コミュニティの多様性

集団は孤立して生活しているわけではないので、すべての集団は特定の方法で他の集団と相互作用します。これらの相互作用により、集団のネットワークが生まれます。したがって、生態学的コミュニティは、同じ地域内で互いに相互作用するさまざまな種のそのような人口ネットワークで構成されています。これらの生物学的または生物的成分は、非生物的または非生物的成分と密接に相互作用し、生態系を形成することもあります。生態系は、人間の消化管内の微生物群集のように小さく、環境のpHや栄養素によって構造化されている場合もあれば、炭素循環を通じて密接に関連した樹木や昆虫が生息する森林のように大きい場合もあります。生態学者や自然保護活動家は、都市化と気候変動を通じて人類が世界的に生態系に大きな変化をもたらし続ける中、生態系への関心をますます高めています。エコシステムの1つのコンポーネントを変更すると、密接に関連する他のコンポーネントに影響が及ぶ可能性があり、システム全体に劇的な変化をもたらす可能性があります。これらの理由から、生態系の現在および将来の「健康」を定量化し予測することは、生態学的研究の主要なトピックとなっています。

生物多様性

「生態系の健全性」という用語は比喩的なものであり、非常に異なる生態系の健康状態を比較することは困難であり、生態系の健康状態を定量化するために使用できる単一の値はありません。例えば、砂漠と森林では、種の多様性が大きく異なりますが、必ずしも一方が他方より健康的であるとは限りません。したがって、生態系の健康状態を表すために複数の指標が策定されており、それらの使用は研究の目標によって異なります。したがって、「生態系の健全性」とは、生態系が人間にとってどれほど価値があるかを指す場合があります。例えば、樹木による炭素隔離やミツバチによる受粉など、生態系サービスの価値は、生態系の健康状態を定量化するために使用されます。他の指標は、生態系で見つかった希少種の数、生態系が火災に対してどれだけ耐性があるか、または生物的および非生物的要因の他の測定値を測定する場合があります。生態学者にとって、非常に一般的な健康指標の 1 つは、生物多様性、または「生物多様性」です。生物多様性は、ある地域に見られる生物種の多様性の尺度であり、シャノン・ウィーナー生物多様性指数を使用して計算できます。

シャノン・ウィーナー指数は、種の豊富さと均一性という2つの地域コミュニティからの測定を必要とします。種の豊富さは、地域コミュニティ内の異なる種の総数です。新しく舗装された駐車場など、種が存在しないエリアのリッチネス値は 0 になります。地球上で最も多様なコミュニティのいくつかを支えていることで知られる熱帯雨林は、はるかに豊富な種の豊富さを持っています。多くの種が存在することは、一般的に多様で健全な生態系を持つことと一致しますが、均一性も考慮する必要があります。たとえば、1つの種がその地域を支配し、他の種が非常に珍しい場合、この地域の生物多様性は、同じ量の種がいる地域よりも低くなります。したがって、個体数が比較的等しい多くの種が存在する地域は、生物多様性のスコアが最も高いです。

シャノン・ウィーナー法は、生態系の生物多様性と健康状態を測る唯一の指標ではありません。たとえば、EPT インデックスと呼ばれる一般的なインデックスは、個々の生物に健康度の値を割り当てることにより、河川システムの水質を決定するために使用されます。より具体的には、このインデックスは、川で見られる無脊椎動物の3つの汚染物質に敏感な目、エフェメロプテラ(カゲロウ)、プレコプテラ(ストーンフライ)、およびトリコプテラ(カディスフライ)を考慮しています。水路にこれらの汚染物質不耐性種が存在することは、良好な水質の指標として使用され、問題の生態系は健康であると考えられています。

多くの場合、生態学的に関連するエリアは、全体をサンプリングするには大きすぎます。この問題を解決するために、生態学者は、クワッドラット(研究サイト全体のポイントに配置された所定のサイズの小さなフレーム)を使用して、調査エリア全体で複数の小さなプロットをサンプリングします。そこで、研究者は関心のある種のすべての個体を特定して記録します。十分なクワッドラットサンプルを考慮すると、科学者は外挿して生態学的コミュニティの正確な推定を行うことができます。

