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C4植物はCO2濃縮メカニズムにより高い光合成速度を達成する。CO2は葉肉細胞で炭酸脱水酵素(CA)の働きで炭酸水素イオンに変換され、リンゴ酸として貯蔵される。このCO2濃縮により、光合成の律速となるCO2不足を解消する。CAは亜鉛を含む金属酵素で、CO2と水の反応を促進する役割を持つ。C4植物のソルガムを緑肥として利用する場合、亜鉛の供給がC4回路の効率、ひいては植物の生育に影響を与える可能性がある。この亜鉛の重要性は、畑作の持続可能性を考える上で重要な要素となる。
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この記事は、鉱泉に含まれる二価鉄の起源を探る後編です。前編では山の岩石が水質に影響を与えていることを示唆し、後編では岩石の中でも特にかんらん石に着目しています。かんらん石は鉄やマグネシウムを含む有色鉱物で、苦土やケイ酸の供給源となるだけでなく、二価鉄(Fe2+)を含む(Mg,Fe)2SO4という化学組成を持ちます。かんらん石は玄武岩に含まれ、風化しやすい性質のため、玄武岩質の山の川はかんらん石の影響を受け、二価鉄を含む水質になると考えられます。実際に、含鉄(Ⅱ)の鉱泉の上流は玄武岩質であることが地質図から確認できます。最後に、この考察に基づき、各地の調査結果を次回報告するとしています。
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植物の生育に必須な二価鉄は、過剰症のリスクもある。岐阜県飛騨小坂の巌立峡は火山由来の渓谷で、周辺には二価鉄を含む鉱泉や湧水が存在する。地元民によると、川も含めた周辺の水はマグネシウム、カルシウム、キレート化された二価鉄が多いという。巌立峡の地質は安山岩・玄武岩類からなる非アルカリ苦鉄質火山岩類である。つまり、二価鉄を多く含む川の上流の地質は火山岩である可能性が高い。下流には食味の良い米の産地があることも興味深い。
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二価鉄(Fe²⁺)は、電子を容易に受け渡しできるため、光合成を含む植物の生命活動において電子の運搬役として不可欠です。電子は物質の合成や分解、エネルギー源として重要であり、二価鉄はその供給を担います。しかし、二価鉄は酸化しやすく活性酸素を発生させるリスクがあるため、過剰症に注意が必要です。植物は、土壌中の三価鉄(Fe³⁺)を還元して二価鉄として吸収する戦略を持ち、体内で糖などから電子を得てこの還元を行います。二価鉄を肥料として利用する場合、酸化を防ぐため有機酸で包み込んだキレート鉄が用いられます。二価鉄は、リスク管理が必要だが、成長を促進する重要な要素です。
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光合成の明反応後編では、電子伝達系に関わる物質の詳細が説明されている。シトクロムb6f複合体にはヘム鉄を含むシトクロムが、プラストシアニンには銅が、フィレドキシンには鉄-硫黄クラスターが含まれ、それぞれ電子の運搬役を担う。これらの物質の合成にはグルタミン、マグネシウム、二価鉄、マンガン、カルシウム、硫黄などが必要となる。特に、これまで注目されてこなかった二価鉄の重要性が示唆されている。
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植物は銅を利用して難分解性有機物リグニンを合成し、自らを害虫や病原菌から守る。キノコは銅を利用してリグニンを分解する。廃菌床はキノコ栽培後の培地で、キノコが生え終わった後もリグニン分解のポテンシャルが残っている。これを土壌に混ぜ込むことで、土壌はフカフカになり、植物の側根や毛細根の生育が促進される。さらに、廃菌床に残存する銅を作物が吸収することで、植物はより強くなり、病害虫への抵抗力が高まる。この一連の流れは、銅を介した植物とキノコのリグニンをめぐる攻防の延長線上にあると言える。ボルドー液のような銅製剤は、このメカニズムを応用した農薬である。
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蕎麦アレルギーの原因物質は蕎麦殻に含まれるタンパク質であり、蕎麦粉にわずかに混入することでアレルギー反応を引き起こす。蕎麦殻を蕎麦粉から完全に除去するのは難しく、製粉方法や蕎麦の種類によって混入率が変わる。蕎麦アレルギー患者は、十割蕎麦であっても殻の混入によるアナフィラキシーショックのリスクがあるため注意が必要。アレルギー症状は皮膚のかゆみ、じんましん、呼吸困難など様々で、重篤な場合は死に至る可能性もある。蕎麦殻アレルゲン除去の研究も進んでいるが、現時点ではアレルゲンの完全除去は困難であり、蕎麦アレルギー患者は蕎麦の摂取を控えることが推奨される。
