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高校1~高校2年生 (15-17歳)

生物基礎 物質の循環と生態系の平衡 わかりやすく

Matter Cycling & Ecosystem Stability

エネルギーは太陽から入って熱として出ていき一方向に流れますが、炭素や窒素のような物質は生物と環境のあいだをめぐります。 窒素はタンパク質や核酸をつくるのに欠かせませんが、空気の 80% 近くを占める N₂ はとても安定していて、ほとんどの生物はそのままでは使えません。 そこで細菌や雷が N₂ を固定し、硝化菌が硝酸イオンに変えると植物が吸収し、脱窒素細菌がふたたび N₂ にもどして、窒素がひとめぐりします。 図では大気・土壌・生物のあいだを行き来する矢印ごとに、どの過程が窒素を運んでいるかを見ることができます。

エネルギーは流れ、物質はめぐる

♻️ 二つを区別する
①エネルギーは太陽 → 生産者 → 消費者と渡るあいだに各段階で熱として出ていき、二度と使われない
②炭素や窒素のような物質は、生物の体と大気・土壌・水のあいだをたえず行き来する
③だから生態系は太陽からエネルギーを受けとり続ける必要があるが、物質は同じ原子をくり返し使う

窒素循環

🌱 窒素が生物にとどくまで
①窒素はタンパク質や核酸（DNA・RNA）の成分である
②大気の N₂ は二つの窒素原子が三重結合でつながっていてとても安定なので、ほとんどの生物は直接使えない
③根粒菌のような窒素固定細菌が N₂ をアンモニウムイオンに変えるか、雷が硝酸イオンをつくってはじめて、植物が吸収できる
④動物は植物を食べて窒素を得て、生物の遺体や排出物の窒素は分解者がアンモニウムイオンにもどす

窒素循環の四つの過程

窒素循環

窒素を運ぶ四つの過程

エネルギーの流れと物質の循環

エネルギー vs 物質

流れの向きがちがう
項目エネルギー物質（炭素・窒素）
向き一方向（太陽 → 熱）循環（生物 ↔ 環境）
再び使われるか使われない：太陽から受けとり続ける必要がある使われる：同じ原子がくり返し使われる
最後に行くところ熱となって生態系の外へ大気・土壌・水にもどる

概念を問題で

例題 1：窒素循環の過程を見分ける
土壌中の硝酸イオン（NO₃⁻）が大気中の窒素（N₂）に変わり、空気中に出ていった。この過程の名前と、この過程を行う生物は何か。
1
硝酸イオンが大気の窒素にもどる過程をさがす。
NO3- → N2
2
この過程は脱窒で、脱窒素細菌が行う。
▸ 脱窒、脱窒素細菌
窒素固定（N₂ → NH₄⁺）とは向きがちょうど逆である。図では固定の矢印は大気から土壌へ下り、脱窒の矢印は土壌から大気へ上る。固定は窒素を生物の世界にとり入れ、脱窒は大気へもどす。

総まとめ

窒素循環の流れ
N2 →(固定)→ NH4+ →(硝化)→ NO3- →(同化)→ タンパク質, NO3- →(脱窒)→ N2
固定・硝化・脱窒は細菌が行い、同化は植物が行う
生態系のバランス
食物網が複雑なほど生態系は安定する
生態系のバランスとは、生物の種類と個体数、物質の量がほぼ一定に保たれている状態である。小さなかく乱は食う・食われるの関係を通じて自然にもとにもどる
韓国修能 生命科学Ⅰ 類題
図は生態系で起こる窒素循環の一部を表したものである。㉠は大気の N₂ → NH₄⁺、㉡は NH₄⁺・NO₃⁻ → 植物のタンパク質、㉢は NO₃⁻ → 大気の N₂ の過程である。これについて正しい説明を選べ。
①㉠は脱窒で、植物が直接行う。
②㉡は窒素同化で、植物が無機窒素を吸収して有機物をつくる。
③㉢が起こると土壌の窒素がふえる。
④三つの過程はどれも細菌なしで起こる。
⑤㉠は光合成の過程の一部である。
▸ ② ㉡は窒素同化で、植物が無機窒素を吸収して有機物をつくる。
1
㉠（N₂ → NH₄⁺）は窒素固定で、根粒菌などの細菌が行う。植物が直接行うのではなく光合成とも関係ないので、①・④・⑤は誤りである。
2
㉡は植物が NH₄⁺ や NO₃⁻ を吸収してタンパク質をつくる窒素同化なので、②が正しい。
3
㉢（NO₃⁻ → N₂）は脱窒で、土壌の窒素が大気へ出ていくので土壌の窒素は減る。よって③も誤りである。
🎯 試験ポイント
①エネルギーは一方向に流れて循環しないが、物質は循環する
②窒素循環は、固定（N₂ → NH₄⁺）、硝化（NH₄⁺ → NO₃⁻）、同化（植物が吸収してタンパク質を合成）、脱窒（NO₃⁻ → N₂）と続く
③窒素固定は根粒菌などの細菌と雷が行い、脱窒は脱窒素細菌が行う
④炭素は光合成で大気から生物に入り、呼吸と燃焼で大気にもどる
⑤食物網が複雑なほど生態系は安定し、小さなかく乱は自然にもとにもどる
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