エネルギーダイナミクス

食物連鎖

エネルギーは、生態系における最も重要な非生物的要素の1つであり、生態系内の生物は、エネルギーと物質の相互の流れによってつながっています。エネルギーは創造することも破壊することもできないため、形を変えるか、食物連鎖の次の生物に移すことしかできません。たとえば、牛が草を食べたり、ミサゴが魚を狩って消費したりするたびに、消費された生物から消費者にエネルギーが伝達されます。食物連鎖におけるこれらの相互作用は、それぞれ栄養段階と呼ばれます。これらの食料源から得られるエネルギーは、これらの消費者の組織を構築するために使用され、それが食物連鎖の次の生物の供給源になります。生態系におけるエネルギーの流れのダイナミクスを理解することで、自然界の微妙なバランスをより明確に把握することができます。

生態系の基盤では、一次生産者が環境中の他の生物のエネルギーを解き放ちます。一次生産者は、無機材料から有機分子を合成できるため、独立栄養生物または自己摂食生物です。生産者の例としては、化学合成細菌や光合成植物などがあります。これらの生物は、熱水噴出孔や太陽光からのガスなどのエネルギー源からのエネルギーを有機分子に閉じ込めて、それ自体を維持します。その後、それらは消費者の資源になりますが、従属栄養生物は、自分で有機材料を作成して他の生物からそれらを得ることができません。独立栄養生物からエネルギーを得る生物は、一次消費者と呼ばれます。食物連鎖の次に来るのは、一次消費者を養うことができる二次消費者です。同様に、二次消費者を養うことができる消費者は、第三次消費者と呼ばれます。

食物連鎖におけるエネルギーの流れは一次生産者から始まるため、コミュニティの規模は、一次生産者が有機物に取り込むエネルギー量に依存します。生物に貯蔵された有機物はバイオマスと呼ばれ、生物に含まれる水分は除外されます。したがって、バイオマスを計算するには、生物の総重量から生物の水の重量を差し引きます。食物連鎖内のバイオマスは部分的に保存されており、一般的にはバイオマスの一部だけが次の栄養段階に移行します。したがって、食物連鎖で受け継がれるバイオマスの量はピラミッドに似ており、下部で最大になり、上部に向かって徐々に縮小します。このような栄養ピラミッドやエネルギーピラミッドでは、代謝熱としてのエネルギーの損失により、バイオマスの量は徐々に減少します。したがって、消費されたがバイオマスに変換されないエネルギーの大部分は、生物が自分自身を維持するためにどのように働かなければならないかを示しています。呼吸は発熱反応で、栄養素を分解してエネルギーをアデノシン三リン酸(ATP)に取り込み、細胞内の構造やタンパク質の合成と移動を促進することで、個々の細胞に動力を供給する働きをします。廃棄物と熱が同時に生成されるため、上位生物のバイオマスは少なくなります。

エコシステムの生産性

システム内のバイオマスの変化は、特定の生態系の生産性に関連しており、生産性は生物が受け取ったエネルギーからバイオマスを得る速度です。一次生産者の生産性は一次生産力と呼ばれ、他の生産者の生産性は二次生産性と呼ばれます。 これはさらに、グロスとネットの2つの形式に分類できます。 たとえば、総一次生産性は光合成または化学合成が発生する速度であり、正味一次生産性はエネルギーがこれらの生物にバイオマスとして蓄えられる速度です。正味一次生産性は、生物の代謝過程や日々の活動によって失われたエネルギーから差し引かれた総一次生産性と考えることができます。これらのバイオマス資源の配分は生物によって異なり、エネルギー供給の限界を示しています。

エネルギーフローに対する人間の影響

エネルギーフローの栄養ピラミッドモデルは、一次生産者が生態系の健全性にとって重要であることを強調しています:彼らがシステムから取り除かれた場合、それらに依存する消費者は別の食料源に目を向けることを余儀なくされなければなりません。消費者が別の栄養源を見つけることができない場合、二次絶滅が発生する可能性があります¹。これは、人為的な変化が世界中の多数の生態系に前例のない変動を引き起こすため、近い将来に特に重要です¹。したがって、脅威にさらされている食物連鎖のエネルギーダイナミクスを理解することは、環境変化の悪影響を軽減し、二次絶滅を防ぐのに役立ちます。

