生態系とは何か
生態系とは、生き物どうしと、まわりの生き物でないものが関わり合う自然のまとまりです。森・池・湖・草原・砂漠は自然の生態系です。花壇・畑・水槽は人が計画して世話をするので、人工の(人がつくった)生態系といいます。
生物的要素と非生物的要素
生物的要素は生きている部分で、植物・動物・菌類・細菌です。非生物的要素は生きていない部分で、太陽の光・温度・水・空気・土・無機養分です。どちらか一方を取り除くと、もう一方も変わってしまいます。太陽の光がなければ植物は枯れ、植物がなければ動物は飢えます。
生産者・消費者・分解者
生産者は緑色の植物と、一部の細菌(シアノバクテリアなど)で、光合成で養分をつくります。独立栄養生物とも呼ばれます。
消費者は自分で養分をつくれないので、他の生き物を食べます。草食動物(植物を食べる。例:ヤギ)、肉食動物(動物を食べる。例:ライオン)、雑食動物(両方食べる。例:カラス、人間)、寄生生物(宿主に取りつく。例:シラミ)に分けられます。
分解者は細菌や菌類で、死んだ植物や動物を簡単な物質に分解します。これで無機養分が土にもどり、生産者がまた使えます。分解者がいなければ、死んだものがたまり続け、土の養分もなくなってしまいます。
食物連鎖・食物網・栄養段階
食物連鎖とは、食べる・食べられるの関係が一列につながったものです。例:草 → バッタ → カエル → ヘビ → ワシ。水の中では、藻 → 小魚 → 大きな魚 → サギ。
食物連鎖の一つ一つの段が栄養段階です。T1 = 生産者、T2 = 一次消費者(草食動物)、T3 = 二次消費者、T4 = 三次消費者。
自然界では、多くの動物が一種類以上のものを食べ、一種類以上の敵に食べられます。そのため、たくさんの食物連鎖がつながって網のようになります。これが食物網です。食物網があると生態系は安定します。ある食べ物が少なくなっても、別の食べ物に切りかえられるからです。
エネルギーの流れと10%の法則
緑色の植物は、葉に当たる太陽の光のうち約1%しかとらえません。草食動物が植物を食べると、その植物にたくわえられたエネルギーの約10%しか得られません。残りは植物自身の生命活動に使われたり、熱として失われたり、食べられない部分や消化されない部分に残ったりします。これが10%の法則です(リンデマンが示しました)。
エネルギーの流れが一方向である理由
エネルギーは 太陽 → 生産者 → 草食動物 → 肉食動物 と進みます。もどることはありません。熱として失われたエネルギーは、植物が再び使うことができないからです。だからエネルギーの流れは一方向です。これに対して無機養分は、分解者のはたらきでぐるぐる回ります。
食物連鎖が3〜4段階しかない理由
エネルギーは一段ごとに10分の1になります。4段目や5段目になると、残りが少なすぎて生き物の集団を支えられません。だから頂点の肉食動物は数が少ないのです。また、菜食(2段目で食べる)は、太陽のエネルギーのむだが少なくなります。
生物濃縮
DDTのような農薬は作物にまかれます。一部は土や水に流れこみ、植物に入ります。これらの薬は分解されず、体の外にも出ていかないので、脂肪にたまります。植物をたくさん食べた動物は、その全部の薬を集めます。次の動物はそうした動物をたくさん食べ、さらにその次も同じです。
こうして、体重1 kgあたりの薬の量は、栄養段階が上がるごとに増えていきます。これが生物濃縮です。人間を含む頂点の消費者が最も多くの量を取りこみます。だから穀物・野菜・魚、さらには牛乳にも農薬がわずかに含まれることがあるのです。
重要な公式と用語
- 次の段階のエネルギー = この段階の10% = E ÷ 10
- n段階目のエネルギー = E₁ × (0.1)ⁿ⁻¹ (E₁ = 生産者のエネルギー)
- 下の段階のエネルギー = 上の段階のエネルギー × 10 (下へもどるとき)
- 栄養段階:T1 生産者 → T2 草食動物 → T3 肉食動物 → T4 頂点の肉食動物
- エネルギーの流れ:一方向(太陽 → 生産者 → 消費者 → 熱として失われる)。無機養分:循環する。
- 生物濃縮:栄養段階が上がるほど、化学物質の濃度が高くなる
例題
1. 池の生物的要素を2つ、非生物的要素を2つあげなさい。
生物的要素:水草(クロモ、藻)、魚、カエル、細菌。非生物的要素:水、太陽の光、とけている酸素、底の土、温度。
2. ある食物連鎖で、生産者が20,000 Jのエネルギーを持っています。二次消費者に届くエネルギーはいくらですか。
生産者 → 一次消費者:20,000 × 10% = 2,000 J。一次 → 二次消費者:2,000 × 10% = 200 J。答え:200 J。
3. タカ(第4栄養段階)が5 Jのエネルギーを得ました。その連鎖の生産者には、いくらのエネルギーがありましたか。
一段下がるごとに10倍になります。第3段階:50 J、第2段階:500 J、第1段階:5,000 J。生産者は5,000 Jを持っていました。
4. 草 → シカ → トラの連鎖で、草が100,000 kJ持つとき、トラが得るエネルギーはいくらですか。また、それは草のエネルギーの何分の一ですか。
シカ:100,000 × 0.1 = 10,000 kJ。トラ:10,000 × 0.1 = 1,000 kJ。割合 = 1,000 / 100,000 = 1/100 = 1%。
5. DDTで汚れた湖の魚を食べる人間は、なぜ魚よりも多くのDDTを持つのですか。
DDTは分解されず、体の脂肪にたまります。人間は長い間にたくさんの魚を食べるので、そのDDTが全部人間にたまります。人間は栄養段階が上なので、最も高い濃度になります。これが生物濃縮です。
6. 食物網が一本の食物連鎖より安定しているのはなぜですか。
食物網では、どの動物にも食べ物の選択肢がいくつかあります。ある獲物が少なくなっても、捕食者は別のものを食べられるので、生態系はくずれません。
よくある間違い
- 矢印の向きをまちがえる。矢印は食べる側へ向けます。草 → シカは、シカが草を食べるという意味です(エネルギーは矢印にそって流れます)。
- 「各段階で10%のエネルギーが失われる」と言ってしまう。逆です。約90%が失われ、10%だけが伝わります。
- 分解者を食物連鎖の栄養段階の一つと考える。分解者はすべての段階の死んだものにはたらくので、別に表します。
- 二つの傾向を混同する。エネルギーは連鎖を上がるほど減りますが、農薬の濃度は連鎖を上がるほど増えます。