物質の循環と生態系の平衡

Matter Cycling & Ecosystem Stability

エネルギーは太陽から熱へ一方向に流れますが、炭素や窒素などの物質は生物と環境のあいだを循環します。窒素はタンパク質や核酸に不可欠ですが、大気のN₂は細菌の固定なしでは植物が使いづらいです。固定・硝化・同化・脱窒を経て窒素は再び空気に戻ります。キャンバスの窒素循環と分類表で、各段階の役割を確かめてみましょう。

エネルギーは流れ、物質は巡る

♻️ 二つを混同しない

①エネルギー:太陽 → 生産者 → 消費者 → 熱として出て行く(一方向、循環しない)

②物質(炭素・窒素):生物 ↔ 環境の間を絶えず循環

③だからエネルギーは供給され続ける必要があるが、物質は再利用される

窒素循環 — 空気中の窒素が生物へ

🌱 なぜ窒素が重要か?

①窒素はタンパク質・核酸(DNA)の必須成分

②しかし大気の N₂ は安定で大半の生物が直接使えない

③細菌の助け(窒素固定)で土壌中の形に変わって初めて植物が吸収する

窒素循環の四つの過程

窒素循環

四つの核心過程

エネルギーの流れと物質循環の違い

エネルギー vs 物質

Chart流れの向きが違う

区分	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)
再利用	不可 — 供給が必要	可 — 繰り返し使用
最終形態	熱として宇宙へ出る	環境へ戻る

概念を問題で

例題 1 — 窒素循環の過程の区別

土壌中の硝酸イオン(NO₃⁻)が大気中の窒素(N₂)に変わって空気中へ出て行った。この過程の名称と、それを行う生物は何か。

硝酸イオンが大気窒素に戻る過程を探す。

NO₃^- → N₂

この過程は脱窒であり、脱窒素菌が行う。

▸ 脱窒、行う生物 = 脱窒素菌

窒素固定(N₂→NH₄⁺)とは向きが正反対。固定は窒素を生物圏に取り込み、脱窒は大気へ戻す。

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・同化・脱窒 — いずれも細菌が核心的役割

生態系の平衡

食物網が複雑なほど安定性 ↑

平衡 = 種構成・個体数が一定に保たれる状態。撹乱が小さければ自ら回復

修能タイプ改変 (生命科学Ⅰ)

図は生態系における窒素循環の一部を示す。㉠は大気 N₂ → NH₄⁺、㉡は NH₄⁺・NO₃⁻ → 植物タンパク質、㉢は NO₃⁻ → 大気 N₂ の過程である。正しい説明を選べ。

①㉠は脱窒であり植物が直接行う。

②㉡は窒素同化で、植物が無機窒素を吸収して有機物にする。

③㉢が起こると土壌の窒素が増える。

④三つの過程はすべて細菌なしで起こる。

⑤㉠は光合成過程の一部である。

▸ ② ㉡は窒素同化で、植物が無機窒素を吸収して有機物にする。

㉠(N₂→NH₄⁺)は窒素固定で根粒菌などの細菌が行う → ①・④・⑤は誤り。

㉡は植物が NH₄⁺・NO₃⁻ を吸収しタンパク質を合成する窒素同化 → ②が正解。

㉢(NO₃⁻→N₂)は脱窒で土壌窒素が大気へ出るため土壌窒素は減る → ③は誤り。

🎯 試験ポイント

①エネルギー=一方向(循環なし)、物質=循環(あり)

②窒素循環:固定(N₂→NH₄⁺)・硝化(NH₄⁺→NO₃⁻)・同化・脱窒(NO₃⁻→N₂)

③窒素固定は根粒菌・雷、脱窒は脱窒素菌

④炭素循環:光合成(CO₂吸収) ↔ 呼吸・燃焼(CO₂放出)

⑤生態系の平衡:食物網が複雑なほど安定、小さな撹乱は自ら回復