Nutrition/ja

 

グアノから栄養分を集めるムラサキシジミ。

栄養とは、生物がその生命を維持するために食物を利用する生化学的および生理学的プロセスのことである。生物に栄養素を供給し、それを代謝してエネルギーや化学構造を作り出す。十分な栄養素が得られないと栄養失調になる。栄養学は栄養に関する学問であるが、一般的には人間栄養学に重点を置いている。

どのような栄養素を必要とし、どのようにそれを得るかは、生物の種類によって決まる。生物は有機物の消費、無機物の消費、光の吸収、あるいはこれらの組み合わせによって栄養素を得る。基本元素を消費することで栄養素を内部生産できるものもあれば、既存の栄養素を得るために他の生物を消費しなければならないものもある。すべての生命体は炭素、エネルギー、水のほか、さまざまな分子を必要とする。動物は炭水化物、脂質、タンパク質などの複合栄養素を必要とし、他の生物を摂取することでそれらを得る。人類は採食に代わるものとして農業と調理を発達させ、人類の栄養学を発展させた。植物は土壌や大気を通して養分を獲得する。菌類は菌糸を通して周囲の養分を分解して吸収する。

歴史

詳細は「Nutritional science/ja」を参照

食品と栄養素の科学的分析は、18世紀後半の化学革命の間に始まった。18世紀と19世紀の化学者たちは、栄養学の理論を発展させるために、さまざまな元素や食物源を用いて実験を行った。現代の栄養学は、個々の微量栄養素が同定され始めた1910年代に始まった。化学的に同定された最初のビタミンは1926年のチアミンであり、ビタミンCは1932年に壊血病からの保護として初めて発見された。栄養学におけるビタミンの役割は、その後の数十年間で研究された。世界恐慌と第二次世界大戦の頃、食糧不足による疾病を恐れて、人間に対する最初の推奨食事許容量が策定された。人間の健康における重要性から、栄養学は人間の栄養学と農業に重きを置いており、生態学は二次的な関心事である。

栄養素

詳細は「栄養素」を参照

農業システム内での堆肥化は、生態系における栄養素の再利用という自然のサービスを利用している。バクテリア、菌類、昆虫、ミミズ、虫、その他の生物が堆肥を消化し、肥沃な土壌にする。土壌中のミネラルや栄養素は、作物の生産に再利用される。

栄養素とは、生物にエネルギーと物理的成分を供給し、生存、成長、繁殖を可能にする物質である。栄養素は基本元素であったり、複雑な高分子であったりする。約30種類の元素が有機物に含まれており、窒素、炭素、リンが最も重要である。大栄養素は生物が必要とする主要な物質であり、微量栄養素は生物が微量に必要とする物質である。有機微量栄養素はビタミンに分類され、無機微量栄養素はミネラルに分類される。

栄養素は細胞に吸収され、代謝生化学反応に利用される。これには、前駆体代謝産物とエネルギーを作り出す燃料化反応、前駆体代謝産物を構成ブロック分子に変換する生合成反応、これらの分子を高分子ポリマーに結合させる重合反応、およびこれらのポリマーを用いて細胞構造を構築する組立反応が含まれる。

栄養グループ

詳細は「Primary nutritional groups/ja」を参照

生物は炭素とエネルギーの獲得方法によって分類できる。従属栄養生物は他の生物の炭素を消費して栄養を得る生物であり、独立栄養生物は二酸化炭素などの無機物質の炭素から自ら栄養を生産する生物である。混合栄養生物は従属栄養生物にも独立栄養生物にもなりうる生物であり、一部のプランクトンや食虫植物を含む。光栄養生物は光からエネルギーを得るが、化学栄養生物は物質から化学エネルギーを消費してエネルギーを得る。有機栄養生物は他の生物を消費して電子を得るが、岩石栄養生物は水、硫化水素、[[|dihydrogen/ja|二水素]]、鉄(II)、硫黄、アンモニウムなどの無機物から電子を得る。原始栄養生物は他の化合物から必須栄養素を作り出すことができるが、補助栄養生物は既存の栄養素を消費しなければならない。

