第１９話
いまさらですがあけましておめでとうございます。今月いっぱい、状況によっては３月中頃まで忙しいかも知れません。最低でも月一回は更新したいと思います。うぐーゲームがしたいよー。FF15も途中で止まってるし、Watch Dogs2もほとんどしてないし、三月にはTom Clancy's Ghost Recon Wildlandsもでるし、うわーん、時間が無いよー。
文章の修正も徐々に、となりますが、していく予定です。ご指摘ありがとうございます。
「理解できてなさそうだな。つまり完成品を作るか、或いはその原材料を作るのかということだよ。だからこそ応用が利くともいうし、逆に大規模にならざるをえないともいうんだよ」
理解できてなさそうな顔をしていたら紙に簡単にまとめて書いてくれた。
「微生物を使用しての硝酸の生産の場合、空気中の窒素からアンモニアを土壌中に作るのが微生物、あるいは根粒菌といわれる豆の根に共生している微生物だ。根粒菌は豆類とかある種の樹木に共生してる」
校長は紙に地面を表す線を描き地面上から窒素の矢印を地中の植物の根や微生物に指し示し、そこから更に根に吸収されるアンモニアと土壌中に排出されるアンモニアに分けて図を描いていく。
「何故根粒菌が植物やある種の樹木と共生しているかというと、植物は根粒菌の出す窒素を肥料として活用できるからだ。当然共生であるからには根粒菌にも何かしらの利点があるわけだ、じゃないとただの寄生だからな。ついでだシュラクは肥料という物をどう理解している？」
「植物の栄養ですよね」
「うむ、その通りだ。では何が肥料足りうるかしってるか？」
「硝石は肥料になると聞きましたよ」
「うん、ただ正確には硝石がなるのではない。硝石の分子式を覚えてるか」
「えーっと、確か硝酸カリウムだからKNO3(３が小さくならない誰か方法を知っていたら教えてください)ですね」
「うん正解。土壌中では硝酸カリウムはイオンの形をとっているのでカリウムイオンと硝酸イオンに分解してその両方が肥料として、すなわち栄養として吸収される。だからこそ硝石は肥料として上質なんだ」
「なるほど、この二つの成分が栄養源ですか。あれ？ でもアンモニアは何処に言ったんですか、さっきアンモニアも土壌中に矢印で入れましたよね」
「ふふん、いい質問だ。この肥料の窒素というのは硝酸イオンだけでなくアンモニウムイオンも含まれているな。しかしもちろんこの２つだけでは足りない。それだけで植物を育てれるなら誰も苦労しないって所かな。さてここで質問だ。窒素は植物においてどのような働きをしているか？ 今年は生物をしてないから難しいかもしれないが質問はしてみよう」
「窒素の働きですか。うーん栄養ってことは人間に例えるなら食事ですよね。食事は人間にとって血や肉になると聞いたことがあるから、植物の血や肉に当てはまるものになるんじゃないですかね」
「いい線行ってるな。ずばり植物の体である葉や茎、根や実だな。実際の窒素の働きとしては植物を大きく生長させ、特に葉や茎を大きくすることから葉肥と俺の国ではいってたな。葉や茎というのは植物の中ではそれなりの割合を占めるだけでなく、葉に加え、一概には言えないものの、茎も光合成をしているからな。それ故重要な部位でもあるし、根から吸収される必須栄養素の中で最も多量に要求される元素だな。だからこそ植物が利用できる窒素の土壌中の量が植物の生産性を決める主要因子になる。ここまではいいか？」
「光合成がわかりません」
「ああ、そうだな。光合成かー、詳しく説明し始めると時間が足らんな。やっぱり生物の分野は何かしら補う必要性があるなあ。まあいい後で考えよう。簡単に手っ取り早く説明しよう。生物の体内で起こる化学反応を代謝という。化学反応であることから、当然、化学で教えた原理原則にのっとって反応が進行する。エネルギーを吸収しながら単純な物質や主に無機物を有機物に変換するのが同化、逆にエネルギーを放出しながら有機物を無機物にすることを異化と言う。光合成はこの同化の一例である炭酸同化の代表例だ。水と二酸化炭素、光を使用して糖、この場合はグルコースを生産する。さっきの共生のところで根粒菌が得ているのもこの光合成由来の糖が多い」
