栄養

 

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。

All macronutrients except water are required by the body for energy, however, this is not their sole physiological function. The energy provided by macronutrients in food is measured in kilocalories, usually called Calories, where 1 Calorie is the amount of energy required to raise 1 kilogram of water by 1 degree Celsius.

Carbohydrates are molecules that store significant amounts of energy. Animals digest and metabolize carbohydrates to obtain this energy. Carbohydrates are typically synthesized by plants during metabolism, and animals have to obtain most carbohydrates from nature, as they have only a limited ability to generate them. They include sugars, oligosaccharides, and polysaccharides. Glucose is the simplest form of carbohydrate. Carbohydrates are broken down to produce glucose and short-chain fatty acids, and they are the most abundant nutrients for herbivorous land animals.

Lipids provide animals with fats and oils. They are not soluble in water, and they can store energy for an extended period of time. They can be obtained from many different plant and animal sources. Most dietary lipids are triglycerides, composed of glycerol and fatty acids. Phospholipids and sterols are found in smaller amounts. An animal's body will reduce the amount of fatty acids it produces as dietary fat intake increases, while it increases the amount of fatty acids it produces as carbohydrate intake increases.

Protein consumed by animals is broken down to amino acids, which would be later used to synthesize new proteins. Protein is used to form cellular structures, fluids, and enzymes (biological catalysts). Enzymes are essential to most metabolic processes, as well as DNA replication, repair, and transcription.

Much of animal behavior is governed by nutrition. Migration patterns and seasonal breeding take place in conjunction with food availability, and courtship displays are used to display an animal's health. Animals develop positive and negative associations with foods that affect their health, and they can instinctively avoid foods that have caused toxic injury or nutritional imbalances through a conditioned food aversion. Some animals, such as rats, do not seek out new types of foods unless they have a nutrient deficiency.

Human

Main articles: Human nutrition and Cooking

Early human nutrition consisted of foraging for nutrients similar to that of other animals, but it diverged at the beginning of the Holocene with the Neolithic Revolution, in which humans developed agriculture to produce food. The Chemical Revolution in the 18th century allowed humans to study the nutrients in foods and develop more advanced methods of food preparation. Major advances in economics and technology during the 20th century allowed mass production and food fortification to better meet the nutritional needs of humans. Human behavior is closely related to human nutrition, making it a subject of social science in addition to biology. Nutrition in humans is balanced with eating for pleasure, and optimal diet may vary depending on the demographics and health concerns of each person.

Humans are omnivores that eat a variety of foods. Cultivation of cereals and production of bread has made up a key component of human nutrition since the beginning of agriculture. Early humans hunted animals for meat, and modern humans domesticate animals to consume their meat and eggs. The development of animal husbandry has also allowed humans in some cultures to consume the milk of other animals and produce it into foods such as cheese. Other foods eaten by humans include nuts, seeds, fruits, and vegetables. Access to domesticated animals as well as vegetable oils has caused a significant increase in human intake of fats and oils. Humans have developed advanced methods of food processing that prevents contamination of pathogenic microorganisms and simplify the production of food. These include drying, freezing, heating, milling, pressing, packaging, refrigeration, and irradiation. Most cultures add herbs and spices to foods before eating to add flavor, though most do not significantly affect nutrition. Other additives are also used to improve the safety, quality, flavor, and nutritional content of food.

Humans obtain most carbohydrates as starch from cereals, though sugar has grown in importance. Lipids can be found in animal fat, butterfat, vegetable oil, and leaf vegetables, and they are also used to increase flavor in foods. Protein can be found in virtually all foods, as it makes up cellular material, though certain methods of food processing may reduce the amount of protein in a food. Humans can also obtain energy from ethanol, which is both a food and a drug, but it provides relatively few essential nutrients and is associated with nutritional deficiencies and other health risks.

In humans, poor nutrition can cause deficiency-related diseases, such as blindness, anemia, scurvy, preterm birth, stillbirth and cretinism, or nutrient-excess conditions, such as obesity and metabolic syndrome. Other conditions possibly affected by nutrition disorders include cardiovascular diseases, diabetes, and osteoporosis. Undernutrition can lead to wasting in acute cases, and stunting of marasmus in chronic cases of malnutrition.

