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高校生物炭素と窒素の循環—物質の形を追ってエネルギーの流れと区別する｜武蔵野個別指導塾

公開 2026.11.13更新 2026.11.13武蔵野個別指導塾の特徴生物を掘り下げる生態と進化

硝酸の行方と収支をたどれば、固定と同化を経て窒素が巡る。

よくあるのは、高校生が植物の根による硝酸イオンの吸収を窒素固定と呼び、空気中の窒素からアンモニアができる過程を窒素同化と呼んでしまう場面です。どちらも生物の体に入る窒素に関わりますが、矢印の出発点と到着点が違います。物質の名前と移動先を図に書き込み、その変化をたどってみましょう。

どこを見て問題を分けるか

物質循環の問題には、まず物質の形と変化の名前を対応させる型があります。大気中の窒素分子 N₂ と土壌中の硝酸イオン NO₃⁻ を区別し、矢印がどちらから出てどこに入るかを見ます。生物の名前だけを覚えても、固定と同化を取り違えると経路が逆になってしまいます。

次に、一定の範囲と期間について、入った元素の量、出た量、蓄えの変化を計算する型があります。炭素の質量を数える表と、有機物全体の乾燥質量を数える表は異なります。同じ g でも中身が違えば加減できません。範囲の境界を決め、内部での移動と境界を越える移動を分けることが必要です。

さらに、物質とエネルギーの行き先を説明する型があります。呼吸で炭素は CO₂ として環境へ移る一方、利用されたエネルギーは熱として環境へ散逸します。炭素が再び光合成に使われることから、同じエネルギーも元の形に戻ると結論してはいけません。

矢印の両端にある物質

図1のように、炭素は大気中の CO₂ と植物や動物の有機物の間を移り、死がいや排出物を通る経路もあります。矢印は炭素を含む物質の移動や形の変化を表す模式図で、矢印の太さは量を示しません。実際には図に示した経路以外にも移動や蓄積があります。

光合成では植物などが CO₂ 中の炭素を有機物に取り込みます。植物を食べた動物には有機物の一部が移り、植物、動物、分解者の呼吸では有機物中の炭素の一部が CO₂ として戻ります。枯れた葉や死がいは分解者に利用され、分解の過程を経て炭素が無機物の形に戻ります。分解は一瞬で完了するわけではなく、残った有機物が土壌などに蓄積することもあります。

窒素はタンパク質や核酸などを構成する元素です。大気の N₂ は豊富ですが、植物は一般に N₂ をそのまま使って窒素を含む有機物をつくれません。窒素固定は、一部の細菌などが N₂ をアンモニアなどの利用可能な窒素化合物に変える過程です。マメ科植物の根に共生する根粒菌もその例で、植物自身が直接 N₂ を固定していると書かないようにします。

土壌中のアンモニウムイオン NH₄⁺ は、硝化を行う微生物の働きで亜硝酸イオン NO₂⁻ を経て硝酸イオン NO₃⁻ へと変化します。これを硝化といいます。植物は硝酸イオンやアンモニウムイオンを吸収し、それらの窒素をアミノ酸などの有機物に取り込みます。このように無機窒素から生体の有機窒素をつくることが窒素同化です。硝酸イオンの吸収はその入り口であり、吸収という移動と体内での同化という変化を区別します。

動物は植物などを食べることで有機窒素を得ます。死がいや排出物に含まれる有機窒素は、分解者などの働きでアンモニアなどに変わり、土壌中ではアンモニウムイオンとして存在します。硝酸イオンなどが微生物の働きで N₂ などの気体に変わる過程は脱窒です。脱窒は一般に酸素が乏しい条件で進みやすく、窒素が土壌から大気へ戻る経路になります。

図1の窒素側は主要な道筋を簡略化したものです。たとえば植物は硝酸イオンに限らずアンモニウムイオンも利用できます。矢印が1本あることは、ほかの経路が存在しない証明にはなりません。名前を暗記する際にも、どの物質からどの物質への変化かを添えると混同を防げます。

基本例題と標準例題

問題

基本例題。ある草地の土壌と植物を合わせた範囲を考えます。図2は窒素を含む物質の経路を表す自作の模式図です。N₂ からアンモニウムへの矢印 A、アンモニウムから硝酸への矢印 B、硝酸から植物の有機窒素への矢印 C、硝酸から N₂ への矢印 D に、それぞれ固定、硝化、同化、脱窒のうち適切な語を入れてください。硝酸の吸収と体内への取り込みを C にまとめています。

