生物学 第2版 — 第44章 生態学と生物圏 —
Japanese translation of “Biology 2e”
OpenStax のサイトで公開されている教科書“ Biology 2e”の翻訳です。こちらのページから各章へ移動できます。
44 | 生態学と生物圏
この章の概要
44.1:生態学の範囲
44.2:生物地理学
44.3:陸上生物群系
44.4:水中生物群系
44.5:気候とグローバルな気候変動の影響
はじめに
なぜ生態学を勉強するのでしょうか?おそらく、あなたは自然界と、生物が環境の物理的条件にどのように適応してきたかについて学ぶことに興味があるのでしょう。または、おそらくあなたは患者の健康と彼らの環境との間のつながりを理解しようとしている未来の医師なのかもしれません。
人間は生態学的景観の一部であり、人間の健康は私たちの物理的環境および生活環境と人間との相互作用の重要な部分の1つです。たとえば、ライム病は、私たちの健康と自然界との間のつながりの現代的な例の1つです(図44.1)。正式にはライムボレリア症として知られているライム病は、シカダニ(米国東部のIxodes scapularis、および太平洋沿岸のIxodes pacificus)に噛まれたときに人間に伝染する細菌感染症です。シカダニは、この病気の主な媒介生物です(媒介生物は病原体を媒介する生物です)。しかしながら、すべてのダニが病原体を運ぶわけではなく、すべてのシカダニが人間にライム病を引き起こす細菌を運ぶわけでもありません。また、シカダニは、シカ以外の宿主を持つことができます。実際、感染の可能性は、ダニが育つ宿主の種類に依存することが判明しています:シカに生息するダニよりも、シロアシネズミに生息するダニのほうが高い割合で細菌を保有しています。宿主の種が豊富にいるような環境と個体群密度についての知識は、ライム病がどのように伝染し、その発生率をどのようにすれば減少させられるかを医師または疫学者がよりよく理解するのに役立ちます。
44.1 | 生態学の範囲
この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•生態学と生態学研究の4つの基本レベルを定義する
•生態学がさまざまな科学分野の統合を必要とするやり方の例を記述する
•環境の非生物的要素と生物的要素を区別する
•環境の非生物的要素と生物的要素との間の関係を認識する
生態学は、生物とその環境との相互作用についての研究です。生態学の核となる目標の1つは、物理的環境における生物の分布と豊富さを理解することです。この目標を達成するには、数学、統計学、生化学、分子生物学、生理学、進化、生物多様性、地質学、気候学など、生物学の内外の科学分野を統合する必要があります。
学習へのリンク
気候変動は生物の生息場所を変える可能性があり、それは時に人間の健康に直接影響することがあります。PBSのビデオ「気候変動の影響を感じとる」(http://openstaxcollege.org/l/climate_health)をご覧ください。このビデオでは、研究者が通常の範囲のはるか遠くで生きている病原体生物を発見しました。
生態学的研究のレベル
生物学などの学問分野を研究する場合、それをより小さな関連分野に細分することがしばしば役立ちます。たとえば、細胞シグナリングに関心のある細胞生物学者は、細胞シグナリングの結果とともに、シグナル分子(通常はタンパク質)の化学的性質を理解する必要があります。絶滅危惧種の生存に影響を与える要因に関心のある生態学者は、数学モデルを使用して、現在の保全努力が絶滅危惧種にどのように影響するかを予測するかもしれません。
保全生物学者は、妥当な管理オプションの組み合わせを作成するために、現在の個体群の大きさ、生殖に影響を与える要因(生理学や行動など)、生息地の要件(植物や土壌など)、および絶滅危惧種の個体群とその生息地に対する潜在的な人間の影響(社会学と都市生態学の研究を通じて導き出されるかもしれません)を含む正確なデータを収集する必要があります。生態学の学問分野では、研究者は4つの一般的なレベルで作業しますが、これらのレベルは時には重なります。それらのレベルとは、生物、個体群、生物群集、および生態系です(図44.2)。
生物生態学
生物レベルで生態学を研究している研究者は、個体が特定の生息地に住むことを可能にする適応に関心があります。これらの適応は、形態的、生理学的、および行動的であることがあります。たとえば、蝶のカーナーブルー(Lycaeides melissa samuelis)(図44.3)は、雌が野生のルピナス(Lupinus perennis)にのみ産卵する(卵を産む)ため、スペシャリストと見なされます。この特定の要件と適応は、カーナーブルー蝶がその生存のために野生のルピナス植物の存在に完全に依存していることを意味します。
孵化した後、(初齢)幼虫が出現し、野生のルピナスだけを餌に4～6週間を過ごします(図44.4)。このイモムシはさなぎになり、最終段階の変態を経て、約4週間後に蝶として現れます。成虫の蝶は、野生のルピナスやトウワタなどの他の植物種の花の蜜を食事とします。一般的に、それぞれの年においてカーナーブルーには2回の産卵があります。
生物レベルでのカーナーブルー蝶の研究に興味のある研究者は、産卵の要件について問うことに加えて、この蝶の好ましい胸部飛行温度(生理学的な質問)や、または幼虫の異なる段階にいるときのイモムシの行動(行動的な質問)について問うかもしれません。
個体群生態学
個体群とは、交配する生物のグループで、同じ地域に同時に住んでいる同じ種のメンバーのことです。(同じ種のすべてのメンバーである生物は、同種と呼ばれます。)個体群は、部分的には、それが住んでいる場所によって識別され、個体群の領域は、自然または人工の境界を持つかもしれません。自然の境界は川、山、または砂漠であるかもしれませんが、人工の境界は刈られた草、人工構造物、または道路であるかもしれません。個体群生態学の研究は、ある地域の個体の数や、時間とともにどのようにして、そしてなぜ個体群のサイズが変化するかに焦点を当てています。
たとえば、個体群生態学者はカーナーブルー蝶の数を数えることに特に関心があります。なぜなら、この蝶は合衆国において絶滅の危機に瀕している種として分類されているためです。しかしながら、この種の分布と密度は、野生のルピナスの分布と豊富さ、およびその周辺の生物物理学的環境に大きく影響されます。研究者は、野生のルピナスの減少につながる要因と、それらがカーナーブルー蝶にどのように影響するかについて質問をするかもしれません。たとえば、生態学者は、野生のルピナスが樹木や低木がほとんどない開けた領域で繁茂することを知っています。自然環境では、断続的な山火事が定期的に樹木や低木を取り除き、野生のルピナスが必要とする空き地を維持するのに役立ちます。数学モデルを使用することによって、人間による山火事の抑制が、カーナーブルー蝶にとって重要なこの植物の減少にどのようにつながったかを理解することができます。
生物群集生態学
生物学的な生物群集は、ある領域(通常は三次元空間)内のさまざまな種、およびこれらの種内および種間の相互作用で構成されます。生物群集生態学者は、これらの相互作用を促進するプロセスとその帰結に興味を持っています。同じ種の相互作用についての質問は、限られた資源を求める同じ種のメンバー間の競争にしばしば焦点を合わせます。生態学者はまた、さまざまな種の間の相互作用も研究しています。異なる種のメンバーは、異種と呼ばれます。異種的な相互作用の例には、捕食、寄生、草食、競争、および受粉が含まれます。これらの相互作用は、個体群のサイズに調節効果を及ぼし、多様性に影響を与える生態学的および進化的プロセスに影響を与えることがあります。
たとえば、カーナーブルー蝶の幼虫は、アリ(特にヤマアリ属)と相利共生の関係を形成します。相利共生は、2つの種の間で共進化してきた長期的な関係の一形態であり、そこではそれぞれの種が相手から恩恵を受けています。個々の生物の間に相利共生が存在するためには、それぞれの種がその関係の結果として他の種から何らかの利益を受けなければなりません。研究者は、アリがカーナーブルー蝶の幼虫(イモムシ)を捕食性の昆虫やクモから守るときには、生存の可能性が増加することを示しました。この行為は「テンディング(世話をする、面倒を見る)」として知られる行為です。その理由は、幼虫がアリによって世話をされることでそれぞれの生命の段階で費やす時間が短くなり、幼虫に有利になるためであるかもしれません。一方、アリを引き付けるために、カーナーブルー蝶の幼虫はアリに似たフェロモンと、アリにとって重要なエネルギー源である炭水化物が豊富な物質を分泌します。カーナーブルーの幼虫とアリは相互作用から恩恵を受けますが、付随するアリの種は部分的には日和見的であり、蝶の生息域によって変化することがあるかもしれません。
生態系生態学
生態系生態学は、生物生態学、個体群生態学、および生物群集生態学の延長です。生態系は、ある地域のすべての生物的要素(生きているもの)と、その地域の非生物的要素(生きていないもの)で構成されています。非生物成分には、空気、水、土壌が含まれます。生態系生物学者は、栄養素とエネルギーがどのように貯蔵され、それらが生物間で、そして周囲の大気、土壌、水を通してどのように移動するかについて質問します。
カーナーブルー蝶と野生のルピナスは、オーク-松の荒地の生息地に生きています。この生息地の特徴は、自然の撹乱と窒素の少ない栄養不足の土壌です。栄養素の入手可能性は、この生息地に生息する植物の分布における重要な要因です。生態系の生態学に興味のある研究者は、限られた資源の重要性と、生態系の生物的部分と非生物的部分を通じた栄養素などの資源の移動について質問するでしょう。
キャリアへのつながり
生態学者
生態学のキャリアは、人間社会の多くの側面に貢献しています。生態学的問題を理解することは、社会が食糧、住まい、医療といった基本的な人間の必要性を満たすのに役立ちます。生態学者は、研究室の中や屋外の自然環境で研究を行うことができます(図44.5)。これらの自然環境は、キャンパスを流れる小川のように家の近くにある場合もあれば、太平洋の底にある熱水噴出孔のように遠くにある場合もあります。生態学者は、狩猟用のオジロジカ(Odocoileus virginianus)の個体群や製紙用のアスペン(Populus spp.)材木などの自然資源を管理しています。生態学者はまた、大学、高校、博物館、自然センターなどを含むさまざまな機関で子供や大人を教える教育者としても働いています。生態学者は、地方、州、および連邦の政策立案者が生態学的に健全な法律を用意するのを支援する諮問的な地位で働くことも、それらの政策や法律を自ら開発することもあります。生態学者になるには、少なくとも学士号(通常は自然科学)が必要です。学部の学位の後には、選択した生態学の分野に応じて、専門的なトレーニングまたは高度な学位がしばしば続きます。生態学者は、物理科学の幅広いバックグラウンドを持ち、数学と統計学の強固な基盤を持っている必要があります。
学習へのリンク