Domesticated animal

In domesticated animals, such as pets, livestock, and working animals, as well as other animals in captivity, nutrition is managed by humans through animal feed. Fodder and forage are provided to livestock. Specialized pet food has been manufactured since 1860, and subsequent research and development have addressed the nutritional needs of pets. Dog food and cat food in particular are heavily studied and typically include all essential nutrients for these animals. Cats are sensitive to some common nutrients, such as taurine, and require additional nutrients derived from meat. Large-breed puppies are susceptible to overnutrition, as small-breed dog food is more energy dense than they can absorb.

Plant

Main article: Plant nutrition

Schematic of photosynthesis in plants. The carbohydrates produced are stored in or used by the plant.

Most plants obtain nutrients through inorganic substances absorbed from the soil or the atmosphere. Carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, and sulfur are essential nutrients that make up organic material in a plant and allow enzymic processes. These are absorbed ions in the soil, such as bicarbonate, nitrate, ammonium, and sulfate, or they are absorbed as gases, such as carbon dioxide, water, oxygen gas, and sulfur dioxide. Phosphorus, boron, and silicon are used for esterification. They are obtained through the soil as phosphates, boric acid, and silicic acid, respectively. Other nutrients used by plants are potassium, sodium, calcium, magnesium, manganese, chlorine, iron, copper, zinc, and molybdenum.

Plants uptake essential elements from the soil through their roots and from the air (consisting of mainly nitrogen and oxygen) through their leaves. Nutrient uptake in the soil is achieved by cation exchange, wherein root hairs pump hydrogen ions (H⁺) into the soil through proton pumps. These hydrogen ions displace cations attached to negatively charged soil particles so that the cations are available for uptake by the root. In the leaves, stomata open to take in carbon dioxide and expel oxygen. Although nitrogen is plentiful in the Earth's atmosphere, very few plants can use this directly. Most plants, therefore, require nitrogen compounds to be present in the soil in which they grow. This is made possible by the fact that largely inert atmospheric nitrogen is changed in a nitrogen fixation process to biologically usable forms in the soil by bacteria.

As these nutrients do not provide the plant with energy, they must obtain energy by other means. Green plants absorb energy from sunlight with chloroplasts and convert it to usable energy through photosynthesis.

Fungus

See also: Fungiculture

Fungi are chemoheterotrophs that consume external matter for energy. Most fungi absorb matter through the root-like mycelium, which grows through the organism's source of nutrients and can extend indefinitely. The fungus excretes extracellular enzymes to break down surrounding matter and then absorbs the nutrients through the cell wall. Fungi can be parasitic, saprophytic, or symbiotic. Parasitic fungi attach and feed on living hosts, such as animals, plants, or other fungi. Saprophytic fungi feed on dead and decomposing organisms. Symbiotic fungi grow around other organisms and exchange nutrients with them.

Protist

Protists include all eukaryotes that are not animals, plants, or fungi, resulting in great diversity between them. Algae are photosynthetic protists that can produce energy from light. Several types of protists use mycelium similar to those of fungi. Protozoa are heterotrophic protists, and different protozoa seek nutrients in different ways. Flagellate protozoa use a flagellum to assist in hunting for food, and some protozoa travel via infectious spores to act as parasites. Many protists are mixotrophic, having both phototrophic and heterotrophic characteristics. Mixotrophic protists will typically depend on one source of nutrients while using the other as a supplemental source or a temporary alternative when its primary source is unavailable.

Prokaryote

Main article: Microbial metabolism

Simplified view of cellular metabolism

Prokaryotes, including bacteria and archaea, vary greatly in how they obtain nutrients across nutritional groups. Prokaryotes can only transport soluble compounds across their cell envelopes, but they can break down chemical components around them. Some lithotrophic prokaryotes are extremophiles that can survive in nutrient-deprived environments by breaking down inorganic matter. Phototrophic prokaryotes, such as cyanobacteria and Chloroflexia, can engage in photosynthesis to obtain energy from sunlight. This is common among bacteria that form in mats atop geothermal springs. Phototrophic prokaryotes typically obtain carbon from assimilating carbon dioxide through the Calvin cycle.

Some prokaryotes, such as Bdellovibrio and Ensifer, are predatory and feed on other single-celled organisms. Predatory prokaryotes seek out other organisms through chemotaxis or random collision, merge with the organism, degrade it, and absorb the released nutrients. Predatory strategies of prokaryotes include attaching to the outer surface of the organism and degrading it externally, entering the cytoplasm of the organism, or by entering the periplasmic space of the organism. Groups of predatory prokaryotes may forgo attachment by collectively producing hydrolytic enzymes.

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.