生態学的変化の影響

ほとんどの自然の生態学的変化は、長期にわたる時間スケールで発生します。さらに、人間は生態系を変化させ続けています。生態系の長期的な変化を評価するために、科学者たちは長期生態学的研究サイト(LTER)を設立しました。最も長く続いているLTERの1つは、米国のニューハンプシャー州にあるハバードブルック実験林です。このサイトや他のサイトは、森林伐採、水文学的体制の変化、およびその他の長期的な生態系の攪乱に起因する生態系スケールパターンについての知識を増やしています¹。

大きな変化が非常に急速に起こるとき、それは生態学的攪乱と呼ばれます。火災、ハリケーン、洪水は、生態系の撹乱の例です。攪乱は、栄養素を一掃し、生物学的コミュニティの構成を変えることにより、生態系を変える可能性があります。撹乱の後、最も抵抗力があり回復力のある種が生存に有利になります。抵抗力のある種またはコミュニティとは、芝生が刈られた後のタンポポのように、最小限の損害で大きな攪乱を生き残り、攪乱から迅速に回復できる種またはコミュニティです。擾乱の前後の長年にわたるサイトをサンプリングすることは不可能ですが、異なる擾乱レジームを持つ異なるエリアを比較することで、この問題の部分的な解決策が得られます。

攪乱された生息地は通常、まだら模様であるため、ランダムに配置された四角形を使用すると、種の代表性が低くなり、生物多様性の推定が不正確になる可能性があります。このため、研究対象の生息地の周囲といくつかの特性を考慮することが不可欠です。これは、ランドスケープエコロジーでは、コアとエッジの両方の生息地を研究することによって達成されます。コア生息地は、同じタイプの生息地に囲まれたパッチ内の中央に位置しています。対照的に、エッジ生息地 (境界生息地とも呼ばれる) は、異なる生息地タイプに隣接しています。森林の生息地と牧草地の生息地が出会う場所などの端の生息地は、両方の生息地タイプの種が見られる可能性があるため、生物多様性が増加している可能性があります。このような生息地の端での生物多様性の違いをエッジ効果と呼びます。これらの移行地域を評価するために、生態学者はトランセクトと呼ばれる生息地に沿ったパスを使用し、パスに沿って設定された間隔で小さなサンプリングサイトの生物多様性を記録します。ただし、すべての生息地がエッジ効果を持つわけではなく、エッジ種が侵略的であり、より広い範囲の生息地で成長する可能性があるため、「健全な」生態系を示すものではありません。

種の測定に加えて、科学者は生態系の化学成分の測定も行い、その健康状態を評価することができます。たとえば、汚染をチェックしたり、存在する栄養素を測定して土壌の質を調べたりする場合があります。この情報は、コミュニティのさまざまな地域における生物多様性のパターンの変化を説明するのにも役立ちます。また、気温、特定の時間枠での降水量、種の機能的形質など、測定が難しく、高度な統計分析が必要になる変数も多数あります。生態学者は、これらの変数をより広いスケールの時間と空間で記録する新しい方法に絶えず取り組んでいます。これは、衛星画像を使用して地球全体の関心のある変数を推定する生態系のリモートセンシングなどの新しい方法に取って代わられました²。これらのデータには、絶えず開発されている多変量統計やその他の複雑な数学的ツールの使用が必要です。

人類の人口が増加し続け、世界中の生態系が変化する中、科学者や関心のある市民は、危機に瀕している生態系の保全と保全に取り組んでいます。大きく変化した生態系を回復する1つの方法は、バイオレメディエーションを通じて、汚染物質を分解し^{、生態系に}好ましい形質を回復するために、生物(通常は微生物)を放出することを含む。その一例が、廃水中の微生物の放出により、汚染を分解し、水を魚の居住可能な状態に戻すことです⁴。したがって、生態系を回復する独創的な方法は、生態系に対する人間の影響を修復するためにますます重要になります。

参照

1. ライケンス、ジーンE。ハバードブルック生態系研究(1963〜2013年)からの50年間の連続降水量と河川化学データ。生態学。 巻98、8:2224。
2. Zhaoqin Li、Dandan Xu、Xulin Guo。エコシステムの健全性のリモートセンシング:機会、課題、および将来の展望。センサー(バーゼル)。 2014年、第14巻(11):21117–21139。
3. Garbisu, Itziar alkorta Lur Epelde Carlos.気候変動によって変化する環境パラメータは、バイオレメディエーションに関与する土壌微生物の活動に影響を与えます。FEMS微生物学レター。 2017年、第364巻、19年。
4. P.パドマヴァティ、K.スニタ、K.ヴィーライア。魚のいる池の水質と細菌叢の改善におけるプロバイオティクスの有効性。Afr. J. Microbiol. Res. 2012, 6(49).7471-7478。

