＜参考: 形成学 畝山 寿之＞
１喧嘩はするな、
２意地悪はするな、
３過去をくよくよするな、
４先を見通して暮らせよ、
５困っている人を助けよ、
あなたなら出来ます応援しています
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光合成という奇跡
太陽を食べた文明：第１話
光合成という奇跡
地球には膨大な太陽エネルギーが
降り注いでいます。
しかし、
エネルギーが存在しているという事実と、
それが生命によって利用されるということの間には、
大きな隔たりがあるのは紛れもない真実です。
エネルギーは、
そのままでは秩序を生み出しません。
むしろ放置すれば、熱として拡散し、
やがて均一化へと向かいます。
これは高校で学ぶブラウン運動のような
現象に象徴されています。
生命はエネルギーを使って無秩序と戦う。
そのエネルギーは太陽がもたらしてくれていたのだ。
生命とは、
このようなエネルギーの拡散という流れに抗い、
エネルギーを利用して秩序を維持し続ける存在です。
では、その第一歩はどこにあったのでしょうか。
その始まりは、
「外」と「内」を区別することを可能にした、
脂質膜の誕生にあると言われています。
そして、ブラウン運動に象徴される
無秩序の方向に逆らい、
秩序を維持するためには、
エネルギーを生み出す仕組みが必要です。
進化の初期に光エネルギーを生物が
利用可能な形に変換するために進化した装置、
それが光合成です。
ブラウン運動とは
1827年、イギリスの植物学者ロバート・ブラウンは、花粉を水中に入れて顕微鏡で観察していたところ、花粉から放出された微粒子が絶えず細かく不規則に動いていることに気づいた。当初、ブラウンはそれが生物であるため自ら動いているのだと考えていたようだ。しかし、その後、石の粉のような生命を持たない物質でも同様の運動が起こることを発見したのだった。ブラウンはこの運動の原因を解明することはできなかったが、この現象は発見者の名前にちなみ「ブラウン運動」と呼ばれるようになった。
1905年に、アルベルト・アインシュタインが、このブラウン運動の原因を微粒子の周囲に存在する気体や液体の分子運動にあると考え、数学的に解析した。アインシュタインは同年に「ブラウン運動の理論」「光電効果の理論」「特殊相対性理論」という三つの革命的な論文を発表している。さらに1908年に、フランスのジャン・ペランがブラウン運動を実験的に観測し、アインシュタインの理論が正しいことを証明した。
ブラウン運動の発見から実証までには
約一世紀と３人の科学者の誕生を必要とした。
地球の初期、約40億年前には、
すでに生命が存在していたと考えられています。
しかし、それらは現在のように太陽エネルギーを
直接利用するものではありませんでした。
地球内部に由来する化学エネルギーや、
チムニーと呼ばれる熱水噴出孔の周辺に存在する
無機物を利用して生きる、
当然ですが、
この段階では生命が利用できるエネルギー供給は
極めて限定的となります。
エネルギー源は局所的であり、
空間的な広がりを持たず、生物圏そのものもまた、
限られた規模にとどまっていたと考えられます。
チムニーとは煙突を意味する英語に由来する言葉であり、金属と硫化水素に富む黒色の熱水（ブラックスモーカー）が深海底から噴出する場所を指す。この熱水が噴き出す際、同心円状に金属硫化物が沈殿し、やがて固体構造として成長したものがチムニー。
東京大学の研究チームは、チムニー内部には極小の生物が現在も存在していることを確認した。
生物が利用可能なエネルギーが地球上で
初めて誕生したのは海の底だった。
そう、チムニーだ。
そこに、
決定的な変化が起こります。
持つ生命が現れたのです。
最初期の光利用は、
現在私たちが知っている光合成とは異なり、
より単純な仕組みだったと考えられています。
それは約37億年前の出来事です。
この段階では、
鉄を酸化してエネルギーを得る
「酸素を発生しない光合成」が誕生しました。
しかし、その後の進化の過程において、
約25億年前になると、
水と二酸化炭素から有機物を合成し、
同時に酸素を放出するという、
より高度な仕組みが成立します。
これが、現在の植物や藻類、
シアノバクテリアが行っている
「酸素を発生する光合成」です。
この出来事は、
単なる生物学的な進化にとどまることなく、
地球の環境そのものを変えてしまう、
惑星規模の転換を引き起こすことになります。
２５億年間に太陽光のエネルギーを使って、