やっぱり補習の足音が聞こえる。ごめんよ、みんな生物の補習を作ったの僕みたいだ。ここは黙って有能さを印象づけて補習を回避できる方法をさぐろう。
「えーっと、つまり・・・6CO2+6H2O+光→C6H12O6+6O2ですか」
「化学的にはそれで可能だが、実際は色々と複雑かつ高度なことをしているせいで正確には6CO2+12H2O+光→C6H12O6+6O2+6H2Oになるんだ。まあ話を戻す。もし詳しく知りたければ図書館に行って調べるといい、宇宙は広い、これ以外にも色々な光合成が有るからな。まあそれを光合成と言っていいかは俺は専門家ではないから知らんけどな」
校長はすこし皮肉をこめた笑いをしながら話を肥料にもどした。
「肥料としてのカリウムイオンは窒素と違い主に根の生長に寄与する、まあその他にも細胞の圧の調整もしているが。このカリウムのことを根肥という。極々一部の例外を除き代謝には直接的に関与しないものの、植物内では主要な陽イオンとして、植物だけでなく土壌においても保水力の重要な要因になる。気孔、植物の空気の交換をしている所だが、それの開閉にも作用し、水分の減少を抑制し、旱魃への耐性を高める。あと果物の甘さにもの作用した気がするが覚えていない」
「根の野菜と葉の野菜なら硝石だけで肥料は十分そうですね」
「そうだな、根の野菜かそうじゃないか区別するのが厄介な野菜もあることはあるが、例えば芋とかな。まあ、行政による区分とかも有るからな。俺の知ってる国では芋系列は全部根菜に含まれていた。当然のことながら俺たちの主食は穀物だから、種子を生長させる肥料が必要になってくる。それがリン酸だ。正確にはリン酸塩だが、難溶性なため保持は簡単だが吸収されにくい、一番吸収されやすい形はリン酸イオンの形になるな。働きとしては開花結実に影響し、花肥または実肥と呼ばれる。果実を食用とする果菜類の収穫には直結するな」
「では、実家に教えたら収穫量ふえますかね？ まあ教えても窒素、カリウム、リン酸も入手が難しいですが」
「条件は色々あるからな、なんともいえんね。肥料もこの三種が基本で、その他にも耐病性や土壌ペーハー調整のためのカルシウム、リン酸の吸収を促進するためのマグネシウム等々。今言った無機系の肥料だけでなく、有機系の肥料をも合わせると肥料の数はものすごい数だからなあ。それにあげすぎてもいけないしな」
「あげすぎもだめなんですか？」
「当たり前だ、お前食事が食べきれないぐらい出てきてみろ、食べ残すだろう。植物も一緒だ。食べ残して、土壌中に撒き散らす、無機肥料は無機物が主であり水に溶けやすいが、それ故流出もしやすい、長期間の使用によっては土壌の酸性化など、土壌障害の原因ともなる。だからもし教えるなら肥料配合の割合と土壌の各種成分検査法も一緒に伝えてやれ」
「検査法ですか、ペーハーぐらいしか思い浮かばないんですが」
「あとで考える。今すぐに思いつくのは全部環境汚染してるのか検査してるのかわからん方法しか思い浮かばん。カドミウムはまずいし、フェノールもなあ。農地で使っていい薬品じゃないからな。紫外線は機械が要るし」
「不穏な、毒性のある薬品ばっかりですね。しかしそうすると肥料として手に入れやすいのは根粒菌由来の窒素、検査はペーハーはかるぐらいですかね、ペーハーなら簡単に図れますしね。結果が怖くて教えられないような気もしますが」
「機械がないと薬品に頼ろうとしてしまうもんなぁ。まあ試すだけでも試してみたらいい、小規模にな。いきなり大規模にすると後が怖いから。根粒菌と共生している植物を探すときは荒地を探せばいい、荒地に生えてる植物はこいつらの可能性があるな、もちろん違う可能性もあるが。ついでにこれらを植物や樹木を利用して荒地を肥やすことも出来る。てかその方がリスクが少ない。さて、ようやく亜硝酸菌の説明に戻れるぞ。これらの空気中の窒素をアンモニアなどの窒素化合物に変換する働きを窒素固定と言う。次にそのアンモニアが土壌中でアンモニウムイオンになり、亜硝酸菌がこのアンモニウムイオンを利用して亜硝酸に変換する。亜硝酸菌は別に自身が生成した亜硝酸が必要なわけではなく、その際に遊離するエネルギーを利用して二酸化炭素を炭素化合物にして貯蔵している。このことも炭酸同化という。正確には化学エネルギーを利用する炭酸同化だけでなく、植物の光合成、細菌の光合成、メタン菌の二酸化炭素と水素の反応させてメタンを精製する反応であるメタン発酵も炭酸同化になるんだけどな。発酵ははたして同化かと言われると正確には異化だ。メタン菌は無機物を有機物にしていると言う意味で炭酸同化になる少ない例外の一つだな」