生態系とは、あるエリアで相互作用する生きている要素と生きていない要素のコミュニティです。これは、地球自体や植物や動物でいっぱいの森と同じくらい大きい場合もあれば、微生物が生息する胃のように小さい場合もあります。生態系の健全性はさまざまな方法で測定できますが、優れた指標の1つは、生態系内の生物種の多様性を測定する生物多様性です。

生物多様性は、1940年代にクロード・シャノンとノーバート・ウィーナーが提唱した「シャノン・ウィーナー指数」という尺度を用いて評価することができます。シャノン・ウィーナー指数は、Hとして計算される単位のない測定値です。このインデックスでは、種の豊富さ (存在する種の数) が K で示され、種の均一性 (PI が示す各種の比率) の 2 つの変数が使用されます。種の豊富さは、生態系内のユニークな種の数です。この例では 7 つあります。種の均一性は、生態系内の種がどのように分布しているかを測定します。これは、異なる種が同様の数を持つ生態系は、この1つまたは2つの種がほとんどの生物を占めている生態系よりも均一であり、この1つのように、ウサギが比較的蔓延していることを意味します。

何を測定すべきかがわかったところで、次は生物多様性の測定方法を学びましょう。生態系は巨大であるため、生態学者は広い範囲を迅速にランダムにサンプリングする方法を見つけ出す必要がありました。これらのうち最も単純なのはクワドラットで、これは固定サイズのフレームであり、通常はサンプリングサイト内にランダムに配置されます。科学者たちは、クワッドラットの内側の領域を調査し、種の豊富さとそれらの均一性を記録します。生態系上の複数の場所に配置されたこれらの小さな窓を使用して、調査結果を推定し、調査地域全体の多様性を推定できます。しかし、この手法では、広い領域の管理可能な評価が可能になりますが、完璧ではありません。象限をランダムに配置すると、個体が見落とされ、種の代表が少なくなったり、生物多様性の推定値が誤って低くなったりする可能性がある。

この制限は、一部のコミュニティ、特に斑点のあるコミュニティや不均一なコミュニティは、より構造化されたアプローチによってより適切にサンプリングされることを意味します。ここでは、私たちの牧草地は森に隣接しており、実際には、さまざまな生息地で構成されています。このコミュニティを公平にカバーするために、ランドスケープをコアハビタットと、重要なことにエッジハビタットに分けることができます。多くの場合、エッジ エリアは、両方の生息地タイプの種がそこに住んでいる可能性があるため、生物多様性が高くなります。しかし、これは従来のランダムサンプリングでは見落とされる可能性があります。代わりに、このようなコミュニティ全体の生物多様性を測定するには、最初に四角形を使用してコアエリアをランダムにサンプリングするのが良い戦略かもしれません。収集されたデータは、各コア生息地のH値を計算するために使用できます。次に、トランセクトまたはサンプリングラインを各コア生息地に敷設し、エッジエリアまで延長することができます。その後、種の豊富さと均一性は、これらの線に沿った設定点に配置された四角形を使用して記録できます。Shannon-Wiener の式を使用して、トランセクトに沿った各距離のダイバーシティ インデックスを計算し、これらを比較できます。一般に、H 値が大きい領域は、H 値が低い領域よりも多様です。このランダム方形とトランセクトを組み合わせた手法は、同じコミュニティ内の異なる生息地が多様性の観点からどのように比較されるかについて、用途が広く、より公正な評価を提供します。

種の測定に加えて、科学者は生態系の化学成分の測定も行い、その健康状態を評価することができます。たとえば、汚染をチェックしたり、存在する栄養素を測定して土壌の質を調べたりする場合があります。この情報は、コミュニティのさまざまな地域における生物多様性のパターンの変化を説明するのにも役立ちます。したがって、この例では、牧草地の土壌が森林や端よりも質が低い場合、サポートする種が少なくなる可能性があります。

このラボでは、2 つの異なるコア地域の生物多様性と土壌の質を測定し、エッジの生息地に沿って生物多様性がどのように影響を受けるかを調べます。