チラコイド膜・明反応シミュレータThylakoid Membrane: Light Reactions Simulator

1予想しよう（触る前に）Predict (before you touch anything)

1. 青(450nm)、緑(550nm)、赤(680nm)の光を同じ強さで当てたとき、電子の流れがいちばん弱くなるのはどの色だと思いますか。If blue (450 nm), green (550 nm) and red (680 nm) light of the same intensity are shone on the membrane, which color do you think gives the weakest electron flow?💡 葉が何色に見えるかを思い出しましょう。目に届く色の光は、葉に吸収されたのでしょうか。Recall what color leaves look. Was the light of the color that reaches your eyes absorbed by the leaf?
2. 光を消したら、ATPの生成はすぐに止まると思いますか、それともしばらく続くと思いますか。If the light is switched off, do you think ATP production stops immediately or continues for a while?💡 ATP合成酵素を回しているのは光そのものではなく、何の流れでしょうか。What actually turns ATP synthase: the light itself, or the flow of something else?

2動かしてみようTry it

1. 最初の状態(「① 光の強度」70%、「② 波長」450 nm、「③ 速度」1.0×)で15秒ほど観察し、電子(黄色の点)が PSII→PQ→b6f→PC→PSI→Fd→FNR と進む様子、OECでO₂の泡とH⁺がルーメン側に出る様子、ATP合成酵素の回転を確認する。「ルーメン pH」と「ATP 累計」「NADPH 累計」「O₂ 累計」を記録する。In the starting state ("① Light intensity" 70%, "② Wavelength" 450 nm, "③ Speed" 1.0×), watch for about 15 seconds: electrons (yellow dots) move PSII→PQ→b6f→PC→PSI→Fd→FNR, O₂ bubbles and H⁺ are released into the lumen at the OEC, and ATP synthase spins. Record "Lumen pH" and the "ATP total", "NADPH total" and "O₂ total" counters.
2. 「② 波長」を 550 nm に動かし、「吸収効率 η(λ)」と「電子流入 e⁻/s」の(理論)値、左上の吸収曲線、緑の光子が膜を素通りしてルーメンまで落ちる様子を観察する。Move "② Wavelength" to 550 nm and observe "Absorption η(λ)", the (theory) value of "Electron input e⁻/s", the absorption curve at the top left, and green photons passing straight through the membrane into the lumen.
3. 「② 波長」を 680 nm にして同じ値を読み取り、450 nm・550 nm と比べる。Set "② Wavelength" to 680 nm, read the same values, and compare them with 450 nm and 550 nm.
4. 波長を 450 nm に戻し、「① 光の強度」を 100% にして10秒ほど待ち、「ルーメン pH」「ルーメン H⁺」と各生成速度(/s)の変化を記録する。Return the wavelength to 450 nm, set "① Light intensity" to 100%, wait about 10 seconds, and record how "Lumen pH", "Lumen H⁺" and the production rates (/s) change.
5. 「① 光の強度」を 0% にし、20秒ほど観察して、NADPH・O₂ の生成速度、ATP の生成速度、「ルーメン pH」がどの順に変化するかを確かめる。必要なら「一時停止」で画面を止めて見る。Set "① Light intensity" to 0% and watch for about 20 seconds. Check in what order the NADPH and O₂ rates, the ATP rate and "Lumen pH" change. Use "Pause" to freeze the screen if needed.

