栄養

生物は、炭素とエネルギーの獲得方法によって分類できます。従属栄養生物は、他の生物の炭素を消費して栄養素を得る生物であり、独立栄養生物は、二酸化炭素などの無機物質の炭素から独自の栄養素を生成する生物です。混合栄養生物は、従属栄養生物と独立栄養生物の両方の性質を持つ生物であり、プランクトンや食虫植物などが含まれます。光合成生物は光からエネルギーを得る一方、化学合成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ます。有機栄養生物は、電子を得るために他の生物を消費しますが、無機栄養生物は、水、硫化水素、二水素、鉄(II)、硫黄、アンモニウムなどの無機物質から電子を得ます。^{[ 8 ]}原生栄養生物は、他の化合物から必須栄養素を生成できますが、栄養要求性生物は、既存の栄養素を消費する必要があります。^{[ 9 ]}

栄養学において、生物の食事は、その生物が食べる食物の総和である。^{[ 10 ]}健康的な食事は、生物の身体的および精神的健康を改善する。これには、ビタミン、ミネラル、タンパク質からの必須アミノ酸、および脂肪を含む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、および脂肪は、生物の生活の質、健康、および寿命を確保する上で重要な役割を果たす。 ^{[ 11 ]}一部の文化や宗教では、食事として許容されるものに制限がある。^{[ 12 ]}

栄養循環とは、無機物が土壌、生物、空気、水の組み合わせを通して移動し、有機物と交換される生物地球化学的循環である。 ^{[ 13 ]}エネルギーの流れは一方向で非循環的な経路であるのに対し、ミネラル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、これらは他のミネラル栄養素とともに生産的な生態系栄養へと継続的に循環する。^{[ 13 ]}

生物や自然プロセスによって行われる生物地球化学的サイクルには、水、炭素、窒素、リン、硫黄のサイクルがあります。^{[ 14 ]}栄養サイクルは、これらの必須元素が吸収または消費された後に環境に戻ることを可能にします。^{[ 15 ]}適切な栄養サイクルがないと、酸素レベル、気候、および生態系機能の変化のリスクがあります。

採餌とは、環境中の栄養素を探し出す過程のことです。また、資源のその後の利用も採餌に含まれると定義されることがあります。動物や細菌などの一部の生物は、栄養素を見つけるために移動することができますが、植物や菌類などの他の生物は、栄養素を見つけるために外側に伸びていきます。採餌は、生物が方法なく栄養素を探すランダムなものもあれば、生物が食物源に直接向かう体系的なものもあります。^{[ 16 ]}生物は、味覚やその他の形態の栄養素感知によって栄養素を感知することができ、それによって栄養素の摂取量を調節することができます。^{[ 17 ]}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する必要があります。これは動物の採餌習慣を分析するために作成されましたが、他の生物にも拡張することができます。^{[ 18 ]}一部の生物は、単一の食物源を採餌することに適応したスペシャリストであり、他の生物は、さまざまな食物源を摂取することができます。^{[ 19 ]}

動物は、栄養素を得るために他の生物を摂取する従属栄養生物です。草食動物は植物を食べる動物、肉食動物は他の動物を食べる動物、雑食動物は植物と他の動物の両方を食べる動物です。^{[ 26 ]}多くの草食動物は、消化できない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細菌発酵に依存していますが、絶対的肉食動物は、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りません。動物は一般的に、植物に比べてエネルギー要求量が多いです。^{[ 27 ]}動物の生命に不可欠な主要栄養素は、炭水化物、アミノ酸、脂肪酸です。^{[ 7 ] [ 28 ]}

水を除くすべての主要栄養素は、エネルギー源として体に必要ですが、これはそれらの唯一の生理機能ではありません。食品中の主要栄養素によって供給されるエネルギーはキロカロリー（通常はカロリーと呼ばれます）で測定され、1カロリーは1キログラムの水の温度を1℃上げるのに必要なエネルギー量です。^{[ 29 ]}

炭水化物は、大量のエネルギーを蓄える分子です。動物は炭水化物を消化・代謝してこのエネルギーを得ます。炭水化物は通常、植物が代謝中に合成しますが、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から摂取する必要があります。炭水化物には、糖類、オリゴ糖、多糖類が含まれます。グルコースは炭水化物の最も単純な形態です。^{[ 30 ]}炭水化物は分解されてグルコースと短鎖脂肪酸を生成し、草食陸上動物にとって最も豊富な栄養素です。^{[ 31 ]}炭水化物は1グラムあたり4カロリーを含んでいます。

脂質は動物に脂肪と油を提供します。水には溶けず、長期間エネルギーを蓄えることができます。さまざまな植物や動物から摂取できます。食事性脂質のほとんどは、グリセロールと脂肪酸からなるトリグリセリドです。リン脂質とステロールは少量含まれています。^{[ 32 ]}動物の体は、食事性脂肪の摂取量が増えると脂肪酸の生成量を減らし、炭水化物の摂取量が増えると脂肪酸の生成量を増やします。^{[ 33 ]}脂肪は1グラムあたり9カロリーです。