水と二酸化炭素から有機物を合成し、
同時に酸素を放出するという「酸素発生型光合成」が誕生した。
この出来事はその後の地球上の生態系の在り方を決定した。
光合成によって生み出された有機物は、
エネルギーを「蓄える」ことを可能にしました。
太陽の光は瞬間的なものであり、
そのままでは保存することができません。
しかし、
太陽エネルギーを有機物という形に変換することで、
エネルギーは時間を超えて利用可能な
資源となったのです。
これは、人類が貨幣を発明し、
価値を時間を超えて保存し、
富として蓄積できるようになったことにも似ています。
この変化は、
生命にとっても極めて革命的な意味を持っていました。
さらに重要なのは、
このエネルギーの保存過程において、
副産物として酸素が放出されるようになったことです。
当初、酸素は生命にとって有害な物質でした。
多くの初期生命は酸素の存在しない
環境で進化していたため、
酸化力の強い酸素はむしろ毒でした。
現代の機能性食品市場においても
抗酸化物質がたびたび取り上げられるのも
元をたどれば酸素との戦いのためです。
しかし、
地球規模で光合成が進行するにつれて、
大気中の酸素濃度は徐々に上昇し、
その環境に適応する生物が現れるようになります。
そしてやがて、
酸素を利用して効率的にエネルギーを取り出す
「呼吸」という仕組みが進化します。
最初の呼吸生物は、
光合成細菌（シアノバクテリアなど）が放出した
酸素を利用し始めた好気性細菌で
あったと考えられています。
この好気性細菌が、
私たちの細胞内に存在するエネルギー
産生装置であるミトコンドリアへと進化したという、
マーギュリスの細胞内共生説はよく知られています。
マーギュリスの細胞内共生説
ミトコンドリアは酸素を利用することで、
無酸素環境で進化した解糖系と比較して、
少なくとも約19倍ものエネルギー分子（ATP）を
生み出すことができます。
この変化は、
エネルギーの生産と利用効率を飛躍的に高めました。
この酸素呼吸によって、
同じ有機物からより多くのエネルギーを
取り出すことが可能になった結果、
生物はより複雑な構造を持ち、
より活発に活動できるようになりました。
ミトコンドリアの少ない白筋はミトコンドリアの
多い赤筋は瞬発力が高かったことを
思い出してください（筋肉の歴史）。
多細胞生物の出現、運動能力の向上、
そして感覚器官の発達
これらはすべて、
エネルギーの生産と利用効率の向上と
深く関係しています。
つまり、光合成とは単に「食料」を生み出す
仕組みにとどまることなく、
それは、生命の進化の方向そのものを決定づけた、
生物にとって根源的なイノベーションだったのです。
このように考えていくと、
「生命とは太陽エネルギーの翻訳装置だ」
とも言えそうです。
太陽の光は、
そのままでは生物にとって
利用しやすい形ではありません。
波長、強度、持続時間のいずれもが、
生物の活動に直接適した状態とは言えないのです。
光合成とは、植物や藻類、シアノバクテリアの
葉緑体が太陽光エネルギーを利用し、
二酸化炭素と水から炭水化物（デンプンや糖）
などの有機物と酸素を生み出す仕組みです。
これらの有機物は、
生物が利用可能な形へと「翻訳」された
エネルギーそのものです。
この葉緑体という翻訳装置を持つ植物は、
太陽エネルギーを化学エネルギーへと変換する
「一次生産者」となったのです。
そして動物は、
その翻訳されたエネルギーを利用する
「二次的存在」として生存できるようになりました。
生命とは太陽エネルギーの翻訳装置だ。
この翻訳さえr多エネルギー伝達の流れが
生態系を作っていった。
この関係は、
地球上のあらゆる生態系に共通しており、
もちろん私たち人間も例外ではありません。
私たちは太陽の光を直接エネルギーとして
利用することはできません。
しかし、植物を食べ、
あるいは植物を食べた動物を食べることで、
間接的に太陽エネルギーを体内に取り込んでいます。
私たちの身体を動かしているエネルギーは、
もともとは光として地球に届いた贈り物なのです。
この事実はあまりにも当たり前であるがゆえに、
普段はほとんど意識されることがありません。
しかし、ここで一度立ち止まって考えてみると、
驚くべき自然の摂理が見えてきます。
私たちは太陽の光を食べている。
私たちは、
太陽の光を「食べている」
私たちは、太陽の光を「食べている」のです。
米や小麦、野菜、果物、肉、魚――これらはすべて、
光合成を通じて太陽エネルギーを蓄えた存在です。
