Part C: Building Carbon Compounds
炭素循環では、炭素原子が絶えず移動し、生物圏と地質圏のさまざまな構成要素に出入りしています。 炭素原子は単一の原子として循環するのではなく、小さくて単純なものもあれば、大きくて非常に複雑なものもある炭素化合物の一部として移動する。 炭素循環は、窒素、リン、硫黄、鉄など他の化学元素の生物地球化学的循環と密接に関連し、地圏と生物圏のさまざまな構成要素に出入りしているのである。 . 例えば、生物によって生成された多くの炭素化合物は、窒素とリンの原子を含んでいます。
炭素循環のある部分から別の部分に炭素原子の経路（矢印）を示す地球規模の炭素循環。 紫色の文字は炭素化合物が存在する場所を示し、オレンジ色の文字は炭素が経路に沿って移動する原因となるプロセスを示す。
右の写真の地球規模の炭素循環のイメージを考えてみましょう（クリックすると拡大します）。 それぞれの矢印は、炭素原子が地質圏と生物圏を移動するときに通る経路を表しています。 これらの炭素化合物の中には、炭素循環のある部分から別の部分へと素早く移動するものもあれば、何百万年も何千万年も貯蔵されるものもあります。 炭素化合物は、地質圏と生物圏を移動する際に、さまざまな化学変化を起こします。 このような化学変化（変換）には、原子間の化学結合の切断と結合の構築が必要である。 このような化学変化の中には、非常に小さいと思われるものもありますが、炭素循環、気候、環境に大きな影響を与える可能性があります。 例えば、植物が無機物の二酸化炭素を有機物の糖（C6H12C6）に変換すると、動物やその他の従属栄養生物の餌となる。従属栄養生物は、自分で餌を作ることができず、代わりに有機物、通常は植物や動物の物質を取り込んで餌とエネルギーを得る生物で、動物や原虫、真菌、ほとんどのバクテリアは従属栄養生物である。 土壌細菌が土壌中の炭素化合物を分解すると、二酸化炭素（CO2）やメタン（CO4）が発生します。 これらのガスはどちらも温室効果ガスであり、気候変動との関連が指摘されている。
科学者の予測によると、現在の地球上には1000万種類以上の炭素化合物が存在しているそうです。 このセクションでは、炭素原子がどのように他の種類の原子と結合して、地圏と生物圏に存在する何百万種類もの炭素化合物を形成するかを調べるために、4つの短い調査を実施します。 炭素がさまざまな種類の炭素化合物を形成する能力について考えるために、この短い NPR ビデオクリップ「It’s All About Carbon: Episode 1」を見てください。 エピソード1：地球温暖化、それはすべて炭素について – YouTubeまた、このNPRシリーズの他のエピソードを見ることができるこのリンクをたどることができます。
Laboratory Investigation 1: Evidence for a Chemical Change
サンゴやアサリ、カキ、エビなどの貝を作る生物は炭酸カルシウムで貝や骨格を作っているのですが、その炭酸カルシウムは、炭水化物でありながら、炭水化物でありながら、貝を作るのに必要なエネルギーも持っています。
先ほどのビデオで、炭素原子が他の原子と簡単かつ強力に結合して、多くの異なる種類の炭素化合物を形成することを学びました。 この調査では、自分の息から出る二酸化炭素と水酸化カルシウムCa(OH)2の溶液という2つの炭素化合物を一緒にしたときに、新しい炭素化合物が形成される証拠を探します。
- 匂いの変化（例：マッチが燃えたときの硫黄の匂い）
- 色の変化（例：鉄がさびるときに銀から赤褐色になる）。
- 温度の変化
- 組成の変化（例：紙が燃えると灰になる）
- 光や熱が発生
- 気体が発生すること。 しばしば液体中に泡として現れる
- 溶液中に現れる沈殿物（不溶性の固体粒子）の形成
- 有機物の分解（たとえば、腐った食物）
- その変化が元に戻りにくいか不可能である
授業に使用。
- チョーク
- 白酢
- スポイト
各グループに。
- 石灰水
- 水
- 空のプラスチックカップ
- ストロー
- 小（2号）コーヒーフィルター
- 水
- 白酢
- 目薬
×2本
- （授業デモ）チョークは炭酸カルシウム（CaCO3）からできています。 チョークに酢を加えると発泡し、チョークが炭酸カルシウムでできていることがわかります。
- 石灰水を調べ、その外観を説明しなさい。 石灰水とは、飽和水酸化カルシウム水溶液Ca(OH)2 (aq)の通称です。
