窒素固定とは?窒素固定細菌など復習!

窒素は、空気中に8割もあります。

でも実は、空気中の窒素を私たちは吸収できない。
酸素と違って、空気中にあってもダメなんです。

これを使えるのは、窒素固定を出来る生物だけ。

だから人間は、窒素固定が出来る装置まで作りました。
これ、20世紀最大の発明らしいですよ。

 

最近、酸素を人の手で作れるようになった!?って話を聞きました。
光合成を人工的にやる。。

これは、なんかすごい神懸かってる気がしませんか?

でも、窒素固定も光合成と同じくらい凄いんですよ。

 

地球上に窒素固定があるから、私たちは生きている。
そこんとこを含めて、超簡単に復習します。

では、早速いきましょう!

 

窒素固定とは?

 

窒素固定とは?

参考書とかには、だいたいこんな感じで書かれてますよね。

空気中の安定な状態の気体窒素を、反応性の高い窒素化合物に変換すること。

 

化学式はこう。

空中のN2  →  NH4+

あ、そうだった!ってわかった方は素晴らしいです。

でもなぜ?だから何?ってなるのも普通です。

なので、それを復習していきます。

この窒素固定を理解するには、
窒素がどれだけ大切か?を知ると、
すーっと頭に入ってきたりします。

だから、窒素が大切だって話から始めますよ!

 

窒素を意識し始める話

それでは、主役を窒素に移します。

私たち人間も含めて、生物のからだには窒素元素が絶対に必要です。

なぜかというと、
例えば、体をつくっている

  • タンパク質
  • アミノ酸
  • 核酸

などには窒素が含まれてるからです。

そっか、そういえば。

え、地球上に窒素がないと、やばい。

でも、ありがたいことに窒素は空気中に80%もあります。

なんだ、全然大丈夫じゃん!
と思うんですが、残念なお知らせが。

 

地球上のほとんどの生物が、
空気中の窒素をそのまま使えない(T_T)

 

え、吸い込めばよくない?
いえ、呼吸では酸素しか体の中に取り込まれない。
窒素は入ってくるけどそのまま出ていっちゃうんです。

 

では、どうやって窒素を体内にゲットしているのでしょう?

わたしたちは、食物(植物や動物)を食べることで窒素を得ています。
動物はみんなそうですね。

植物はどうでしょう?
植物は、土壌の中から窒素を得てるんですね。

じゃあ、

  • 土壌の中の窒素
  • 空気中の窒素

は違うものなの?

だって、空気中のが吸えないなら土の中のもダメでしょ。

そうなんです。
鋭いですね!

動物が、呼吸しても大気中の窒素を取り込めないように、
植物も、大気中の窒素をそのままでは取り込めません。

 

もしや、ここで登場か?!

 

そうです。
ここで登場するのが窒素固定なんです。

 

窒素固定がありがたくなる話

 

さてさて、

 

生物は、生きるために絶対に窒素が必要なんだけど、
ほとんどの生物は、空気中の窒素をそのまま使えないという話をしました。

どうして空気中の窒素は、そのまま使えないんでしょうか??

 

それはですね、
空気中の窒素が、とても安定している元素だからです。
なので、なかなか他の元素と仲良くくっついたりしてくれません。

仲良くくっついたりしてくれないので、アミノ酸や核酸などが作れないんです。

安定は素晴らしことなんでしょうが、こちらとしては使いづらい。
でも使いたい。

 

だからその窒素元素を、使いやすいように窒素化合物に変換しましょ。
って、これが窒素固定です。

 

冒頭で書いたこれです。

空気中の安定な状態の気体窒素を、反応性の高い窒素化合物に変換すること。

 

いやー、やっと理解できました、窒素固定。

 

ちなみに、窒素化合物とは、
アンモニア、硝酸塩、二酸化窒素などです。

仲良くくっついて、離れて、交換してってやってくれそうな方々ですね。

土壌の中の窒素も、窒素化合物なら、植物も取り込みやすくなります。
ん?でもこの窒素固定ってどうやってやるんですかね??

 

窒素固定はどうやってやるの?といいますと、

  • 自然の方法
  • 人口的な方法

の2通りがあります。

 

なので、先に自然の方法を復習します。

 

窒素固定細菌とは?

 

自然の方法は、菌や細菌がやってくれます。

 

菌や細菌なら、みんな出来るのかと言うと、
窒素固定を出来るのはほんの一部です。

それらをまとめて、窒素固定細菌と呼んでます。

 

種類はどんなのがいるの?

 

窒素固定細菌とは?

といったら、根粒菌が有名なんですけど、聞いたことありますか?

 

この根粒菌は、マメ科の植物との共生とかで紹介されますよね。

 

この場合は、共生っていうくらいですから、メリットある同士が同居してますので。
窒素固定したらまず、マメ科の植物が窒素化合物をゲットします。

 

じゃあ、他の植物は吸収できないじゃないか!と思ったんですけど、
そんなことなくて、ちゃんと残ってました。

詳しくは、根粒菌の記事もご覧ください。

 

ただ、問題があって、
この根粒菌は、マメ科植物と同居した時しか窒素固定をしないんだそうです。

マメ科植物の前でしか、実力を発揮しないとか。。
どんだけー。

 

でもそんな根粒菌の他にも、窒素固定してくれる生物はいらっしゃいます。

この方々は、単独でバリバリ仕事してくれるみたいですよ。
よく紹介されている細菌だとこんな感じです。

<土壌に広ーく生息してくれている細菌>

  • アゾトバクター(好気性なので光合成もします)
  • クロストリジウム(嫌気性なので光合成しません)

<水中に生息してくれている細菌>

  • ネンジュモ

 

ちなみに、
重要なのかわかんないですけど、
窒素固定をする細菌はみんな、原核生物(単細胞の生物)。

ちっちゃいのにすごい能力ですよね。。

さらに余談ですけど、
根粒菌の固定する量は、他の生物と比べて圧倒的に多いんだそうです。
さっき紹介した生物は、常に固定してくれるけど、量は少ない。

なおさら、何でマメ科植物と同居してるときだけ??
って思っちゃうのはわたしだけでしょうか?