このサイト(http://openstaxcollege.org/l/ecologist_role)にアクセスして、オタゴ大学の海洋生態学者スティーブン・ウィングが生態学者の役割と生態学者が探求する問題のタイプについて議論するところをご覧ください。
44.2 | 生物地理学
この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•生物地理学を定義する
•植物種および動物種のグローバルな分布に影響を与える非生物的要因を列挙し記述する
•水中環境と陸上環境に対する非生物的な力の影響を比較する
•非生物的要因が純一次生産性に及ぼす影響を要約する
多くの力が、生物圏(生命が生息する地球のすべての部分)のさまざまな部分に存在する生物の生物群集に影響を与えます。生物圏は大気(地球から数キロメートル上空)から海洋の最深部まで広がります。個々の人間にとっての見かけの広大さにもかかわらず、生物圏は、既知の宇宙と比較するとほんのわずかなスペースしか占めていません。多くの非生物的な力は、生命が存在することができる場所と生物圏のさまざまな部分で見つかる生物の種類に影響を与えます。非生物的要因は生物群系(類似した気候、植物相、動物相を伴う大きな面積の土地)の分布に影響を与えます。
生物地理学
生物地理学は、生物の地理的分布とその分布に影響する非生物的要因の研究です。温度や降雨などの非生物的要因は、主に緯度と標高に基づいて変化します。これらの非生物的要因が変化すると、植物と動物の生物群集の構成も変化します。たとえば、もしあなたが赤道から旅を始めて北に歩いていくと、植物の生物群集が徐々に変化していくことに気付くでしょう。旅の始めには、あなたは広葉の常緑樹のある熱帯多雨林を見るでしょう。これらは、赤道近くにある植物の生物群集の特徴です。あなたが北へと旅を続けると、これらの広葉の常緑樹が最終的に季節的に乾燥した森林になり、木々がまばらになるのがわかるでしょう。あなたはまた、温度と湿度の変化に気づき始めます。北緯約30度にあるこれらの森林は、低降水量と高日射量(日光)を特徴とする砂漠に取って代わります。
さらに北に移動すると、砂漠が草原またはプレーリーに置き換わっているのを目にするでしょう。最終的に、草原は落葉性の温帯林に置き換えられます。これらの落葉樹林は、亜北極圏(北極圏の南にある)の寒帯林とタイガに取って代わります。最後に、あなたは北極圏のツンドラに到達します。これは、最も北の緯度で見られます。この北への旅では、気候と、さまざまな緯度で見られる生態系に関連する環境要因に適応した生物の種類との両方の緩やかな変化が明らかになります。しかしながら、ジェット気流、メキシコ湾流、海流などの非生物的要因に部分的に起因して、同じ緯度に異なる生態系が存在します。もしあなたが山に登るならば、植生に見られる変化は、高緯度に移動するときのものと多くの点で似ているでしょう。
生物地理学を研究する生態学者は、種の分布のパターンを調べます。あらゆる場所に存在する種はいません。たとえば、ハエトリグサ(Dionaea muscipula)は、ノースカロライナ州とサウスカロライナ州の小さな地域に固有のものです。固有種とは、通常は広さが制限されている特定の地理的領域でのみ自然に見つかる種のことです。他の種はゼネラリスト、すなわちさまざまな地理的領域に生息する種です。たとえば、アライグマ(Procyon spp.)は、北アメリカおよび中央アメリカのほとんどにおいて生息しています。
種の分布パターンは、生物的要因および非生物的要因と、種の進化に必要な非常に長い期間におけるそれらの影響に基づいています。したがって、生物地理学の初期の研究は、18世紀の進化的思考の出現と密接に関連していました。植物と動物の最も特徴的な集合体のいくつかは、地理的障壁によって何百万年ものあいだ物理的に隔てられてきた地域で生じています。生物学者は、たとえば、オーストラリアには60万～70万種の動植物があると推定しています。生きている植物および哺乳類の種の約3/4は、オーストラリアでのみ見られる固有種です(図44.6ab)。
生態学者は、種が見つからない場所を特定することにより、種の分布の独特なパターンを発見することがあります。たとえば、ハワイは熱帯にもかかわらず、爬虫類や両生類の土着の陸生種がなく、少数の土着の種の蝶と、唯一の土着の陸生哺乳動物であるコウモリがいます。別の例として、ニューギニアの大部分は有胎盤性の哺乳類を欠いています。
学習へのリンク
このビデオ(http://openstaxcollege.org/l/platypus)を見て、オーストラリアのニューサウスウェールズ州の自然の生息地で泳ぐカモノハシを観察してください。
動物と同様に、植物は固有種になることも、ゼネラリストになることもあります:固有種の植物は地球の特定の地域でのみ見られますが、ゼネラリストは多くの地域で見られます。オーストラリア、ハワイ、マダガスカルなどの孤立した陸塊には、しばしば固有の植物種が多数存在します。これらの植物のいくつかは、人間の活動により絶滅の危険にさらされています。たとえば、ハワイアン・ガーデニア(Gardenia brighamii)はハワイ固有です。推定15～20本の木のみが存在すると考えられています(図44.7)。
エネルギー源
太陽からのエネルギーは、緑色植物、藻類、シアノバクテリア、および光合成性原生生物によって捕らえられます。これらの生物は、太陽エネルギーをすべての生物が必要とする化学エネルギーに変換します。光の利用可能性は、光合成を行う生物の適応の進化に直接影響する重要な力となります。たとえば、温帯林の低木層にある植物は、春の終わりに上にある木が完全に葉を広げて林冠を作った際には、陰になります。当然のことながら、低木層植物には、林冠を通過する利用可能な光をうまく捕捉するための適応があります。そのような適応の1つは、バージニア・クレイトニア(Claytonia virginica)などの春の短命の植物の急速な成長です(図44.8)。これらの春の花は、林冠の木が葉を発達させる前に、季節の早い段階で成長の大部分を達成し、生活環(生殖)を終了します。
水中生態系では、日光は水、植物、浮遊粒子、および常在微生物に吸収されるため、光の利用可能性は制限されます。湖、池、または海の底へ向かうと、光が届かない領域があります(最も短い青色のものを除くほとんどの波長が水柱に吸収されるため)。そこでは光合成を行うことはできず、その結果、生物が光なしで生き残ることを可能にする多くの適応が進化しました。たとえば、水生植物は水面近くに光合成組織を持っています。あなたは水面に浮いている広々としたスイレンの葉を考えることができます。スイレンは光なしでは生き残れません。熱水噴出孔などの環境では、光合成のための光がないため、一部の細菌は無機化学物質からエネルギーを抽出します。
海洋などの水中の系での栄養素の利用可能性も、エネルギーまたは光合成の重要な側面です。多くの生物は、海面で死ぬと海の底に沈みます。これが発生すると、海洋の湧昇が発生しない限り、その生物の中にみられるエネルギーはしばらく隔離されます。海洋の湧昇は、卓越風が海岸線近くの表層水に沿って吹くときに発生する海洋深層水の上昇です(図44.9)。この風が海水を沖合に押し出すと、海底からの水が上昇してこの水を置き換えます。その結果、死んだ生物にかつて含まれていた栄養素は、他の生物による再利用のために利用可能になります。
湖などの淡水の系では、気温と風の変化に反応して栄養素のリサイクルが行われます。湖の底にある栄養素は、春と秋のターンオーバーで毎年2回リサイクルされます。春と秋のターンオーバーとは、淡水湖の底から湖の表面へと栄養素や酸素をリサイクルする季節的なプロセスのことです(図44.10)。これらのターンオーバーは、温度躍層の形成によって引き起こされます。温度躍層とは、温度がその上下で大きく異なる水の層です。
冬の間、北部地域で見られる多くの湖の表面は凍っています。しかしながら、氷の下の水はわずかに暖かく、湖の底の水はさらに暖かく(4°C～5°C、39.2°F～41°F)なります。水は約4°Cで最も密度が高くなります。したがって、最も深い水もまた最も密度が高くなります。湖の底での有機物質の分解で利用可能な酸素が使い尽くされるため、最も深い水は酸素が乏しくなります。表面の氷の層のために、酸素は水面への酸素拡散によって置き換えることができません。
ビジュアルコネクション
熱帯の湖のターンオーバーは、温帯地域に存在する湖のターンオーバーとどのように異なるのでしょうか?季節的な温度変化の変動、または変動の欠如について考えてください。
春には、気温が上昇し、表面の氷が溶けます。表面の水の温度が4°Cに近づくと、水は重くなり、底に沈みます。湖の底の水は、より重く、より密度の高い表面の水によって押しのけられ、したがって、上方に上がります。その水が上に上がる際に、湖の底からの堆積物と栄養素が一緒に運ばれます。これは、春のターンオーバーと呼ばれます。夏の間、湖の水は湖の表面で最も温かい水となるように成層化、すなわち層を形成します。
秋に気温が下がると、湖の水温は4°Cに下がります。したがって、重く冷たい水が沈み、底部の水を押しのけるため、ターンオーバーが生じます。湖の表面の酸素が豊富な水が湖の底に移動する一方で、湖の底の栄養素は表面まで上昇します(図44.10)。冬の間、湖の底の酸素は、分解者や魚などの酸素を必要とするその他の生物によって使用されます。しかしながら、氷の相対的な透明度により、可視光のより短い波長の透過も可能になり、特に藻類による光合成が継続できることに注意しておくことが重要です。
温度
温度は、水の密度と状態とともに、生物の生理機能にも影響を与えます。代謝の制約により0°C(32°F)未満の温度で生き残ることができる生物はほとんどいないため、温度は生物に対して重要な影響を及ぼします。また、45°C(113°F)を超える温度で生物が生き残ることはまれです。これは、地球の表面近くの典型的な温度に対する進化的反応を反映したものです。酵素は、狭い特定の温度範囲内で最も効率的になります。高温では酵素の分解が起こります。したがって、生物は体内温度を維持するか、代謝をサポートする温度範囲内に体を保つ環境に生息しなければなりません。一部の動物は、冬眠や爬虫類の休眠で見られるように、体が著しい温度変動に耐えられるように適応しました。同様に、一部の古細菌は、イエローストーン国立公園内の間欠泉で見られるような極端な高温に耐えるように進化してきました。そのような細菌は好極限性生物(極端な環境で繁栄する生物)の例です。