食事

詳細は「Diet (nutrition)/ja」を参照

栄養学において、生物の食事とは、その生物が食べる食品の総和である。健康的な食事は、生物の肉体的・精神的健康を向上させる。そのためには、ビタミン、ミネラル、タンパク質からの必須アミノ酸、脂肪含有食品からの必須脂肪酸の摂取と吸収が必要である。炭水化物、タンパク質、脂肪は、生物の生活の質、健康、長寿を確保する上で大きな役割を果たす。文化や宗教によっては、食事として許容されるものに制限がある場合もある。

栄養循環

詳細は「Nutrient cycle/ja」を参照

栄養循環とは、土壌、生物、空気または水の組み合わせを通して無機物が移動し、有機物と交換される生物地球化学的循環のことである。エネルギーの流れは一方向的で非循環的な経路であるが、鉱物栄養素の移動は循環的である。ミネラル循環には、炭素循環、硫黄循環、窒素循環、水循環、リン循環、酸素循環などがあり、他のミネラル栄養素とともに継続的に循環し、Productivity (ecology)/ja｜生産的な生態栄養となる。

生物と自然のプロセスによって行われる生物地球化学サイクルには、水、炭素、窒素、リン、硫黄サイクルがある。栄養塩循環によって、これらの[1]は、吸収または消費された後、環境に戻ることができる。適切な栄養循環がなければ、酸素レベル、気候、そして［https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/nutrient-cycling 生態系機能］に変化が生じる危険性がある。

採食

詳細は「Foraging/ja」を参照

用意した棒でシロアリを釣るボノボ。

採餌とは、環境中の栄養素を探し求めることである。また、その後にその資源を利用することも含まれる。動物やバクテリアのように、移動しながら栄養素を探す生物もいれば、植物や菌類のように、外側に広がって栄養素を探す生物もいる。採餌は、生物が方法なしに栄養素を探すランダムな場合もあれば、生物が直接食物源に行くことができる系統的な場合もある。生物は味覚やその他の栄養素感知によって栄養素を感知することができるため、栄養素の摂取量を調節することができる。最適採餌理論は採餌行動を費用便益分析として説明するモデルであり、動物は採餌に費やす時間とエネルギーを最小限に抑えながら栄養素の獲得を最大化しなければならない。これは動物の採餌習性を分析するために作られたが、他の生物にも拡張できる。ある生物は単一の食物源を採餌するように適応したスペシャリストであり、他の生物は様々な食物源を摂取できるゼネラリストである。

栄養不足

「Malnutrition/ja」も参照

栄養不足は栄養失調として知られ、生物が必要とする栄養素を持たない場合に起こる。これは栄養素が突然失われたり、適切な栄養素を吸収できなかったりすることによって起こる。栄養失調は、必要な栄養素の不足から生じるだけでなく、他の基礎疾患や健康状態から生じることもある。このような事態が発生すると、生物はエネルギー消費と支出を抑えて適応し、貯蔵栄養素の利用を長引かせる。蓄えられたエネルギーは枯渇するまで使用され、その後、さらなるエネルギーを得るために自らの体量を分解する。

バランスの取れた食事とは、必須栄養素と非必須栄養素を適切に摂取することである。しかし、それは年齢、体重、性別、身体活動レベルなどによって違ってくる。必須栄養素が1つでも欠けると、身体に害を及ぼす可能性がある。in,at%20population%20%20and%20individual%20level. 一日基準値は、大多数の人々の栄養不足を防ぐものである。DRVは推奨値ではなく、専門家や政策立案者に平均的な人の最大・最小の栄養摂取量がどの程度かを教育するための栄養素の参考値の組み合わせである。食品表示もまた、平均的な健康人のための安全な栄養ガイドラインを作成するための参考としてDRVを使用している。