標準例題。同じ草地の土壌と植物を合わせた 1 m² を境界とする開放系で、ある 30 日間の窒素収支を考えます。各値は窒素元素の質量で、自作資料です。期間の初めの蓄えは 18 g、境界の外から固定によって入った窒素は 3 g、雨などにより入った窒素は 2 g、境界を越えて流出した窒素は 1 g、脱窒によって出た窒素は 2 g でした。他の境界を越える出入りはないものとします。期間末の蓄えを整数の g で求め、植物が土壌から吸収した量をもう一度足さない理由も答えてください。

解き方

基本例題は、図2のように矢印の始点と終点を読みます。A は N₂ から利用可能な窒素化合物になるので窒素固定、B はアンモニウムから硝酸へ進むので硝化です。途中の亜硝酸は図では省略しました。C は無機窒素が植物の有機窒素になるので窒素同化、D は硝酸から気体の窒素へ戻るので脱窒です。

固定と同化は続けて起こり得ますが、同じ矢印ではありません。根粒菌による固定と植物による同化を区別すると、植物の根に結び付いた微生物の役割も整理できます。C を固定とした答案は、窒素の出発点が N₂ ではなく硝酸であることを見直します。

標準例題では、範囲の中に土壌と植物の両方を含めました。期間中の蓄えの変化は、境界を越えて入った量から出た量を引いて求めます。収支式を、値と単位をそろえて順に書きます。

蓄えの変化 = 入った量 - 出た量
蓄えの変化 = (3 + 2) - (1 + 2)
蓄えの変化 = 2 g
期間末の蓄え = 18 + 2
期間末の蓄え = 20 g

別の解き方では、初めの 18 g に入った 5 g を加え、出た 3 g を引きます。答えを場面に戻すと、末の 20 g から初めの 18 g を引いた増加 2 g は、流入 5 g と流出 3 g の差に一致します。ここで植物の吸収は、土壌から植物への範囲内の移動です。範囲全体の蓄えを計算する際にさらに足すと、同じ窒素を二重に数えます。

もし植物だけを範囲に選べば、土壌からの吸収は境界を越える流入です。境界の選び方で同じ矢印の扱いが変わるので、式を書く前に対象を囲んでください。値は 1 m² と 30 日間に対応しており、別の面積や期間の測定値を条件なしに足すこともできません。

発展例題：差を読んでも原因は一つに決まらない

問題

同じ面積 1 m² の土壌を対象に、外との窒素の出入りを調べた自作資料です。いずれも窒素元素の質量で、期間は 20 日間です。A 区では初めの蓄え 12 g、外からの流入 4 g、外への流出 3 g、末の蓄え 13 g でした。B 区では初めの蓄え 12 g、流入 4 g、末の蓄え 11 g でした。B 区の外への流出量を整数の g で求め、A 区との差を述べてください。また、流出の経路を脱窒と流出水の2つに限るとして、B 区の脱窒量をこの資料から決められるか答えてください。

解き方と資料の限界

B 区では、流入から流出を引いた変化が、末と初めの差に等しくなります。符号に注意して未知量を置きます。

蓄えの変化 = 11 - 12 = -1 g
4 - 流出量 = -1 g
流出量 = 5 g

したがって B 区の流出は 5 g で、A 区の 3 g より 2 g 多いことになります。答えを戻すと、初めの 12 g に流入 4 g を加え、流出 5 g を引いて末の 11 g です。A 区も 12 + 4 − 3 = 13 g と条件を満たします。別解として、初めの蓄えと流入の合計 16 g から末の 11 g を引いても、出た 5 g が得られます。

ただし B 区の流出の内訳は決まりません。脱窒 2 g と流出水 3 g でも、脱窒 4 g と流出水 1 g でも合計は 5 g です。総流出が求まることと、経路ごとの量が求まることは別です。B 区の方が脱窒が多いと断定するには、各経路の量を別に調べる必要があります。

2つの区の違いを酸素条件と結び付けて調べるなら、同じ土壌を用意して水分や温度などをそろえ、酸素条件の異なる区を複数設けます。窒素の出入りと蓄えを同じ期間に測り、脱窒由来の窒素も別に評価します。実験は学校の指導の下で、測定や安全の条件を検討します。これらは設計の考え方であり、微生物の培養手順ではありません。

たとえば流出水を一部しか集められなければ流出量を過小に見積もり、未測定分を脱窒と誤認するおそれがあります。密閉が不十分で気体が漏れた場合も、回収した気体の量をそのまま生成量とできません。測定器が故障した区や測定時間内に記録が得られなかった区は欠測とし、0 g と置かず、予備の測定や再測定を検討します。測定可能な範囲を超えた値や単位の不明な記録も、そのまま計算に入れずに扱いを明示します。

