プリンキピア

第46章生態系

Analytical and Simulation Models解析モデルとシミュレーションモデル

The major limitation of conceptual models is their inability to predict the consequences of changes in ecosystem species and/or environment. Ecosystems are dynamic entities and subject to a variety of abiotic and biotic disturbances caused by natural forces and/or human activity. Ecosystems altered from their initial equilibrium state can often recover from such disturbances and return to a state of equilibrium. As most ecosystems are subject to periodic disturbances and are often in a state of change, they are usually either moving toward or away from their equilibrium state. There are many of these equilibrium states among the various components of an ecosystem, which affects the ecosystem overall. Furthermore, as humans have the ability to greatly and rapidly alter the species content and habitat of an ecosystem, the need for predictive models that enable understanding of how ecosystems respond to these changes becomes more crucial.
英語のヒント
概念モデルの主な限界は、生態系の種や環境が変化したときの結果を予測できないことである。生態系は動的な存在であり、自然の力や人間の活動が引き起こす、さまざまな非生物的・生物的攪乱を受ける。もとの平衡状態から変化した生態系も、多くの場合、その攪乱から回復して平衡状態に戻れる。大半の生態系は周期的な攪乱を受け、変化の途中にあることが多いため、通常は平衡状態へ近づくか、そこから離れるかしている。生態系のさまざまな構成要素には多数の平衡状態があり、それが生態系全体に影響する。さらに、人間は生態系の種の構成と生息地を大きく、急速に変える能力をもつ。そのため、生態系がこれらの変化にどう応答するかを理解するための予測モデルが、ますます重要になる。
Analytical models often use simple, linear components of ecosystems, such as food chains, and are known to be complex mathematically; therefore, they require a significant amount of mathematical knowledge and expertise. Although analytical models have great potential, their simplification of complex ecosystems is thought to limit their accuracy. Simulation models that use computer programs are better able to deal with the complexities of ecosystem structure.
英語のヒント
解析モデルは、食物連鎖のような生態系の単純で直線的な構成要素を使うことが多いが、数学的には複雑であり、相当な数学知識と専門技能を必要とする。解析モデルには大きな可能性があるものの、複雑な生態系を単純化することが精度を制限すると考えられている。コンピュータープログラムを用いるシミュレーションモデルは、生態系構造の複雑さに、よりよく対応できる。
A recent development in simulation modeling uses supercomputers to create and run individual-based simulations, which accounts for the behavior of individual organisms and their effects on the ecosystem as a whole. These simulations are considered to be the most accurate and predictive of the complex responses of ecosystems to disturbances.
英語のヒント
シミュレーションモデルの近年の進歩では、スーパーコンピューターを使って個体ベースのシミュレーションを作成・実行する。これは、個々の生物の行動と、それが生態系全体に与える影響を考慮する。こうしたシミュレーションは、攪乱に対する生態系の複雑な応答を最も正確に予測すると考えられている。

Section Summary節のまとめ

Ecosystems exist on land, at sea, in the air, and underground. Different ways of modeling ecosystems are necessary to understand how environmental disturbances will affect ecosystem structure and dynamics. Conceptual models are useful to show the general relationships between organisms and the flow of materials or energy between them. Analytical models are used to describe linear food chains, and simulation models work best with holistic food webs.
生態系は陸上、海、空中、地下に存在する。環境攪乱が生態系の構造と動態にどう影響するかを理解するには、さまざまなモデル化の方法が必要である。概念モデルは、生物間の全般的な関係と、その間の物質やエネルギーの流れを示すのに役立つ。解析モデルは直線的な食物連鎖の記述に使われ、シミュレーションモデルは全体を捉えた食物網に最も適している。

Visual Connection Questions図を使った問題

Exercises 1練習問題 1
Exercise 1問題 1
Figure 46.8 Why do you think the value for gross productivity of the primary producers is the same as the value for total heat and respiration (20,810 kcal/m2/yr)?
図46.8 一次生産者の総生産量が、熱と呼吸の合計値（20,810 kcal/m2/年）と同じなのはなぜだろうか。
Solution解き方
Figure 46.8 According to the first law of thermodynamics, energy can neither be created nor destroyed. Eventually, all energy consumed by living systems is lost as heat or used for respiration, and the total energy output of the system must equal the energy that went into it.
図46.8 熱力学の第一法則によれば、エネルギーは新たに作り出すことも消滅させることもできない。最終的に、生物系が取り込んだすべてのエネルギーは熱として失われるか、呼吸に使われる。系から出ていくエネルギーの総量は、系に入ったエネルギーと等しくなければならない。