温度(水温と気温の両方)は、生物の分布を制限することがあります。温度の変動に直面した動物は、生き残るために、移住などの適応によって反応する場合があります。ある場所から別の場所への定期的な移動である移住は、季節的に寒い気候に生息する動物を含む多くの動物に見られる適応です。移住は、温度、食物を探し出すこと、交配相手を見つけることに関連する問題を解決します。たとえば、キョクアジサシ(Sterna paradisaea)は、南半球の餌場と北極海の繁殖地の間で、毎年40000km(2万4000マイル)の往復飛行を行っています。オオカバマダラ(Danaus plexippus)は暖かい時期に米国東部と西部に生息し、そこで膨大な数の個体群を作り上げ、冬の時期にはメキシコのミチョアカン州周辺の地域、太平洋沿岸の地域、米国南部の地域に移住します。一部の哺乳類の種も、移住性の旅をします。トナカイ(Rangifer tarandus)は、食物を見つけるために毎年約5000km(3100マイル)移動します。両生類と爬虫類は、一般的に移住をする能力がないため、その分布はより制限されています。移住することができるすべての動物がそうするわけではありません:移住にはリスクが伴い、エネルギーコストが高くなります。
いくつかの動物は、厳しい気温を生き抜くために冬眠または夏眠します。冬眠は、動物が寒い条件を乗り切ることを可能にし、夏眠は、動物が暑く乾燥した気候の厳しい条件を乗り切ることを可能にします。冬眠または夏眠する動物は、休眠と呼ばれる状態に入ります。これは、代謝率が大幅に低下する状態です。これにより、動物はその環境が生存をより良くサポートするようになるまで待つことができます。カナダアカガエル(Rana sylvatica)などの一部の両生類には、細胞内に不凍液のような化学物質が含まれており、それは細胞の完全性を保持し、凍結や破裂を防ぎます。
水
水は細胞プロセスに不可欠であるため、すべての生物にとって水が必要です。陸生生物は環境へと水分を失うため、それらは水を保持するための多くの適応を進化させてきました。
•植物の葉には、葉の繊毛やろう状のクチクラなど、蒸散と対流による水分損失の割合を減らすのに役立つ多くの興味深い特徴があります。
•淡水生物は水に囲まれており、浸透のために細胞に水が侵入してくる危険が常にあります。淡水環境に生息する生物の多くの適応は、体内の溶質濃度が適切なレベル内にとどまるのを確実にするように進化しています。そのような適応の1つは、希薄な尿の排泄です。
•海洋生物は、その生物よりも溶質濃度の高い水に囲まれているため、浸透により環境へと水分を失う危険があります。これらの生物は、水を保持し、溶質を環境に放出するための形態学的および生理学的適応を持っています。たとえば、ウミイグアナ(Amblyrhynchus cristatus)は、海で泳いだり海洋植物を食べたりしている間、溶質濃度を許容範囲内に維持するために、塩分の多い水蒸気をくしゃみとともに排出します。
無機栄養素と土壌
窒素やリンなどの無機栄養素は、生物の分布と豊富さを決定する上で重要なものです。植物は、根を通って植物に水が移動するときに、土壌からこれらの無機栄養素を取得します。したがって、土壌の構造(土壌成分の粒子サイズ)、土壌のpH、および土壌の栄養成分はすべて、植物の分布において重要な役割を果たします。動物は摂取する食物から無機栄養素を入手します。したがって、動物の分布は、それらが食べるものの分布に関連しています。場合によっては、動物は環境を移動する際に食物の資源の後に従うことがあります。
その他の水中要因
酸素などのいくつかの非生物的要因は、陸上環境と同様に水中生態系でも重要です。陸生動物は、呼吸する空気から酸素を取得します。しかしながら、空気中の酸素分子がより少ない、非常に高い標高に住んでいる生物にとっては、酸素の利用可能性が問題になることがあります。水中の系では、溶存酸素の濃度は、水温と水が移動する速度に関連しています。冷たい水は、温かい水よりも溶存酸素が多く含まれています。さらに、塩分、海流、および潮位の変化は、水中生態系における重要な非生物的要因になり得ます。
その他の陸上要因
風は、すべての生物の表面からの蒸発、蒸散、および対流による熱損失の速度に影響を与えるため、重要な非生物的要因になることがあります。風の物理的な力も重要です。なぜなら、それは土壌、水、または他の非生物的要因や生態系の生物を動かすことができるからです。
火は、陸上生態系の撹乱の重要な要因となることのある別の陸上要因です。一部の生物は火に適応しているため、その生活環の一部を完了するには火に伴う高熱を必要とします。たとえば、バンクスマツ(Pinus banksiana)は、種子の球果を開くために火からの熱を必要とします(図44.11)。火は、マツの針状の葉の燃焼により土壌に窒素を追加し、下草を一掃することにより競争を制限します。
植物の成長に影響を与える非生物的要因
温度と水分は、植物の生産(一次生産性)と食物として利用可能な有機物の量(純一次生産性)に重要な影響を与えます。純一次生産性とは、食物として利用可能な有機物の総量の推定値です。それは、1年あたりの固定炭素の総量から細胞呼吸中に酸化される量を引いたものとして計算されます。陸上環境では、根(その質量は測定が非常に困難です)を除く生きた植物の総質量である、単位面積あたりの地上バイオマスを測定することにより、純一次生産性が推定されます。これは、地下に存在するような植物バイオマスの大部分がこの測定に含まれないことを意味します。生物群系の違いを考慮する場合、純一次生産性は重要な変数です。非常に生産的な生物群系は、高レベルの地上バイオマスを有しています。
年間のバイオマス生産は、環境の非生物的要素に直接的に関係しています。バイオマスの量が最も多い環境では、光合成、植物の成長、および結果として生じる純一次生産性が最適化される条件が作り出されます。これらの地域の気候は暖かく湿っています。光合成は高い速度で進行し、酵素は最も効率的に機能し、気孔は過度の蒸散のリスクなしに開いたままになります。これらの要因は一緒になって、最大の量の二酸化炭素(CO₂)を植物へと移動させ、高いバイオマス生産をもたらします。地上バイオマスは、生息地や食物など、他の生物にとっていくつかの重要な資源を生み出します。逆に、乾燥した環境と寒い環境では、光合成速度が低いため、バイオマスが少なくなります。そこに住む動物の生物群集も、利用可能な食物の減少によって影響を受けるでしょう。
44.3 | 陸上生物群系
この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•陸上生物群系を決定する2つの主要な非生物的要因を特定する
•8つの主要な陸上生物群系のそれぞれの際立った特徴を認識する
地球の生物群系は、陸上と水中の2つの主要なグループに分類されます。陸上生物群系は陸地に基づいている一方で、水中生物群系には海洋生物群系と淡水生物群系の両方が含まれます。地球上の8つの主要な陸上生物群系は、それぞれ特徴的な温度と降水量によって区別されます。1つの生物群系と別の生物群系とで降水量の年間合計と降水量の変動を比較すると、生物群系の分布における非生物的要因の重要性に関する手がかりが得られます。生物群系の地理的分布と生物群系内の植生タイプを予測するには、日ごとおよび季節ごとの温度変化も重要です。これらの生物群系の分布は、類似した気候の地理的に異なる地域において同じ生物群系が発生する可能性があることを示しています(図44.12)。
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生物群系についての次の記述のうち、間違っているものはどれですか?
a.シャパラルでは低木が優勢である。
b.サバンナと温帯草地では草が優勢である。
c.寒帯林では落葉樹が優勢である。
d.地衣類は北極圏ツンドラでよく見られる。
熱帯多雨林
熱帯多雨林は熱帯雨林とも呼ばれます。この生物群系は赤道地域で見られます(図44.12)。植生は、一年を通じて落ちて置き換えられるような広い葉を持つ植物によって特徴付けられます。落葉樹林の木とは異なり、この生物群系の木は、気温や日光の変動に関連した季節的な葉の喪失がありません。これらの森林は一年中「常緑」です。
熱帯多雨林の温度と日光の概要は、他の陸上生物群系のものと比較して非常に安定しており、温度は20°C～34°C(68°F～93°F)の範囲となっています。熱帯多雨林の年間温度変動を他の森林生物群系の年間温度変動と比較すると、熱帯多雨森における季節的な温度変動の欠如が明らかになります。この季節性の欠如は、他のより温暖な生物群系で見られる季節的な(春、夏、秋の)成長ではなく、一年を通じた植物の成長につながります。他の生態系とは対照的に、熱帯の生態系には年間サイクルの間の長い日も短い日もありません。代わりに、日中の一定量の日光(1日あたり11～12時間)がより多くの日射を提供し、それによって植物の成長のための期間が長くなります。
熱帯多雨林の年間降水量は、125cmから660cm(50～200インチ)の範囲で、月ごとにいくらか変動します。日光と気温はほぼ一定ですが、年間降水量は非常に変動します。熱帯多雨林には、通常、降水量が30cm(11～12インチ)を超える雨季と、降水量が10cm(3.5インチ)未満の乾季があります。しかしながら、熱帯多雨林の最も乾燥した月であってもまだ、砂漠などの他のいくつかの生物群系の年間降雨量を超えています。
熱帯多雨林は、高い純一次生産性を有します。なぜなら、これらの地域の年間気温と降水量が植物の成長に理想的であるためです。したがって、熱帯多雨林に存在する広範なバイオマスは、非常に大きな種の多様性を持つ植物の生物群集へとつながります(図44.13)。熱帯多雨林には、他のどの生物群系よりも多くの木の種があります。南アメリカのアマゾンの熱帯雨林の1ヘクタール(2.5エーカー)には、平均で100～300種の木が存在しています。これを視覚化する1つの方法は、熱帯多雨林の生物群系内の特徴的な水平の層を比較することです。林床には、植物と腐敗した植物物質のまばらな層があります。その上は背の低い低木の葉からなる低木層です。高木層はこの低木層の上にあり、閉鎖した上部の林冠(枝と葉の最上部の頂上の層)によって覆われています。いくつかの追加の木がこの閉鎖した上部林冠を突き抜けます。これらの層は、熱帯多雨林内のさまざまな植物、菌類、動物、およびその他の生物に多様で複雑な生息地を提供します。
たとえば、着生植物は他の植物の上で成長する植物であり、この他の植物は通常は危害を加えられることはありません。着生植物は熱帯多雨林の生物群系全体に見られます。多くの動物種は、熱帯多雨林のさまざまな植物と複雑な構造を食料と住処として使用しています。一部の生物は地上数メートルに住んでおり、この樹上生活様式に適応しています。
サバンナ
サバンナは、木が散在する草地であり、アフリカ、南アメリカ、およびオーストラリア北部に見られます(図44.12)。サバンナは、通常、平均気温が24～29°C(75～84°F)で、年間降水量が10～40cm(3.9～15.7インチ)の熱帯の暑い地域です。サバンナは、乾季が長いです。このため、熱帯多雨林(または他の森林生物群系)ほどには、森林の木は成長しません。その結果、サバンナにおいて優勢な草や広葉草本(顕花する草本植物)の中には、比較的少ない木しかありません(図44.14)。火災はこの生物群系の重要な撹乱の源であるため、植物は、火災の後すぐに発芽できるようによく発達した根系を進化させてきました。
亜熱帯砂漠