さらに言えば、
石炭や石油といった化石燃料もまた、
過去の光合成の産物です。
人類は現在の太陽だけでなく、
過去の太陽までも食べ、
燃やし、利用してきたのです。
光合成は、このすべての出発点でした。
もし光合成が存在しなければ、
地球上に豊かな生態系は成立していなかったでしょう。
酸素も蓄積されず、
高度な生命も生まれなかったはずです。
もちろん、人類も存在しなかったでしょう。
あるいは、
まったく異なる原理に基づく生命体系
例えばSF作品に描かれるような
非有機物生命体のような存在が発達していた
可能性すら考えられます。
光合成とは単なる生物の機能ではなく、
文明の前提条件そのものであったとも言えそうです。
さらに重要なのは、
光合成が持つ「制約」そのものが、
文明の前提条件の一部であったという可能性です。
光合成の効率は決して高いとは言えません。
地表に到達する太陽エネルギーのうち、
実際に有機物として固定されるのはごくわずかです。
この低い効率が、
生態系全体で利用可能なエネルギー量を制限しています。
すなわち、
地球上で利用できるエネルギーの総量は、
光合成の能力によって大きく制約されているのです。
この制約は、
その後の文明の誕生において重要な意味を持ちます。
農業とは、
この光合成の効率をいかに高めるかという
人類の挑戦であり、
化石燃料の利用は、
この制約を一時的に突破する手段でした。
しかし、
その根底には常に光合成という基盤が存在していました。
私たちは、
光合成が創り出した世界の中で生きています。
そしてその世界は、
太陽と生命が結びつくことで成立しているのです。
光合成は、
地球を根本から変えた出来事でした。
それはエネルギーの流れを変え、
物質の循環を変え、
生命の進化の方向を決定づけました。
そしてその影響は、数十億年の時間を経て、
人類の文明にまで及んでいます。
こんなことに思いをはせると、
現在の地球規模で進んでいる
森林伐採は生物にとって、
そして地球にとっていかに
危惧すべきことであるか考えさせられます。
私たちは、光合成が創り出した世界の中で生きている。
そしてその世界は、
太陽と生命が結びつくことで成立している。
深掘：人類はエネルギーを「外部化」した
— 光合成と太陽光発電にみる
エネルギー保存の本質 —
地球に降り注ぐ太陽エネルギーは、
約1.7×10¹⁷ワットという膨大な規模に達しています。
この莫大なエネルギーの大部分は地表や
大気で吸収されたのち、
最終的には熱として宇宙へ再放射されていきます。
しかし、そのごく一部を取り込み、
秩序ある構造へと変換し続けてきた特異な
システムが地球上には存在します。
それが生命であり、
とりわけ植物が担う光合成です。
一方で人類は、
この同じ太陽エネルギーを利用するために、
太陽光発電というまったく異なる
技術体系を構築してきました。
両者は同じ「光」を出発点としながらも、
エネルギーの変換と保存の方法において
本質的に異なる戦略を採用しています。
この差異を理解することは、
生命と文明の構造的な違い、
すなわち「内在化」と「外部化」という対照的な
進化の方向性を読み解く上で極めて重要です。
光合成は、物理学と化学、
さらには生物学が高度に統合された精緻なプロセスです。
植物の葉緑体に存在するチラコイド膜上では、
クロロフィル分子が可視光の光子を吸収し、
そのエネルギーによって電子が励起状態へと遷移します。
この励起電子は、
精密に配置されたタンパク質複合体からなる
電子伝達系を順次移動していきます。
その過程で水分子が分解され、
酸素が副産物として放出されると同時に、
プロトン（H⁺）の濃度勾配が形成されます。
このプロトン勾配は、
ATP合成酵素によって利用され、
エネルギー通貨であるATPの生成へと結びつきます。
また、電子は最終的にNADP⁺へと受け渡され、
還元型補酵素であるNADPHが生成されます。
ここまでの一連の反応において、
光エネルギーは一時的に化学エネルギーへと
変換・保持されますが、
これはあくまで中間的なエネルギー形態にすぎません。
続くカルビン回路では、
これらのATPとNADPHが利用され、
大気中の二酸化炭素が固定されます。
炭素原子は段階的に還元され、
最終的にグルコースをはじめとする
有機分子へと変換されていきます。
この過程においてエネルギーは、
C–C結合やC–H結合といった化学結合の形で
安定に封じ込められます。
すなわち光合成とは、
単に光エネルギーを利用する仕組みではなく、