Review Questions確認問題

Exercises 2–9練習問題 2–9
Exercise 2問題 2
The ability of an ecosystem to return to its equilibrium state after an environmental disturbance is called ________.
環境攪乱の後に生態系が平衡状態へ戻る能力を________という。
  1. resistance
    抵抗性
  2. restoration
    復元
  3. reformation
    再形成
  4. resilience
    回復力
Solution解き方
D
D
Exercise 3問題 3
A re-created ecosystem in a laboratory environment is known as a ________.
実験環境に再現した生態系を________という。
  1. mesocosm
    メソコスム
  2. simulation
    シミュレーション
  3. microcosm
    ミクロコスム
  4. reproduction
    再現
Solution解き方
C
C
Exercise 4問題 4
Decomposers are associated with which class of food web?
分解者は、どの種類の食物網と関係しているか。
  1. grazing
    生食食物網
  2. detrital
    腐食食物網
  3. inverted
    逆転した食物網
  4. aquatic
    水生食物網
Solution解き方
B
B
Exercise 5問題 5
The primary producers in an ocean grazing food web are usually ________.
海洋の生食食物網における一次生産者は、通常________である。
  1. plants
    植物
  2. animals
    動物
  3. fungi
    菌類
  4. phytoplankton
    植物プランクトン
Solution解き方
D
D
Exercise 6問題 6
What term describes the use of mathematical equations in the modeling of linear aspects of ecosystems?
生態系の直線的な側面をモデル化する際に数式を使うことを、何というか。
  1. analytical modeling
    解析モデル化
  2. simulation modeling
    シミュレーションモデル化
  3. conceptual modeling
    概念モデル化
  4. individual-based modeling
    個体ベースのモデル化
Solution解き方
A
A
Exercise 7問題 7
The position of an organism along a food chain is known as its ________.
食物連鎖における生物の位置は、その生物の________と呼ばれる。
  1. locus
    所在
  2. location
    場所
  3. trophic level
    栄養段階
  4. microcosm
    ミクロコスム
Solution解き方
C
C
Exercise 8問題 8
The loss of an apex consumer would impact which trophic level of a food web?
頂点消費者が失われると、食物網のどの栄養段階に影響するか。
  1. primary producers
    一次生産者
  2. primary consumers
    一次消費者
  3. secondary consumers
    二次消費者
  4. all of the above
    以上のすべて
Solution解き方
D
D
Exercise 9問題 9
A food chain would be a better resource than a food web to answer which question?
次のどの問いに答えるには、食物網より食物連鎖の方が適しているか。
  1. How does energy move from an organism in one trophic level to an organism on the next trophic level?
    ある栄養段階の生物から、次の栄養段階の生物へ、エネルギーはどのように移動するか。
  2. How does energy move within a trophic level?
    1つの栄養段階の内部で、エネルギーはどのように移動するか。
  3. What preys on grasses?
    何が草を食べるか。
  4. How is organic matter recycled in a forest?
    森林では有機物がどのように再利用されるか。
Solution解き方
A
A

