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参照:一次生産
独立栄養生物と従属栄養生物の循環の概要。光合成は、植物、藻類、そして多くの細菌が二酸化炭素と水から有機化合物と酸素を生成する主な手段です（緑の矢印）。

独立栄養生物は、非生物的エネルギー源を他の生物が利用できる有機化合物に貯蔵されたエネルギーに変換できる生物である。独立栄養生物は、二酸化炭素などの単純な物質から炭素を使用して複雑な有機化合物（炭水化物、脂肪、タンパク質など）を生産し、[ 1 ]一般的には光または無機化学反応からのエネルギーを使用する。[ 2 ]独立栄養生物は炭素やエネルギーの生体源を必要とせず、陸上の植物や水中の藻類など、食物連鎖における生産者である。独立栄養生物は二酸化炭素を還元して、生合成用および貯蔵化学燃料としての有機化合物を作ることができる。ほとんどの独立栄養生物は還元剤として水を使用するが、硫化水素などの他の水素化合物を使用できるものもある。

一次生産者は、光のエネルギー（光栄養生物および光独立栄養生物）または無機化合物のエネルギー（化学栄養生物または化学無機栄養生物）を変換して有機分子を構築できます。これは通常、バイオマスの形で蓄積され、他の生物（従属栄養生物および混合栄養生物など）によって炭素およびエネルギー源として使用されます。光独立栄養生物は主要な一次生産者であり、光合成によって光のエネルギーを化学エネルギーに変換し、最終的に無機炭素源である二酸化炭素から有機分子を構築します。[ 3 ]化学無機栄養生物の例としては、無機化合物の酸化からバイオマスを生産する一部の古細菌と細菌（単細胞生物）があります。これらの生物は化学独立栄養生物と呼ばれ、深海の熱水噴出孔でよく見られます。一次生産者は最も低い栄養段階にあり、地球が今日まで生命を支えている理由です。[ 4 ]

独立栄養生物は、光合成や化合物の酸化の際に生成されるATPの一部を使ってNADP + をNADPH に還元し、有機化合物を形成します。[ 5 ]ほとんどの化学独立栄養生物は岩石栄養生物であり、硫化水素、水素ガス、元素硫黄、アンモニウム、酸化第一鉄などの無機電子供与体を還元剤や、生合成や化学エネルギー放出のための水素源として使用します。化学独立栄養生物は、無機化合物の酸化によってエネルギーを合成する微生物です。 [ 6 ]光や有機化合物を必要とせず、大気中の CO2 と無機化学物質だけで生存できます。鉱物基質を使って酵素的に酸化還元反応を触媒し、ATP エネルギーを生成します。[ 7 ]これらの基質には、主に水素、鉄、窒素、硫黄が含まれます。その生態学的地位は、深海の熱水噴出孔、成層堆積物、酸性温泉などの極限環境に特化していることが多いです。[ 8 ]

歴史

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独立栄養生物という用語は、 1892年にドイツの植物学者アルベルト・ベルンハルト・フランクによって造語されました。 [ 9 ] [ 10 ]これは古代ギリシャ語のτροφή ( trophḗ ) に由来し、「栄養」または「食物」を意味します。最初の独立栄養生物は始生代初期に進化したと考えられますが、地球の大酸化イベント中にシアノバクテリアによる酸素発生型光合成の速度が上昇したことで増殖しました。[ 11 ]光独立栄養生物は、光合成を発達させることで従属栄養細菌から進化しました。最も初期の光合成細菌は硫化水素を使用していました。硫化水素の不足により、一部の光合成細菌は光合成に水を使用するように進化し、シアノバクテリアにつながりました。[ 12 ]

変種

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一部の生物は、炭素源として有機化合物に依存しますが、エネルギー源として光や無機化合物を利用することができます。このような生物は混合栄養生物と呼ばれます。有機化合物から炭素を得て、光からエネルギーを得る生物は光従属栄養生物と呼ばれ、有機化合物から炭素を得て、無機化合物の酸化からエネルギーを得る生物は化学無機従属栄養生物と呼ばれます。