それを「物質として固定し、
保存する」プロセスに他なりません。
このようにして生成された有機物は、
植物自身の構造を形成するだけでなく、
食物連鎖を通じて他の生物へと受け渡されていきます。
さらにその一部は地中に埋没し、
数千万年という時間スケールを経て
石炭や石油といった化石燃料へと転換される場合もあります。
すなわち光合成におけるエネルギー保存は、
空間的にも時間的にも極めて安定であり、
地球規模の生態系と文明の基盤を形成してきたのです。
葉緑体というエネルギー生産・変換装置
これに対して、
人類が最初に実現した太陽エネルギーの「外部化」は、
電気というエネルギー形態への転換によって達成されました。
すなわち太陽光発電です。
太陽光発電は、光合成とは根本的に異なり、
固体物理学に基づく原理によって動作します。
半導体材料に光子が入射し、
そのエネルギーが材料固有のバンドギャップを上回ると、
電子は価電子帯から伝導帯へと励起されます。
このとき、
電子が抜けた後には正孔（ホール）が生じ、
電子と正孔の対が形成されます。
半導体内部に形成されたpn接合には、
あらかじめ内部電場が存在しており、
この電場が電子と正孔を空間的に分離します。
電子はn型半導体側へ、
正孔はp型半導体側へと移動し、
この電荷分離によって電位差が生じます。
外部回路を接続すると、
この電位差により電子が流れ、
電流として取り出されます。
すなわち太陽光発電とは、
光エネルギーを直接的に電気エネルギーへと
変換するプロセスであり、
その本質は電子の位置エネルギー、
すなわち電位差としてのエネルギーの創出にあります。
しかし、
この電気エネルギーには決定的な特徴があります。
それは本質的に流動的であり、
発生と同時に消費される性質を持つという点です。
電気はそのままの形では長期的に
安定して保存することが難しく、
時間的な蓄積には適していません。
したがって人類は、
この制約を克服するために、
電気エネルギーを別の形へと変換して
蓄える技術を必要としました。
その解として生み出されたのが、
バッテリー（蓄電池）です。
バッテリーは電気エネルギーを
化学エネルギーへと再変換し、
外部装置として保持することで、
時間的な断絶を乗り越える役割を果たします。
ここにおいて初めて、
人類は「発電」と「蓄電」という二つの機能を
分離しつつ連結することで、
エネルギーを自在に扱う体系を構築しました。
生物は、光合成や代謝といった仕組みによって、
エネルギーの変換と保存を一体化したシステムとして
自らの内部に内包しています。
一方で人類は、
それらを外部装置として分離し、
発電所や電力網、バッテリーといった形で
社会全体に分散配置してきました。
言い換えれば、
生物が「内在化されたエネルギーシステム」であるのに対し、
人類文明は「外部化されたエネルギーシステム」
によって成立しているのです。
この外部化こそが、
人類がエネルギーの時間的・空間的制約から解放され、
文明を拡張し続けることを可能にした
根源的な戦略であると言えるでしょう。
自然と人類はエネルギーを異なった方法で
利用するシステムを構築した。
最新の太陽電池 ―
ペロブスカイト太陽電池
人類はエネルギーの変換と保存を
「身体の外」に切り出すことで、
時間的・空間的な制約を乗り越えてきました。
発電と蓄電の分離、電力網による広域的な分配、
そしてバッテリーによる時間の制御
これらはすべて、
エネルギーの外部化を前提とした文明の設計思想です。
しかし現在、
その外部化のあり方そのものが、
さらに進化しようとしています。
単にエネルギーを外に取り出すだけでなく、
それを空間全体へと拡張し、
環境の中に溶け込ませるような新しい
段階へと移行しつつあるのです。
その最前線に位置するのが、
次世代の太陽電池技術、
即ち、ペロブスカイト太陽電池です。
このエネルギーの外部化技術の革新は、
日本政府が推進する重点技術領域の一つでもあります。
ペロブスカイト材料は、
ABX₃型と呼ばれる結晶構造を持ち、
光吸収および電荷分離の効率において
極めて優れた特性を示します。
この材料では、
光子の吸収によって生成された励起状態が
比較的長い拡散長を持ち、
効率的に電荷分離へと至るため、
非常に薄い膜であっても高効率な
エネルギー変換が可能となります。
さらに重要なのは、
その製造プロセスです。
溶液プロセスによる低温製造が可能であり、
柔軟な基板にも形成できるため、
従来のシリコン太陽電池とは異なり、
