植物はなぜ緑色なの？
― いちばん多く届く光を、使っていません
葉が緑なのは当たり前すぎて、疑問にもなりません。ところが「緑に見える」とは「緑の光を吸わずに、はね返している」ということです。そして太陽から地面に届く光のうち、いちばん多いのが、その緑あたりの光でした。いちばん豊富な資源を、わざわざ捨てていることになります。なぜそうなったのかは、いまも決着していません。
赤いリンゴが赤く見えるのは、リンゴが赤い光をはね返しているからです。ほかの色は吸い込まれて、返ってきません。
つまり目に見えている色は、そのものが「使わなかった」色です。吸った色は、私たちには届きません。
ここで葉を見てみます。葉が緑に見えるということは、緑の光をはね返しているということになります。吸っていない、使っていない、ということです。
植物は光で生きています。その植物が、ある色の光だけを受け取らずに突き返している。しかもそれが、太陽からいちばん多く届いている色でした。
光を吸う色素は赤と青をよく吸います。緑はあまり吸いません。残った緑が目に届くので、葉は緑に見えます。
太陽光を色ごとに分けると、いちばん強いのは緑から黄のあたりです。そこを使っていないことになります。
一見すると、大きな損に思えます。ところが計算してみると、この「もったいない」という前提のほうが、あやしくなってきます。
「もったいない」という前提を、疑ってみます
緑の光を捨てるのは、確かに損に見えます。ただしそれは「光が足りない」ときの話です。
実際の植物はどうでしょうか。晴れた日の真昼に届く光は、多くの陸上植物が使いきれる量の2倍以上とされています。使いきれない分は、受け取っても行き場がありません。
それどころか、強すぎる光は害になります。光を受け取る仕組みは、余った勢いで自分が壊れてしまいます。だから植物は、余分な光をわざわざ熱に変えて捨てる仕組みを持っています。
つまり植物にとって、昼間の光は「足りないもの」ではなく「多すぎて処理に困るもの」だということになります。
そもそも、余っていました。
では何が足りないのか。水と、空気中の二酸化炭素です。植物は二酸化炭素を取り込むために葉の穴を開けますが、そこから水が逃げていきます。乾いた日には、穴を閉じるしかありません。すると光がいくらあっても、材料が入ってきません。
光合成を止めているのは、たいてい光ではなく、水か二酸化炭素です。そう考えると、緑を捨てることの重みは、ずいぶん変わって見えます。
それでも、なぜ「緑」なのか
「余っているから捨ててもよい」は、なぜ捨ててもよいかの説明にはなりますが、なぜ緑を選んで捨てるのかの説明にはなっていません。
ここが、いまも決着していないところです。いくつかの考え方があります。
光の強さは雲や時刻で刻々変わります。山の頂上を使うより、少し外した場所を使うほうが、出力が安定するという説明が提案されています。
先に別の生き物が使っていた波長を避けた、という考えです。ただし、これを裏づける証拠は乏しいとされています。
Aの考え方は、少し意外かもしれません。いちばん多く取れる場所を選ぶより、変動の小さい場所を選ぶ。収穫量ではなく、ばらつきの小ささを優先しているという見方です。
生き物にとって、これは筋の通った戦略だと言えます。ときどき大量に得られるより、いつも同じだけ得られるほうが、体の仕組みを設計しやすいからです。
ただしこれも提案されている説明のひとつで、決まった答えではありません。「なぜ植物は緑か」は、まだ開いている問いです。
「緑は使わない」は、陸の上での事情にすぎません。
水の中では、赤い光が浅いところで吸われてしまい、深くまで届くのは青と緑です。そこで暮らす海藻の中には、緑の光を吸うための別の色素を持つものがあります。だから赤や褐色に見えます。
深い場所の海藻が赤っぽいのは、そこで手に入る光に合わせた結果です。「植物は緑」は、地上という場所での答えのひとつでしかありません。
紅葉のとき、葉が急に赤や黄になるように見えます。実は、新しい色が作られたわけではありません。
黄色の色素はもともと葉の中にあります。ただ、緑の色素が多すぎて隠れていました。寒くなって緑の色素を分解すると、下に隠れていた黄色が現れます。
赤いほうは事情が違い、秋になってから新しく作られるとされています。なぜわざわざ作るのかについては、強い光から葉を守るためという説などがあり、こちらも議論が続いています。
家で確かめられること
- 濃い緑の葉（ホウレンソウなど）を数枚ちぎり、コップに入れて消毒用アルコールを少し注ぐ
- スプーンの背で葉をつぶし、10分ほど置く。液が濃い緑になります
- コーヒーフィルターを細長く切り、下端だけを液に浸して立てる（液に沈めきらない）
- 液が紙をのぼるにつれ、色が分かれます。緑のほかに、黄色っぽい帯が見えるはずです
- その黄色が、秋に葉が黄色くなるときに現れる色素です。夏のあいだも、ずっとそこにありました
4と5がこの観察の要です。「秋に色が作られる」のではなく「隠れていた色が出てくる」ことを、自分の目で確かめられます。アルコールは火気のそばで使わないでください。換気をして、口に入れないこと。大人と一緒に行い、終わったら手を洗ってください。
