今回は、環境内をめぐる「窒素」の循環の様子を学んでいこう。

元素記号Nで表される窒素は、生物にとってなくてはならない元素です。生物や生物以外の環境で、窒素がどのように移り変わっていくのかを知ることは、とても重要です。

大学で生物学を学び、現在は講師としても活動しているオノヅカユウに解説してもらおう。

ライター/小野塚ユウ

生物学を中心に幅広く講義をする理系現役講師。大学時代の長い研究生活で得た知識をもとに日々奮闘中。「楽しくわかりやすい科学の授業」が目標。

窒素循環

高校で学習する生物学では、窒素や炭素などの特定の物質が、生体内や地球環境上をどのようにめぐるのかを学習します。「地球上で窒素(ちっそ)がどのように循環していくのか」=窒素循環(ちっそじゅんかん)を学ぶことは、生物の学習上避けて通ることができません。

全体的な流れをみる前に、まずは窒素という物質が、生体内、土壌中、そして大気中でどのように存在しているのかを確認していきましょう。

生物と窒素

私たち人間をはじめとしたあらゆる生物は、その命をつなぐために必ず窒素を必要とします。なぜならば、窒素原子は”アミノ酸”や”核酸”にふくまれている、重要な構成要素にほかならないからです。

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アミノ酸は、アミノ基とカルボキシ基とよばれる”パーツ”をもった有機化合物の総称です。アミノ基には必ず窒素原子がふくまれています。

そして、このアミノ酸が鎖のように並び、結合してできるのがタンパク質。からだじゅうの筋肉のみならず、体内でおきるさまざまな化学反応(代謝)をすすめる酵素もタンパク質でできています。

核酸の存在も忘れてはいけません。核酸というのは、遺伝情報を担う高分子、DNARNAをまとめて指した言葉です。

核酸はヌクレオチドとよばれる構成単位が集まってできています。一つ一つのヌクレオチドは、「糖・リン酸・塩基」の3つのパーツからなりますが、このうちの「塩基」には必ず窒素が含まれているのです。

AGCT DNA mini.png
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以上からも分かる通り、生物はタンパク質や核酸の”材料”として、生きていくために窒素をからだに取り入れなくてはならないのです。生物学で窒素の循環を学ぶのは必然だといえるでしょう。

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土壌中の窒素

自然界において、動物の排出物や、植物の枯れ枝・枯葉、そして、それらの死骸(遺体)は、分解者とよばれる生物たちのはたらきで分解されます。

そうですね。このとき、生物のからだに存在していた窒素もまた「土にかえる」のです。

窒素をふくんだ有機化合物は分解され、無機化合物であるアンモニア(アンモニウムイオン)になります。アンモニアは中学理科でも登場する、比較的身近な化合物ですが…多くの生物にとって、アンモニアそのものは毒物としてはたらいてしまう物質です。

ありがたいことに、土の中にはアンモニウムイオンを酸化させ、亜硝酸イオンという別のイオンに変える役割をもった細菌、亜硝酸菌がいます。さらに、亜硝酸イオンをさらに酸化して硝酸イオンに変える硝酸菌という細菌もいるのです。

亜硝酸菌や硝酸菌は、それぞれのイオンを酸化する際に得られるエネルギーを利用して、代謝(炭酸固定)をすすめます。それだけでなく、硝酸菌の生み出した硝酸イオンは植物にとって吸収しやすい状態なのです。植物は、土壌中の窒素を、主にこの硝酸イオンの形で利用します。

なお、亜硝酸菌や硝酸菌によって、アンモニアが亜硝酸イオンや硝酸イオンに変えられていく作用のことを「硝化作用」といいます。高校生物ではテストに出題されることもある重要キーワードですので、覚えておくとよいでしょう。

\次のページで「大気中の窒素」を解説!/

image by iStockphoto

さて、硝酸菌によってつくりだされた硝酸イオンなんですが、その一部は細菌のはたらきによって気体の窒素分子となり、大気中へ放出されます。この作用を「脱窒(だっちつ)」といい、硝酸イオンを窒素分子に変化させる細菌は脱窒菌とよばれるのです。

こうして、土壌中に化合物として存在していた窒素は、大気へと移動していくことになります。

大気中の窒素

大気(空気)は、地球上でとくにたくさんの窒素が存在している空間です。大気中に窒素が含まれる割合は約78%。実に8割近くが窒素ガスであることが知られています。

残念ながら、窒素ガス(気体の窒素)は非常に安定で、ほとんどの生物が利用することができません。私たちが空気(大気)を吸っても、それを栄養源として使うことはできないですよね。

しかしながら、ごく一部の細菌(真正細菌や古細菌)はこの窒素ガスをとりこみ、自身の代謝に利用することができるのです。そのような細菌が窒素ガスを取り込むと、代謝の結果、アンモニア(アンモニウムイオン)が生成します。このアンモニアがまた硝化されれば、生物(植物)のからだに入っていくことができますね。