生物では

動物

詳細は「Animal nutrition/ja」を参照

フランス、アリエージュ川近くでオタマジャクシを食べるカワセミ。

動物は栄養を得るために他の生物を食べる従属栄養生物である。草食動物は植物を食べる動物であり、肉食動物は他の動物を食べる動物であり、雑食動物は植物と他の動物の両方を食べる動物である。草食動物の多くは、難消化性の植物セルロースから消化可能な栄養素を作り出すためにバクテリアによる発酵に頼っており、一方、義務的肉食動物は体内で合成できない特定のビタミンや栄養素を得るために動物の肉を食べなければならない。一般に、動物は植物に比べてエネルギー要求量が高い。動物の生命に不可欠な大栄養素は、炭水化物、アミノ酸、脂肪酸である。

水を除くすべての多量栄養素は、体内でエネルギーとして必要とされるが、それだけが唯一の生理的機能ではない。食品中の多量栄養素が提供するエネルギーは、通常カロリーと呼ばれるキロカロリーで測定される。

炭水化物は大量のエネルギーを蓄える分子である。動物はこのエネルギーを得るために炭水化物を消化し、代謝する。炭水化物は通常、代謝の過程で植物によって合成される。動物は炭水化物を生成する能力が限られているため、ほとんどの炭水化物を自然界から入手しなければならない。炭水化物には糖、オリゴ糖、多糖類がある。グルコースは炭水化物の最も単純な形態である。糖質は分解されてグルコースと短鎖脂肪酸を生成し、草食性の陸上動物にとって最も豊富な栄養素である。

脂質は動物に油脂を供給する。脂質は水に溶けにくく、長時間エネルギーを蓄えることができる。脂質は様々な動植物から得ることができる。ほとんどの食餌性脂質はグリセロールと脂肪酸からなるトリグリセリドである。リン脂質やステロールは少量である。動物の体は、食事性脂肪の摂取量が増えると生成する脂肪酸の量を減らし、炭水化物の摂取量が増えると生成する脂肪酸の量を増やす。

動物が摂取したタンパク質はアミノ酸に分解され、後に新しいタンパク質を合成するために使われる。タンパク質は細胞構造、体液、酵素（生物学的触媒）の形成に使われる。酵素はほとんどの代謝プロセスや、DNA複製、DNA修復、転写に不可欠である。

動物の行動の多くは栄養に支配されている。移動パターンや季節繁殖は食物の入手可能性と連動して行われ、求愛行動は動物の健康状態を示すために用いられる。動物は健康に影響を与える食物に対して正負の関連性を発達させ、条件付食物嫌悪によって毒性傷害や栄養不均衡を引き起こした食物を本能的に避けることができる。ラットなど一部の動物は、栄養不足でない限り、新しい種類の食物を探し求めることはない。

人間

詳細は「Human nutrition/ja」および「Cooking/ja」を参照

初期の人類の栄養学は、他の動物と同様に栄養素を採集することから成っていたが、完新世の初めに新石器革命によって分岐し、人類は食料を生産するために農業を発展させた。18世紀の化学革命によって、人類は食品に含まれる栄養素を研究し、より高度な食品調理方法を開発することができるようになった。20世紀における経済学と技術の大きな進歩によって、大量生産と食品強化が可能になり、人間の栄養ニーズをよりよく満たすことができるようになった。人間の行動は人間の栄養と密接に関連しており、生物学に加えて社会科学の対象にもなっている。ヒトの栄養は楽しみながら食べることとバランスが取れており、最適な食事は各人の属性や健康上の懸念によって異なる場合がある。

人間は雑食動物であり、さまざまな食物を食べる。穀物の栽培とパンの生産は、農耕が始まって以来、人類の栄養の重要な構成要素となってきた。初期の人類は食肉のために動物を狩り、現代の人類はその肉と卵を消費するために動物を家畜化した。また畜産の発達によって、一部の文化圏では他の動物の乳を摂取し、それをチーズなどの食品に加工することができるようになった。人間が食べるその他の食物には、ナッツ類、種子類、果物、野菜などがある。家畜化された動物や植物油へのアクセスによって、人間の油脂摂取量は著しく増加した。人類は、病原微生物の汚染を防ぎ、食品の生産を単純化する高度な食品加工方法を開発した。これには乾燥、冷凍、加熱、粉砕、圧搾、包装、冷蔵、放射線照射などが含まれる。ほとんどの文化圏では、食べる前にハーブやスパイスを加えて風味を加えるが、そのほとんどは栄養に大きな影響を与えない。その他の添加物も、食品の安全性、品質、風味、栄養成分を改善するために使用される。

