第22章原核生物：細菌と古細菌

Section Summary節のまとめ

As the oldest living inhabitants of Earth, prokaryotes are also the most metabolically diverse; they flourish in many different environments with various energy and carbon sources, variable temperature, pH, pressure, oxygen and water availability. Nutrients required in large amounts are called macronutrients, whereas those required in trace amounts are called micronutrients or trace elements. Macronutrients include C, H, O, N, P, S, K, Mg, Ca, and Na. In addition to these macronutrients, prokaryotes require various metallic elements for growth and enzyme function. Prokaryotes use different sources of energy to assemble macromolecules from smaller molecules. Phototrophs obtain their energy from sunlight, whereas chemotrophs obtain energy from chemical compounds. Energy-producing pathways may be either aerobic or anaerobic.

英語のヒント

地球の最古の住人である原核生物は、代謝の面でも最も多様である。さまざまなエネルギー源と炭素源、温度、pH、圧力、酸素や水の利用可能性をもつ、多くの異なる環境で繁栄する。大量に必要な栄養素は多量栄養素、ごく微量だけ必要なものは微量栄養素または微量元素と呼ばれる。多量栄養素には、C、H、O、N、P、S、K、Mg、Ca、Naがある。それに加え、成長や酵素機能のために、さまざまな金属元素を必要とする。原核生物は、異なるエネルギー源を使い、小さな分子から高分子を組み立てる。光栄養生物は太陽光から、化学栄養生物は化合物からエネルギーを得る。エネルギーを作る経路には、好気性のものと嫌気性のものがある。

Prokaryotes play roles in the carbon and nitrogen cycles. Producers capture carbon dioxide from the atmosphere and convert it to organic compounds. Consumers (animals and other chemoorganotrophic organisms) use organic compounds generated by producers and release carbon dioxide into the atmosphere by respiration. Carbon dioxide is also returned to the atmosphere by the microbial decomposers of dead organisms. Nitrogen also cycles in and out of living organisms, from organic compounds to ammonia, ammonium ions, nitrite, nitrate, and nitrogen gas. Prokaryotes are essential for most of these conversions. Gaseous nitrogen is transformed into ammonia through nitrogen fixation. Ammonia is anaerobically catabolized by some prokaryotes, yielding N₂ as the final product. Nitrification is the conversion of ammonium into nitrite. Nitrification in soils is carried out by bacteria. Denitrification is also performed by bacteria and transforms nitrate from soils into gaseous nitrogen compounds, such as N₂O, NO, and N₂.

原核生物は、炭素循環と窒素循環で役割を果たす。生産者は大気から二酸化炭素を取り込み、有機化合物へ変換する。消費者、すなわち動物やほかの化学有機栄養生物は、生産者が作った有機化合物を使い、呼吸によって大気へ二酸化炭素を放出する。死んだ生物を分解する微生物も、二酸化炭素を大気へ戻す。窒素も生物の内外を循環し、有機化合物からアンモニア、アンモニウムイオン、亜硝酸、硝酸、窒素ガスへ変わる。こうした変換の大半に、原核生物は不可欠である。窒素ガスは窒素固定によってアンモニアへ変換される。一部の原核生物は、アンモニアを嫌気的に異化し、最終生成物としてN₂を生む。硝化は、アンモニウムを亜硝酸へ変換する過程である。土壌中の硝化は細菌が行う。脱窒も細菌が行い、土壌中の硝酸を、N₂O、NO、N₂などの気体状の窒素化合物へ変換する。

Visual Connection Questions図を使った問題

Exercises 21練習問題 21

Exercise 21問題 21

Figure 22.19 Which of the following statements about the nitrogen cycle is false?