少ない量でもしっかり仕事してくれる方々に日々感謝です(笑

 

そんな窒素固定細菌はどんな仕事をしてくれているんでしょう?

 

窒素固定はどうやってるの?

 

どんな仕事をしてるかと言うと、

冒頭で書いたこれです。

空中のN2  →  NH4+

 

ここはもう、化学式なんでささっと行っちゃます。
ごめんなさい。

もう少し詳しく書くとこんな感じ。

空気中の窒素と水素を取り込んで、
ニトロゲナーゼという酵素を使って
アンモニアにします。

でもアンモニアって、大体アンモニウムイオンで存在することが多いので、NH4+

ここで思うのが、
なんだ窒素固定ってニトロゲナーゼがあればできるんだ!
じゃあ、みんなニトロゲナーゼ持って進化すれば良かったのに。って。

そう思ったので調べてみたら、やっぱりそれなりの理由がありました。
このニトロゲナーゼはとにかく酸素に弱い
酸素に触れると数分で機能停止します。
しかも、そこから再生不可能なほど壊れちゃう。

 

なかなか究極ですよね。
酸素を吸わないと生きていけないし、
窒素を吸収しないと生きていけない。

 

だから、この窒素固定できる細菌は、
酸素からニトロゲナーゼを死守してるみたいですよ。
隔離するしくみを持ってるらしいです。
大変そうですよね。
そりゃ、窒素は別で取ればいいからとにかく呼吸!!ってなるかも。

そう考えると、なおさらありがたい!
是非ともじゃんじゃん窒素固定していただきたいですよね。

 

とは言っても、
自然の方法だけでは、今は全然足りません。
なにしろ、作物を作る量が多すぎて。

 

菌や細菌だけでは、窒素固定が間に合いません。
つまり、土壌が窒素不足になっちゃいます。

だから肥料をまくんです。農業は。
わたし、知らなかったー。

 

知ってました?
あれ、窒素固定して作られた窒素もまいてるんです。

 

じゃぁ、肥料はどうやって作るのか??
人工的な方法で窒素固定をして作っています。

だから、この方法が発見されたから、作れる作物が増えて、結果、世界の人口が一気に増えたんですって。

 

人が開発した方法(ハーバー・ボッシュ法)

 

窒素固定によく使われているのが、ハーバー・ボッシュ法です。

ハーバー・ボッシュ法は、ハーバーさんとボッシュさんによって1906年に開発されました。
それからもう100年以上、窒素固定の最前線で活躍されている方法です。
作り方は、ちょっと難しいのでハショります。
でも、原理みたいなのは一緒です。

500℃と1000気圧っていう高温高圧の中で、
窒素と水素からアンモニア(窒素化合物)を作ります。

それも大量に。

 

この方法で、農業の化学肥料を作っています。
他にも、工業の世界でも活躍してるみたいです。

 

ちなみに余談ですけど、
この発見でハーバーさんは「空気からパンを作った男」って言われてるんですって。
何でなんでしょうね??

(詳しくはおいおい書く予定です)

 

この、ハーバー・ボッシュ法は本当にすごい技術ですよね。

そうなんですけど、
アンモニアを作るのに、相当エネルギーを使います。
なんてったって、高温高圧ですから。

 

凄い技術で、
今の世界には絶対必要なんですが、
やっぱり環境問題とかも心配されてるみたいです。

 

そう考えると、
やっぱり窒素固定細菌はすごいエコな生き物なんだなーって思います。
自然の力ってやばい。

 

でも、人間の脳みそも負けてません!
って、全然競ってないですけど。

 

最近、すごいことを研究してる方々がいらっしゃるみたいです。

 

どんな凄い研究かというと、
作物に能力を与えて、
作物が自力で窒素固定できるようになる。。みたいな。

 

例えば、イネが窒素固定もできる!みたいな?
肥料いらないじゃないですか!
いらないってことはないけど間違いなく減るし。

 

そんな未来が来たらすごい!

 

ただ、多分そうとう簡単じゃない。
だって、窒素固定するニトロゲナーゼって酸素があると消えちゃぃすよね?
植物って光合成するからめっちゃ酸素作るし。。

 

いろんな課題が立ちはだかってますけど、是非とも!
応援しています!

 

と、なんだか長くなっちゃいました。

 

長かったのでまとめますね。

 

まとめ

まず、

生物のからだには窒素元素が絶対必要でしたね。

生物のほとんどは、空気中の気体窒素を使えない。
理由は、気体窒素は安定していて反応しにくいから。
でも窒素化合物になれば、反応しやすくなって使えるんでした。

窒素固定とは、

空気中の窒素を、
植物が利用しやすい窒素化合物に変換すること。

 

次に、窒素固定できる生物。

根粒菌、アゾトバクター、クロストリジウム、ネンジュモが有名なんでした。

 

そして、窒素固定の仕組み。

  • ニトロゲナーゼを使って、空気中の窒素と水素からアンモニアを作ること。
  • ハーバー・ボッシュ法などの人工的な方法もある。

 

自然の力って本当にすごいですよね。

 

さて、今回は、窒素固定の復習でした。

でももしかしたら、窒素同化と混乱しちゃってる人がいるかも。

窒素同化もみてみてください。

 

今回の参考文献はこちら

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