いくつかの菌類も電離放射線からエネルギーを得る可能性があることを示す証拠がある。そのような放射性栄養菌はチェルノブイリ原子力発電所の原子炉内で増殖しているのが発見された。[ 13 ]

種が独立栄養生物、従属栄養生物、または亜型であるかどうかを判断するためのフローチャート

例

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地球の生態系には、様々な種類の独立栄養生物が存在します。ツンドラ気候に生息する地衣類は、藻類による光合成（あるいはシアノバクテリアによる窒素固定）と分解菌による保護を相利共生によって組み合わせた一次生産者の例外的な例です。一次生産者の例は数多くありますが、その中でも特に優勢なのはサンゴと、褐藻類の一種であるケルプです。[ 3 ]

光合成

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総一次生産は光合成によって行われます。これは一次生産者がエネルギーを得て他の生物に提供する主な方法です。植物、多くのサンゴ（細胞内藻類を介して）、一部の細菌（シアノバクテリア）、そして藻類がこれを行います。光合成の間、一次生産者は太陽からエネルギーを受け取り、それを使って糖と酸素を生成します。

生態学

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光合成独立栄養生物であるシダ植物の緑の葉
参照:一次生産

一次生産者、つまり自らエネルギーを生産できる生物がいなければ、地球上の生物系は自給自足ができないだろう。[ 3 ]植物は他の一次生産者とともに、他の生物が消費するエネルギーと、呼吸する酸素を生産している。[ 3 ]地球上の最初の生物は海底に生息する一次生産者であったと考えられている。[ 3 ]

独立栄養生物は、世界中のすべての生態系の食物連鎖の基礎を成しています。独立栄養生物は、太陽光や無機化学物質の形で環境からエネルギーを取り込み、それを使って炭水化物などの燃料分子を生成します。このメカニズムは一次生産と呼ばれています。従属栄養生物と呼ばれる他の生物は、生活に必要な機能を実行するために、独立栄養生物を食物として取り込みます。したがって、従属栄養生物（すべての動物、ほぼすべての菌類、およびほとんどの細菌と原生動物）は、必要な原材料と燃料を独立栄養生物、つまり一次生産者に依存しています。従属栄養生物は、食物から得た炭水化物を分解するか、有機分子（炭水化物、脂肪、タンパク質）を酸化することによってエネルギーを得ます。肉食生物は、従属栄養生物の獲物から得た栄養素が、消費した独立栄養生物に由来するため、間接的に独立栄養生物に依存しています。

ほとんどの生態系は、太陽から最初に放出された光子を捕捉する植物とシアノバクテリアの独立栄養一次生産によって支えられています。植物は、このエネルギーのほんの一部（約1％）しか光合成に使用できません。[ 14 ]光合成のプロセスでは、水分子（H 2 O）が分解され、酸素（O 2）が大気中に放出され、二酸化炭素（CO 2）が還元されて、一次生産の代謝プロセスの燃料となる水素原子が放出されます。植物は光合成中に光子のエネルギーを単糖の化学結合に変換して蓄えます。これらの植物糖は重合されて、デンプンやセルロースなどの長鎖炭水化物として貯蔵されます。グルコースは脂肪やタンパク質の製造にも使用されます。独立栄養生物が従属栄養生物、つまり動物などの消費者に食べられると、そこに含まれる炭水化物、脂肪、タンパク質が従属栄養生物のエネルギー源になります。[ 15 ]土壌中の硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩を使ってタンパク質を作ることができます。 [ 16 ] [ 17 ]

熱帯の河川における一次生産

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水生藻類は、熱帯の河川や小川の食物網に大きく貢献しています。これは、生態系内で合成される炭素量を反映する基本的な生態学的プロセスである純一次生産量によって示されます。この炭素は最終的に消費者に利用可能になります。純一次生産量は、熱帯地域における河川内一次生産率が、同様の温帯システムと比較して少なくとも1桁高いことを示しています。[ 18 ]