- ストローを1本、石灰水の中に入れ、静かに息を吹き込みましょう。 吸い込んだり、強く吹き込んだりしないようにしましょう。 白い沈殿（固体）ができるまでストローで息を吐き続けます。
- コーヒーフィルターを空のカップにかぶせます。
- 石灰水をフィルターを通して慎重にカップに注ぎ、沈殿物と液体を分離させます。 何が起こるか観察してください。
- 石灰水からろ過した物質が本当に炭酸カルシウムであることを証明するために、スポイトを使って沈殿物に少量の白酢を加えます。
Checking In
石灰水と普通の水に炭酸ガスを入れると、どのように反応が違うか説明しなさい。
Discussion
- この調査で新しい種類の炭素化合物ができたという証拠は何か観察できましたか。
- 石灰水にCO2を吹き込むと、二酸化炭素（CO2）中の炭素原子がどうなるかを説明しなさい
- なぜこの調査が、炭素循環の重要な構成要素として化学変化を理解するモデルとして機能するのでしょうか
Laboratory Investigation 2: Modeling Photosynthesis and Cell Respiration
この調査では、「ボールとスティック」の分子モデルキットを使って、光合成と細胞呼吸という生物圏の2つの重要なプロセスがどのように新しい炭素化合物を作り出すかを調査します。 材料を集め、以下の光合成と細胞呼吸のモデル化の指示に従ってください。
ボールと棒でできた二酸化炭素分子 6 個 – (炭素原子 6 個、酸素原子 12 個、電子結合棒 24 本)
ボールと棒でできた水分子 6 個 – (水素原子 6 個、酸素原子 12 個、電子結合棒 12 本)
右側の画像は、それぞれがどのように見えるかを示したものです。
- 炭素原子は黒（または灰）で、それぞれ4つの “突起 “を持っています。 それぞれの突起は原子間の電子結合を表します。
- 水素原子は白です。 水素は突起が1つしかないので、他の原子と1つの電子結合しかできません。
- 酸素原子は赤色で、突起が2つある。
- 白またはグレーの棒は、2つの原子の間の1つの電子結合を表します。 注：炭素と酸素が二重結合を作ることもあります。
CO2 分子は葉から植物に入ります。 H2O分子は植物の根から植物に移動する。
6個の二酸化炭素と6個の水の分子を使って、光合成をモデル化する。 ここに光合成の化学式がある。
6CO2 + 6H2O ==> C6H12O6 + 6O2
1.まず、二酸化炭素と水の分子をバラバラにします。
2.右の写真のグルコース分子の画像を参考にして、グルコース分子を作ります。 画像をクリックして拡大すると、炭素原子、水素原子、酸素原子がどのように結合しているかがよくわかります。 注：「調査3」を始めるまでは、グルコース分子を分解しないでください：
3. 残りの酸素原子と結合を使って、6個のO2分子（O=O）を作ります。 これらの酸素ガス分子は空気中に放出され、地球上の生命に必要な酸素の一部を供給する。
呼吸の過程ではグルコース分子の化学結合を分解し、細胞の機能に必要なエネルギーにする。 また、グルコース分子の原子は、バイオマスを作るために使われる。 この反応で生成されたCO2とO2分子は、葉から周囲の空気に移動する。
4.右の写真の細胞呼吸の式を調べます。 細胞呼吸の化学式は、
C6H12O6 + 6O2==> 6CO2 + 6H2O + 細胞機能のためのエネルギー
次に、以下のChecking Inの質問に答えなさい。
Checking In
Laboratory Investigation 3: Biosynthesizing New Biomolecules From Glucose
- 自分のグルコース分子を持って、少なくとも他の1チームと合流してください。 注：原子からすべての結合を切り離す必要はありません。
- 両チームの原子と結合を使用して、新しい生体分子を構築する有機炭素化合物は、炭水化物、脂質（脂肪、土壌、ワックス）、およびDNAなどがあります。 生体分子はどんな形をしていてもかまいません。 ただし、他の原子に接続されていない「電子結合の突起」がないことは、必ず守るべきルールです。 生体分子を作るときに、原子と結合が少し残っていてもかまいません。 注：先生は、窒素原子を作ることに決めたかもしれません。 9333>
Discuss
