高校生物 炭素と窒素の循環—物質の変化とエネルギーの移動を区別する｜武蔵野個別指導塾

窒素固定と窒素同化の経路を分け、土壌からの炭素の出入りを計算しながら、物質の循環と熱の放出を別々の矢印で結びます。

よくあるのは、植物が大気中の窒素を直接すべて同化すると書いてしまう場面です。空気に窒素が多いことと、植物が窒素分子をそのまま利用できることは別の話です。土壌中の物質がどの生物の働きで変化し、どの形で植物に取り込まれるかを矢印で追うと、答案の抜けが見えてきます。学校の範囲表と授業ノートで、扱う窒素化合物や用語を先に確かめてから読み進めてください。

問題の矢印は何を尋ねているか

出方の1つは、循環図の空欄に物質名や過程の名前を入れる型です。矢印の始点と終点に注目し、大気中の窒素からアンモニウムへの変化なら窒素固定、硝酸イオンから大気中の窒素へ戻る過程なら脱窒と判断します。生物名の記憶だけで埋めると、同じ微生物が関係する別の矢印を混同しがちです。

次に、閉じた範囲で物質の出入りを数える型があります。期間中に入った量と出た量を区別し、最初の蓄積量に増減を反映します。炭素の量として与えられた数を扱うのか、二酸化炭素など物質全体の質量を扱うのかにも注意します。

さらに、物質とエネルギーの行方を説明する記述があります。炭素や窒素の原子は形を変えながら移動しますが、光から生物に取り込まれたエネルギーは移動の途中で熱として環境へ放出されます。授業で使う図の矢印が物質を表すのか、エネルギーを表すのかを確かめましょう。

炭素と窒素を別々にたどる

図1のように、炭素は大気中の二酸化炭素から光合成によって生産者の有機物に取り込まれます。動物などの消費者は生産者や他の消費者を食べて有機物を受け取ります。生物の遺体や排出物も有機物として残り、菌類や細菌類などの分解者に利用されます。生産者、消費者、分解者はいずれも呼吸によって二酸化炭素を放出します。

図1の炭素の経路は生態系内の主なつながりを簡略化したものです。分解者は有機物を分解して自らも利用し、無機物を環境へ戻す役割を担います。遺体や排出物が現れた瞬間に全量が二酸化炭素へ変わるという意味ではありません。土壌などに残る有機物もあるので、収支を問われたら範囲と期間を確認します。

窒素はタンパク質や核酸などをつくる元素です。大気中の窒素分子をアンモニアなど利用可能な形に変える窒素固定は、窒素固定を行う一部の細菌などによって行われます。植物は一般に土壌から硝酸イオンやアンモニウムイオンを吸収し、体内の有機窒素化合物をつくります。この取り込みと有機物への組み込みが窒素同化です。根粒をつくる植物では、共生する細菌による固定が植物への窒素供給に関わりますが、植物自身が窒素分子を直接固定するわけではありません。

遺体や排出物の有機窒素は、分解者などの働きでアンモニウムイオンなどの無機態へ変わります。硝化は、アンモニウムイオンから亜硝酸イオンを経て硝酸イオンが生じる過程です。一方、脱窒は一部の細菌が硝酸イオンなどを利用して窒素分子などを生じ、大気へ戻す過程です。硝化と脱窒は物質の行き先が異なります。実際の循環には図に省いた経路もありますから、矢印の意味を問題の条件に照らして読みます。

光のエネルギーは光合成によって有機物に蓄えられ、食物や遺体を通じて別の生物へ移ります。呼吸などに伴って熱が環境へ放出されるため、エネルギーは炭素原子のように同じ形で循環し続けません。物質が循環することと、外部からエネルギーが供給されることを同時に説明するのがポイントです。

基本例題：土壌からの出入りを数える

次の値は、説明のために設定した炭素量です。ある区画の土壌中にある有機物の炭素量は、期間の初めに120 gでした。この期間に植物の枯れた部分から土壌へ炭素が30 g入り、動物の排出物からも10 g入りました。土壌中の有機物を利用する生物の呼吸によって、土壌から大気へ炭素が25 g出ました。土壌中の生物体に含まれる炭素も土壌中の有機物に含め、区画の境界を越える他の炭素の出入りはないものとします。これらの量は同じ期間について測ったものです。期間の終わりに土壌中の有機物として残る炭素量を、g単位の整数で求めてください。