亜熱帯砂漠は、北緯および南緯の15度から30度の間に存在し、北回帰線と南回帰線を中心としています(図44.12)。この生物群系は非常に乾燥しています。ある年では、蒸発量は降水量を超えます。亜熱帯の暑い砂漠では、日中の土壌表面温度が60°C(140°F)を超え、夜間の温度が0°C(32°F)に近づくことがあります。これは主に大気中の水の欠如によるものです。寒い砂漠では、気温は25°Cの高さに達し、-30°C(-22°F)を下回ることがあります。亜熱帯砂漠は、30cm(12インチ)未満の低い年間降水量で、月間変動がほとんどなく、降雨の予測が不可能なことを特徴としています。場合によっては、オーストラリア中部(「アウトバック」)およびアフリカ北部に位置する亜熱帯砂漠では、年間降水量が2cm(0.8インチ)しかないことがあります。
この生物群系の植生と低い動物の多様性は、降水量が少なく予測不可能なことと密接に関係しています。非常に乾燥した砂漠には、ある年から次の年まで生きるような多年生の植生がありません。代わりに、多くの植物は一年生植物であり、急速に成長し、降雨が発生すると生殖し、その後死にます。これらの地域の他の多くの植物は、根を深くし、葉を減らし、茎に貯水するなど、水を節約するための多くの適応を持つことを特徴としています(図44.15)。砂漠の種子植物は、雨と雨の間の長期間にわたって休眠状態になることのできる種子を生産します。砂漠の動物の適応には、夜行性行動と穴掘りが含まれます。
シャパラル
シャパラルは低木林とも呼ばれ、カリフォルニア、地中海沿い、オーストラリアの南海岸に沿って見られます(図44.12)。この生物群系の年間降雨量は65cmから75cm(25.6～29.5インチ)の範囲であり、雨の大部分は冬に降ります。夏は非常に乾燥しており、多くのシャパラル植物は夏の間は休眠しています。図44.16に示されるように、シャパラルの植生は、定期的な火災に適応した低木が優勢であり、一部の植物は、高温の火災後にのみ発芽する種子を生産します。火災後に残された灰には、窒素などの栄養素が豊富で、それらは土壌を肥沃にし、植物の再成長を促進します。
温帯草地
温帯草地は北米中部に見られ、そこではプレーリーとしても知られています。温帯草地はユーラシアにもあり、そこではステップとして知られています(図44.12)。温帯草地では、暑い夏と寒い冬を伴い、気温の年間変動が顕著です。年間の温度変動により、植物の特定の成長期が生じます。植物の成長が可能になるのは、温度が植物の成長を維持するのに十分なほど暖かく、春、夏、秋に起こるように十分な水が利用できる場合です。冬のほとんどの間、気温は低く、水は氷の形態で保存されているため植物の成長に利用できません。
年間降水量は、25cmから75cm(9.8～29.5インチ)の範囲です。温帯草地では年間降水量が比較的少ないため、川や小川に沿って成長しているものを除いて、木はほとんどありません。優勢な植生は、草食動物の個体群を維持するのに十分な密度の草で構成される傾向があります(図44.17)。土壌の地下にはこれらの草の根と根茎(地下茎)が詰まっているため、植生は非常に密で、土壌は肥沃です。根と根茎は、植物を地面に固定し、それらが枯れて腐敗したときには土壌中の有機物(腐植質)を補充する働きをします。
主に落雷によって引き起こされる火災は、温帯草地の自然な撹乱です。温帯草地において火災が抑制されると、植生は最終的に低木へと変化し、時には干ばつに強い樹種の密林になります。多くの場合、温帯草地の復元または管理には、樹木の成長を抑えて草を維持するために、制御された火災の使用が必要とされます。
温帯林
温帯林は、北米東部、西ヨーロッパ、東アジア、チリ、ニュージーランドで最も一般的な生物群系です(図44.12)。この生物群系は、中緯度地域全体に見られます。温度は-30°C～30°C(-22°F～86°F)の範囲で、寒い冬には定期的に氷点下まで下がります。これらの温度は、温帯林では春、夏、初秋が成長期であると定義されることを意味します。降水量は年間を通じて比較的一定で、75cmから150cm(29.5～59インチ)の範囲です。
適度な年間降雨量と気温のため、この生物群系では落葉樹が優勢な植物です(図44.18)。落葉樹は毎年の秋に葉を失い、冬には葉がないままとなります。したがって、冬の休眠期間中、落葉樹では光合成は起こりません。毎年の春、温度が上がると新しい葉が現れます。休眠期間があるために、温帯林の純一次生産性は熱帯多雨林のものよりも低くなります。さらに、温帯林は熱帯多雨林の生物群系よりも少ない樹種の多様性を示します。
温帯林の樹木は葉を広げ、地面の大部分を日陰にします。しかしながら、温帯林のほとんどの木は熱帯多雨林の木ほど高く成長しないため、この生物群系は熱帯多雨林よりも開けています。温帯林の土壌は、無機および有機栄養素が豊富です。これは、熱帯雨林では発達しない、林床の上の落葉の厚い層によるものです。この落葉が腐敗するにつれて、栄養素は土壌に戻ります。落葉はまた、土壌を侵食から保護し、地面を覆い、無脊椎動物(オカダンゴムシ(Armadillidium vulgare)など)とその捕食者(セアカサンショウウオ(Plethodon cinereus)など)に生息地を提供します。
寒帯林
タイガまたは針葉樹林としても知られる寒帯林は、北極圏の南にあり、カナダ、アラスカ、ロシア、および北ヨーロッパの大部分に見られます(図44.12)。この生物群系には、寒くて乾燥した冬と、短くて涼しく、湿った夏があります。年間降水量は40cmから100cm(15.7～39インチ)で、通常は雪の形態をとります。冷涼な温度のために、蒸発はほとんど起こりません。
寒帯林の長く寒い冬は、耐寒性の球果(針葉樹)植物の優勢さをもたらしました。これらはマツ、トウヒ、モミのような常緑針葉樹で、一年中その針状の葉を保持します。常緑樹は、針状の葉を暖めるために必要な太陽からのエネルギーが広葉よりも少なくてすむため、落葉樹よりも春の早い段階で光合成ができます。これは常緑樹に利益をもたらします。つまり、常緑樹は寒帯林の落葉樹よりも早く成長します。さらに、寒帯林地域の土壌は酸性である傾向があり、利用可能な窒素がほとんどありません。葉は窒素が豊富な構造であり、落葉樹は毎年これらの窒素が豊富な構造の新しいセットを生成しなければなりません。したがって、窒素の豊富な針状の葉を保持している針葉樹は、広葉の落葉樹よりも競争上の優位性を持っているでしょう。
寒帯林の純一次生産性は、温帯林や熱帯多雨林のものよりも低いです。寒帯林の地上バイオマスは高いです。なぜなら、これらの成長の遅い樹種は長寿命であり、時間とともに大きな固定されたバイオマスを蓄積するためです。植物種の多様性は、温帯林や熱帯多雨林で見られるものよりも少ないです。寒帯林には、熱帯多雨林に見られる層状の森林構造の顕著な要素が欠けています。寒帯林の構造は、多くの場合、高木層と地面層のみです(図44.19)。針葉樹の針状の葉が落ちると、それらは広葉よりもゆっくりと分解します。したがって、植物の成長を促進するために土壌に戻される栄養素が少なくなります。
北極圏ツンドラ
北極圏ツンドラは亜北極圏寒帯林の北側にあり、北半球の北極圏全体に位置しています(図44.12)。冬の平均気温は-34°C(-29.2°F)で、夏の平均気温は3°Cから12°C(37°F～52°F)です。北極圏ツンドラの植物の成長期は約10～12週間と非常に短いです。
しかしながら、この期間中には、ほぼ24時間の日光があり、植物の成長は急速です。北極圏ツンドラの年間降水量は非常に低く、降水量の年間変動はほとんどありません。また、寒帯林と同様に、冷たい気温のために蒸発はほとんどありません。
北極圏ツンドラの植物は、一般に地面に対して低いものです(図44.20)。種の多様性はほとんどなく、純一次生産性が低く、地上のバイオマスも少ないです。北極圏ツンドラの土壌は、永久凍土と呼ばれるような、ずっと凍結した状態のままになる場合があります。永久凍土は、根が土壌に深く侵入することを不可能にし、有機物の腐敗を遅らせ、有機物からの栄養素の放出を阻害します。北極圏ツンドラの地面は、成長期の間に植物や地衣類で完全に覆われることがあります。
学習へのリンク
生物群系の概要については、このAssignment Discovery: Biomes(課題発見:生物群系)のビデオ(http://openstaxcollege.org/l/biomes)をご覧ください。さらに探索するには、拡張プレイリストのいずれかの生物群系:砂漠、サバンナ、温帯林、温帯草地、熱帯、ツンドラを選択してください。
44.4 | 水中生物群系
この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•水中生物群系の中の植物および動物の生物群集の組成に対する非生物的要因の影響を記述する
•海洋区分の特徴を比較対照する
•静水および流水における淡水生物群系の特徴を要約する
水中生物群系に影響を及ぼす非生物的要因
陸上生物群系と同様に、水中生物群系は非生物的要因による一連の影響を受けます。しかしながら、水性の媒体 — つまり水 — には、空気とは異なる物理的および化学的特性があります。池やその他の水域の水が完全に澄んでいる場合でも(浮遊粒子がない場合でも)、水自体が光を吸収します。深い水域に潜っていくと、最終的には日光が届かない深さになるでしょう。陸上生態系にも、光を覆い隠すかもしれないいくつかの非生物的および生物的要因(霧、塵、昆虫の群れなど)がありますが、通常、これらはその環境における永続的な特徴ではありません。水中生物群系における光の重要性は、淡水生態系と海洋生態系の両方に見られる生物の生物群集にとって中心的なものです。淡水系では、密度の違いによる成層化がおそらく最も重要な非生物的要因であり、光のエネルギー的な側面に関連しています。水の熱特性(加熱と冷却の速度、および空気よりもはるかに多くの量のエネルギーを貯蔵する能力)は、海洋系の機能にとって重要であり、グローバルな気候と気象パターンに大きな影響を与えます。海洋系は、海流などの大規模な物理的な水の動きの影響も受けます。これらはほとんどの淡水湖ではそれほど重要ではありません。
海洋は、いくつかの領域または区分に分類されます(図44.21)。海洋のすべての開放水域は、漂泳領域(または漂泳区分)と呼ばれます。底生領域(または底生区分)は、海岸線から海底の最も深い部分までの海の底に沿って延びています。漂泳領域内には有光層があり、これは光が透過できる海洋の部分です(約200mまたは650フィート)。深さが200mを超えると、光は透過できません。したがって、これは無光層と呼ばれます。海洋の大部分は無光であり、光合成にとって十分な光がありません。海洋の最も深い部分であるチャレンジャー海淵(太平洋西部に位置するマリアナ海溝の中)は、約1万1000m(約6.8マイル)の深さです。この海溝の深さについてある程度の視点を与えるならば、海は平均して4267mまたは1万4000フィートの深さです。これらの領域と区分は、淡水湖にも関連しています。
ビジュアルコネクション
次のどの領域で光合成生物を見つけることが期待できるでしょうか?