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先日もりそばを食べた後、蕎麦湯を飲み、そばの栄養素について調べてみた。そばにはルチンという物質が含まれ、抗酸化、抗炎症、抗高血圧作用がある。ルチンは茹でる際に蕎麦湯に流出する可能性がある。ルチンは二価鉄に結合し、フリーラジカルの生成を抑え、細胞の損傷を防ぐ働きがあるようだ。蕎麦湯を飲むことで、ルチンの効果を期待したい。
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亜鉛はI-W系列の元素であり、農薬に含まれることで植物の生育を促進します。I-W系列の元素は相互に関わり合いながら、酵素などの生体分子を構成しています。亜鉛を含む金属酵素には、炭酸無水化酵素、アルコール脱水素酵素、カルボキシペプチダーゼなどがあります。これらの酵素は、炭酸の除去、アルコールの酸化、タンパク質の分解などに重要な役割を果たします。さらに、亜鉛はジンクフィンガータンパク質にも含まれており、遺伝子発現の制御に関わっています。植物における亜鉛欠乏は、光合成の低下、成長阻害、花の減少などの症状を引き起こす可能性があります。
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マンゼブなどのジチオカーバメート系殺菌剤は、SH酵素阻害を通じて殺菌活性を示す。SH酵素阻害とは、システインのSH基を活性中心とする酵素の直接阻害、補酵素CoAやリポ酸のSH基との反応による阻害、酵素反応に必要な重金属のキレートによる阻害を指す。マンゼブに含まれる亜鉛は、I-W系列の規則に従い金属酵素を阻害する。システインは硫黄を含むアミノ酸で、タンパク質の構造維持や活性酸素の除去に関わるグルタチオンの構成要素となる。ジチオカーバメートは、2つの硫黄を含むウレタン構造を指す。
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マンゼブは亜鉛を含む農薬で、I-W系列に基づくと、亜鉛は強力な結合力を持ちます。この亜鉛がマンガンや鉄を利用する酵素タンパク質に結合すると、酵素の作用が阻害されます。I-W系列では、結合力が強い金属ほどリグニンなど強固な物質の合成に関与しますが、結合力が強すぎると生命活動に悪影響を及ぼします。銅は生理作用を維持できる範囲で結合力が強く、リグニン合成に必須ですが、アルミニウムは強すぎて毒性があります。亜鉛は銅に次ぐ結合力を持ち、生命活動に不可欠な微量要素でもあります。マンゼブが亜鉛を含んでいるため、病原菌の酵素を阻害する効果がありますが、植物は微量要素として亜鉛を利用するため、予防薬として用いることができます。
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植物の細胞壁成分リグニン合成は、複数の金属酵素が関わる複雑な過程である。リグニンモノマー(モノリグノール)はペルオキシダーゼ(鉄)もしくはラッカーゼ(銅)により酸化され、重合を繰り返してリグニンになる。モノリグノールはベンゼン環を持ち、フェニルプロパノイドに分類される。フェニルプロパノイドは芳香族アミノ酸であるフェニルアラニンから合成され、その前段階として光合成(マンガン、鉄が必要)や、シロヘム(鉄)が関与するアミノレブリン酸合成経路が重要となる。このように、リグニン合成は鉄、銅、マンガン等の金属、そして光合成産物が必須である。
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「星屑から生まれた世界」で紹介されているアーヴィング-ウィリアムズ（I-W）系列は、微量要素の化学的性質と生物学的役割の関係性を示す。化学データでは銅イオンの陰イオンへの結合力が最も強く、他イオンと結合し不活性化させる危険性がある。一方、生物学データでは細胞内銅イオン濃度は最低で、生物が銅の毒性を回避している様子がわかる。I-W系列は、マンガンから亜鉛にかけての微量要素の必要量と過剰害の傾向を理解するのに役立ち、植物における微量要素の役割の理解を深める視点を提供する。
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二年熟成味噌を購入し、一年味噌との味の違いを考察している。熟成が進むと大豆タンパク質がペプチドを経てアミノ酸に分解され、甘味が増す。特に大豆の学名(Glycine max)からグリシンが豊富と推測し、グリシンが甘味を持つアミノ酸であることから、二年味噌の甘味の強さは理にかなっていると結論づけている。また、安価な味噌は脱脂大豆を使用するため風味が劣るという情報や、大豆に含まれる油分が味噌のまろやかさに貢献していることにも触れている。さらに、味噌の熟成と発酵食品としての特性、無添加味噌のカビについても言及している。
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生物は常に活性酸素を発生しており、これは呼吸によるエネルギー産生の副産物である。活性酸素は細胞を傷つけるため、老化や病気の原因となる。しかし、生物は活性酸素を完全に排除するのではなく、免疫や細胞の情報伝達などにも利用している。活性酸素の発生源や種類、細胞への影響、そして生物がどのように活性酸素を利用し、防御しているかを理解することは、健康維持や病気予防に繋がる。