オリジナルのグルコース生体分子から作った他の生体分子を見てみましょう。
すべての生物のバイオマスは、タンパク質、糖質、核酸（DNA、RNA）、脂質（油脂、ワックス）で主に構成されています。 グルコースやその他の炭水化物は、炭素、水素、酸素の原子を含んでいる。 しかし、生物圏の生物は、窒素、リン、硫黄を含む何百万種類もの生体分子を作り出している。 実は、生物の97％は、炭素、水素、窒素、酸素、リン、硫黄（略してCHNOPS）の6つの元素だけでできているのです。 マグネシウムや鉄なども重要ですが、ごく少量です。 窒素、リン、マグネシウム、硫黄など、植物の生育に欠かせない土壌栄養素が不足すると、植物の生育や炭素の貯蔵に支障をきたします。 この調査では、生体分子のいくつかのJmol画像を調べ、それぞれに含まれる元素（原子）の種類を特定します。
- 紙または実験ノート
- Jmol色分け表
- 任意。 MolView可視化ウェブアプリでは、生体分子の回転、ズームイン、背景情報の検索が可能です。
- 炭素（黒またはグレー）
- 水素（白）
- 窒素（青）
- 酸素（赤）
- リン（オレンジ）
- 硫黄（黄）
- マグネシウム（緑）
- 鉄（青銅）
。
- 実験ノートまたは別の紙に3列の表を作成すること。 A列＝生体分子の名前（例：DNA、果糖など）、B列＝生体分子の種類（例：炭水化物、タンパク質など）、C列＝原子の種類（元素）です。 C H N O P S Mg I の頭文字を使う。
- 下の写真のJmol生体分子の画像をクリックして拡大し、よく観察してください。 9333>
×炭水化物果糖の一種であるフルクトース。 りんごやみかんなどの果物を食べると、果糖を食べていることになる。
×核酸の一つであるDNAのこと。 DNAは、生物が自分自身を作り、あらゆる生命活動を行うための遺伝的指示を含んでいるため、しばしば生命の設計図と呼ばれる。 DNAがなければ、生物は作られない。 この図は、DNA分子全体のごく一部を示しています。
×セルロースという炭水化物の一種。 植物の繊維質や木質部はセルロース分子が長い鎖状に結合したものである。 セルロースの繊維質は、植物が直立するための構造を提供する。 樹木は、樹種にもよりますが、セルロースが約50％～53％含まれています。
×緑色の色素分子であるクロロフィル。 植物はこの色素を使って太陽からのエネルギーを吸収し、光合成を行う。 クロロフィルは特定のグループ（炭水化物、核酸、タンパク質、脂質など）に属さない生体分子の一例です。 マグネシウム原子を見つけることができますか？
×シトクロムC、植物タンパク質の一種である。 タンパク質はすべての生物で生合成される高分子で、生命維持に欠かせない多様な機能を持っている。 例えば、シトクロムcは、植物などの生物が細胞呼吸を行うために必要なタンパク質である。 このシトクロム蛋白質分子の硫黄原子と2つの鉄原子を見つけることができますか？
×アミノ酸-蛋白質の一部分です。 生物は数百のアミノ酸から完全なタンパク質を作る。 右の写真のシトクロムc分子は、多くのアミノ酸からなる完全なタンパク質である。
チェックイン
立ち止まって考える：
1：タンパク質やDNAなどの炭素化合物の炭素原子は、なぜもともと大気中の二酸化炭素分子から生まれたかを説明しなさい。
2:土壌の栄養分（窒素、リン、硫黄、マグネシウムなど）が不足すると、なぜ木が成長し、炭素を貯蔵する能力が制限されるのか説明しなさい。
3:樹木や生物圏の他のすべての生物は、どのようにして何百万通りもの構成の炭素化合物を作ることができるのか説明しなさい。拡張オプション
炭素化合物、生体分子、CHNOPS、土壌栄養素などについてもっと学びたいですか？
- 最新の研究を調べよう! 炭素循環、気候、環境に関する新しい研究は継続的に行われています。 ScienceDaily と Phys.org を使って、次のタグの組み合わせで、炭素循環と他の生化学的サイクルの関係についての最近の研究を調べることができます：炭素循環、炭素貯蔵/貯留、CO2受精、木、森林、土壌養分。 以下はその一例です。 土壌の栄養素は、気候変動を遅らせる植物の能力を制限する
- Use MolView to explore Jmol biomolecules made by many different types of organisms.
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