ヒトはほとんどの炭水化物を穀物からデンプンとして得ているが、砂糖の重要性は増している。脂質は動物性脂肪、バター脂肪、植物油、葉野菜などに含まれ、食品の風味を増すためにも使われる。タンパク質は細胞物質を構成するため、ほぼすべての食品に含まれるが、食品加工の方法によっては食品中のタンパク質の量が減少することがある。ヒトはエタノールからもエネルギーを得ることができる。エタノールは食品であると同時に薬物でもあるが、必須栄養素は比較的少なく、栄養欠乏やその他の健康リスクと関連している。

ヒトでは、栄養不良は失明、貧血、壊血病、早産、死産、クレチン症などの欠乏関連疾患や、肥満、メタボリックシンドロームなどの栄養過剰状態を引き起こす。栄養障害の影響を受ける可能性のある他の状態には、心血管系疾患、糖尿病、骨粗しょう症などがある。栄養不良は、急性症例では消耗症を、慢性症例ではマラスムスの発育阻害を引き起こすことがある。

家畜

ペット・家畜・en:working animal作業動物などの家畜は、その他の飼育下動物同様、栄養は飼料を通じて人間が管理する。家畜には飼料やフォレージが与えられる。ペット専用のペットフードは1860年から製造されており、その後の研究開発によってペットの栄養ニーズに対応してきた。特にドッグフードとキャットフードは研究が重ねられており、通常これらの動物に必須な栄養素がすべて含まれている。猫はタウリンなどいくつかの一般的な栄養素に敏感で、肉由来の追加栄養素を必要とする。大型犬の子犬は栄養過多になりやすい。小型犬用のドッグフードはエネルギー密度が高く、子犬が吸収できる量よりも多いからである。

植物

詳細は「Plant nutrition/ja」を参照

植物の光合成の模式図。生産された炭水化物は植物に貯蔵されるか、または植物によって使用される。

ほとんどの植物は、土壌や大気から吸収された無機物質を通して栄養素を得る。炭素、水素、酸素、窒素、および硫黄は、植物の有機物を構成し、酵素プロセスを可能にする必須栄養素である。これらは重炭酸塩、硝酸塩、アンモニウム、硫酸塩などの土壌中のイオンとして吸収されるか、二酸化炭素、水、酸素ガス、二酸化硫黄などの気体として吸収される。リン、ホウ素、ケイ素はエステル化に使われる。これらはそれぞれリン酸、ホウ酸、ケイ酸として土壌から得られる。植物が利用するその他の栄養素は、カリウム、ナトリウム、カルシウム、マグネシウム、マンガン、塩素、鉄、銅、亜鉛、モリブデンである。

植物は根を通じて土壌から、また葉を通じて（主に窒素と酸素からなる）空気から必須元素を取り込む。土壌中の栄養素の取り込みは、根毛がプロトンポンプを通じて水素イオン（H⁺）を土壌中に送り込む陽イオン交換によって達成される。この水素イオンはマイナスに帯電した土壌粒子に付着した陽イオンを置換し、陽イオンを根が取り込めるようにする。葉では気孔が開いて二酸化炭素を取り込み、酸素を排出する。 窒素は地球の大気中に豊富に存在するが、これを直接利用できる植物はほとんどない。したがってほとんどの植物は、生育する土壌中に窒素化合物が存在することを必要とする。これは、大部分が不活性な大気中の窒素が、窒素固定の過程でバクテリアによって土壌中で生物学的に利用可能な形態に変化するという事実によって可能になる。

これらの栄養素は植物にエネルギーを与えないので、植物は他の手段でエネルギーを得なければならない。緑色植物は葉緑体で太陽光のエネルギーを吸収し、光合成によって利用可能なエネルギーに変換する。

