあります。
１つ目は、クロロフィル（葉緑素）は緑色をしているけど、それは緑色は吸収しないから「反射」して私たちの目にはその物体が緑色に見えるのです。実際、クロロフィルが吸収する光の色は、青や赤です。あるお百姓さんが、やはり誤解して、緑の光を沢山植物にあげようと、温室を緑のビニールで作ったのですが、植物は成長しなかった、とのことです。
２つ目は、植物は空気中の二酸化炭素を吸って、酸素を吐き出している、という点は間違いではないのですが、それは結果論で、葉っぱの裏にある「気孔」から吐き出される酸素は、二酸化炭素の中にある酸素ではなく、根から吸収する水の中にあった酸素だ、という点です。
３つ目は、植物も呼吸をしていることです。私たちと同じように気孔から酸素を吸って、また気孔から二酸化炭素を吐き出しています。呼吸だから日中も夜間も一日中、そうしています。誤解が生まれる原因は、植物は太陽の光のある日中は呼吸と比べると吐き出す二酸化炭素より、ずっとたくさんの二酸化炭素を吸っていることからでしょう。また、酸素のほうは、吸う酸素より、吐き出す酸素のほうがずっと多いわけです。夜は、もっぱら呼吸専門だから、私たちと同じですね。
読んで下さってありがとう。 読後の感想をkaminantommy＠hotmail．comに送ってくださるとうれしいです。tommy |
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光合成システムの大きな流れを太単純な図にしてみました。
注意してみてほしいことは：
①放出する酸素は根から吸収した水分の中の酸素である。
②ATPやNADPHを作るために水分解から始まる明反応が起こる。
③デンプンやセルロースは最終生成物であり、単糖類のブドウ糖（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）等
を経て、多糖類であるデンプンやセルロースになる。
＜ブドウ糖はグルコースとも言います＞
なお、植物の呼吸は光合成とは全く連動することなく、私たちと同様、酸素を吸って二酸化炭素を吐き出す作業を昼も夜も行っています。
→ この事実は、ヒルの実験（１９３９年）、ルーベンの実験（１９４１年）で実証されました。 |
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