まとめ
葉が緑に見えるのは、緑の光を吸わずにはね返しているからです。そしてその緑あたりが、太陽からいちばん多く届く光でした。ただし植物にとって光は余っており、足りないのは水と二酸化炭素のほうです。捨てても困りません。それでも「なぜ緑を選んで捨てるのか」には、まだ決まった答えがありません。
当たり前に見えるものほど、
理由を聞かれると答えられないことがあります。
もっと知りたい人へ ― 用語・数値・教科書とのつながり中学理科から研究中の話題まで、どのレベルの話かを明示しています
- 中学中学校の理科で習う範囲
- 高校高校の「生物基礎」「物理基礎」で習う範囲
- 高校＋高校の「生物」、または教科書の発展・コラム扱いの内容
- 大学高校では習わない、大学の専門科目（植物生理学）の内容
- 研究大学でも「定説」として教わらない、いま研究者が調べている最中の話
中学用語：光と葉の言葉
- クロロフィル（葉緑素）：光を受け取る主な色素。赤と青をよく吸い、緑はあまり吸いません。
- 吸収スペクトル：色ごとに、どれだけ吸うかを並べたもの。本文の点線の曲線です。
- 気孔：葉にある小さな穴。二酸化炭素を取り込み、そこから水が出ていきます。
- 光飽和：光をこれ以上強くしても、光合成が増えなくなる状態。
- カロテノイド：黄色〜橙色の色素。夏も葉にありますが、緑に隠れています。
高校式で確かめる：どれだけ「余って」いるのか
本文で「光は余っている」と書きました。数字にすると、余り方の程度がはっきりします。割り算だけで進みます。
損の割合 ＝ 捨てる帯の幅 ÷ 使える帯の幅
| 光合成に使える光の範囲 | およそ 400〜700 nm |
| あまり吸わない帯 | およそ 500〜600 nm |
| 使える範囲の幅 | 700 − 400 ＝ 300 nm |
| 捨てている帯の幅 | 600 − 500 ＝ 100 nm |
| 割合 | 100 ÷ 300 ≒ 0.33（約33%） |
おおよそ3分の1を捨てていることになります。しかも地表の太陽光は、この帯でいちばん強い。数字だけ見れば、確かにもったいない話です。
※ 実際には緑もまったく吸わないわけではなく、吸収が弱いだけです。また葉は厚みがあるので、内部で反射をくり返すうちに一部は吸われます。大きさをつかむための概算です。
植物に届く光の量は、光の粒の数で表されます。単位は細かいので、数の比だけを見てください。
| 晴れた日の真昼に届く量 | およそ 2000 |
| 多くの陸上植物が使いきれる量 | およそ 1000 まで |
| 何倍届いているか | 2000 ÷ 1000 ＝ 2 倍 |
必要量の2倍が届いています。これ以上光が来ても、光合成は増えません。①で「捨てている」とした33%は、この余剰の中に収まってしまいます。
仮に緑もすべて吸えるようになったとして、届く光は増えますが、使いきれる上限は変わりません。余りがさらに増えるだけです。
エネルギーの側から追いかけます。ホタルの記事と同じで、行き先を順に見ていくだけです。
| 晴天時に地表へ届く光 | 約 1000 W/m² |
| そのうち光合成に使える波長 | 約 45% ＝ 1000 × 0.45 ＝ 450 W/m² |
| 実際の作物が化学エネルギーに変える割合 | およそ 1〜2% とされています |
| 実際に蓄えられる分 | 1000 × 0.01 ＝ 10 W/m² |
1000 のうち、残るのは 10。①で問題にした「33%を捨てている」という話は、この大きな取りこぼしの中では、小さな一部にすぎません。
つまり「緑を吸えるようにすれば、はるかに効率がよくなるはずだ」という直感は、成り立ちません。すでに入口で余っているものを、もっと入れても仕方がないからです。
ボトルネックがどこにあるかを先に確かめる。目立つ損失が、本当の制約とは限りません。
※ 変換効率は作物・条件で大きく変わり、理論上の上限はもう少し高いとされています。桁をつかむための計算です。
二酸化炭素を取り込むには、葉の穴を開ける必要があります。ところが同じ穴から、水が出ていきます。
| 空気中の二酸化炭素の割合 | 約 0.04%（400 ppm 程度） |
| 空気中の酸素の割合 | 約 21% |
| 酸素は二酸化炭素の何倍あるか | 21 ÷ 0.04 ＝ 525 倍 |
ほしい気体は、空気の1万分の4しかありません。これだけ薄いものを集めるために、穴を開け続ける必要があります。
そして木が水を吸い上げる話で見たとおり、失った水は根から補うしかありません。乾いた日には、穴を閉じて光合成を止めるほうを選びます。
足りないのは光ではなく、水と二酸化炭素。①〜④を並べると、そう読めます。
高校＋強すぎる光は、装置を壊します
余った光を「そのままにしておく」ことはできません。受け取った勢いが行き場を失うと、周囲の分子を傷つけるものに変わります。光を受け取る仕組み自体が壊れ、修復に手間がかかります。
そこで植物は、余分な光を熱に変えて逃がす仕組みを持っています。晴れた日の葉は、この仕組みを常に働かせています。