a.無光層、沿岸区分、海洋区分、底生領域
b.有光層、潮間帯区分、沿岸区分、海洋区分
c.有光層、深海層、沿岸区分、海洋区分
d.漂泳領域、無光層、沿岸区分、海洋区分
海洋生物群系
海洋は、最大の海洋生物群系です。海洋は化学組成が比較的均一な塩水の連続体です。実際のところ、海洋とは、無機塩と腐敗した生体物質の希釈溶液です。海の中では、サンゴ礁が2番目の種類の海洋生物群系です。河口は、海水と淡水が混ざった沿岸地域であり、3番目の独特な海洋生物群系を形成します。
海洋
海洋の物理的多様性は、植物、動物、およびその他の生物に大きな影響を与えます。海洋は、光が水の中にどれだけ届くかに基づいて、さまざまな区分に分類されます。それぞれの区分には、その区分特有の生物的および非生物的条件に適応した種の別個のグループがあります。
満潮と干潮の間の区分である潮間帯区分は、陸地に最も近い海洋の領域です(図44.21)。一般的に、ほとんどの人は海のこの部分を砂浜と考えています。場合によっては、潮間帯区分は実際に砂浜であることもありますが、岩であったり泥であったりすることもあります。潮間帯区分は、潮の干満の作用のために極端に変化しやすい環境です。生物は干潮時に空気や日光にさらされるとともに、ほとんどの時間、特に満潮時には水中にいます。したがって、潮間帯区分で繁栄する生物は、長時間乾燥することに適応しています。潮間帯区分の海岸は繰り返し波に打たれることもあり、そこで見つかる生物はその打ち付ける動きによる損傷に耐えるように適応しています(図44.22)。海岸線の甲殻類(ヨーロッパミドリガニ(Carcinus maenas)など)の外骨格は丈夫で、乾燥(乾いてしまうこと)や波による損傷からそれらの動物を保護します。打ち付ける波の別の結果は、絶えず動く岩、砂、または泥の中には藻類や植物が定着しないということです。
沿岸区分(図44.21)は、潮間帯区分から始まって、大陸棚(大陸から伸びる水中の陸塊)の端の約200m(または650フィート)の深さのところまで伸びています。光はこの深さまで透過することができるため、光合成は沿岸区分でもまだ起こることができます。ここの水にはシルトが含まれており、酸素が豊富で、圧力が低く、温度が安定しています。植物プランクトンと浮かんでいるホンダワラ属(浮遊性の海洋海藻の1つのタイプ)は、沿岸区分で見られるいくつかの海洋生物の生息地を提供します。動物プランクトン、原生生物、小さな魚類、エビが沿岸区分におり、世界のほとんどの漁場の食物連鎖の基盤となっています。
沿岸区分の向こうには、漂泳区分または海洋区分として知られる外洋の領域があります(図44.21)。海洋区分内には、海流によって温かい水と冷たい水が混ざる温度成層があります。豊富なプランクトンは、クジラやイルカなどの大型動物の食物連鎖の基盤として機能します。栄養素は希少であり、ここは海洋生物群系の比較的生産性の低い部分です。光合成生物と、それらを食べている原生生物や動物が死ぬと、その体は海底に落ち、そこに残ります。淡水湖とは異なり、外洋の大部分には、有機栄養素を水面に戻すプロセスがありません。(例外としては、南米の西海岸に沿ったフンボルト海流内の主要な海洋湧昇が含まれます。)無光層の生物の大部分には、有光層の生物の死体に含まれる栄養素によって生き残るナマコ(棘皮動物門)や他の生物が含まれます。
漂泳区分の下には、底生領域(大陸棚を越えた深海領域)があります(図44.21)。底生領域の底は、砂、シルト、死んだ生物で構成されています。水の深さが増すと、温度は低下しますが、氷点よりは上のまま残ります。ここは、海洋の上部層から落下してくる死んだ生物のために、海洋のなかでも栄養素の豊富な部分です。この高レベルの栄養素のため、菌類、海綿、イソギンチャク、海の蠕虫、ヒトデ、魚類、および細菌といった多様性が存在します。
海洋の最も深い部分は深海層であり、深さは4000m以上です。深海層(図44.21)は非常に寒く、非常に高い圧力、高い酸素含有量、および低い栄養含有量を持っています。この層にはさまざまな無脊椎動物や魚類がいますが、光が不足しているため、深海層には植物がありません。熱水噴出孔は主に深海層にあります。化学合成細菌は、噴出孔から放出される硫化水素やその他のミネラルを利用します。これらの化学合成細菌は、硫化水素をエネルギー源として使用し、深海層に見られる食物連鎖の基盤として機能します。
サンゴ礁
サンゴ礁は、海洋の有光層内の暖かい浅瀬に住んでいる主に刺胞動物と軟体動物からなる海洋無脊椎動物によって形成された海の突起部です。それらは、赤道の北と南の緯度30度以内にあります。グレートバリアリーフは、おそらく世界で最も有名で最も大きなサンゴ礁系であり、国際宇宙ステーションからも見ることができます!この巨大で古来のサンゴ礁は、オーストラリアの北東海岸から数マイル離れた場所にあります。他のサンゴ礁系としては、陸地に直接隣接している裾礁や、現在は水中に没したかつての陸塊を取り囲む円形のサンゴ礁系である環礁があります。サンゴ生物(刺胞動物門のメンバー)は、炭酸カルシウムの骨格を分泌する海水ポリプのコロニーです。これらのカルシウムが豊富な骨格はゆっくりと蓄積し、水中のサンゴ礁を形成します(図44.23)。より浅い水域(約60m、または約200フィートの深さ)で見つかるサンゴは、光合成単細胞藻類と相利共生の関係を持っています。この関係は、サンゴに必要な栄養とエネルギーの大部分を提供します。これらのサンゴが生息する水は栄養的に貧弱であり、この相利共生関係がなければ、大きなサンゴが成長することはできないでしょう。より深く冷たい水に生息するサンゴの中には、藻類との相利共生関係を持たないものもあります。これらのサンゴは、触手にある獲物を捕獲するための刺胞細胞と呼ばれる刺すような細胞を使ってエネルギーと栄養素を獲得します。
学習へのリンク
このアメリカ海洋大気庁(NOAA)のビデオ(http://openstaxcollege.org/l/marine_biology)を見て、海洋生態学者のピーター・エトノイヤー博士がサンゴ生物に関する研究について議論するところをご覧ください。
4000種以上の魚類がサンゴ礁に生息していると推定されています。これらの魚類は、サンゴ、クリプトファウナ(サンゴ礁の炭酸カルシウム基質内に見られる無脊椎動物)、またはサンゴに付随する海藻と藻類を食べることができます。さらに、いくつかの魚種はサンゴ礁の境界に生息しています。これらの種には、捕食者、草食動物、およびプランクトン食動物(漂泳区分に浮かぶ細菌、古細菌、藻類、原生生物などのプランクトン生物を摂取します)が含まれています。
進化へのつながり
サンゴ礁の世界的な衰退
サンゴ礁を作り上げるには何千年もかかります。サンゴ礁を作る動物は数百万年にわたって進化し、特徴的な海の家を形成する炭酸カルシウムをゆっくりと堆積し続けています。サンゴ動物とその共生的な藻類のパートナーは、熱帯の温かい海水に浸かっており、海水温度の上限で生き残るように進化しました。
気候変動と人間の活動が組み合わさって、世界のサンゴ礁の長期的な生存に対する二重の脅威をもたらしています。化石燃料の放出による地球温暖化が海水温を上昇させると、サンゴ礁が被害を受けます。過度の暖かさにより、サンゴ礁は共生的な、食物を生産する藻類を失い、結果として白化として知られる現象を引き起こします。白化が起こるときには、共生的な褐虫藻の損失が長引いてサンゴ動物と藻類が死ぬにつれ、サンゴ礁の特徴的な色の多くが失われます。
大気中の二酸化炭素レベルの上昇は、他の方法でサンゴをさらに脅かします。CO₂が海水に溶解すると、pHが低下し、海洋の酸性度が増加します。酸性度が増加すると、サンゴ動物が炭酸カルシウムの住処を構築するときに通常起こる石灰化を妨げます。
サンゴ礁が死に始めると、動物が食物と住処を失うにつれて、種の多様性は激減します。サンゴ礁は経済的にも重要な観光地であるため、サンゴ礁の減少は沿岸経済にとって深刻な脅威となっています。
人間の人口増加は、他の方法でもサンゴにダメージを与えています。人間の沿岸人口が増加するにつれて、沈殿物や農薬の流出も増加し、かつては透明だった熱帯の水域の一部が曇るようになりました。同時に、人気のある魚種の乱獲により、サンゴを食べる捕食者の種に抑制が効かなくなりました。
今後数十年での地球の気温の1～2°C(控え目な科学的予測)の上昇はそれほど大きくないように思えるかもしれませんが、この生物群系にとっては非常に重大です。変化が急速に起こると、進化が新しい適応を提供する前に種が絶滅することがあります。多くの科学者は、地球の温暖化は、その急速で(進化的な時間の観点から)容赦ない温度上昇により、世界のサンゴ礁の多くが回復できるポイントを超えるほどにバランスを崩していると考えています。
河口:海洋と淡水の出会う場所
河口は、河川などの淡水の源が海洋と出会う場所で生じる生物群系です。したがって、淡水と塩水の両方が同じ付近に見られます。混合すると、希釈された(汽水性の)塩水になります。河口は、甲殻類、軟体動物、魚類の若い子供の多くがその生命を始める保護領域を形成し、他の動物にとって重要な繁殖地も作り出します。塩分は、河口で見られる生物とその生物の適応に影響を与える非常に重要な要因です。河口の塩分はかなり変動し、季節的な降雨量に依存することのある淡水源の流量に基づいています。1日に1～2回、満潮は塩水を河口にもたらします。同じ頻度で発生する干潮は、塩水の流れを逆にします。
淡水と塩水の混合による塩分の短期的かつ急速な変動は、河口に生息する動植物にとって困難な生理学的課題です。多くの河口の植物種は塩生植物(塩分条件に耐えることができる植物)です。塩生植物は、根元の塩水または海のしぶきから生じる塩分に対処するように適応しています。一部の塩生植物では、根のフィルターが植物が吸収する水から塩を除去します。他の植物は、酸素を根に送り込むことができます。イガイやアサリ(軟体動物門)などの動物は、この急速に変化する環境で機能するために多くのエネルギーを消費するような行動適応を発達させました。これらの動物は低塩分にさらされると、摂食を停止し、貝殻を閉じ、好気呼吸(エラを使用して水から酸素を除去する)から嫌気呼吸(酸素を必要とせずに、動物の細胞の細胞質で行われるプロセス)に切り替わります。河口に満潮が戻ってくると、水の塩分と酸素含有量が増加し、これらの動物は殻を開き、摂食を開始し、好気呼吸に戻ります。
淡水生物群系
淡水生物群系には、湖や池(静水)と川や小川(流水)が含まれます。湿地も含まれますが、これについては後で説明します。人間は、飲料水、作物の灌漑、下水処理、および産業のための水資源という生態系的な利益を提供するような淡水生物群系に依存しています。湖と池は、陸上生物群系に影響を与える非生物的要因および生物的要因と関連しています。
湖と池
湖と池の面積は、数平方メートルから数千平方キロメートルにまで及びます。温度は、湖や池で見られる生物に影響を与える重要な非生物的要因です。夏には、私たちが見てきたように、水の上層が太陽によって暖められ、より深く冷たい水と混ざらないときに、湖と池の温度成層が生じます。光は湖または池の有光層内に侵入することができます。植物プランクトン(藻類およびシアノバクテリア)がここで見つかり、光合成を実行して、湖や池の食物網の基盤を提供します。輪形動物や幼虫などの動物プランクトンや成体の甲殻類は、これらの植物プランクトンを摂取します。湖や池の底では、無光層にいる細菌が底に沈む死んだ生物を分解します。
