PI曲線

PI (または光合成-放射照度)曲線は、太陽光放射照度と光合成の間の経験的関係をグラフで表したものです。ミカエリス-メンテン曲線から派生したこの曲線は、光強度と光合成速度の間に一般的に正の相関関係があることを示しています。これは、光強度 (放射照度) の関数として光合成速度をプロットしたものです。

PI曲線は陸上および海洋の反応に適用できますが、最も一般的には海洋に生息する植物プランクトンの光合成反応を光強度の変化に対して説明するために使用されます。植物プランクトンは地球全体の炭素固定量の約50％^[1]を占め、海洋食物連鎖の重要な供給源であるため、このツールを使用して生物生産性を概算することが重要です。

科学界では、この曲線は PI、PE、または光応答曲線と呼ばれます。研究者によって好みは異なりますが、文献で使用する場合はいずれも容易に受け入れられます。命名法に関係なく、問題の光合成速度は、単位時間あたりに固定された炭素 (C) で表すことができます。個体によってサイズが異なるため、特定のバイオマスを考慮するために、C 濃度をクロロフィル a (重要な光合成色素) に標準化することも有用です。

1905 年まで遡って、海洋研究者は太陽放射と光合成生産の関係を確立するための標準として使用される方程式の開発に取り組みました。いくつかのグループが比較的成功しましたが、1976 年にノバスコシア州ダートマスのベッドフォード海洋研究所の研究者であるアラン ジャスビーとトレバー プラットが行った比較研究により、PI 曲線の開発方法が確立されました。最もよく使用される 8 つの方程式を評価した後、ジャスビーとプラットは、少なくとも光阻害に達するまでは、PI 曲線は双曲正接関数によって最もよく近似できると主張しました。

双曲線を生成するために一般的に使用される方程式の簡単な導出は 2 つあります。1 つ目は、光合成速度は光強度の増加とともに Pmax に達するまで増加し、その後は最大速度で光合成を継続すると仮定します。

P = P_最大[ I ] / ( KI + [ I ] )

• P = 与えられた光強度における光合成速度
  • 一般的には（mg C m-3 h-1）や（μg C μg Chl-a-1 h-1）などの単位で表記される。
• Pmax = 個体あたりの最大潜在光合成速度
• [I] = 与えられた光の強度
  • 一般的には（μMol photons m-2 s-1）または（Watts m-2 h-1）などの単位で表記される。
• KI = 半飽和定数; 光合成速度が Pmax の 1/2 で進む光強度
  • 単位は[I]で使用される単位を反映します。

Pmax と曲線の初期傾斜 ΔP/ΔI はどちらも種に固有であり、栄養濃度、温度、個体の生理学的能力など、さまざまな要因の影響を受けます。光強度は緯度位置の影響を受け、日ごとおよび季節ごとの変動を受け、個体の全体的な光合成能力にも影響します。これら 3 つのパラメータは予測可能であり、個体群が従うべき一般的な PI 曲線を事前に決定するために使用できます。

グラフからわかるように、2 つの種は、同じ光強度の増分変化に対して異なる反応を示すことがあります。集団 A (青) の初期速度は集団 B (赤) よりも高く、低放射照度での光強度の増加に対する速度変化もより顕著です。したがって、光の利用可能性が低い環境では集団 A が優勢になります。集団 B は光強度の増加に対する光合成反応が遅いものの、Pmax は集団 A よりも高くなっています。これにより、光強度が増すと最終的に集団が優勢になります。集団の成功に影響を与える決定要因は多数あります。PI 曲線を使用して環境変化に対する速度フラックスの予測を引き出すことは、植物プランクトンのブルームのダイナミクスと生態系の安定性を監視するのに役立ちます。

2 番目の方程式は光阻害現象を説明します。海洋の上層数メートルでは、植物プランクトンは細胞内のクロロフィル a 色素を損傷するレベルの照射にさらされ、その結果光合成速度が低下します。応答曲線は、Pmax の達成に必要な光強度よりも強い光強度での光合成速度の低下として光阻害を示します。

${\displaystyle P=P_{\max}(1-e^{-\alpha I/P_{\max}})e^{-\beta I/P_{\max}}\,}$

上記の式に含まれていない項は次のとおりです。

• βI = 光阻害開始時の光強度
• αI = 与えられた光の強度

PI 曲線で表される光合成と放射照度間の双曲線応答は、海洋環境の多くの側面に影響を及ぼす植物プランクトンの個体群動態を評価するために重要です。

• Chalker BE、Dunlap WC、Oliver JK、1983年。オーストラリア、グレートバリアリーフ、デイビスリーフにおける造礁サンゴの水深適応。II.光合成と呼吸の光飽和曲線。J Exp Mar Biol Ecol 73:37–87。
• Lalli CM および Parsons TR、1997 年。『生物海洋学：入門』、第 2 版。Butterworth–Heinemann、オックスフォード。
• Marra J.、Heinemann K.、Landriau G. Jr.、1985年。自然放射にさらされた植物プランクトン培養における光合成の観測値と予測値。Mar. Ecol. 24:43–50。
• ミラーCB、2004年。生物海洋学、ブラックウェル。
• Jasby AD および Platt T.、1976。植物プランクトンの光合成と光の関係の数学的定式化。Limnol. Oceanogr. 21:540–547。
• Platt T. および Jasby, AD, 1976.沿岸海洋植物プランクトンの自然集団における光合成と光の関係。J. Phycol. 12:421–430。

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