独立栄養生物の起源

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主要記事:生命起源論 § 深海熱水噴出孔

研究者たちは、最初の細胞生命体は従属栄養生物ではなく、宇宙から運ばれた有機基質が微生物の生育を支えるには異質すぎたか、発酵するには還元されすぎていたため、独立栄養生物に依存していたと考えている。そうではなく、最初の細胞は独立栄養生物であったと考えている。[ 19 ]これらの独立栄養生物は、深海のアルカリ性熱水噴出孔に生息していた好熱性嫌気性化学合成無機独立栄養生物であった可能性がある。この見解は系統学的証拠によって裏付けられている。 最後の普遍的共通祖先（LUCA）の生理機能と生息地も、ウッド・リュングダール経路を持つ好熱性嫌気性生物であったと推定され、その生化学はFeSクラスターとラジカル反応機構に満ちていた。それはFe、H 2、およびCO 2に依存していた。[ 19 ] [ 20 ]ほとんどの生命体の細胞質内に高濃度のK +が存在することから、初期の細胞生命にはNa + /H +対向輸送体、あるいは共輸送体が存在していたことが示唆される。[ 21 ]独立栄養生物は、低H 2分圧下で従属栄養生物へと進化した可能性があり、最初の従属栄養生物はアミノ酸発酵とクロストリジウム型プリン発酵であったと考えられる。[ 22 ]光合成は、熱水噴出孔から放出される微弱な近赤外線の存在下で出現したと示唆されている。したがって、最初の光化学的に活性な色素はZn-テトラピロールであると考えられている。[ 23 ]

