面白い話 |窒素は地球の78%を占めていますが、なぜ人間は生きていくために酸素しか吸収できないのでしょうか？

大気は窒素が78%、酸素はわずか21%です。では、窒素の必要性が高まったにもかかわらず、なぜ動物は酸素を呼吸するように進化したのでしょうか?木の中には根を通して窒素を固定するものがありますが、窒素に依存する動物はいるのでしょうか?

私たちすべて（人間、動物、植物）は窒素に依存しています。すべてのタンパク質には、その構成要素の 1 つとして窒素が含まれているからです。

人間はタンパク質を作るために植物や動物から窒素を摂取します。窒素を固定できる植物（および細菌）であっても、空気中の窒素を直接利用してタンパク質を生成することはできず、代わりにアンモニアまたは硝酸塩の形で利用します。

なぜ酸素なのか？酸素は炭水化物と発熱反応を起こし、エネルギーを供給します。窒素には同様の反応はありません。

窒素は非常に不活性な化学物質です（反応はしますが、酸素ほどではありません。そのため、窒素は大気中で非常に安定していますが、酸素は光合成によって絶えず再生されなければなりません）。

さらに興味深いのは、生命は塩素を酸化剤として利用して形成された可能性があるのか​​ということです。塩化ナトリウムや他の塩化物から塩素を生成するには、まったく異なる種類の光合成が必要になります。しかし、そのような光合成が存在したとしたら、今日の動物が植物の酸素発生型光合成過程を逆転させるのと同じように、一部の生命体が遊離塩素を使って光合成過程を逆転させることでエネルギーを抽出するように進化した可能性はあり得ない話ではないようです。

窒素を利用できる微生物は存在します（豆類などの植物の窒素固定能力を担っています）。しかし、前述のように、（窒素の化学式）N2ガスは反応性が低いです。 N-N結合を切断するには、より多くのエネルギーが必要です。

生物は、酸化還元反応と呼ばれる電子の移動を伴う化学反応からエネルギーを得ます。様々な物質を電子供与体として利用することができ、また様々な物質を電子受容体として利用することができます。

動物では、O2は電子受容体です。一部の生物は、硝酸塩（NO3）、亜硝酸塩（NO2）、硫酸塩（SO4）、二酸化炭素、および鉄（III）を電子受容体として使用できます。

なぜ私たちは酸素を使うように進化したのかはよく分かりませんが、すべての酸化還元反応が同じ量のエネルギーを生み出すわけではないので、O2、グルコース、水などの相対的な豊富さと、最終的なエネルギー消費に関係があるのではないかと思います。

ちょっとした面白い事実があります。重量あたりで見ると、チョコレートチップクッキーには TNT よりも多くのエネルギーが含まれています。これは正しくないように思えます。なぜなら、ライターで火をつけてでも、チョコチップクッキーで車を爆破することはできないからです。両者の違いは、エネルギーが放出される速度に関係しています。そして、一部の化学反応では、一部の生物にとってエネルギーの放出が速すぎたり遅すぎたりする可能性があると私は考えています。

本当の秘密は、空気呼吸する生物が利用したい化学エネルギーの主な源が酸素だということです。

物理化学者の視点（私は生理学や医学の知識がほとんどなく、専門知識もありません）：

酸素は非常にエネルギーの高い化学物質です。窒素はエネルギーが非常に少ない化学物質です。

現在地球の大気中に存在する酸素は生物起源のガスです。これは、20億年にわたる光合成の余剰です：太陽光エネルギー + 水 + 二酸化炭素（または海洋の重炭酸イオン） -> 炭水化物 + 酸素 + 化学エネルギー。化学エネルギーは炭水化物と酸素の間で分配されます。そのほとんどは酸素に依存しているに違いない。なぜなら、炭水化物の嫌気性分解（酸素なし）から最も多くのエネルギーを得ることができるからだ。

炭水化物 -> グラファイト + 水

酸素が利用可能である場合、エネルギーの約15％しか利用できない。

炭水化物 + 酸素 -> 二酸化炭素 + 水。

窒素は反応性がないだけでなく、化学エネルギーも欠いています。したがって、窒素が関与するあらゆる反応に利用できる唯一のエネルギーは、他の反応物からの化学エネルギーです。

すべての生物は、その機能の中心となるタンパク質の構成要素として、他の形態の窒素を必要とします。しかし、「化学エネルギーが低い」理由は、窒素固定生物は通常（常にではないにしても）、他の生物と共生関係にあるためです。「あなたが私のエネルギー需要を満たしてくれるなら、私は大気中の窒素化学から窒素需要を満たし、私自身の存在と複製を継続します。」

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