虹色の葉は量子力学を利用して日陰でも生育する

虹色の花は自然界ではよく見られる。キラキラ光る花びらはミツバチの注意を引き、ミツバチが花に近づいて受粉するように誘う。しかし、なぜ葉は虹色なのだろうか？これは、ブリストル大学の植物学者ヘザー・ホイットニー氏が虹色の花を研究しているときに抱いた疑問である。

「これはとても奇妙に思えました」とホイットニーはポピュラーサイエンス誌に語った。「一般的に言って、昆虫（草食動物）を葉に引き寄せたくはありません。」さらに、彼女はこれらの虹色の葉が常に日陰の植物に見られることに気づいた。日陰で育つ植物は利用可能な光をすべて集めると予想されるため、これは直感に反しているように思えた。しかし、虹色はいくらかの光を反射する。

ベゴニア属の植物は、虹色の葉が観葉植物愛好家の間で人気があり、低照度でも育ちます。本日Nature Plantsに発表された論文によると、一部のベゴニア種が示すまばゆいばかりの虹色は、実は深い日陰で光合成を高めるための方法である可能性があるとのことです。

ホイットニー氏と彼女の同僚は物理学者やエンジニアとチームを組んでこの問題を研究した。彼らの発見は、植物の光合成の場である葉緑体に対する私たちの考え方を変えるかもしれない。植物の葉に特徴的な緑色を与えるこれらの細胞小器官は、太陽エネルギーを捕らえて水と二酸化炭素を植物の成長と生存に必要な糖に変換する。

しかし、日陰に生えるベゴニアの葉緑体は異なります。ホイットニーと同僚が「虹彩体」と呼ぶ、高度に構造化された細胞小器官は、光を捕らえるだけでなく、植物が特定の波長の光を捕らえる能力を高めるフォトニック結晶構造としても機能します。光が林床に届くまでに、樹冠の高いところにある葉が利用可能な波長の多くを吸収しているため、日陰に生える植物は、このわずかな光を利用するように適応しています。

「通常の葉緑体では不可能な低光量で光を集めることができるということは、ベゴニアが他の植物がまったく光合成できない低光量条件でも光合成して生き残ることができることを意味します」とホイットニーは言う。「イリドプラストは低光量条件で光を「かき集め」、より効率的に利用することができます。」

この清掃の鍵となるのは、葉緑体のチラコイド組織の高度に整然とした性質です。通常、葉緑体のグラナと呼ばれる膜の積み重ねは、単に太陽光を吸収するだけです。しかし、虹彩緑体では、グラナはフォトニック結晶を形成するように構造化されており、入射光を変化させて光合成に利用しやすくします。これは、吸収する光の波長に対応するように間隔を空けることによって行われます。光の波形のピークは積み重ねられたグラナと一致し、これにより光の速度が効果的に低下し、葉緑体がより効果的に光を吸収できるようになります。

研究者たちは、これらの高度に整列したチラコイド膜が光合成に関連する電子伝達の効率を低下させ、明るい光条件下では虹彩緑体が非効率になるのではないかと推測している。しかし、ベゴニアには通常の葉緑体も含まれているため、幅広い環境によく適応している。

ホイットニーは、この研究が光合成による光捕獲に関する理解を深めるのに役立つと期待しています。葉緑体はさまざまな光条件下で自ら再配置できるため、ホイットニーは、科学者が構造上の制限を克服して幅広い条件で生き残ることができる植物をさらに発見できるのではないかと考えています。「光合成を強化するためにフォトニクスの側面を利用している植物は他にどれくらいあるでしょうか？」