蓄えを縦軸、日数を横軸に取ると、A 区は 0 日の 12 g から 20 日の 13 g、B 区は 0 日の 12 g から 20 日の 11 g へ変化します。2点を結ぶ直線の傾きはそれぞれ 0.05 g/日、-0.05 g/日です。ただし2点の平均的な変化であり、途中も一定速度だったとは限りません。蓄えが減ったことは総流出が総流入を上回ったことを示しますが、その原因となる個々の過程を単独で示すものではありません。

まちがえた矢印を直す

図3のように、「硝酸から植物の有機窒素」を固定と名付けた答案を考えます。硝酸が植物に入ることに注目した点はよいのですが、窒素固定の出発点を見落としています。矢印の始点を N₂ に直すか、矢印を保って名称を同化に直します。後者では、吸収された無機窒素が有機物に取り込まれるところまで説明します。

別の誤りは「分解者が炭素を消す」という説明です。分解者が有機物を利用し、呼吸で CO₂ を出せば、炭素は形と場所を変えています。系の外に出た CO₂ を集計しなければ、調べた範囲からは減って見えますが、元素が消滅したという意味ではありません。図3では炭素側の矢印も示し、物質の行き先を確認します。

「炭素が戻るのでエネルギーも循環する」という答案も修正が必要です。光合成では外から入る光エネルギーが有機物に蓄えられ、呼吸などで利用される過程で熱が環境へ散逸します。CO₂ 中の炭素が再利用されても、散逸した熱が同じ経路で光エネルギーとして戻るわけではありません。生態系を流れるエネルギーには継続的な入力が必要です。

練習問題

以下の表と数値は自作資料です。量は指定の元素の質量で、他の出入りがないという条件を使います。問題を先に解き、答えで各量の扱いを照合してください。

土壌にあるアンモニウムイオンが硝酸イオンになる変化と、硝酸イオン中の窒素が植物の有機物に取り込まれる変化を、それぞれ何と呼びますか。途中の物質が省かれた矢印でも、両端を確かめて答えてください。
ある池の水と生物を合わせた 2 m² の範囲で、10 日間に炭素元素が外から 7 g 入り、外へ 4 g 出ました。初めの蓄えは 25 g です。末の蓄えを整数の g で求めてください。範囲内で生物が水中の CO₂ を取り込んだ量は、別に加えますか。
畑の土壌 1 m² のある 15 日間の窒素収支で、初めの蓄えは 30 g、末は 28 g、外からの流入は 5 g でした。他の出入りは外への流出だけです。流出を整数の g で求め、値を初めの量に戻して確かめてください。
同じ面積の土壌を 8 日間調べたところ、窒素の初めの蓄えは 9 g、末の蓄えは 10 g でした。流入と流出の測定値が機器の故障で得られませんでした。窒素の正味の変化を整数の g で求め、流入が 1 g と断定できるか理由とともに答えてください。
死がいを分解する微生物を含む範囲で、呼吸によって CO₂ が外へ出たことを確かめました。炭素が再利用されることと、エネルギーが同じ形で循環することを同一視できない理由を、炭素とエネルギーの行き先に触れて説明してください。また、CO₂ の測定だけで死がいの窒素がすべて硝酸になったと判断できるか答えてください。

練習の答えと見直し

前者は硝化、後者は窒素同化です。アンモニウムから硝酸に至る途中には亜硝酸があり、植物は硝酸を吸収した後にその窒素を有機物に取り込みます。前者を窒素固定とすると、出発点が N₂ ではないため条件に合いません。
25 + 7 − 4 = 28 g です。末の 28 g と初めの 25 g の差 3 g は、外からの流入 7 g と外への流出 4 g の差に戻ります。水と生物はともに範囲内なので、CO₂ の取り込みは内部移動です。もう一度加える必要はありません。
蓄えの変化は 28 − 30 = -2 g です。流入 5 g から流出を引いた値が -2 g なので、流出は 7 g です。逆に 30 + 5 − 7 = 28 g とすると、問題の末の蓄えに戻ります。流出は正の量として置き、蓄えの減少の符号と混同しないようにします。
10 − 9 = 1 g の増加です。流入と流出の差は 1 g ですが、流入が 1 g と決まるわけではありません。流入 3 g、流出 2 g でも同じ増加になります。欠測を 0 g と扱うと、測れていない量を実際に存在しなかった量と取り違えます。
有機物中の炭素は呼吸で CO₂ になり、その炭素は光合成によって再び有機物に取り込まれ得ます。一方、呼吸などでエネルギーの一部は熱として散逸し、光の入力が必要です。CO₂ の測定は炭素の移動に関する情報であり、窒素の各形態の量を示しません。硝酸への変化を調べるには、窒素を含む物質について別に測る必要があります。