Critical Thinking Questions考察問題

Exercises 10–14練習問題 10–14
Exercise 10問題 10
Compare and contrast food chains and food webs. What are the strengths of each concept in describing ecosystems?
食物連鎖と食物網の共通点と違いを比較しよう。生態系を説明するうえで、それぞれの概念にはどんな長所があるか。
Solution解き方
Food webs show interacting groups of different species and their many interconnections with each other and the environment. Food chains are linear aspects of food webs that describe the succession of organisms consuming one another at defined trophic levels. Food webs are a more accurate representation of the structure and dynamics of an ecosystem. Food chains are easier to model and use for experimental studies.
食物網は、相互作用する異なる種の集まりと、互いの間や環境との間にある多数のつながりを示す。食物連鎖は食物網の直線的な側面であり、定められた栄養段階で生物が順に食べ合う関係を記述する。生態系の構造と動態は食物網の方が正確に表せる。食物連鎖はモデル化しやすく、実験研究に使いやすい。
Exercise 11問題 11
Describe freshwater, ocean, and terrestrial ecosystems.
淡水、海洋、陸上の生態系を説明しよう。
Solution解き方
Freshwater ecosystems are the rarest, but have great diversity of freshwater fish and other aquatic life. Ocean ecosystems are the most common and are responsible for much of the photosynthesis that occurs on Earth. Terrestrial ecosystems are very diverse; they are grouped based on their species and environment (biome), which includes forests, deserts, and tundras.
淡水生態系は最も少ないが、淡水魚やほかの水生生物の多様性は高い。海洋生態系は最も広く存在し、地球上で起こる光合成の多くを担う。陸上生態系は非常に多様で、種と環境に基づいて生物群系にまとめられ、森林、砂漠、ツンドラなどが含まれる。
Exercise 12問題 12
Compare grazing and detrital food webs. Why would they both be present in the same ecosystem?
生食食物網と腐食食物網を比較しよう。なぜ両者が同じ生態系に存在するのだろうか。
Solution解き方
Grazing food webs have a primary producer at their base, which is either a plant for terrestrial ecosystems or a phytoplankton for aquatic ecosystems. The producers pass their energy to the various trophic levels of consumers. At the base of detrital food webs are the decomposers, which pass this energy to a variety of other consumers. Detrital food webs are important for the health of many grazing food webs because they eliminate dead and decaying organic material, thus, clearing space for new organisms and removing potential causes of disease. By breaking down dead organic matter, decomposers also make mineral nutrients available to primary producers; this process is a vital link in nutrient cycling.
生食食物網の基盤には一次生産者があり、陸上生態系では植物、水生生態系では植物プランクトンがそれに当たる。生産者は、さまざまな栄養段階の消費者へエネルギーを渡す。腐食食物網の基盤には分解者があり、そこからさまざまなほかの消費者へエネルギーが渡る。腐食食物網は、死んだものや分解中の有機物を取り除くため、多くの生食食物網の健全さにとって重要である。それによって新たな生物のための空間を空け、病気の原因となりうるものを取り除く。分解者は、死んだ有機物を分解することで無機栄養塩を一次生産者が利用できるようにする。この過程は栄養塩循環の重要なつながりである。
Exercise 13問題 13
How does the microcosm modeling approach differ from utilizing a holistic model for ecological research?
生態学の研究において、ミクロコスムを用いる方法は、生態系全体を捉えるモデルの利用とどう異なるか。
Solution解き方
In a microcosm model, an ecologist recreates an ecosystem in a controlled environment. Since the ecologist is populating the environment, he can control the variables and the different species involved in the study to ask specific questions.
ミクロコスムモデルでは、生態学者が制御された環境に生態系を再現する。研究者自身がその環境に生物を導入するため、変数と研究に含める種を制御して、特定の問いを調べられる。
Exercise 14問題 14
How do conceptual and analytical models of ecosystems complement each other?
生態系の概念モデルと解析モデルは、どのように互いを補うか。
Solution解き方
Conceptual models allow ecologists to see the “big picture” of how different components of the ecosystem interact with each other, energy sources, and resources. However, this approach is more descriptive than quantitative, so it is difficult to make conclusions about the resistance or resilience of a system. Analytical modeling creates a model that can predict how the ecosystem’s relationships will change in response to disturbances, but does not convey the complexity of the relationships seen with conceptual modeling.
