プリンキピア

第46章生態系

Ecological Efficiency: The Transfer of Energy between Trophic Levels生態効率:栄養段階間のエネルギー移動

As illustrated in (Figure 46.8), as energy flows from primary producers through the various trophic levels, the ecosystem loses large amounts of energy. The main reason for this loss is the second law of thermodynamics, which states that whenever energy is converted from one form to another, there is a tendency toward disorder (entropy) in the system. In biologic systems, this energy takes the form of metabolic heat, which is lost when the organisms consume other organisms. In the Silver Springs ecosystem example (Figure 46.8), we see that the primary consumers produced 1103 kcal/m2/yr from the 3373 kcal/m2/yr of energy available to them from the primary producers. (The primary consumers used 3373 kcal/m2/yr from the 7618 kcal/m2/yr produced by the primary producers, as 4250 kcal/m2/yr goes to the decomposers.) The measurement of energy transfer efficiency between two successive trophic levels is termed the trophic level transfer efficiency (TLTE) and is defined by the formula:
英語のヒント
図46.8に示すように、エネルギーが一次生産者からさまざまな栄養段階へ流れる過程で、生態系は大量のエネルギーを失う。この損失の主な理由は、熱力学の第二法則である。エネルギーがある形から別の形へ変換されるたびに、系の無秩序さ(エントロピー)が増す傾向がある。生物系では、このエネルギーは代謝熱の形をとり、生物がほかの生物を食べるときに失われる。シルバースプリングスの生態系の例(図46.8)では、一次消費者は、一次生産者から利用可能だった3,373 kcal/m2/年のエネルギーから、1,103 kcal/m2/年を生産した。(一次生産者が生産した7,618 kcal/m2/年のうち、一次消費者は3,373 kcal/m2/年を使い、4,250 kcal/m2/年は分解者へ渡る。)連続する2つの栄養段階の間でのエネルギー移動の効率を、栄養段階間移行効率(TLTE)といい、次の式で定義する。
TLTE = production at present trophic level production at previous trophic level × 100
In Silver Springs, the TLTE between the first two trophic levels was approximately 14.48 percent. The low efficiency of energy transfer between trophic levels is usually the major factor that limits the length of food chains observed in a food web. The fact is, after four to six energy transfers, there is not enough energy left to support another trophic level. In the Lake Ontario example shown in (Figure 46.6), only three energy transfers occurred between the primary producer, (green algae), and the apex consumer (Chinook salmon).
英語のヒント
シルバースプリングスでは、最初の2つの栄養段階のTLTEは約14.48%だった。栄養段階間でのエネルギー移動の効率が低いことは、通常、食物網に見られる食物連鎖の長さを制限する主な要因である。実際、エネルギーが4〜6回移動すると、さらに別の栄養段階を支えるだけのエネルギーは残らない。図46.6のオンタリオ湖の例では、一次生産者の緑藻から頂点消費者のマスノスケまでに、エネルギーは3回だけ移動した。
Ecologists have many different methods of measuring energy transfers within ecosystems. Measurement difficulty depends on the complexity of the ecosystem and how much access scientists have to observe the ecosystem. In other words, some ecosystems are more difficult to study than others, and sometimes the quantification of energy transfers has to be estimated.
英語のヒント
生態学者は、生態系内のエネルギー移動を測定するさまざまな方法をもつ。測定の難しさは、生態系の複雑さと、科学者がどれだけその生態系に接近して観察できるかによって決まる。つまり、ほかより研究の難しい生態系もあり、エネルギー移動の量を推定しなければならないこともある。
Other parameters are important in characterizing energy flow within an ecosystem. Net production efficiency (NPE) allows ecologists to quantify how efficiently organisms of a particular trophic level incorporate the energy they receive into biomass; it is calculated using the following formula:
英語のヒント
生態系内のエネルギーの流れを特徴づけるには、ほかの指標も重要である。純生産効率(NPE)によって、ある栄養段階の生物が、受け取ったエネルギーをどれだけ効率よく生物量に取り込むかを定量化できる。次の式で計算する。
NPE = net consumer productivity assimilation × 100