図22.19 窒素循環に関する次の記述のうち、誤っているものはどれか。

Nitrogen fixing bacteria exist on the root nodules of legumes and in the soil.
窒素固定細菌は、マメ科植物の根粒や土壌中に存在する。
Denitrifying bacteria convert nitrates (NO₃^-) into nitrogen gas (N₂).
脱窒細菌は、硝酸NO₃^-を窒素ガスN₂へ変換する。
Ammonification is the process by which ammonium ion (NH₄⁺) is released from decomposing organic compounds.
アンモニア化は、有機化合物の分解によってアンモニウムイオンNH₄⁺が放出される過程である。
Nitrification is the process by which nitrites (NO₂^-) are converted to ammonium ion (NH₄⁺).
硝化は、亜硝酸NO₂^-がアンモニウムイオンNH₄⁺へ変換される過程である。

Solution解き方

Figure 22.19 D

図22.19 D

Review Questions確認問題

Exercises 22–26練習問題 22–26

Exercise 22問題 22

Which of the following elements is not a micronutrient?

次の元素のうち、微量栄養素ではないものはどれか。

boron
ホウ素
calcium
カルシウム
chromium
クロム
manganese
マンガン

Solution解き方

Exercise 23問題 23

Prokaryotes that obtain their energy from chemical compounds are called _____.

化合物からエネルギーを得る原核生物は、_____と呼ばれる。

phototrophs
光栄養生物
auxotrophs
栄養要求性生物
chemotrophs
化学栄養生物
lithotrophs
無機栄養生物

Solution解き方

Exercise 24問題 24

Ammonification is the process by which _____.

アンモニア化は、_____過程である。

ammonia is released during the decomposition of nitrogen-containing organic compounds
窒素を含む有機化合物の分解中に、アンモニアが放出される
ammonium is converted to nitrite and nitrate in soils
土壌中でアンモニウムが亜硝酸と硝酸へ変換される
nitrate from soil is transformed to gaseous nitrogen compounds such as NO, N₂O, and N₂
土壌の硝酸が、NO、N₂O、N₂などの気体状の窒素化合物へ変換される
gaseous nitrogen is fixed to yield ammonia
窒素ガスが固定され、アンモニアを生む

Solution解き方

Exercise 25問題 25

Plants use carbon dioxide from the air and are therefore called _____.

植物は空気中の二酸化炭素を使うため、_____と呼ばれる。

consumers
消費者
producers
生産者
decomposer
分解者
carbon fixers
炭素固定生物

Solution解き方

Exercise 26問題 26

Cyanobacteria harness energy from the sun through photosynthesis, and oxidize water to provide electrons for energy generation. Thus, we classify cyanobacteria as _________.

英語のヒント

シアノバクテリアは、光合成によって太陽のエネルギーを利用し、水を酸化して、エネルギー生成のための電子を供給する。したがって、シアノバクテリアは_________に分類される。

photolithotrophs
光無機栄養生物
photoautotrophs
光独立栄養生物
chemolithoautotrophs
化学無機独立栄養生物
chemo-organotrophs
化学有機栄養生物

Solution解き方

Critical Thinking Questions考察問題

Exercises 27–29練習問題 27–29

Exercise 27問題 27

Think about the conditions (temperature, light, pressure, and organic and inorganic materials) that you may find in a deep-sea hydrothermal vent. What type of prokaryotes, in terms of their metabolic needs (autotrophs, phototrophs, chemotrophs, etc.), would you expect to find there?

深海の熱水噴出孔で見られるであろう条件、すなわち温度、光、圧力、有機物、無機物を考えなさい。代謝上の必要条件から見て、独立栄養生物、光栄養生物、化学栄養生物など、どの型の原核生物がいると予想するか。

Solution解き方

Responses will vary. In a deep-sea hydrothermal vent, there is no light, so prokaryotes would be chemotrophs instead of phototrophs. The source of carbon would be carbon dioxide dissolved in the ocean, so they would be autotrophs. There is not a lot of organic material in the ocean, so prokaryotes would probably use inorganic sources, thus they would be chemolitotrophs. The temperatures are very high in the hydrothermal vent, so the prokaryotes would be thermophilic.

