植物の呼吸とは、植物細胞がグルコースなどの有機分子からエネルギーを取り出し、その一部をATPとして蓄える過程です。植物は夜だけでなく常に呼吸しています。なぜなら、根・茎・葉・花・種子にある生きた細胞は、どれも絶えずエネルギーを必要としているからです。
好気的条件では、全体としてよく使われる式は次のとおりです。
この式は、全体の入力と出力をまとめたものにすぎません。呼吸は酵素によって制御された多くの段階を経て進み、光合成が同時に起こっているときでも続いています。
植物の呼吸が実際に意味すること
植物細胞は、能動輸送、成長、組織の修復、新しい分子の合成、師部への糖の積み込みなどの過程を進めるためにATPを必要とします。光合成で作られた糖には化学エネルギーが蓄えられていますが、細胞がそれを利用するには、まずそのエネルギーを制御された形で取り出さなければなりません。
呼吸はその問題を解決します。エネルギーの放出を小さな段階に分けることで、細胞はエネルギーを一度に熱として失うのではなく、その一部をATPとして回収できます。
植物の呼吸が起こる場所
呼吸は、根・茎・葉・花・発達中の種子を含む、植物全体の生きた細胞で起こります。真核生物である植物細胞では、解糖系は細胞質で始まり、その後の好気的な段階の多くは主にミトコンドリアで進みます。
そのため、光合成をしない根でも呼吸は起こります。また、植物が昼も夜も呼吸を続ける理由でもあります。
植物の呼吸と光合成の違い
光合成と呼吸は関係していますが、単純に逆向きの同じ過程ではありません。光合成は光エネルギーを使って、エネルギーに富む有機分子を作ります。呼吸はそれらの分子から利用可能なエネルギーを取り出し、細胞が仕事をできるようにします。
昼間の緑色の葉では、この2つの過程が同時に起こることがあります。もし光合成の速さが呼吸を上回れば、植物は見かけ上、 を正味で吸収し、 を正味で放出しているように見えます。だからといって呼吸が止まったわけではありません。その時点では、正味の効果として光合成のほうが大きいという意味です。
例題：なぜ根に酸素が必要なのか
大雨の後で土壌が水浸しになった場面を考えてみましょう。根の細胞は、無機イオンを吸収し、細胞内の状態を保つために、やはりATPを必要としています。しかし、土のすき間が水で満たされると、根まで拡散できる酸素は大きく減ってしまいます。
利用できる酸素が少なくなると、好気呼吸は制限されます。すると根の細胞は、空気を十分に含んだ土壌にあるときほど効率よくATPを作れなくなります。イオンの取り込みや根のはたらきが弱まり、根の周囲に水があっても植物全体がしおれ始めることがあります。
この例が示す重要な点は、植物の呼吸は食物を作ることではないということです。蓄えられた食物から利用可能なエネルギーを作ることが目的であり、酸素の供給量はその過程に強く影響します。
植物の呼吸についてのよくある間違い
間違い1：植物は夜だけ呼吸すると考えること
植物は常に呼吸しています。夜は光がないため通常は光合成が止まりますが、呼吸は続いています。
間違い2：呼吸と気体交換を混同すること
植物はたしかに気体交換を行いますが、呼吸そのものは細胞内で起こる代謝過程です。気体交換は呼吸を支えるものであって、呼吸そのものではありません。
間違い3：呼吸するのは葉だけだと思うこと
生きている植物組織はすべて呼吸します。根、果実、種子、成長中の芽や茎もすべてATPを必要とします。
間違い4：光合成と呼吸を完全に正反対のものとして扱うこと
全体の反応式は関連して見えますが、経路、細胞小器官、酵素、生物学的な役割は異なります。
植物の呼吸が重要になる場面
植物の呼吸は、植物生理学、作物科学、貯蔵生物学、生態学で重要です。根に酸素が必要な理由、収穫後の果実がなぜ変化し続けるのか、発芽中の種子がなぜ貯蔵養分を消費するのか、そして温度がなぜ植物の代謝に影響するのかを説明するのに役立ちます。
特に、植物におけるエネルギーの貯蔵と利用の違いを理解したいときに有用です。
関連する比較をしてみよう
次に、植物の呼吸を光合成と比べてみましょう。2つを並べて見ると、植物が何を蓄え、何を使い、なぜ両方の過程が重要なのかをずっと覚えやすくなります。