図2のように、計算の対象は土壌中の有機物に含まれる炭素です。植物や大気まで一緒に囲むと、同じ矢印が境界を越えるとは限らなくなります。まず対象を固定してから、入る矢印と出る矢印を数えます。

最初の量は120 gです。期間中に入る炭素は枯れた部分の30 gと排出物の10 gなので、合計は30 + 10 = 40 gです。出る炭素は呼吸による25 gです。したがって増加量は40 − 25 = 15 g、終わりの量は120 + 15 = 135 gです。答えは135 gです。

答えを元の場面に戻すと、終わりの135 gに大気へ出た25 gを加えた160 gは、初めの120 gに入った40 gを加えた160 gと一致します。これは対象の境界で数えた炭素の保存を確かめる式です。分解者の体に一時的に取り込まれた炭素は、この問題では土壌中の有機物に含めると読み、境界を越えた分だけを出入りとして数えます。

もし呼吸による放出を入る量に加えると、二酸化炭素が大気へ移る向きを逆にしてしまいます。また、30 gや10 gを枯死物や排出物そのものの質量と読み替えると、炭素量の計算には使えません。問題が与えた単位と何の量かを式の横に残しておくと、種類の違う量を足す誤りを防げます。

比較条件で結論の範囲を決める

別の自作資料を考えます。ふた付きの2つの容器A、Bに、同量の同じ土壌と硝酸イオンを入れました。温度、水分、観察期間は同じです。Aは酸素を含む気体で、Bは酸素を含まない気体で容器内を満たし、気体の出入りがないようにしました。土壌には脱窒を行う細菌がいて、他に硝酸イオンを消費する過程はないと仮定します。期間後、硝酸イオンに含まれる窒素の減少量はAで2 mg、Bで8 mgでした。失われた窒素はすべて窒素分子になり、容器内に残ったとします。

設問は2つです。Bで生じた窒素分子に含まれる窒素量をmg単位の整数で求めてください。また、この設定で酸素の有無と脱窒の関係について言えることを、「硝酸イオン」「酸素」を使い、2文程度で説明してください。

Bでは硝酸イオン中の窒素が8 mg減っています。仮定によりその窒素はすべて窒素分子に移ったので、窒素分子に含まれる窒素も8 mgです。8 mgを硝酸イオンから出た窒素として戻せば、与えられた減少量8 mgに一致します。窒素分子全体の質量を別の物質の質量と混ぜて計算する必要はありません。

記述例は「この設定では、酸素がないBの方が硝酸イオン中の窒素の減少量が大きいです。仮定に従えば、Bの方が脱窒による窒素分子の生成量も多いといえます」です。温度などをそろえて酸素の有無を変えていますが、結論は与えられた土壌と条件に限ります。もし植物への吸収など他の消費も起こる条件なら、硝酸イオンの減少量だけを窒素分子の生成量とみなせません。窒素分子そのものの増加を調べるなど、別の根拠が必要です。密閉していなければ、発生した気体の一部が容器の外へ出る可能性も考えます。

誤答から矢印を修正する

誤答「植物が大気中の窒素を直接すべて同化し、動物へ渡す」。原因は、窒素が空気中にあることと、植物が利用する物質の形を区別していないことです。図3のように、窒素固定を行う微生物の働きと、植物が土壌中の無機態窒素を吸収して有機物に組み込む過程を分けます。動物は食物を通して有機窒素を受け取ります。

もう1つの誤答は「脱窒で大気中の窒素が硝酸イオンになる」です。これでは窒素固定と脱窒の向きが逆です。図3で窒素固定の矢印を確認した後、硝酸イオンから窒素分子へ向かう脱窒の矢印を描き直します。硝化はアンモニウムイオンから硝酸イオンへ向かうので、同じ土壌中の変化でも終点が違います。

炭素では「分解者が遺体を食べるので炭素は消える」という誤答にも注意します。有機物の炭素は分解者の体や呼吸で放出される二酸化炭素などへ移ります。エネルギーについて「熱になった後も植物へ戻って光合成に再利用される」と書くのも誤りです。熱として放出される経路と、光が新たに入る経路を分けて描きましょう。