窒素とリンは、湖や池において重要な制限栄養素です。このため、それらは湖や池で生じる植物プランクトンの成長量を決定する要因となります。窒素とリンが大量に投入されると(たとえば、下水や施肥された芝生や農場からの流出)、藻類の成長が急増し、藻類ブルームと呼ばれる藻類の大量の蓄積が生じます。藻類ブルーム(図44.24)は非常に広範囲になることがあるため、水中への光の透過を減少させます。それらはまた、有毒な副生成物を水に放出し、その水源から摂取した飲料水を汚染することがあります。さらに、湖や池は無光になり、光合成植物は生き残ることができせん。藻類が死んで分解すると、水の重度の酸素欠乏が起こります。酸素を必要とする魚類や他の生物は死んでしまう可能性が高く、その結果、死水域が生じます。エリー湖とメキシコ湾はそれぞれ、リンの制御と嵐による雨水の流出が重大な環境上の課題をもたらしている淡水と海洋の生息地を表しています。
川と小川
川と小川は絶えず動いている水域であり、大量の水を水源または源流から湖や海に運びます。最大級の河川には、アフリカのナイル川、南米のアマゾン川、北米のミシシッピ川が含まれます。
川および小川の非生物的特徴は、川や小川の長さに沿って異なります。小川は、源水と呼ばれる起点から始まります。源水は、通常、冷たく、栄養素が少なく、澄んでいます。水路(川または小川の幅)は、川や小川の長さに沿った他の場所よりも狭くなっています。このため、ここでは、川や小川の他の地点よりも流れが速いことがしばしばあります。
動きの速い水は、川や小川の底でのシルトの蓄積を最小限に抑えます。したがって、水は通常透明で、小片がありません。ここでの光合成は、主に岩の上で成長している藻に起因しています。速い流れは植物プランクトンの成長を抑制します。川や小川に流れ落ちてきたり、水に接する木や他の植物から落ちてきたりした葉や他の有機物質から追加のエネルギーが来ることがあります。葉が分解すると、葉の有機物と栄養素が水に戻ります。動植物はこの動きの速い水に適応してきました。たとえば、ヒル(環形動物門)は、細長い体、および体の前部と腹部にある吸盤を持っています。これらの吸盤は基質に付着してヒルを所定の位置に固定するとともに、獲物に付着するためにも使用されます。淡水のマスの種(脊索動物門)は、これらの急速に動く川や小川における重要な捕食者です。
川または小川が水源から遠ざかるにつれて、水路の幅が次第に広がり、流れが遅くなります。支流が合流するにつれて勾配が減少し、体積が増加することによって引き起こされるこのゆっくりと移動する水には、より多くの沈殿物があります。植物プランクトンも、ゆっくりと移動する水の中に懸濁することができます。したがって、水は水源の近くほど透明ではありません。水はまた、温かくもなります。蠕虫(環形動物門)と昆虫(節足動物門)が泥の中に潜っているところを見ることができます。高次の捕食者である脊椎動物(脊索動物門)には、水鳥、カエル、魚類が含まれます。これらの捕食者はこの動きの遅い、時には濁った水域で食物を見つけなければなりません。そして、水源の水域のマスとは異なり、これらの脊椎動物は食物を見つけるための主要な感覚として視覚を使用できないかもしれません。代わりに、それらは獲物を見つけるために味や化学的な手がかりを使用する可能性が高くなります。
湿地
湿地は、土壌が恒久的または定期的に水で飽和している環境です。湿地は湖とは異なります。なぜなら、湿地は浅い水域であるのに対し、湖はそれぞれ深さが異なるためです。抽水植生は、土壌に根付いているものの水面上に葉、茎、花の一部が広がっている湿地植物で構成されています。沼地、低湿地、湿原、干潟、塩性湿地など、いくつかのタイプの湿地があります(図44.25)。これらのタイプの間で共有される3つの特性 — それらを湿地にするもの — は、その水文学、水生の植生、および水性土壌です。
淡水の沼地と低湿地は、ゆっくりと安定した水流が特徴です。しかしながら、湿原は、水の流れが少ないか存在しない窪地で発生します。湿原は通常、水の地中浸透が不十分な粘土の底がある地域で発生します。(地中浸透は、土壌または岩石の孔を通る水の動きです。)湿原で見られる水は、有機物の分解中に使用された酸素が容易に置き換えられないため、停滞しており酸素が枯渇しています。水中の酸素が枯渇すると、分解が遅くなります。これにより、酸が蓄積し、水のpHが低下します。pHが低いと、利用可能な窒素が制限されるため、植物にとって問題を生じさせます。その結果、湿原植物の一部(モウセンゴケ、食虫植物、ハエトリグサなど)は、昆虫を捕獲して、その体内から窒素を抽出します。湿原で見られる水は窒素と酸素のレベルが低いため、湿原の純一次生産性は低くなります。
44.5 | 気候とグローバルな気候変動の影響
この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•グローバルな気候変動を定義する
•世界的な大気中の二酸化炭素濃度に対する産業革命の影響を要約する
•長期的な地球規模の気候に影響を与える3つの自然要因を記述する
•2つかそれ以上の温室効果ガスを列挙し、温室効果におけるそれらの役割を記述する
すべての生物群系は、それぞれの生物群系の環境を最終的に形成する気候などの地球規模の条件によって、普遍的に影響を受けます。気候を研究する科学者たちは、過去60年間で徐々に、そしてますます明らかになる一連の顕著な変化に注目しています。グローバルな気候変動とは、変化したグローバルな気象パターン、特に大部分が大気中の二酸化炭素レベルの上昇による気温の世界的な上昇とその結果としての気候の変化を表す用語です。
気候と天候
グローバルな気候変動についてのよくある誤解は、特定の地域で発生する特定の天候の出来事(たとえば、インディアナ州中部における6月の非常に涼しい週)がグローバルな気候変動の証拠を提供するというものです。しかしながら、6月の寒い週は天候に関連する出来事であり、気候に関連する出来事ではありません。これらの誤解は、気候と天候という用語をめぐる混乱のためにしばしば発生します。
気候とは、特定の地域の長期的で予測可能な大気条件を指します。ある生物群系の気候は、一貫性のある季節的な気温と降雨量の範囲を持つことによって特徴付けられます。気候は、ある生物群系で特定の日に降った雨の量や、ある日に発生した平均気温よりも低い気温には対応していません。対照的に、天候とは、短期間の大気の状態のことを指します。天気予報は通常48時間周期で行われます。長期の天気予報は利用可能ですが、信頼できない場合があります。
気候と天候の違いをよりよく理解するために、あなたがウィスコンシン州北部で屋外イベントを計画しているところを想像してみてください。あなたが冬ではなく夏にイベントを計画するときには、あなたは気候について考えているでしょう。なぜならあなたは、ウィスコンシン州の屋外イベントにとって、5月から8月の土曜日は、1月の土曜日よりも良い選択であるという長期的な知識をもっているからです。しかしながら、あなたはイベントを開催する特定の日を決定することはできません。なぜなら特定の日の天気を正確に予測することは難しいからです。気候は、長年にわたって起こる「平均的な」天候と考えることができます。
グローバルな気候変動
気候変動は、次の3つの研究分野にアプローチすることで理解することができます:
•現在および過去のグローバルな気候変動の証拠
•グローバルな気候変動の推進力
•気候変動の報告された結果
グローバルな気候変動に関するメディアの報道を利用する場合、気候変動のこれら3つの異なる側面を明確に区別しておくと役立ちます。私たちは、グローバルな気候変動についての報告と議論において、地球の気候が変化していることを示すデータを、その気候変動を引き起こす要因と混同してしまうことがよくあることに注意すべきです。
グローバルな気候変動の証拠
科学者は時間をさかのぼって平均気温や降水量などの気候変数を直接測定することはできないため、代わりに間接的に温度を測定しなければなりません。これを行うために、科学者は地球の過去の気候の歴史的証拠に依拠しています。
南極の氷床コアは、気候変動におけるそのような証拠の重要な例です。これらの氷床コアは、氷床または高山の氷河を数千メートルに達するほど掘削することによって得られた極氷のサンプルです。氷床コアを観察することは、時間を逆行するようなものです。サンプルが深ければ深いほど、時間は以前のものになります。氷の中に閉じ込められているのは、温度のデータや二酸化炭素のデータを明らかにすることができる気泡やその他の生物学的証拠です。南極の氷床コアを収集して分析することで、過去40万年間の地球の温度が間接的に推定されています(図44.27a)。このグラフの0°Cは、長期平均を示しています。0°Cを超える温度は、地球の長期平均温度を超えます。逆に、0°C未満の温度は地球の平均温度よりも低くなります。この図は、温度の上昇と下降の周期的なサイクルがあることを示しています。
1800年代後半までは、地球は最大で9°Cほど寒くなることや、約3°Cほど暖かくなることがありました。図44.27bのグラフは、大気の二酸化炭素濃度も周期的なサイクルで上昇および下降していることを示していることに注意してください。また、二酸化炭素濃度と温度の関係にも注意してください。図44.27bは、大気中の二酸化炭素レベルが歴史的に体積において180～300ppmの間で循環していることを示しています。
図44.27aには、過去40万年間の地球の温度変化と、より近い過去の温度変化とを比較するのに十分なほどの詳細を伴うような形では過去2000年のデータは示されていません。過去2000年の間に、2つの重大な温度偏差、または温度異常が発生しました。これらは、中世気候異常(または中世の温暖期)と小氷期です。3番目の温度異常は、産業時代と一致しています。中世気候異常は、紀元900年から1300年の間に発生しました。多くの気候科学者は、この期間中には、世界の多くの地域でわずかに暖かい天候条件が支配的であったと考えています。平均よりも高い温度変化は、標準より0.10°Cから0.20°Cだけ高い温度の間で変化していました。0.10°Cは目立った変化を起こすほど大きくはないようですが、それは実際には氷原を開放しました。この温暖化により、バイキングはグリーンランドに植民することができました。
小氷期は、紀元1550年から1850年までの間に起こった寒い時期でした。この間、北アメリカ、ヨーロッパ、そしておそらく地球の他の地域で、1°C弱のわずかな冷却が観察されました。地球の気温のこの1°Cの変化は、一見したところ小さな温度の偏差です(中世気候異常の間に観察されたものと同様に)。しかしながら、それもまた顕著な気候変化をもたらしました。歴史的な記述は、雪と霜が非常に多い極端に厳しい冬の時期があったことを明らかにしています。
1750年頃に始まった産業革命は、人間社会の多くの変化によって特徴付けられました。農業の進歩により食糧供給が増加し、ヨーロッパと米国の人々の生活水準が向上しました。仕事と安価な商品を提供する新しい技術が発明されました。これらの新しい技術は、化石燃料、特に石炭を使用して推進されました。19世紀初頭に始まった産業革命は、産業時代の幕開けを告げました。化石燃料が燃焼されると、二酸化炭素が放出されます。産業時代の始まりとともに、大気中の二酸化炭素が増加し始めました(図44.28)。
現在および過去におけるグローバルな気候変動の推進力