3確かめようCheck

1. 450 nm、550 nm、680 nm での「吸収効率 η(λ)」はおよそいくらでしたか。550 nm の光子はどうなりましたか。What was "Absorption η(λ)" at about 450 nm, 550 nm and 680 nm? What happened to the 550 nm photons?→ 450 nm で約 90%、550 nm で約 5%、680 nm で約 84%。550 nm の緑の光子はほとんど吸収されずに膜を素通りし、電子流入の理論値は 5.0 から約 0.3 e⁻/s に下がった。About 90% at 450 nm, about 5% at 550 nm and about 84% at 680 nm. Most 550 nm green photons were not absorbed and passed straight through the membrane, and the theoretical electron input dropped from 5.0 to about 0.3 e⁻/s.
2. O₂ と H⁺ はチラコイド膜のどちら側に出てきましたか。NADPH と ATP はどちら側で作られましたか。On which side of the thylakoid membrane were O₂ and H⁺ released? On which side were NADPH and ATP made?→ 水の分解(2H₂O→O₂+4H⁺+4e⁻)によるO₂とH⁺はPSIIのルーメン(内腔)側に出た。NADP⁺+2H⁺+2e⁻→NADPH(FNR)とADP+Pᵢ→ATP(ATP合成酵素)はストロマ側で起こった。O₂ and H⁺ from water splitting (2H₂O→O₂+4H⁺+4e⁻) were released on the lumen side of PSII. NADP⁺+2H⁺+2e⁻→NADPH (at FNR) and ADP+Pᵢ→ATP (at ATP synthase) took place on the stroma side.
3. 「① 光の強度」を 100% にすると、ルーメン pH はどう変わりましたか。How did the lumen pH change when "① Light intensity" was set to 100%?→ pH は最初の約 7.2 から 70% で約 6.2、100% で約 6.1 まで下がり、ルーメン H⁺ のアイコンが増えた。電子流入(理論 7.2 e⁻/s)が増え、水の分解とb6fによるH⁺の蓄積が速くなったため。The pH fell from about 7.2 at the start to about 6.2 at 70% and about 6.1 at 100%, and the number of lumen H⁺ icons increased. The electron input rose (theory 7.2 e⁻/s), so H⁺ built up faster from water splitting and b6f.
4. 光の強度を 0% にした後、何がすぐ止まり、何がしばらく続きましたか。After light intensity was set to 0%, what stopped right away and what continued for a while?→ O₂ と NADPH の生成はすぐに減って 0 になったが、ATP の生成はルーメンにたまったH⁺が流れ出る間しばらく続いた。約20秒後には pH が約 6.8 まで戻り、ATP 合成もほぼ止まった。O₂ and NADPH production dropped to zero quickly, but ATP production continued for a while as the stored H⁺ flowed out of the lumen. After about 20 seconds the pH had recovered to about 6.8 and ATP synthesis had almost stopped.

4考えようThink further

1. 光を消してもしばらくATPが作られ続けたのはなぜでしょうか。ATP合成に直接必要なのは何ですか。Why was ATP still made for a while after the light was switched off? What does ATP synthesis directly need?→ ATP合成酵素を回すのは光ではなく、ルーメンとストロマの間のH⁺の濃度差(勾配)だから。光で作られた勾配が残っている間はH⁺がストロマへ流れ戻ってATPが作られ、勾配が小さくなると止まる(化学浸透)。ATP synthase is driven not by light but by the H⁺ concentration difference (gradient) between the lumen and the stroma. While the gradient built by light remains, H⁺ flows back to the stroma and ATP is made; when the gradient becomes small, it stops (chemiosmosis).
2. 植物の葉が緑色に見えることと、このシミュレーションの結果はどう関係していますか。How is the fact that leaves look green related to the results of this simulation?→ 葉緑素は青と赤の光をよく吸収し、緑の光(550 nm 付近)をほとんど吸収しない。吸収されなかった緑の光が反射・透過して目に届くので葉は緑に見える。吸収されない光は電子伝達を動かせないので、緑の光では光合成の速さが小さい。Chlorophyll absorbs blue and red light well and absorbs very little green light (around 550 nm). The unabsorbed green light is reflected or transmitted and reaches our eyes, so leaves look green. Light that is not absorbed cannot drive electron transport, so photosynthesis is slow in green light.

よくある誤解Common misconceptions

• 「光合成で出る酸素は二酸化炭素から来る」という誤解。O₂ はPSIIでの水の分解(2H₂O→O₂+4H⁺+4e⁻)から生じる。"The oxygen released in photosynthesis comes from carbon dioxide." In fact O₂ comes from splitting water at PSII (2H₂O→O₂+4H⁺+4e⁻).
• 「ATPは光のエネルギーで直接作られる」という誤解。光は電子伝達を動かしてH⁺の濃度勾配を作り、ATPはその勾配に従ってH⁺がATP合成酵素を通るときに作られる。"ATP is made directly by light energy." Light drives electron transport, which builds an H⁺ gradient; ATP is made when H⁺ flows down that gradient through ATP synthase.

用語（日本語 / English）Key terms (Japanese / English)