このような、大気中の窒素ガスを代謝に用い、アンモニアなどの化合物に変換することを「窒素固定」といいます。

image by iStockphoto

窒素固定をする細菌には、他の生物と共生関係にあるものがいくつもみられます。代表的なのが、マメ科の植物の根に共生する根粒菌(こんりゅうきん)です。

枝豆やクローバーなどのマメ科の植物を地面から引き抜いてみると、根に小さな丸い塊がいくつも付いているのが確認できます。これを根粒といい、この内部に根粒菌という細菌がすんでいるのです。

昔は田畑にレンゲなどのマメ科の植物を生やし、それを土中に漉き込むことで肥料の代わりにしたりもしていました。

また、生物による窒素固定以外にも、大気中の窒素が土壌中に供給される場合があります。例えば、”落雷”が起きるとき。放電のエネルギーによって窒素ガスが窒素酸化物になり、土壌にもどっていきます。

また、人工的にアンモニアなどを合成し、つくられた肥料も、いまでは重要な窒素の供給源となっているのです。

 

\次のページで「大きな流れを説明できるようにしよう」を解説!/

さて、以上のように「生物の体内」「土壌中」「大気中」ではそれぞれの形で窒素が存在しています。窒素ガスや窒素をふくんだ化合物は、硝化細菌や脱窒菌などのはたらきにより、環境中をめぐりめぐっているのでした。その流れを大きくまとめたのが以下の図です。

image by Study-Z編集部

こうやって見ると、窒素は絶え間なくこの地球上で循環し続けていることが分かりますね。

大きな流れを説明できるようにしよう

窒素循環の流れは、はじめにまとまった図を見てしまうと、とても複雑なものに感じられます。しかしながら、窒素のありかを「生物」「土壌中」「大気中」に大きく分け、その間を埋めるように流れを順番に覚えていけば、それほど難しい話ではありません。全体の流れを大きくとらえ、そこから細かい知識を埋めていくのがオススメです。窒素循環に関連する細菌などの名称もしっかり覚えれば、この分野で困ることはないでしょう。

イラスト使用元:いらすとや

" /> 3分で簡単「窒素の循環」生物から土壌、大気へと循環する?現役講師が流れをサクッとわかりやすく解説します – Study-Z
理科生態系生物

3分で簡単「窒素の循環」生物から土壌、大気へと循環する?現役講師が流れをサクッとわかりやすく解説します

今回は、環境内をめぐる「窒素」の循環の様子を学んでいこう。

元素記号Nで表される窒素は、生物にとってなくてはならない元素です。生物や生物以外の環境で、窒素がどのように移り変わっていくのかを知ることは、とても重要です。

大学で生物学を学び、現在は講師としても活動しているオノヅカユウに解説してもらおう。

ライター/小野塚ユウ

生物学を中心に幅広く講義をする理系現役講師。大学時代の長い研究生活で得た知識をもとに日々奮闘中。「楽しくわかりやすい科学の授業」が目標。

窒素循環

高校で学習する生物学では、窒素や炭素などの特定の物質が、生体内や地球環境上をどのようにめぐるのかを学習します。「地球上で窒素(ちっそ)がどのように循環していくのか」=窒素循環(ちっそじゅんかん)を学ぶことは、生物の学習上避けて通ることができません。

全体的な流れをみる前に、まずは窒素という物質が、生体内、土壌中、そして大気中でどのように存在しているのかを確認していきましょう。

生物と窒素

私たち人間をはじめとしたあらゆる生物は、その命をつなぐために必ず窒素を必要とします。なぜならば、窒素原子は”アミノ酸”や”核酸”にふくまれている、重要な構成要素にほかならないからです。

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GYassineMrabetTalk このW3C-unspecified ベクター画像Inkscapeで作成されました 。投稿者自身による作品, パブリック・ドメイン, リンクによる

アミノ酸は、アミノ基とカルボキシ基とよばれる”パーツ”をもった有機化合物の総称です。アミノ基には必ず窒素原子がふくまれています。

そして、このアミノ酸が鎖のように並び、結合してできるのがタンパク質。からだじゅうの筋肉のみならず、体内でおきるさまざまな化学反応(代謝)をすすめる酵素もタンパク質でできています。

核酸の存在も忘れてはいけません。核酸というのは、遺伝情報を担う高分子、DNARNAをまとめて指した言葉です。

核酸はヌクレオチドとよばれる構成単位が集まってできています。一つ一つのヌクレオチドは、「糖・リン酸・塩基」の3つのパーツからなりますが、このうちの「塩基」には必ず窒素が含まれているのです。

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以上からも分かる通り、生物はタンパク質や核酸の”材料”として、生きていくために窒素をからだに取り入れなくてはならないのです。生物学で窒素の循環を学ぶのは必然だといえるでしょう。

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