参照

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参考文献

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  1. ^ Morris, J. et al. (2019). 『生物学：生命のしくみ』第3版, WH Freeman. ISBN 978-1319017637
  2. ^ Chang, Kenneth (2016年9月12日). 「地球の深部における火星生命のビジョン」 . The New York Times . 2016年9月12日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2016年9月12日閲覧。
  3. ^ a b c d e 「一次生産者とは何か？」 Sciencing . 2019年10月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。2018年2月8日閲覧。
  4. ^ Post, David M (2002). 「安定同位体を用いた栄養段階の推定：モデル、方法、および仮定」.生態学. 83 (3): 703– 718. doi : 10.1890/0012-9658(2002)083[0703:USITET]2.0.CO;2 .
  5. ^ Bruslind, Linda (2019年8月1日). 「化学無機栄養と窒素代謝」 .一般微生物学.
  6. ^ 「5.10A: 化学栄養のエネルギー論」 Biology LibreTexts 2017年5月9日。
  7. ^ 「14: 化学栄養と窒素代謝」 Biology LibreTexts 2018年2月6日。
  8. ^ 鄧、文超;趙、子豪。リー・ユファン。曹、栄広。チェン・ミンミン。唐、櫂。王、デリ。ファン、ウェイ。胡、アニ。広城市チェン。チェン・チェン・トゥン・アーサー;張、姚（2023年12月5日）。「浅い熱水生態系における高温および極度の酸性条件に適応する化学合成独立栄養生物の戦略」。マイクロバイオーム。11 (1): 270.土井: 10.1186/s40168-023-01712-w。ISSN 2049-2618。PMC 10696704。PMID 38049915。   
  9. ^ フランク、アルバート・バーナード（1892年 - 1893年）。Lehrbuch der Botanik (ドイツ語)。ライプツィヒ：W.エンゲルマン。2023年3月7日のオリジナルからアーカイブ。2018 年1 月 14 日に取得。
  10. ^ 「独立栄養生物とは何か？」 2019年3月11日。
  11. ^ Crockford, Peter W.; Bar On, Yinon M.; Ward, Luce M.; Milo, Ron; Halevy, Itay (2023年11月). 「一次生産性の地質学的歴史」 . Current Biology . 33 (21): 4741–4750.e5. Bibcode : 2023CBio...33E4741C . doi : 10.1016/ j.cub.2023.09.040 . ISSN 0960-9822 . PMID 37827153. S2CID 263839383 .   
  12. ^ Townsend, Rich (2019年10月13日). 「独立栄養生物の進化」 .ウィスコンシン大学マディソン校天文学部. 2022年7月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。2019年5月3日閲覧。
  13. ^ メルヴィル、ケイト（2007年5月23日）「チェルノブイリ菌は放射線を餌にしている」。2009年2月4日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2009年2月18日閲覧。
  14. ^ シュール、サム・H.（2011年1月19日）『エネルギー、経済成長、そして環境』ニューヨーク、ISBN 978-1-61726-020-9. OCLC  868970980 .{{cite book}}: CS1 メンテナンス: 場所の発行元が見つかりません (リンク)
  15. ^ ベケット, ブライアン・S. (1981).図解 人間と社会生物学. オックスフォード大学出版局. p. 38. ISBN 978-0-19-914065-7. 2024年3月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。2020年8月16日閲覧。
  16. ^ オダム、ユージン・P.（ユージン・プレザンツ）、1913-2002. (2005). 『生態学の基礎』ゲイリー・W. バレット（第5版） ベルモント、カリフォルニア州：トムソン・ブルックス／コール、p. 598. ISBN 0-534-42066-4. OCLC  56476957 .{{cite book}}: CS1 maint: 複数名: 著者リスト (リンク) CS1 maint: 数値名: 著者リスト (リンク)
  17. ^ スミス、ギルバート・M. (2007).一般植物学の教科書. 読書. p. 148. ISBN 978-1-4067-7315-6. 2024年3月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。2020年8月16日閲覧。
  18. ^ デイヴィス, ピーター・M.; バン, スチュアート・E.; ハミルトン, スティーブン・K. (2008). 「熱帯の河川における一次生産」.熱帯河川生態学. pp.  23– 42. doi : 10.1016/B978-012088449-0.50004-2 . ISBN 978-0-12-088449-0。
  19. ^ a b Weiss, Madeline C.; Preiner, Martina; Xavier, Joana C.; Zimorski, Verena; Martin, William F. (2018年8月16日). 「古代地球の化学と遺伝学の始まりにおける最後の普遍的共通祖先」 . PLOS Genetics . 14 (8) e1007518. doi : 10.1371/journal.pgen.1007518 . ISSN 1553-7390 . PMC 6095482. PMID 30114187 .   
  20. ^ ステッター、カール・O（2006年10月29日）「生命の歴史における超好熱菌」王立協会哲学論文集B：生物科学。361 （1474）：1837–1843。doi：10.1098/rstb.2006.1907。ISSN 0962-8436。PMC 1664684。PMID 17008222。   
  21. ^ スーザ、フィリパ L.;ティーアガルト、トルステン。ランダン、めまいがする。ネルソン・サティ、シジュラル。ペレイラ、イネスAC。アレン、ジョン F.レーン、ニック。ウィリアム・F・マーティン（2013年7月19日）。「初期の生体エネルギーの進化」。王立協会の哲学論文 B: 生物科学。368 (1622) 20130088.土井: 10.1098/rstb.2013.0088。ISSN 0962-8436。PMC 3685469。PMID 23754820。   
  22. ^ Schönheit, Peter; Buckel, Wolfgang; Martin, William F. (2016年1月1日). 「従属栄養性の起源について」 . Trends in Microbiology . 24 (1): 12– 25. doi : 10.1016/j.tim.2015.10.003 . ISSN 0966-842X . PMID 26578093. 2024年3月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。2022年12月4日閲覧。  
  23. ^ Martin, William F; Bryant, Donald A; Beatty, J Thomas (2017年11月21日). 「光合成の起源と進化に関する生理学的視点」 . FEMS Microbiology Reviews . 42 (2): 205– 231. doi : 10.1093/femsre/fux056 . ISSN 0168-6445 . PMC 5972617. PMID 29177446 .   
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