過去にさかのぼって気候を直接観察および測定することはできないため、科学者は間接的な証拠を使用して、気候変動の原因となる可能性のある推進力または要因を特定しなければなりません。間接的な証拠には、氷床コア、ボアホール(地面に掘られた細い掘削孔)、年輪、氷河の長さ、花粉の残骸、および海洋堆積物を使用して収集されたデータが含まれます。データは、温度変化のタイミングと気候変動の推進力との相関関係を示しています。産業時代以前(1780年以前)は、人間の活動や大気中の気体とは関係のない気候変動の3つの推進力がありました。これらの最初のものはミランコビッチ・サイクルです。ミランコビッチ・サイクルは、地球の軌道のわずかな変化による地球の気候に対する影響のことを記述します。ミランコビッチ・サイクルの長さは1万9000～10万年です。言い換えれば、最小で1万9000年ごとに地球の軌道の変化に関連する地球の気候の予測可能な変化を見ることが期待できるでしょう。
気候変動の原因となる2番目の自然要因は、太陽の強度の変動です。太陽強度とは、一定の時間内に太陽が発する太陽のパワーまたはエネルギーの量のことです。太陽強度と温度の間には直接的な関係があります。太陽強度が増加(または減少)するにつれて、地球の温度はそれに応じて増加(または減少)します。太陽強度の変化は、小氷期のいくつかの可能な説明の1つとして提案されています。
最後に、火山噴火は気候変動の3番目の自然な推進力です。火山噴火は数日間続くことがありますが、噴火中に放出された固体と気体は、数年間にわたって気候に影響を与えることがあり、短期的な気候変動を引き起こします。火山噴火によって放出される気体と固体には、二酸化炭素、水蒸気、二酸化硫黄、硫化水素、水素、一酸化炭素が含まれます。一般的に、火山噴火は気候を冷却します。これは、1783年にアイスランドの火山が噴火し、大量の酸化硫黄が放出されたときに起こりました。これは、もや効果による冷却につながりました。それは、ちり、灰、またはその他の浮遊粒子が日光を遮り、結果として地球全体の温度を下げるときに発生するグローバルな現象です。もや効果による冷却は、その強度が消失するまで、通常1年またはそれ以上続きます。ヨーロッパと北米では、もや効果の冷却により、1783年と1784年に記録上で最低の冬の平均気温の一部が生じました。
温室効果ガスは、おそらく気候の最も重要な推進力です。太陽からの熱エネルギーが地球に突き当たると、温室効果ガスとして知られる気体が大気中に熱を閉じ込めます。これは、温室のガラスが熱を逃がさないようにする方法と似ています。地球に影響を及ぼす温室効果ガスには、二酸化炭素、メタン、水蒸気、亜酸化窒素、オゾンが含まれます。太陽からの放射の約半分が大気中のこれらの気体を通過し、地球に突き当たります。この放射は、地球の表面で熱(赤外線)放射に変換され、そのエネルギーの一部が大気中に再放射されます。しかしながら、温室効果ガスは、熱エネルギーの多くを地球の表面に反射します。大気中の温室効果ガスが多いほど、より多くの熱エネルギーが地球の表面に反射して戻り、地球の表面とそのすぐ上の大気を加熱します。温室効果ガスは、放射を吸収および放出するものであり、温室効果(大気中の二酸化炭素および他の温室効果ガスによる地球の温暖化)の重要な要因です。
直接的な証拠が、大気中の二酸化炭素濃度と温度との関係を裏付けています:二酸化炭素が上昇すると、地球全体の温度が上昇します。1950年以来、大気中の二酸化炭素の濃度は増加し、2006年には約280ppmから382ppmになりました。2011年の大気中の二酸化炭素濃度は392ppmでした。しかしながら、もし水蒸気がその劇的な温室効果をもたらさなければ、この惑星は現在の生命の形態が居住可能になることはなかったでしょう。
科学者はデータの中のパターンを見て、これらのパターンとの違いや逸脱を説明しようと試みます。大気中の二酸化炭素データは、180ppmの低い値と300ppmの高い値の間を循環するような、二酸化炭素の増減の歴史的なパターンを明らかにしています。科学者は、大気中の二酸化炭素レベルが最低濃度から最高濃度に上昇するのに約5万年かかったと結論付けています。しかしながら、現在の大気中の二酸化炭素濃度の上昇は、ほんの数世紀前に始まって、歴史的な最大値である300ppmを超えて増加しています。大気中の二酸化炭素の現在の増加は、数千年という単位ではなく数百年という単位で非常に急速に起こっています。この変化率と二酸化炭素の増加量の違いの理由は何でしょうか?過去のデータと現在のデータを比較するときに認識しなければならない重要な要素は、現代の人間社会の存在と産業活動です。この速度またはこの規模で大気中の二酸化炭素レベルの変化をもたらすような他の気候変動の推進力は存在しません。
人間の活動により、最も重要な温室効果ガスの2つである二酸化炭素とメタンがいくつかの方法で大気中に放出されます。二酸化炭素を放出する主なメカニズムは、ガソリン、石炭、天然ガスなどの化石燃料の燃焼です(図44.29)。森林破壊、セメント製造、動物農業、土地の開墾、森林の燃焼は、二酸化炭素を放出する他の人間の活動です。メタン(CH₄)は、嫌気性条件下で細菌が有機物を分解するときに生成されます。嫌気性条件は、有機物が水中(水田など)または草食動物の腸の中に閉じ込められたときに発生することがあります。メタンは、天然ガス田からや、埋立地で発生する動植物の分解から放出されることもあります。メタンの別の発生源は、クラスレートの融解です。クラスレートとは、海の底で見られる氷とメタンの凍った塊です。水が温まると、これらの氷の塊が溶けてメタンが放出されます。海洋の水温が上昇するにつれて、クラスレートが溶ける速度が増加し、さらに多くのメタンが放出されます。これにより、大気中のメタンのレベルが増加し、それは地球温暖化の速度をさらに加速します。これは、グローバルな気温の急激な上昇につながる正のフィードバックループの例です。
気候変動の報告された結果:過去と現在
科学者は、ずっと昔の気候変動の結果の地質学的証拠を持っています。氷河の後退や極氷の融解などの現代の現象は、海面の継続的な上昇を引き起こします。一方、気候の変化は生物に悪影響を与えるかもしれません。
地質学的気候変動(古気候変動)
地球温暖化は、地質学的過去の間の少なくとも1つの地球規模の絶滅事象に関連付けられています。ペルム紀の絶滅事象は、約2億5100万年前に、ペルム紀と呼ばれる約5000万年にわたる地質学的期間が終わりに向かう際に発生しました。この地質学的期間は、地球の地質学的な歴史上で最も暖かい3つの期間のうちの1つでした。科学者は、陸生の動植物種の約70%と海洋種の84%が絶滅し、ペルム紀の終わり近くで永久に消滅したと推定しています。
熱帯多雨林の年間降雨量300～400cm(118～157インチ)および20°C～30°C(68°F～86°F)といった、湿潤および温暖な気候条件に適応していた生物は、ペルム紀の気候変動を乗り切ることができませんでした。
学習へのリンク
このNASAビデオ(http://openstaxcollege.org/l/climate_plants)を見て、植物の成長に対する地球温暖化の複合的な影響を理解してください。科学者たちは、1980年代と1990年代の気温の上昇が植物の生産性の増加を引き起こすことを発見しましたが、この利点はその後により頻繁になった干ばつによって打ち消されました。
現在の気候変動
私たちの生涯の間に、気候変動に起因するかもしれない多くのグローバルな事象が発生しています。モンタナ州のグレイシャー国立公園は、氷河後退と呼ばれる現象によって、多くの氷河が後退しています。1850年には、この地域には約150の氷河が含まれていました。しかしながら、2010年までに、この公園には25エーカー以上の大きさの氷河が約24個しか含まれていませんでした。これらの氷河の1つは、ゴールド山のグリンネル氷河(図44.30)です。1966年から2005年の間に、グリンネル氷河の大きさは40%縮小しました。同様に、グリーンランドと南極の氷床の体積も減少しています:グリーンランドは2002年から2006年の間に年間150～250km³の氷を失いました。さらに、北極海の氷のサイズと厚さが減少しています。
この氷の損失は、世界規模の海面の上昇につながります。平均して、海は年間1.8mmの割合で上昇しています。しかしながら、1993年から2010年の間、海面上昇の速度は年間2.9から3.4mmの範囲でした。さまざまな要因、特に水の温度(水の密度はその温度に関係します:水は温まると体積が増加し、海面が上昇します)、および川、湖、氷河、極地の氷冠、海氷に見られる水の量が、海洋の水の体積に影響します。氷河と極地の氷冠が溶けると、かつては凍結されていた液体の水が大きく寄与します。
気候変動に応じて変化するいくつかの非生物的条件に加えて、多くの生物も温度の変化の影響を受けています。温度と降水量は、動植物の地理的分布とフェノロジーを決定する上で重要な役割を果たします。(フェノロジー(生物季節学)とは、植物の開花や鳥の移住など、周期的な生活環の事象のタイミングに対する気候条件の影響の研究です。)研究者は、過去40年間で、英国の385の植物種が以前に記録されたよりも4.5日早く開花していることを示しました。さらに、昆虫により受粉される種は、風により受粉される種よりも早く花を咲かせる可能性が高かったです。昆虫の受粉媒介者がより早く出現するならば、開花日の変化の影響は軽減されるでしょう。植物と受粉媒介者のこのタイミングの不一致は、生態系への有害な影響をもたらすことがあります。なぜなら、継続的に生き残るためには、昆虫により受粉される植物は受粉媒介者がいるときに開花しなければならないからです。
重要用語
非生物的:環境の生きていない成分
地上バイオマス:面積あたりの地上の生きている植物の総質量
深海層:深さ4000m以上の海の最深部
藻類ブルーム:ある水中の系における藻類の急速な増加
無光層:光が透過しない海の部分
底生領域(または、底生区分):海岸線から海底の最も深い部分まで、海の底に沿って広がる海の部分
生物地理学:生物の地理的分布とその分布に影響する非生物的要因の研究
生物群系:一連の特徴的な環境条件に適応した植物、動物、およびその他の生物の生態学的生物群集
生物的:環境の生きている成分
林冠:森林の頭上を覆う層を形成する木の枝と葉
水路:川または小川における一方の川岸からもう一方の川岸への幅
クラスレート:海の底で見られる氷とメタンの凍った塊
気候:特定の地域に存在する長期的で予測可能な大気条件
同種:同じ種のメンバーである個体
サンゴ礁:有光層内の温かく浅い海に生息する海洋無脊椎動物によって形成された海の突起部
クリプトファウナ:サンゴ礁の炭酸カルシウム基質内に見られる無脊椎動物
生態学:生物とその環境との相互作用の研究
生態系サービス:自然の生態系によって提供される人間の利益とサービス
抽水植生:土壌に根付いているものの水面上に葉、茎、花の一部が広がっている湿地植物
固有種:通常はサイズが制限されている特定の地理的領域でのみ見られる種
河口:川などの淡水の源が海に出会う生物群系
秋と春のターンオーバー:淡水生態系の下部から上部へと栄養素と酸素をリサイクルする季節的なプロセス
グローバルな気候変動:大部分が大気中の二酸化炭素レベルの上昇による気温の世界的な上昇を含む、変化した世界的な気象パターン
温室効果:大気中の二酸化炭素およびその他の温室効果ガスによる地球の温暖化
温室効果ガス:放射線を吸収および放出し地球の大気に熱を閉じ込める、二酸化炭素やメタンなどの大気中の気体
もや効果による冷却:地球規模の気候に対する火山噴火からの気体と固体の効果
異種:異なる種のメンバーである個体
潮間帯区分:陸地に最も近い海洋の部分。干潮時に水面より上に広がる部分
ミランコビッチ・サイクル:気候に影響を与える可能性のある地球の軌道の周期的変化