ここが重要なところです。植物は、光を取りこぼしているのではなく、意図的に捨てています。そう考えると、緑を吸わないことも「取り逃がし」ではなく「そもそも受け取らない設計」に見えてきます。受け取ってから捨てるより、最初から受け取らないほうが手間がかかりません。
ただし、これも一つの見方です。日陰の植物は光が足りないことがあり、その場合は緑を吸えたほうが有利なはずです。実際、林の下の植物には、光をより広く使う工夫を持つものがあります。「陸上植物は一律に緑」ではありません。
大学「山の頂上を外す」という考え方
2020年に、興味深い説明が提案されました。植物が求めているのは最大の出力ではなく、安定した出力ではないかという見方です。
光の強さは、雲・時刻・葉の重なりで刻々と変わります。スペクトルの山の頂上あたりを使うと、その変動をまともに受けます。ところが山の斜面にあたる2か所（赤側と青側）を使い、その差を利用する形にすると、全体としての変動が打ち消されやすくなります。
この考え方によれば、吸収の谷が緑にあるのは、避けた結果ではなく、両側を使った結果ということになります。
もっとも、これは提案された説明のひとつです。観測とよく合う部分がある一方、すべての植物や藻類を説明できるわけではありません。「決まった答え」として扱わないほうがよい段階です。
研究「なぜ緑か」は、まだ開いた問いです
- 決定的な説明は、まだありません。安定性を優先しているという説、進化の初期条件の名残という説、色素の化学的な制約という説などが並んでいます。どれかが正しいというより、複数が絡んでいる可能性が高いとされています。
- 「先に別の生き物が他の波長を使っていた」という説には、証拠が乏しいとされています。光を使う別の仕組みを持つ微生物が古くから存在するのは事実ですが、それが先だったかどうかを示す証拠は、いまのところ十分ではありません。話としては面白いのですが、確立した説明ではありません。
- 「緑も使える作物」を作る試みが続いています。光の使える範囲を広げれば収量が上がるのではないか、という発想です。ただし②③で見たとおり入口はすでに余っているため、どこに効くのかを見極める必要があります。むしろ、余った光を熱に捨てる切り替えを速くするほうが有効だという報告もあります。
- 光合成の効率の上限そのものも、議論が続いています。理論上の最大と、実際の作物の値には大きな開きがあります。その差のどこまでが改良可能で、どこからが原理的な限界かは、まだはっきりしていません。
地球でいちばん見慣れた色の理由が、まだ説明しきれていません。「当たり前すぎて誰も問わなかったこと」が、問うてみると難問だった。この記事は、そういう例だと思います。
教科書とのつながり（レベル別）
| レベル | 科目・単元 | この記事のどこ |
|---|---|---|
| 中学 | 理科・光合成／光と色 | 見える色は反射した色であること |
| 高校 | 生物基礎・光合成と環境要因 | 光飽和、制限要因が水と二酸化炭素であること |
| 高校 | 物理基礎・光の波長 | 400〜700 nm の帯と、捨てている割合の計算 |
| 高校＋ | 生物・吸収スペクトルと作用スペクトル | 光阻害、余分な光を熱に捨てる仕組み |
| 大学 | 植物生理学・光生物学 | スペクトルの両側を使う説、変換効率 |
| 研究 | 光合成研究（未解決） | なぜ緑か、収量向上の効きどころ |
| ― | 観察 | 色素を分けて見る、紅葉のしくみ |
- Arp, T. B. et al., Quieting a noisy antenna reproduces photosynthetic light-harvesting spectra, Science 368, 2020（安定性を優先するという説）。
- Zhu, X.-G., Long, S. P. & Ort, D. R., What is the maximum efficiency with which photosynthesis can convert solar energy into biomass?, Curr. Opin. Biotechnol. 19, 2008。
- Kromdijk, J. et al., Improving photosynthesis and crop productivity by accelerating recovery from photoprotection, Science 354, 2016。
- Taiz, L. & Zeiger, E., Plant Physiology and Development（植物生理学の標準的な教科書）。
- 日本光合成学会による、光合成に関する一般向け解説。
※ 波長の区分、光の量、変換効率は、植物の種類と環境で大きく変わります。本記事では一般に引用される目安を示しました。
※本記事は一般向けの科学解説です。観察でアルコールを扱う際は、火気を避け、換気をして、必ず大人と一緒に行ってください。掲載した数値は、しくみを理解するための目安です。「なぜ植物が緑か」については、現在も複数の説明が検討されている段階です。