窒素同化と窒素固定の違いを徹底解説！中学生にも分かるポイントを一発で整理

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窒素同化と窒素固定の違いを理解するための基礎

まずは「窒素同化」と「窒素固定」の基本的な意味を整理します。窒素固定とは大気中のN2を生物が使える形の窒素に変える、特別な酵素とエネルギーを必要とする反応のことです。人間が見かける形で言えば、空気中の窒素を直接、植物が使える“材料”に変える作業です。これに対して窒素同化は、すでに変えられた窒素（NH3、NH4+、NO3- など）を植物の体内に取り込み、アミノ酸や核酸などの有機物へと組み替えるプロセスです。ここが大きな違いです。

この二つの過程は、窒素の生物学的利用という同じ目的を持ちながら、入口と出口が異なります。窒素固定は「入口でN2を分解していわば原材料を作る工程」で、窒素同化は「出来上がった材料を実際の生体分子へ組み立てる工程」です。つまり、窒素固定は“作る側”で、窒素同化は“使う側”です。これを押さえると、なぜ植物が窒素窒素を必要とするのか、どうやって体を作るのかが見えてきます。

窒素固定のしくみと例

窒素固定は専門的にはN2をNH3へ変える反応です。これは窒素aseという酵素群を使い、主に細菌やシアノバクテリアが担っています。根っこの根粒をもつ豆科の植物の近くには、ふくろ状の根粒が見えます。そこにはRhizobiumなどの菌が住みつき、菌がN2をNH3に変える作業を手伝います。変えられたNH3はさらにNH4+へ、そしてNO3-へと形を変え、植物が取り込みやすい形になります。窒素固定にはたくさんのエネルギーが必要で、ATPや電子の供給源が欠かせません。もし窒素固定がうまくいかないと、植物は十分なタンパク質を作れず、成長が止まることもあります。

窒素固定が起きる場所はさまざまです。土壌中の自由生活のバクテリア、露天で生活する微生物、そして豆科の菌根と呼ばれる共生関係の中など、さまざまな場面で見られます。自然界では、窒素固定は地球の窒素を新しく作り出す大事な仕組みで、私たちの食糧にも深く関わっています。実際、農業では窒素固定を活用することで土壌の窒素を増やし、肥料の使用量を減らす工夫が行われています。ここまでを知るだけで、窒素固定がどれだけ大きな役割を果たしているのかが分かります。

窒素同化のしくみと例

窒素同化は、すでに反応の結果として作られた窒素を、植物が自分の体の材料として組み立てる過程です。葉緑体の光合成の力を使い、Nを含む無機窒素（NO3-やNH4+）を取り込み、アミノ酸、核酸、タンパク質へと変換します。具体的にはNO3-をまずNO2-に還元してNH4+へ変え、そのNH4+をグルタミン酸合成酵素などの働きでさまざまな有機分子に組み込むのです。これらの過程には窒素アシルトランスファーのような多くの酵素が関与し、体内の新陳代謝を支えます。

窒素同化は植物のみならず、微生物の中にも見られます。微生物がNO3-やNH4+を取り込んで、アミノ酸やDNA・RNAといった重要な分子へと組み替えるのです。人間に近い生活をする動物は、植物から窒素を摂取して体を作ります。つまり、窒素同化は「窒素が生体の材料になる作業」であり、窒素固定で作られた材料を内部で組み立てる役割があると覚えるとよいでしょう。

e>項目窒素固定窒素同化入口の窒素源N2（大気中の窒素）を使用主な場所・関係根粒菌と豆科植物の共生、自由生活の微生物植物の根・葉・菌類の共生体内での代謝エネルギー・酵素ATPと窒素ase系が必要NO3-の還元、アミノ酸合成酵素などが関与生物学的役割窒素を初めて生物の材料に変える固定された窒素を有機分子へ組み立てる

表を見れば、窒素固定と窒素同化の違いが一目でわかります。窒素固定は“いちから作る工程”、窒素同化は“作られたものを使って組み立てる工程”だと覚えると混乱が減ります。どちらも地球の窒素循環には欠かせない働きであり、私たちが生きていくうえでとても大切な仕組みです。

ピックアップ解説

友だちと話す感覚で言うと、窒素固定は空気中のN2を“お絵描き用の材料”に作り出す工場のようなもの。植物が根っこに住む菌と協力して、N2をNH3に換えるんだ。その後、窒素同化は作られた材料をどう使って体のパーツ（アミノ酸、核酸、タンパク質）に組み立てるかを担当する、いわば内部の組立工場。二つの役割が協力して、私たちの体が作られているんだ。

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