「こうして聞いていると結構微生物って有益ですね」
まさしく万能の生物工学に思えるのだが何がいけないのだろうか？
「まあな、しかし生物工学にも欠点はある。特に難しいのが管理だな。管理項目も多岐にわたるしな。次の段階に進めるぞ、亜硝酸をさらに硝酸菌が硝酸に酸化して同時に発生するエネルギーを亜硝酸菌と同じように炭酸同化に利用してそしてようやく硝酸が出来る。紙に書くと簡単に見えるが実際に我々がこの過程を活用しようすると大変だな」
紙にアンモニウムイオンから矢印をして亜硝酸菌に、そこから亜硝酸イオンが出て硝酸菌にそしてようやく硝酸が完成した。
「ちなみに雷との関係性も面白いものがあるんだ、雷も窒素同化を促し、さらに酸素と反応することで硝酸まで反応が進み、これにより栄養分が土壌に満ちることになる。俺の国では雷を稲の妻と書くがこれは稲の実が出来る時期に雷が多発することに関係が有るんじゃないか、と昔の人が考えて稲の妻と当てたんだそうだ」
「雷も窒素固定するんですか」
「雷が生命の起源だって言う説もあったぐらいだからな。今ではその当時考えられていた原始地球の大気組成が異なっていることが判って来たからこの説は地球上では当てはまらないんだけどな。なんで宇宙物理学を選考している俺が生物も知っているか理解できただろう。最もそこからさらに細分化された分野があるから生命や恒星や惑星の専門ではないけどな。考えるのは楽しいから元の世界で色々と情報を集めはした。しかし答えはこっちに来てこの学校の図書館にあるのがなんともまあ、な。最近の寝不足の原因でもある」
「雷ってものすごく偉大なんですね」
「そうだな。まあ雷だってそのすべてが解明されてたわけじゃあなかったんだが。ついでだ窒素固定と炭酸同化も説明したことだからを窒素同化も説明するか。窒素を含む化合物を吸収し、自分の体になるタンパク質やその元となるアミノ酸を作り出す。これは植物だけでなく動物もしていることだ、この働きを窒素同化という。もちろんアンモニアのままでも、亜硝酸や硝酸でも植物は色々なアミノ酸やタンパク質を作ることが出来る」
「工業方式はどういう過程をたどるんですか」
「ああ一方の工業方式は試行錯誤の連続だった。18世紀以降ヨーロッパは産業革命の只中にあり、急増する生産性に比例するように人口も増加、食糧問題は深刻化の一途をたどる、人口問題という過去幾多の文明を荒廃させてきた課題に直面する。丁度そのころ植物の育成にさっき言った窒素、リン酸、カリウムが著効があり、収穫量を増加させれると理解されてきた。加えて産業革命に因る各種政治状況の変化と軍事技術の抜本的改革により爆薬や火薬の需要が増加、硝酸の需要は急増する。この需要を満たすために最初は雷の原理を応用した高電圧合成法を発明する。さっき言った雷の窒素固定の原理と基本的に同じだな。まあ人工的にするのか自然がするのかの差だ。問題は費用だ、高電圧を発生させるのに費用がかからないのなら電気使いたい放題だわな。その次が石炭窒素法。酸化カルシウムを2000℃もの高温にして炭化カルシウムにして窒素と600℃で反応させカルシウムシアナミドにして、さらに過熱水蒸気を反応させアンモニアをえる。これも高温にしなければいけないことから費用がかかる。そして最後がハ－バー・ボッシュ法であるアンモニア高圧合成法だ」
「ここで生物と説明が繋がってるんですね。しかし人口問題は最終的に何処に行き着くんでしょうか」
「難しい話だな。世の中は多角的にかつ複合的に見ないと分からないことが多いからな」
よくよくかんがえたんですが、これ話進んでなくね。書きたいことが多すぎて本筋に入れない～