人間が引き起こす変化は、人間を含む食物連鎖の頂点にいる生物の健康にも影響を与える可能性があります。よく知られた例の1つは、水生食物連鎖における水銀の生物蓄積と生物濃縮です。水銀の生体内蓄積は、水銀が食物連鎖の底辺の生物に吸収される最初のレベルから始まります。バイオマグニションは、水銀が消費者に受け継がれ、その濃度が各栄養レベルで増加するときに発生します。最後に、食物連鎖の上位にあるさまざまな大型魚種には、高レベルの水銀^{が含まれている可能性があります2}。したがって、医療専門家は、特定の魚種を大量に消費しないようにアドバイスしています。

一次生産者の損失は有害ですが、「キーストーン・プレデター」と呼ばれる特定の消費者の排除も悪影響を及ぼす可能性があります。黄土色のウミウシを岩から取り除いた実験では、これらのウミウシが捕食したムール貝が人口過剰になり、環境資源と自由空間を悪化させた³。キーストーンの捕食者として、黄土色の海の星は淡水産貝の個体数を抑制し、岩の上で多様性を繁栄させるのに役立った。エネルギーがムール貝という形でバイオマスとして蓄積されると、環境のバランスが崩れました。したがって、生態系でエネルギーがどのように伝達されるかを理解することは、科学者が他の個体群の過剰成長を防いでいる個体群を学ぶのに役立ちます。

参照

1. Eklof、AおよびEbenman、B。単純および複雑なモデル群集における種の喪失と二次絶滅。J 動物生態学。 2006年、第75巻、1(239-46)。
2. グレイ、JS。海洋システムにおける生物濃縮:生態学者の視点。海洋汚染速報。 2002年、第45巻、46-52。
3. ペイン、RT。食物網の複雑さと種の多様性。アメリカのナチュラリスト。 1966年、第100巻、910(65-75)。

熱力学の第一法則であるエネルギーは、生成または破壊することはできず、変換するだけで、古典的な食物網内で実証できます。ここでは、太陽からの光エネルギーは、まず植物によって放射エネルギーとして利用され、次に複雑な炭水化物として貯蔵される化学エネルギーに変換されます。一部の植生は最終的に動物によって消費されます。糖を分解する過程で、エネルギーは熱として放出されるか、後で使用される化学エネルギー貯蔵として高分子に蓄えられるか、捕食者に渡されます。食物連鎖のこれらの各段階は、熱帯レベルと呼ばれます。植物は生産者です。リスが一次消費者であり、捕食性のキツネが二次消費者になります。熱帯レベルから次のレベルに移動する有機物はバイオマスと呼ばれ、通常はエネルギー単位、カロリー、またはキロカロリーで測定されます。

しかし、バイオマスの移動は直線的ではありません。一次生産者が太陽からエネルギーを受け取り、食物を作った後、細胞呼吸により、少量が使用できない熱エネルギーに変換され、二酸化炭素とともに環境に放出されます。利用される光エネルギーの総量は、総一次生産性またはGPPと呼ばれます。GPPから呼吸によって失われたエネルギーを差し引くと、結果は正味一次生産性またはNPP、つまりバイオマスが貯蔵されるエネルギー率になります。同様に、一次消費者は植物から化学エネルギーを収穫していますが、代謝中に二酸化炭素とともに少量の熱エネルギーも放出します。そして、消費されたバイオマスの一部だけが彼らの組織に復元されます。最後に、捕食者レベルでは、太陽から利用された元のエネルギーのほんの一部しか使用できません。したがって、生産者から一次消費者に移転されるバイオマスは、生産者から二次消費者に移転されるバイオマスと等しくありません。食物連鎖の各レベルでのバイオマスのこれらの変化は、特定の生態系全体の生産性について教えてくれます。

このラボでは、生産者であるキャベツから主要な消費者であるキャベツワームへのバイオマスとエネルギーの移動を測定することにより、エネルギーダイナミクスと生産性のこれらの原理を調査します。