軽量で可変的な形状への応用が期待されています。
この工学的特性は、
エネルギー利用の「配置」そのものを変える
可能性を切り開きました。
従来の太陽光発電は、
大規模な発電所や屋根上のパネルといった、
比較的限定された場所に設置されるものでした。
しかしペロブスカイト太陽電池は、
建物の壁面や窓、
さらには衣服や携帯機器といった日常空間そのものに
組み込むことが可能です。
つまり、エネルギー生成が特定の装置に
閉じ込められるのではなく、
環境全体へと分散されるようになるのです。
エネルギーを電気として外部化するという点では
従来の太陽光発電と同じですが、
その空間的な広がりはむしろ生物に近づいています。
植物が葉を広げて光を受け取るように、
人間の生活空間そのものが光を受け取る
媒体へと変化していくのです。
言い換えれば、
ペロブスカイト太陽電池は
「外部化されたエネルギーを、
再び社会という
巨大な生物＝環境の中に内在化させる技術」
と捉えることができます。
もちろん、
エネルギーの保存という観点では依然として
課題が残されています。
ペロブスカイト太陽電池自体は電気を生成する装置であり、
長期的なエネルギー保存は
引き続きバッテリーなどの外部システムに依存しています。
また、耐久性や材料の安定性といった
問題も完全には解決されていません。
それでもなお、
この技術がもたらす
「エネルギー利用の空間構造の変革」は
極めて大きな意味を持ちます。
現在、
日本ではパナソニックや積水化学工業などが
実証研究を進めており、
その成果は、
エネルギー外部化の次なる進化段階を
切り開くものとして大いに期待されています。
いま注目されているペロブスカイト太陽光電池
太陽光エネルギーの
外部化の終着点
私たちは、
電気をつくり、ためることで文明を築いてきました。
発電機は回転エネルギーを電気へと変換し、
蓄電池はそれを時間を超えて保存します。
この二つの技術の組み合わせによって、
人類はエネルギーの時間的・空間的制約から
大きく解放されてきました。
そして現代においては、
太陽光を直接電気エネルギーへと
変換する手段までも手に入れています。
生命は光合成によって太陽エネルギーの
変換・保存・利用を一体化した高度な
統合システムを実現してきました。
一方、人類はそれらを発電・蓄電・分配として外部化し、
時間的・空間的制約を克服することで
文明を発展させてきました。
しかし現在、
太陽光発電や蓄電技術の進化、
とりわけペロブスカイト太陽電池のような
分散型技術の登場により、
エネルギーは再び空間へと広がり、
環境と一体化する方向へと向かいつつあります。
これは、
分離された機能が再統合へと進む兆しとも言えます。
今後のエネルギーシステムは、
都市や社会そのものが一つの生命体のように振る舞う
「動的な循環系」へと進化していくでしょう。
人類は今、
エネルギーの外部化から再統合へという
新たな段階に立っています。
エネルギー外部化の歴史（年表）
18世紀 ― 電気を「ためる」技術の萌芽
•1745年頃：ライデン瓶の発明
※電気を一時的に蓄えることが可能となり、「電気は保存できる」という概念が誕生
19世紀初頭 ― 電気を「つくる」技術の誕生
•1831年：マイケル・ファラデーが電磁誘導を発見※磁場の変化から電流が生まれる原理が確立され、人類は初めて電気を生成可能に
19世紀後半 ― 電力システムの確立
•ダイナモ（発電機）の発明・改良
•交流送電システムの確立
※水力・火力など多様なエネルギー源が「回転運動」を経て電気に変換される仕組みが確立し、電気が社会インフラへと進化。
19世紀後半 ― 蓄電池の実用化
•1859年：鉛蓄電池の発明※電気エネルギーの実用的な保存が可能に
20世紀 ― エネルギーの大規模外部化
•火力・水力・原子力発電の普及※あらゆるエネルギーが「電気」という共通言語に変換される社会へ
20世紀後半 ― モバイル社会の基盤形成
•1991年：ソニーがリチウムイオン電池を商用化
※小型・高性能な蓄電が可能となり、モバイル機器・情報社会を支える基盤に
現代 ― エネルギーの時間的自由の確立
•発電と消費の同時性が不要に
•エネルギーは「必要なときに使える資源」へと転換発電機と蓄電池の組み合わせにより、エネルギーは「いつでも・どこでも使える存在」へと進化した。すなわち、人類はエネルギーを空間と時間の制約から解放することに成功したのである。
エネルギー外部化の歴史
＜参考: 形成学 畝山 寿之＞