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ボルドー液は、硫酸銅と消石灰の混合溶液から成る農薬である。硫酸銅は胆礬（硫酸銅(II)五水和物）を原料とし、酸化帯に存在し水に溶けやすい。消石灰は炭酸石灰から生成され、土壌pH調整に用いられる。ボルドー液は、消石灰の石灰乳に硫酸銅を加えて作られる。酸性条件で活発になるカビ対策として、硫酸銅の銅イオンの殺菌力を利用しつつ、消石灰でアルカリ性にすることで、酸性環境を好むカビの繁殖を抑える効果が期待される。
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乳酸菌はγ-アミノ酪酸以外にも様々な物質を生成する。論文「乳酸菌の生理機能とその要因」によると、乳酸菌は共役リノール酸や各種ビタミンも合成する。特に、ビフィドバクテリウム属はビタミンB群、葉酸、ニコチン酸、ビオチンなどを、ラクトコッカス・ラクティスやエンテロコッカス・フェカリスなどはビタミンKを生成する。糠漬けに含まれる乳酸菌の種類は不明だが、糠漬け内でビタミンが増えるのは乳酸菌の働きによるものと考えられる。
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この記事では、乳酸菌がγ-アミノ酪酸(GABA)を生成するメカニズムと、その生理活性について解説しています。千枚漬けからGABA高生産性乳酸菌が発見され、グルタミン酸ナトリウム存在下でGABAを大量に生成することが示されました。GABAはグルタミン酸デカルボキシラーゼ(GAD)によりグルタミン酸から合成され、この酵素はビタミンB6の活性型を補酵素として利用します。GADは人体にも存在し、神経伝達物質としてGABAが機能しています。食品中のGABAはリラックス効果を期待して添加される例が増えており、糠漬けにも含まれる可能性があります。GABAがそのまま神経に到達するかは不明ですが、前駆体であるグルタミン酸は旨味成分として重要です。乳酸菌自身にとってGABAがどのような役割を果たしているかは、今後の研究課題となっています。
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酸の強さは水素イオン濃度で決まり、pH値で表される。pH値が小さいほど酸性は強く、金属を溶かす力も高まる。これは酸が金属と反応し、水素ガスを発生させながら金属イオンを生成するためである。反応のしやすさは金属の種類によっても異なり、イオン化傾向の大きい金属ほど酸と反応しやすい。塩酸などの強酸は多くの金属を溶かすことができる一方、弱酸は反応性が低い。酸が金属を溶かす反応は、電池や金属の精錬など様々な分野で利用されている。
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亜鉛は様々な酵素の活性中心として機能し、細胞増殖やタンパク質合成、免疫機能など生命活動に必須の微量元素です。牡蠣などの海産物に多く含まれる理由は、亜鉛を必要とする金属酵素を多く持つためと考えられています。特に、炭酸脱水酵素は貝殻形成に、アルカリホスファターゼはリン酸代謝に、そして様々な加水分解酵素は食物の消化に必須であり、これらの酵素活性に亜鉛が不可欠です。そのため、牡蠣は体内に高濃度の亜鉛を蓄積しています。また、亜鉛結合タンパク質であるメタロチオネインも、過剰な亜鉛の毒性を抑制し、貯蔵する役割を果たしています。
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天候不順による日照不足と過湿は野菜の生育に悪影響を与える。特に、過湿による土壌の酸素不足は根の伸長を阻害し、ミネラル吸収量の減少、ひいては野菜の不味さにつながる。排水性の良い畑では、このような悪影響を軽減できる。慣行農業における除草剤の使用は、土壌を固くし、水はけを悪くする要因となる。一方、オーガニック農法では除草剤を使用しないため、土壌に根が張りやすく、排水性が良くなる。結果として、根の伸長が促進され、ミネラル吸収量が増加し、美味しい野菜が育つ可能性が高まる。つまり、除草剤の使用有無が野菜の品質、ひいては収量に影響を与えるため、オーガニック野菜は天候不順時にも比較的安定した収穫と美味しさを維持できる可能性がある。
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鉄は作物のアミノ酸合成や抵抗性向上に重要だが、過剰症は銅やマンガンの欠乏を引き起こすため、施肥には注意が必要。鉄過剰症は、過度な炭素循環農法や老朽水田で発生しやすい。鉄欠乏対策として、土壌に鉄吸収ストラテジーⅠ型かⅡ型で吸収可能な鉄を混ぜ込む方法が有効と考えられる。鉄は銅やマンガンと拮抗作用があるため、バランスが重要であり、無理やり吸収させるのは危険。