答えはさまざまである。深海の熱水噴出孔には光がないため、原核生物は光栄養ではなく、化学栄養だろう。炭素源は海水に溶けた二酸化炭素なので、独立栄養だろう。海には有機物があまり多くないため、おそらく無機物を供給源として使い、化学無機栄養生物だと考えられる。熱水噴出孔は非常に高温なので、好熱性だろう。

Exercise 28問題 28

Farmers continually rotate the crops grown in different fields to maintain nutrients in the soil. How would planting soybeans in a field the year after the field was used to grow carrots help maintain nitrogen in the soil?

英語のヒント

農家は土壌の栄養分を維持するため、畑ごとに育てる作物を順番に変えている。ニンジンを育てた翌年にその畑へダイズを植えることは、どのように土壌の窒素維持に役立つか。

Solution解き方

Soybeans are members of the legume family, so their roots have nodules that are colonized by nitrogen-fixing bacteria (ex. Rhizobium). Planting a crop that promotes nitrogen fixation after growing a crop that depletes nitrogen from the soil ensures that the soil continues to contain sufficient nutrients to grow more crops in the future.

英語のヒント

ダイズはマメ科植物なので、その根には窒素固定細菌、たとえばRhizobiumが定着する根粒がある。土壌の窒素を減らす作物の後に、窒素固定を促す作物を植えることで、将来さらに作物を育てるのに十分な栄養分を、土壌へ保ち続けることができる。

Exercise 29問題 29

Imagine a region of soil became contaminated, killing bacteria that decompose dead plants and animals. How would this effect the carbon cycle in the area? Be specific in stating where carbon would accumulate in the cycle.

ある地域の土壌が汚染され、死んだ植物や動物を分解する細菌が死んだと想像しなさい。その地域の炭素循環は、どのような影響を受けるか。循環のどの部分に炭素が蓄積するか、具体的に述べなさい。

Solution解き方

Losing the bacteria that serve as decomposers in the ecosystem would disrupt the carbon cycle, but not stop it completely since fungi can also serve as decomposers. Without bacterial decomposers functioning, organic waste would accumulate in the area, and less carbon dioxide would be released back into the atmosphere.

生態系の分解者として働く細菌が失われると、炭素循環は乱される。しかし、菌類も分解者として働けるため、完全に止まるわけではない。細菌の分解者が働かなければ、その地域に有機廃棄物が蓄積し、大気へ戻る二酸化炭素が減る。

aerobic

好気性生物

organisms that use oxygen

酸素を使う生物。

ammonification

アンモニア化

process by which ammonia is released during the decomposition of nitrogen-containing organic compounds

窒素を含む有機化合物の分解中に、アンモニアが放出される過程。

autotroph

独立栄養生物

organism that produces organic molecules from small inorganic compounds

小さな無機化合物から有機分子を作る生物。

chemotroph

化学栄養生物

organism that obtains energy from chemical compounds

化合物からエネルギーを得る生物。

decomposer

分解者

organism that carries out the decomposition of dead organisms

死んだ生物を分解する生物。

denitrification

脱窒

transformation of nitrate from soil to gaseous nitrogen compounds such as N₂O, NO, and N₂

土壌中の硝酸を、N₂O、NO、N₂などの気体状の窒素化合物へ変換すること。

heterotroph

従属栄養生物

organism that obtains energy from organic molecules

有機分子からエネルギーを得る生物。

nitrification

硝化

conversion of ammonium into nitrite and nitrate in soils

土壌中でアンモニウムを亜硝酸や硝酸へ変換すること。

nitrogen fixation

窒素固定

process by which gaseous nitrogen is transformed, or “fixed” into more readily available forms such as ammonia

窒素ガスを、アンモニアなど、より利用しやすい形へ変換、すなわち「固定」する過程。