沿岸区分:干潮の際の場所から大陸棚の端まで広がる海の部分
純一次生産性:ある生態系内のエネルギー蓄積量の測定値。1年あたりの固定炭素の総量から細胞呼吸中に酸化される量を引いたものとして計算される
海洋の湧昇:卓越風が海岸線近くの表層水に沿って吹くときに発生する海洋深層水の上昇
海洋区分:水深200m以上の沖合で始まる海洋の部分
漂泳領域(または、漂泳区分):海底の近くではない、または海岸の近くではない、海洋の開放水域
永久凍土:北極圏ツンドラの土壌の恒久的に凍結した部分
有光層:光が透過できる海の部分
プランクトン食動物:プランクトンを食べる動物種
捕食者:別の生物を殺して摂取する生物
ホンダワラ属:浮遊性の海藻の種類
太陽強度:一定の時間内に太陽が放出する太陽エネルギーの量
源水:川や小川の起源となる点
温度躍層:周囲の層とは大幅に異なる温度である水の層
天候:短期間の大気の状態
この章のまとめ
44.1 | 生態学の範囲
生態学は、生物とその環境との相互作用の研究です。生態学者は、一般的な生物学的な編成の4つのレベル(生物、個体群、生物群集、および生態系)からなる質問をします。生物レベルでは、生態学者は個々の生物と、それらがその環境とどのように相互作用するかを研究します。個体群レベルと生物群集レベルでは、生態学者はそれぞれ、生物の個体群が時間とともにどのように変化するか、およびその個体群が生物群集内の他の種と相互作用する方法を調べます。生態系を研究する生態学者は、生態系の生物の種(生物的要素)と、その環境の空気、水、土壌などの非生物な部分(非生物的要素)を調べます。
44.2 | 生物地理学
生物地理学は、生物の地理的分布とその分布に影響する非生物的要因の研究です。固有種は、特定の地理的領域でのみ自然に見つかる種です。生物の分布は、種が見つかる緯度または標高によって部分的に制御されるいくつかの環境要因の影響を受けます。海洋の湧昇、および春と秋のターンオーバーは、水中生態系で重要な栄養素やその他の非生物的要因の分布を調節する重要なプロセスです。エネルギー源、温度、水、無機栄養素、および土壌は、陸上系における生物の分布を制限する要因です。純一次生産性は、生物群系によって生産されるバイオマスの量の尺度です。
44.3 | 陸上生物群系
地球には陸上生物群系と水中生物群系があります。水中生物群系には、淡水環境と海洋環境の両方が含まれます。8つの主要な陸上生物群系があります:熱帯多雨林、サバンナ、亜熱帯砂漠、シャパラル、温帯草地、温帯林、寒帯林、北極圏ツンドラです。同じ生物群系は、気候が似ている地理的に異なる場所で発生することがあります。温度と降水量、およびその両方の変動は、陸上生物群系の動物と植物の生物群集の構成を形作る重要な非生物的要因です。温帯草地や温帯林などの一部の生物群系は、明確な季節があり、年間を通して寒い季節と暑い季節が交互に続きます。熱帯多雨林などの温かく湿った生物群系では、温かい気温、豊富な水、そして一年を通した成長する季節によって、植物の成長が促進され、食物網全体の多様性を高めるエネルギーが供給されるため、純一次生産性が高くなります。砂漠やツンドラなどの他の生物群系は、極端な温度と利用可能な水の不足により、一次生産性が低くなっています。
44.4 | 水中生物群系
水中生態系には、海水と淡水の両方の生物群系が含まれます。水中生態系の構築にとって重要な非生物的要因は、陸上系で見られるものとは異なる場合があります。日光は、森林の構造の背後にある推進力であり、特定の生物の維持における光合成の役割のために、水域、特に非常に深い水域の重要な要因でもあります。
密度と温度が水中系の構造を形作ります。海洋は、水深、海岸線からの距離、および光の浸透度に基づいて、異なる区分で構成されると考えることができます。さまざまな種類の生物が、それぞれの区分で見られる条件に適応しています。サンゴ礁は、多種多様な種が生息する独特な海洋生態系です。川が海に出会う場所には河口があります。その浅い水域は、若い甲殻類、軟体動物、魚類、および他の多くの種に栄養素と住処を提供します。淡水生物群系には、湖、池、川、小川、湿地が含まれます。湿原は、水が停滞し、pHが低く、窒素が不足していることを特徴とする興味深いタイプの湿地です。
44.5 | 気候とグローバルな気候変動の影響
地球は温度の上昇と下降の周期的なサイクルを経験しています。過去2000年の間、中世気候異常の期間はより温暖な時期でしたが、小氷期は異常に冷涼でした。これらの不規則性は両方とも、気候変動の自然な原因によって説明できます。温度変化は小さかったですが、それらは重大な影響がありました。気候変動の自然な要因には、ミランコビッチ・サイクル、太陽活動の変化、火山噴火などがあります。しかしながら、これらの要因はどれも、地球の気温の急激な上昇や二酸化炭素の持続的な上昇にはつながっていません。
化石燃料の燃焼は温室効果ガスの重要な発生源であり、それは温室効果において主要な役割を果たします。2億5千万年前、地球温暖化はペルム紀の大絶滅をもたらしました。これは、化石記録で実証されている大規模な絶滅事象です。現在では、現代の気候変動が氷河と極地の氷床の融解の増加に関連しており、その結果、海面が徐々に上昇しています。植物や動物もまた、開花や受粉などの季節的な出来事のタイミングが地球温暖化の影響を受ける場合には、グローバルな気候変動の影響を受けます。
ビジュアルコネクション問題
1.図44.10 | 熱帯の湖のターンオーバーは、温帯地域に存在する湖のターンオーバーとどのように異なるのでしょうか?季節的な温度変化の変動、または変動の欠如について考えてください。
2.図44.12 | 生物群系についての次の記述のうち、間違っているものはどれですか?
a.シャパラルでは低木が優勢である。
b.サバンナと温帯草地では草が優勢である。
c.寒帯林では落葉樹が優勢である。
d.地衣類は北極圏ツンドラでよく見られる。
3.図44.21 | 次のどの領域で光合成生物を見つけることが期待できるでしょうか?
a.無光層、沿岸区分、海洋区分、底生領域
b.有光層、潮間帯区分、沿岸区分、海洋区分
c.有光層、深海層、沿岸区分、海洋区分
d.漂泳領域、無光層、沿岸区分、海洋区分
レビュー問題
4.次のうち、生物的要因はどれですか?
a.風
b.病気を引き起こす微生物
c.温度
d.土壌粒子のサイズ
5.環境を通じた栄養素の循環の研究は、次のうちのどれの例ですか?
a.生物生態学
b.個体群生態学
c.生物群集生態学
d.生態系生態学
6.温帯林の低木層植物には、限られた________を捕らえるための適応があります。
a.水
b.栄養素
c.熱
d.日光
7.山を登る生態学者は、次のうち________を除くすべての変化により、道の途中で異なる生物群系に気付くことがあります。
a.標高
b.降雨
c.緯度
d.温度
8.次の生物群系のうち、豊富な水資源によって特徴付けられるものはどれですか?
a.砂漠
b.寒帯林
c.サバンナ
d.熱帯多雨林
9.次の生物群系のうち、成長期が短いことによって特徴付けられるものはどれですか?
a.砂漠
b.熱帯多雨林
c.北極圏ツンドラ
d.サバンナ
10.海洋生物群系の中で最も多くの光合成が起こると予想される場所はどこですか?
a.無光層
b.深海層
c.底生領域
d.潮間帯区分
11.河口の主な特徴は________です。
a.低照度条件と高い生産性
b.塩水と淡水
c.頻繁な藻類ブルーム
d.植生がほとんど、またはまったくないこと
12.次のうち、天候に関する事象の例はどれですか?
a.ハリケーンシーズンは6月1日から11月30日まで続く。
b.大気中のCO₂の量は、前世紀の間に着実に増加してきた。
c.1999年7月4日、ミネソタ州のバウンダリー・ウォーターズ・カヌー・エリアにおいて暴風が木々をなぎ倒した。
d.砂漠は一般的に非常に少ない降水量の乾燥した生態系である。
13.次のうち、二酸化炭素およびその他の大気ガスの放出の原因となる自然の力はどれですか?
a.ミランコビッチ・サイクル
b.火山
c.太陽強度
d.化石燃料の燃焼
クリティカルシンキング問題
14.生態学者は、しばしば、生態学的な質問に興味がある他の研究者と協力します。尋ねる質問が似ているためにコラボレーションが容易になるような生態学のレベルを記述してください。どのレベルの生態学は、コラボレーションするのがより難しいでしょうか?
15.個体群は、生態学および他の生物科学における重要な単位です。個体群はどのように定義され、その定義の長所と短所は何ですか?特定の時間または場所において個体群に属さない種がありますか?
16.海洋の湧昇と春と秋のターンオーバーを比較対照してください。
17.多くの固有種は、地理的に孤立した地域で見られます。これがなぜそうなのかについて、もっともらしい科学的説明を提示してください。
18.亜熱帯砂漠の生物群系は降水量が極端に少ないため、火災が主要な撹乱要因であると予想することができるかもしれません。しかしながら、火災は、亜熱帯砂漠の生物群系よりも温帯草地の生物群系のほうでより一般的です。どうしてそうなのでしょうか?
19.亜熱帯砂漠と北極圏ツンドラはどのように似ていますか?
20.科学者は、何百年もの間湿原に埋もれていたものの、まだ分解していないような人間や他の生物の死体を発見しています。そのような死体が非常によく保存されている理由について可能な生物学的説明を提示してください。
21.潮間帯区分に生息する生物が直面している状況と課題を記述してください。
22.自然なプロセスおよび人為的なプロセスがグローバルな気候変動にどのように影響しているかを比較対照してください。
23.化石燃料からの炭素排出量が増加し続ける場合に起こりうる結果を予測してください。
解答のヒント
第44章
1 図44.10 熱帯の湖は凍結しないので、温帯の湖と同じようには春のターンオーバーを経験しません。しかしながら、成層化と季節的なターンオーバーは発生します。3 図44.21 B.有光層、潮間帯区分、沿岸区分、海洋区分 4 B 6 D 8 D 10 D 12 C 14 生物生態学または個体群生態学の分野で働いている生態学者は、生物的および非生物的条件がどのように特定の生物に影響を与えるかについて同様の質問をするかもしれないため、コラボレーションが相互に有益であると考えるかもしれません。生物群集生態学や生態系生態学などの生態学のレベルは、これらの領域が非常に広く、多くの異なる環境要素が含まれていることがあるため、コラボレーションにとって大きな課題となるかもしれません。16 海洋の湧昇は、一年中発生する継続的なプロセスです。しかしながら、淡水の湖や池での春と秋のターンオーバーは、春の温暖化と秋の冷却化の間に起こる水の温度変化により発生する季節的なプロセスです。海洋の湧昇と春と秋のターンオーバーの両方により、水域の底部にある有機物質の栄養素が生物によってリサイクルおよび再利用することができるようになります。18 砂漠の純一次生産性は低く、したがって、火を燃やすための植物バイオマスが非常に少ないため、砂漠の生物群系では、温帯草地よりも火災は一般的ではありません。20 湿原は酸素が少なく、有機酸が多いです。低酸素含有量と低pHはどちらも分解速度を遅くします。22 ミランコビッチ・サイクル、太陽強度の変動、火山噴火などの自然のプロセスは、グローバルな気候に周期的で断続的な変化を引き起こすことがあります。化石燃料の燃焼からの排出物の形での人間の活動は、大気中の二酸化炭素のレベルの漸進的な上昇を引き起こしました。
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