練習問題

以下はすべて自作の条件です。まず4問を続けて解き、解答欄の前にそれぞれの根拠をメモしてください。

1. 窒素固定、硝化、窒素同化、脱窒のうち、大気中の窒素分子からアンモニアなどが生じる過程と、硝酸イオンなどから窒素分子が生じる過程を順に名称で答えてください。それぞれの矢印の始点と終点も物質名で記してください。
2. ある池の水中にある無機炭素は初めに90 gでした。一定期間に外から水中へ無機炭素が18 g入り、水中から外へ無機炭素が7 g出ました。さらに水中の生産者が無機炭素から12 gを有機物へ取り込み、水中の生物の呼吸で有機物から無機炭素へ5 gが戻りました。他の出入りはありません。期間後の水中の無機炭素量をg単位の整数で求めてください。
3. 同じ土壌、温度、水分、期間で、植物のない容器CとDを用意します。両方ともアンモニウムイオンから硝酸イオンへ変える硝化細菌を含みます。Cは硝化細菌が活動できる条件、Dは硝化細菌の活動だけが抑えられる条件とし、他の反応や物質の出入りはないと仮定します。Cで硝酸イオンが増え、Dでは増えませんでした。この差から何が言えるか、「硝化細菌」「硝酸イオン」を使い2文程度で答えてください。
4. 草を食べる動物と、その遺体を利用する分解者がいる系を考えます。草に取り込まれた炭素と光のエネルギーについて、それぞれの行方の違いを「二酸化炭素」「熱」を使い2文程度で説明してください。

練習の答えと道筋

1. 順に窒素固定、脱窒です。前者は窒素分子からアンモニアなどへ、後者は硝酸イオンなどから窒素分子へ向かいます。硝化はアンモニウムイオンから亜硝酸イオンを経て硝酸イオンへ向かい、窒素同化は取り込んだ無機態の窒素を有機物に組み込む過程です。4つの候補の始点と終点を比べて判断します。

2. 無機炭素への流入は18 gと呼吸による5 g、流出は7 gと生産者による取り込み12 gです。増減は18 + 5 − 7 − 12 = 4 gです。したがって90 + 4 = 94 gです。答えを戻すと、初めと流入の合計90 + 18 + 5 = 113 gは、終わりと流出の合計94 + 7 + 12 = 113 gに一致します。生産者が取り込んだ炭素は水中から必ず消えるわけではありませんが、指定された無機炭素の範囲からは出ます。

3. 記述例は「この条件では、硝化細菌の活動が硝酸イオンの増加に関わったといえます。他の反応や出入りがないという仮定のもとで、両容器の差を硝化細菌の活動の差に対応させられます」です。比較で変えたのは硝化細菌の活動であり、植物の吸収や別の反応は仮定で除かれています。もし抑制処理が他の反応にも影響するなら、差を硝化細菌の活動だけに結び付けることはできません。

4. 記述例は「草の炭素は動物や分解者に移り、それぞれの呼吸で二酸化炭素として環境へ戻るものがあります。光のエネルギーは有機物を通して移りますが、呼吸などに伴って熱として環境へ放出されます」です。炭素の一部は生物体や遺体などにも残るので、すぐに全量が大気へ戻るとは書きません。物質の形とエネルギーの形をそれぞれたどることが根拠です。

覚えておくこと

炭素は光合成、食物、分解、呼吸を通して形を変えます。
窒素固定、硝化、同化、脱窒は矢印の始点と終点で区別します。
収支は対象の範囲と期間を決め、入る量と出る量を分けます。
エネルギーは移動の途中で熱として放出され、光が外部から供給されます。

答案のどこで迷ったかを調べる

窒素の問題が解けないときは、まずノートに大気、土壌、植物を書き、物質名を添えて矢印を描いてみてください。矢印は合っているのに名前を取り違えるなら、始点と終点を口にしながら用語を対応させます。矢印自体が逆なら、植物が吸収する形と微生物が変える形に戻って整理します。

個別指導で確かめる際は、計算結果だけでなく、囲んだ範囲、単位、出入りの符号、答えを元の収支に戻した式まで答案に残すと、誤りの位置を特定しやすくなります。記述では条件から言えることと、追加の観察が必要なことを分けます。炭素の行き先と熱の放出を別々の矢印で示せれば、物質循環の説明は筋道を持ちます。