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の合成に利用されます。タンパク質は細胞構造、体液^{[ 34 ]} 、および酵素（生物学的触媒）の形成に使用されます。酵素は、ほとんどの代謝プロセス、DNA複製、修復、および転写に不可欠です^{[ 35 ]}。タンパク質は1グラムあたり4カロリーを含んでいます。

動物の行動の多くは栄養によって左右される。渡りのパターンや季節繁殖は食料の入手可能性と関連して行われ、求愛行動は動物の健康状態を示すために用いられる。^{[ 36 ]}動物は健康に影響を与える食物に対して肯定的および否定的な関連付けを形成し、条件付けられた食物嫌悪によって毒性損傷や栄養バランスの崩れを引き起こした食物を本能的に避けることができる。ラットなどの一部の動物は、栄養不足にならない限り新しい種類の食物を求めない。^{[ 37 ]}

ほとんどの植物は、土壌や大気から吸収した無機物を通して栄養素を得ます。炭素、水素、酸素、窒素、硫黄は、植物の有機物を構成し、酵素反応を可能にする必須栄養素です。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吸収イオン、または二酸化炭素、水、酸素ガス、二酸化硫黄などの気体として吸収されます。リン、ホウ素、ケイ素はエステル化に使用されます。これらはそれぞれ、リン酸塩、ホウ酸、ケイ酸として土壌から得られます。植物が使用するその他の栄養素には、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、モリブデンなどがあります。^{[ 52 ]}

植物は、根を通して土壌から必須元素を、葉を通して空気（主に窒素と酸素から成る）から必須元素を吸収します。土壌中の栄養素の吸収は陽イオン交換によって行われ、根毛がプロトンポンプを介して水素イオン（H ⁺）を土壌に送り込みます。これらの水素イオンは、負に帯電した土壌粒子に付着している陽イオンを置換し、陽イオンが根によって吸収されるようになります。葉では、気孔が開いて二酸化炭素を取り込み、酸素を排出します。^{[ 53 ]}地球の大気中には窒素が豊富にありますが、これを直接利用できる植物はごくわずかです。そのため、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必要があります。これは、大部分が不活性な大気中の窒素が、土壌中の細菌による窒素固定プロセスによって生物学的に利用可能な形に変化するという事実によって可能になります。 ^{[ 54 ]}

これらの栄養素は植物にエネルギーを供給しないため、植物は他の手段でエネルギーを得る必要があります。緑色植物は葉緑体で太陽光からエネルギーを吸収し、光合成によってそれを利用可能なエネルギーに変換します。^{[ 55 ]}

菌類は、エネルギーを得るために外部の物質を消費する化学従属栄養生物です。ほとんどの菌類は、根のような菌糸体を通して物質を吸収します。菌糸体は、生物の栄養源を通して成長し、無限に伸びることができます。菌類は、細胞外酵素を分泌して周囲の物質を分解し、細胞壁を通して栄養を吸収します。菌類は、寄生性、腐生性、または共生性です。寄生菌類は、動物、植物、または他の菌類などの生きた宿主に付着して栄養を摂取します。腐生菌類は、死んだ生物や分解中の生物を栄養源とします。共生菌類は、他の生物の周囲で成長し、栄養を交換します。^{[ 56 ]}

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るため、その多様性は非常に大きい。藻類は光合成を行う原生生物であり、光からエネルギーを生成できる。いくつかの種類の原生生物は、菌類と同様に菌糸体を使用する。原生動物は従属栄養性の原生生物であり、異なる原生動物は異なる方法で栄養を求める。鞭毛虫類は鞭毛を使って食物を捕食し、一部の原生動物は感染性胞子を介して移動し、寄生生物として機能する。^{[ 57 ]}多くの原生生物は混合栄養性であり、光合成と従属栄養性の両方の特性を持つ。混合栄養性の原生生物は通常、一方の栄養源に依存し、もう一方の栄養源は、主要な栄養源が利用できない場合の補助的な栄養源または一時的な代替手段として利用する。^{[ 58 ]}

細菌や古細菌を含む原核生物は、栄養グループによって栄養素の獲得方法が大きく異なります。原核生物は細胞膜を介して可溶性化合物を輸送することしかできませんが、周囲の化学成分を分解することができます。一部の無機栄養性原核生物は、無機物を分解することで栄養不足の環境で生存できる極限環境生物です。 ^{[ 59 ]}シアノバクテリアやクロロフレクシアなどの光合成性原核生物は、光合成を行って太陽光からエネルギーを得ることができます。これは、地熱泉の上にマット状に形成される細菌によく見られます。光合成性原核生物は通常、カルビン回路を介して二酸化炭素を同化することで炭素を得ます。^{[ 60 ]}

BdellovibrioやEnsiferなどの一部の原核生物は捕食性で、他の単細胞生物を餌とします。捕食性原核生物は走化性またはランダムな衝突によって他の生物を探し出し、その生物と融合し、それを分解し、放出された栄養素を吸収します。原核生物の捕食戦略には、生物の外面に付着して外部から分解すること、生物の細胞質に入ること、または生物のペリプラズム空間に入ることが含まれます。捕食性原核生物の集団は、加水分解酵素を共同で産生することによって付着を省略する場合があります。 ^{[ 61 ]}