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植物は免疫機構として活性酸素を利用し、侵入した菌を死滅させる。活性酸素(スーパーオキシドアニオン)は、電子伝達系（呼吸）におけるエネルギー生産過程の副産物として常に生成されている。これは、菌侵入への迅速な対応を可能にする。しかし、過剰な活性酸素は自身を傷つけるため、マンガン等の電子を用いて除去する必要がある。つまり、免疫と活性酸素制御の両方に電子が不可欠で、光合成で得た電子を糖に蓄え利用している。この電子の流れとバランスが植物の健康を維持する鍵となる。
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鉄イオンは電子を放出しやすく受け取りやすい性質から、生物の様々な反応に関与する。例えば、植物は鉄イオンを利用して硝酸イオンを還元し、窒素を同化する。また、生物は活性酸素を用いて菌を殺菌するが、活性酸素は自身の細胞も傷つけるため、スーパーオキシドディスムターゼ（SOD）とペルオキシダーゼを用いて活性酸素を鎮める。これらの酵素は鉄（もしくはマンガン）から電子を受け取り、活性酸素を無害化する。つまり、鉄は活性酸素の生成と消去の両方に重要な役割を果たしている。このように、鉄とうまく付き合うことで、生物は様々な代謝をスムーズに行うことができる。
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キノコは成長過程で、キチナーゼなどの酵素で自身の細胞壁を分解・再構成する。この仕組みは、カニ殻を土壌改良材として使うのと同様に、キノコが生えた場所でもキチン分解効果が期待できることを示唆する。特にシイタケは子実体形成期と収穫後にキチン分解酵素の活性を高める。このことから、キノコが生えた木材を農業資材として活用すれば、カビ病対策に繋がり、農薬使用量削減の可能性も考えられる。しかし、シイタケに含まれる免疫活性物質レンチナンは、収穫後の自己消化で急速に減少するため、天日干しによる効果は限定的である。
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キノコはエルゴステロールというビタミンD前駆体を含み、日光に当てるとビタミンDに変換される。エルゴステロールはキノコの細胞膜成分であり、光で変化するため、キノコ栽培は暗所で行われる。牛乳からのカルシウム摂取は乳糖不耐症の問題があり、卵殻などの炭酸カルシウムを酸で溶かしビタミンDと共に摂取する方が効率的だと筆者は主張する。
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晴天に恵まれ、椎茸を天日干ししている。天日干しすることで風味や栄養価が向上するらしい。調べてみると、風味は乾燥による濃縮だけでなく、ビタミンDの絶対量が増えることが一因であることがわかった。ビタミンDは紫外線照射によって増加する。つまり、椎茸が生育中にビタミンDの前駆体となる物質を蓄積していないと、天日干ししてもビタミンD増加の効果は期待できないと言える。
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鶏糞に含まれる有機態リン酸は、植物にとって有用なリン酸源となる一方で、土壌中で難溶性のリン酸鉄やリン酸アルミニウムに変化しやすく、植物が吸収利用しにくい形態になる問題点があります。有機態リン酸は、土壌微生物によって分解され無機態リン酸へと変換される必要があります。 しかし、土壌pHが酸性またはアルカリ性に傾くと、分解が阻害され、リン酸固定が起こりやすくなります。有効に利用するには、土壌pHを適切な範囲（pH6.0～6.5）に調整し、微生物活性を高める堆肥などの有機物と一緒に施用することが重要です。また、リン酸の可給性を高める資材との併用も効果的です。
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植物性有機肥料で育てた葉物野菜に苦味がないのは、硝酸態窒素が少ないためと考えられる。硝酸態窒素とは、硝酸カリウム等の硝酸塩の形態の窒素のこと。肥料の窒素は、アンモニア態、硝酸態、有機態に大別される。硝酸態窒素が多いと苦味を感じる理由として、硝酸の酸化作用が挙げられる。硝酸は強い酸化剤であり、体内に取り込まれると様々な問題を引き起こす可能性があるため、苦味として感知し、摂取を避ける生物的な反応が生じると考えられる。
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微生物資材の効果に疑問を持つなら、その微生物が活躍する発酵食品の製造過程を学ぼう。例えば納豆菌なら、納豆製造過程から、稲わらを好み、大豆タンパク質を餌に、25度程度の温度で活動し、水分が必要なことがわかる。畑に稲わらと大豆油粕、納豆を投入すれば納豆菌の恩恵を受けられる可能性がある。たとえ効果がなくても、有機物が土壌を改善する。微生物は適切な環境があれば増殖するので、微生物資材投入よりも環境整備が重要である。