遍在する微生物は生き残るために何に頼っているのでしょうか?

制作：中国科学普及協会

著者: Guanshi Ruwei チーム

プロデューサー: 中国科学博覧会

周知のとおり、生物は生命活動を行うために外界から原材料や燃料を獲得する必要があります。生物学者の言葉を借りれば、栄養とは生物が生命活動に必要な物質を外界から得るプロセスです。栄養は生物の基本的な機能です。

（写真提供：Veer Gallery）

微生物も生き物であり、その生命活動の基盤となるのが栄養です。微生物と人間の栄養ニーズに本質的な違いはありませんが、微生物の餌として提供できるものは、人間や動物が利用できる餌の種類よりもはるかに多様です。微生物が必要とする栄養素は、炭素源、窒素源、エネルギー、無機塩、成長因子、水の6つのカテゴリーに分類できます。

炭素源

私たちがよく食べる主食であるご飯や饅頭、パンなどの主成分は炭水化物と呼ばれます。これらの化合物の分子には比較的多くの炭素元素が含まれているため、炭素源とも呼ばれます。微生物細胞の多くの成分は炭素で構成されており、炭素源は微生物が移動し、さまざまな生命活動を行うためのエネルギーを提供するため、微生物の主要な食料でもあります。

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さまざまな微生物が利用できる炭素源の種類は、二酸化炭素や炭酸塩などの単純な無機炭素含有化合物から、より複雑な有機物質（糖、アルコール、酸など）、さらにはタンパク質や核酸などのより複雑な有機高分子まで、非常に多様です。これらはすべて微生物によって分解され、炭素源として利用されます。一般生物にとって有毒な石油やニトリル化合物、キシレン、フェノールなどでも、一部の微生物は炭素源として利用することができます。

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微生物学者は、Burkholderia cepaciaと呼ばれる細菌に90種類以上の炭素源を与え、この細菌がブドウ糖や果糖だけでなく、多くの有機酸、さらには石炭酸（フェノール）や、死体の腐敗後に生成されるプトレシン、スペルミン、トリプタミンなどの化合物も利用できることを突き止めました。これらは人間や動物にとって非常に有毒です。しかし、一部の微生物が利用できる炭素源の種類は非常に限られています。例えば、メチロトローフ細菌は、単純な有機化合物であるメタノールとメタンのみを炭素源として利用できます。

窒素源

私たちが日常的に食べる肉や飲む牛乳には、多くのタンパク質が含まれています。タンパク質はアミノ酸で構成されており、アミノ酸には窒素が多く含まれているため、このタイプの栄養素は窒素源と呼ばれます。微生物は人間や植物よりも多くの種類の窒素源を利用できます。植物や動物が利用できる窒素源をすべて利用できます。また、植物や動物が利用できない空気中の窒素も利用することができます。

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窒素源は、微生物が成長し繁殖する際に原形質やその他の細胞構造を合成するための原料です。長期間タンパク質を欠乏すると子供の身長が伸びなくなるのと同じように、窒素源が不足すると微生物も成長しにくくなります。窒素源は一般に微生物のエネルギー源としては利用されません。しかし、硝化細菌などの一部の細菌は、アンモニウム塩や亜硝酸塩を窒素源やエネルギー源として利用することができます。

エネルギー

エネルギーとは、微生物の生命活動に必要なエネルギーを供給する物質です。たとえば、太陽光からの光エネルギーは、光合成を行うことができる多くの細菌にとって直接的なエネルギー源となります。ブドウ糖やデンプンなど、自然界に存在する多くの物質は、炭素源としてもエネルギー源としても利用できます。一部の微生物にとって、タンパク質は炭素源、窒素源、エネルギー源という 3 つの機能を持つ栄養源です。空気中の窒素に関しては、窒素源を提供することしかできません。

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無機塩

人間はカルシウムを補給するために塩を摂取する必要があり、作物はカリウムを補給するために木灰を必要とします。微生物は、通常の生物と同様に、炭素源、窒素源、エネルギー源だけでなく、生命活動において硫黄、リン、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、鉄などの他の元素などの物質のサポートも必要とします。上記の元素のほとんどは塩の形で微生物に供給されるため、無機塩またはミネラル栄養素と呼ばれます。これらの無機塩は、生体の必須成分であり、正常な生命活動を維持するために必要です。いくつかは、特定の物質の生成を促進したり阻害したりするために使用されます。

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成長因子

人間や動物はビタミンを必要としますが、多くの微生物も同様です。ビタミンは微生物自身では合成できない微量有機物であり、微生物が生命活動を維持するために欠かせない物質でもあります。例えば、酵母や乳酸菌は、成長したり、よく成長したりするためには、外部からビタミンを与える必要があります。

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大腸菌、ほとんどの真菌、放線菌などの一部の微生物は、成長因子を自ら合成できるため、外部から成長因子を獲得する必要はありません。一部の微生物は過剰な成長因子を生成できるため、ビタミンの生成に使用できます。たとえば、人々が補給する必要のあるビタミン B2 (リボフラビン) は、ある種の酵母によって生成されます。

水

すべての生物と同様に、水は微生物の栄養に不可欠です。水は微生物細胞の主な化学成分の一つです。生命活動は基本的に一連の化学反応によって達成され、そのほとんどは水中で起こります。細胞内外の物質の交換は通常、水に溶けた状態で起こります。水は核酸やタンパク質などの生命高分子の分子構造の安定性を維持することもできます。水は、加水分解や水和反応などの体内の化学反応にも関与します。

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結論

自然界では、微生物は成長に必要なさまざまな栄養素を生息環境から得ています。さまざまな微生物グループがさまざまな環境で成長し、繁殖することができます。微生物間、また微生物と他の生物との間には、微妙かつ切り離せないつながりが存在します。

微生物は生かしておくのがとても簡単ですが、自然の正常な機能には欠かせないものです。

編集者：孫晨宇