真菌

「Fungiculture/ja」も参照

真菌は化学従属栄養生物であり、外部の物質をエネルギーとして消費する。ほとんどの真菌は根のような菌糸を通して物質を吸収し、菌糸は生物の栄養源を通して成長し、無限に伸びることができる。真菌は細胞外酵素を排泄して周囲の物質を分解し、細胞壁を通して栄養分を吸収する。真菌には寄生性、腐生菌性、共生性がある。寄生菌は、動物や植物、他の菌類など、生きている宿主に寄生して食べる。腐生菌は、死体や腐敗した生物を食べる。共生菌は、他の生物の周囲で生育し、その生物と栄養分を交換する。

原生生物

原生生物には、動物、植物、菌類以外のすべての真核生物が含まれ、その結果、それらの間には大きな多様性がある。藻類は光合成原生生物であり、光からエネルギーを作り出すことができる。いくつかのタイプの原生生物は、菌類に似た菌糸を用いる。原生動物は従属栄養原生生物であり、原生動物によって栄養素の求め方が異なる。鞭毛虫原生動物は鞭毛を使って餌を探す手助けをし、一部の原生動物は感染性の胞子を介して移動し寄生虫として働く。多くの原生生物は混合栄養性で、光栄養性と従属栄養性の両方の性質を持つ。従属栄養原生生物は通常、一方の栄養源に依存しながら、もう一方の栄養源を補助的なものとして、あるいは主栄養源が利用できない場合の一時的な代替手段として利用する。

原核生物

詳細は「Microbial metabolism/ja」を参照

細胞代謝の簡略図

細菌や古細菌を含む原核生物は、栄養群によって栄養素の獲得方法が大きく異なる。原核生物は細胞包を横切って可溶性化合物を輸送することしかできないが、周囲の化学成分を分解することはできる。一部の石器栄養原核生物は極限好気性で、無機物を分解することで栄養の乏しい環境でも生き延びることができる。シアノバクテリアやクロロフレキシアなどの光栄養原核生物は、太陽光からエネルギーを得るために光合成を行うことができる。これは地熱泉の頂上のマットに形成されるバクテリアによく見られる。光栄養原核生物は通常、カルビンサイクルを通じて二酸化炭素を同化して炭素を得る。

原核生物の中には、ブデロビブリオやエンシファーのように、捕食性で他の単細胞生物を捕食するものもいる。捕食性原核生物は、走化性やランダムな衝突によって他の生物を探し出し、その生物と合体して分解し、放出された栄養分を吸収する。原核生物の捕食戦略には、生物の外表面に付着して外部で分解する方法、生物の細胞質に侵入する方法、生物のペリプラズム空間に侵入する方法などがある。捕食性原核生物のグループは、集団で加水分解酵素を産生することで付着を見送っている場合もある。

こちらも参照

• Liebig's law of the minimum/ja
• Nutrient density/ja
• Nutrition analysis/ja
• Resource (biology)/ja
• Substrate (biology)/ja
• Milan Charter/ja 2015年栄養憲章

参考文献

• Andrews, John H. (2017). Comparative Ecology of Microorganisms and Macroorganisms (2nd ed.). New York: Springer. ISBN 978-1-4939-6897-8.
• Mann, Jim; Truswell, A. Stewart, eds. (2012). Essentials of Human Nutrition (4th ed.). Oxford: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-956634-1.
• Mengel, Konrad; Kirkby, Ernest A.; Kosegarten, Harald; Appel, Thomas, eds. (2001). Principles of Plant Nutrition (5th ed.). New York: Springer. doi:10.1007/978-94-010-1009-2. ISBN 978-94-010-1009-2. S2CID 9332099.
• Simpson, Stephen J.; Raubenheimer, David (2012). The Nature of Nutrition: A Unifying Framework from Animal Adaptation to Human Obesity. Princeton: Princeton University Press. ISBN 978-1-4008-4280-3.
• Wu, Guoyao (2017). Principles of Animal Nutrition. Boca Raton: CRC Press. ISBN 978-1-351-64637-6.