Net consumer productivity is the energy content available to the organisms of the next trophic level. Assimilation is the biomass (energy content generated per unit area) of the present trophic level after accounting for the energy lost due to incomplete ingestion of food, energy used for respiration, and energy lost as waste. Incomplete ingestion refers to the fact that some consumers eat only a part of their food. For example, when a lion kills an antelope, it will eat everything except the hide and bones. The lion is missing the energy-rich bone marrow inside the bone, so the lion does not make use of all the calories its prey could provide.
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消費者の純生産力とは、次の栄養段階の生物に利用可能なエネルギー量である。同化量とは、食物を完全には摂取しないために失われるエネルギー、呼吸に使われるエネルギー、排泄物として失われるエネルギーを計算に入れた後の、その栄養段階の生物量(単位面積あたりに生み出されるエネルギー量)である。不完全な摂取とは、食物の一部しか食べない消費者がいることを指す。たとえばライオンはレイヨウを仕留めると、皮と骨を除いて食べる。骨の内部にあるエネルギー豊富な骨髄は食べ逃すため、獲物が供給しうるすべてのカロリーを利用しているわけではない。
Thus, NPE measures how efficiently each trophic level uses and incorporates the energy from its food into biomass to fuel the next trophic level. In general, cold-blooded animals (ectotherms), such as invertebrates, fish, amphibians, and reptiles, use less of the energy they obtain for respiration and heat than warm-blooded animals (endotherms), such as birds and mammals. The extra heat generated in endotherms, although an advantage in terms of the activity of these organisms in colder environments, is a major disadvantage in terms of NPE. Therefore, many endotherms have to eat more often than ectotherms to get the energy they need for survival. In general, NPE for ectotherms is an order of magnitude (10x) higher than for endotherms. For example, the NPE for a caterpillar eating leaves has been measured at 18 percent, whereas the NPE for a squirrel eating acorns may be as low as 1.6 percent.
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したがってNPEは、各栄養段階が食物のエネルギーをどれだけ効率よく利用し、生物量に取り込んで次の栄養段階を支えるかを測る。一般に、無脊椎動物、魚類、両生類、爬虫類などの変温動物(外温動物)は、鳥類や哺乳類などの恒温動物(内温動物)より、得たエネルギーのうち呼吸や熱に使う量が少ない。内温動物が余分に生み出す熱は、寒い環境で活動するうえでは有利だが、NPEという点では大きな不利となる。そのため、多くの内温動物は、生存に必要なエネルギーを得るために、外温動物より頻繁に食べなければならない。一般に、外温動物のNPEは内温動物より1桁(10倍)高い。たとえば、葉を食べるイモムシのNPEは18%と測定されているが、ドングリを食べるリスではわずか1.6%ということもある。
The inefficiency of energy use by warm-blooded animals has broad implications for the world's food supply. It is widely accepted that the meat industry uses large amounts of crops to feed livestock, and because the NPE is low, much of the energy from animal feed is lost. For example, it costs about $0.01 to produce 1000 dietary calories (kcal) of corn or soybeans, but approximately $0.19 to produce a similar number of calories growing cattle for beef consumption. The same energy content of milk from cattle is also costly, at approximately $0.16 per 1000 kcal. Much of this difference is due to the low NPE of cattle. Thus, there has been a growing movement worldwide to promote the consumption of nonmeat and nondairy foods so that less energy is wasted feeding animals for the meat industry.
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恒温動物のエネルギー利用の非効率さは、世界の食料供給に広い影響をもつ。食肉産業が家畜の飼料に大量の作物を使い、NPEが低いために飼料のエネルギーの多くが失われることは、広く認められている。たとえば、トウモロコシやダイズを1,000キロカロリー(kcal)分生産する費用は約0.01ドルだが、食肉用の牛を育てて同じカロリー量を生産すると約0.19ドルかかる。同じエネルギー量の牛乳も高く、1,000 kcalあたり約0.16ドルである。この差の多くは、牛の低いNPEによる。そのため世界では、食肉産業のために動物に餌を与えて無駄になるエネルギーを減らそうと、肉や乳製品以外の食品を食べることを推進する運動が広がっている。