概念モデルによって、生態学者は、生態系の各構成要素が互いに、またエネルギー源や資源とどう相互作用するかという「全体像」を把握できる。しかし、この方法は定量的というより記述的であるため、系の抵抗性や回復力について結論を出すのは難しい。解析モデルは、攪乱に応じて生態系内の関係がどう変わるかを予測できるが、概念モデルに見られる関係の複雑さは伝えられない。
analytical model
解析モデル
ecosystem model that is created with mathematical formulas to predict the effects of environmental disturbances on ecosystem structure and dynamics
数式を使って作り、環境攪乱が生態系の構造と動態に与える影響を予測する生態系モデル。
apex consumer
頂点消費者
organism at the top of the food chain
食物連鎖の頂点にいる生物。
conceptual model
概念モデル
(also, compartment model) ecosystem model that consists of flow charts that show the interactions of different compartments of the living and nonliving components of the ecosystem
コンパートメントモデルともいう。生態系の生物的・非生物的な構成要素の各区画の相互作用を、フローチャートで示す生態系モデル。
detrital food web
腐食食物網
type of food web in which the primary consumers consist of decomposers; these are often associated with grazing food webs within the same ecosystem
一次消費者が分解者からなる食物網。同じ生態系内の生食食物網と結びついていることが多い。
ecosystem
生態系
community of living organisms and their interactions with their abiotic environment
生物の群集と、その非生物的環境との相互作用。
ecosystem dynamics
生態系動態学
study of the changes in ecosystem structure caused by changes in the environment or internal forces
環境の変化や内部の作用による生態系構造の変化を研究する分野。
equilibrium
平衡
steady state of an ecosystem where all organisms are in balance with their environment and each other
すべての生物が環境と、また互いとの間で釣り合っている、生態系の定常状態。
food chain
食物連鎖
linear representation of a chain of primary producers, primary consumers, and higher-level consumers used to describe ecosystem structure and dynamics
一次生産者、一次消費者、より高次の消費者の連なりを直線的に表し、生態系の構造と動態を記述するもの。
food web
食物網
graphic representation of a holistic, nonlinear web of primary producers, primary consumers, and higher-level consumers used to describe ecosystem structure and dynamics
一次生産者、一次消費者、より高次の消費者からなる、全体を捉えた非直線的な網を図示し、生態系の構造と動態を記述するもの。
grazing food web
生食食物網
type of food web in which the primary producers are either plants on land or phytoplankton in the water; often associated with a detrital food web within the same ecosystem
陸上では植物、水中では植物プランクトンが一次生産者となる食物網。同じ生態系内の腐食食物網と結びついていることが多い。
holistic ecosystem model
全体的な生態系モデル
study that attempts to quantify the composition, interactions, and dynamics of entire ecosystems; often limited by economic and logistical difficulties, depending on the ecosystem
生態系全体の構成、相互作用、動態の定量化を目指す研究。生態系によっては、費用や実施上の困難による制約を受けることが多い。
mesocosm
メソコスム
portion of a natural ecosystem to be used for experiments
実験に使うために区切った、自然生態系の一部分。
microcosm
ミクロコスム
re-creation of natural ecosystems entirely in a laboratory environment to be used for experiments
実験に使うため、自然生態系を実験環境に丸ごと再現したもの。
primary consumer
一次消費者
trophic level that obtains its energy from the primary producers of an ecosystem
生態系の一次生産者からエネルギーを得る栄養段階。
primary producer
一次生産者
trophic level that obtains its energy from sunlight, inorganic chemicals, or dead and/or decaying organic material
日光、無機化学物質、死んだものや分解中の有機物からエネルギーを得る栄養段階。
resilience (ecological)
回復力（生態学）
speed at which an ecosystem recovers equilibrium after being disturbed
攪乱を受けた生態系が平衡を取り戻す速さ。
resistance (ecological)
抵抗性（生態学）
ability of an ecosystem to remain at equilibrium in spite of disturbances
攪乱があっても生態系が平衡を保つ能力。
secondary consumer
二次消費者
usually a carnivore that eats primary consumers
通常は、一次消費者を食べる肉食動物。
simulation model
シミュレーションモデル
ecosystem model that is created with computer programs to holistically model ecosystems and to predict the effects of environmental disturbances on ecosystem structure and dynamics
コンピュータープログラムによって生態系を全体的にモデル化し、環境攪乱が生態系の構造と動態に与える影響を予測するモデル。
tertiary consumer
三次消費者
carnivore that eats other carnivores
ほかの肉食動物を食べる肉食動物。
trophic level
栄養段階
position of a species or group of species in a food chain or a food web
食物連鎖や食物網における、種や種の集まりの位置。