高校生物 捕食と被食の変動—時間差のある増減から因果の説明と限界を学ぶ｜武蔵野個別指導塾

被食者と捕食者の山の時刻を比べ、遅れの理由と比較実験で調べる捕食関係を読み解きます。

よくあるのは、2本の個体数の曲線を見た高校生が、捕食者の山が先に来るはずだと考える場面です。捕食者が増えて獲物を減らすという筋道自体は考えられます。しかし、餌が増えた後に捕食者が増える筋道もあり、山の順序は資料で確かめる必要があります。曲線の前後関係と、その背後に考えられる働きを分けて読みましょう。

山の順序と説明が問われる

捕食者は他の生物を食べる側、被食者は食べられる側です。資料問題では、まず横軸の時刻に沿って各個体数の増減を追い、山や谷の時刻を比較します。次に、時間差を生む仕組みを説明します。さらに、その記録だけで捕食が変動の原因だと断定できるかを考えます。

山の高さと山の時刻は別の情報です。個体数が多い側を先と決めたり、ある時刻に増えていることを山に達したことと混同したりすると、順序を取り違えます。増加中でも個体数はまだ少ないことがあります。数の大小と増減の向きも分けましょう。

もう一つの型は比較実験です。捕食者がいる区といない区で被食者の変化を比べるとき、餌や場所などが同時に変われば、差の理由を捕食者に絞れません。結果が予想に合う場合だけでなく、差が小さい場合や、測定が途中で途切れた場合にも、どこまで言えるかが問われます。

捕食関係と遅れをつなぐ

図1は、捕食者と被食者の間に考えられる作用を示す模式図です。矢印は物質の流れではなく、片方の変化が他方に及ぼしうる影響を表します。正は増加を促す向き、負は減少を促す向きです。実際の増減はほかの出生、死亡、移入、移出なども含めて決まります。

図1のように、被食者が増えると捕食者は餌を得やすくなり、生存や繁殖が促される場合があります。その効果が個体数に現れるには時間がかかり、被食者の山の後に捕食者の山が現れることがあります。捕食者が増えると被食者が食べられる機会も増え、被食者の減少に寄与しえます。餌の減少は、その後の捕食者の減少にもつながりえます。

これは変動を理解するための一つの筋道であり、すべての集団で同じ周期や順序を保証する法則ではありません。被食者自身の餌の不足、病気、天候、別の捕食者、移動なども数を変えます。捕食者が別の餌を利用できる場合には、対象の被食者が減っても捕食者が直ちに減るとは限りません。単純な図は、現実から関係を選び出したモデルです。

周期的な変動とは、増減の似た形が時間をおいて繰り返されることです。1回の山と谷だけでは、今後も同じ間隔で繰り返すと決められません。複数の山を比べ、観察期間の端で山が切れていないか、測定間隔が細かな変化を見落としていないかも確認します。隣り合う2回の山の時刻の差を周期の目安にできますが、間隔が一定でなければそのばらつきも残します。

山の時刻の差は、後の山の時刻から先の山の時刻を引いて求めます。この差は、2種の間に考えられる反応の遅れを調べる手がかりです。ただし、山の差そのものが繁殖に要する時間と等しいと決めることはできません。個体数には複数の過程が重なり、観察間隔も時刻の読み取りに影響するためです。

基本例題と標準例題

次の資料はどちらも説明のための自作資料で、実際の調査結果ではありません。個体数は同じ広さの区画にいる数を各時点で数えた値です。区画への出入りはありうる開放系で、乾燥質量やエネルギー量ではありません。期間は表に示す間隔で考えます。

問題

基本例題。時刻0から4まで1単位時間ごとに、被食者は順に10、20、30、20、10個体、捕食者は順に4、6、8、12、8個体でした。それぞれの最大値の時刻と、山の時刻の差を単位時間で答え、どちらが先か述べてください。図2はこの資料の模式図です。

図2のように、横軸は時刻、縦軸は個体数です。点の間の線は順序を見やすく結んだもので、途中の正確な個体数を測定したことは意味しません。

標準例題。別の区画で、時刻0から6まで1単位時間ごとに被食者が12、24、36、24、12、24、36個体、捕食者が5、5、10、15、10、5、10個体と記録されました。被食者の2つの山の間隔と、時刻2の被食者の山から次の捕食者の山までの差を単位時間で求めてください。また、この記録だけで捕食が被食者の減少を引き起こしたと断定できるか、理由を添えて答えてください。端の時刻6も、与えられた値の中の山として扱います。

解答と読み方

基本例題の被食者は時刻2の30個体が最大です。捕食者は時刻3の12個体が最大です。差は3 − 2 = 1単位時間で、被食者の山が先です。時刻2と3の表の値へ戻ると、それぞれ30個体と12個体で、両種の最大値に一致します。

線を右へたどる別の読み方では、被食者は時刻2の後で減り始め、捕食者は時刻3の後で減り始めます。それぞれ増加から減少へ切り替わる点を探しても同じ順序です。ただし線が水平な期間や観察端に最大値がある場合は、この方法だけでは時刻を一意に決められません。表の値も見直します。

標準例題の被食者の山は時刻2と6で、間隔は6 − 2 = 4単位時間です。捕食者の次の山は時刻3なので、差は3 − 2 = 1単位時間です。時刻2と6を4だけ離して、時刻2と3を1だけ離して数え直すと条件に戻ります。時刻6は観察終了時なので、後の値がない資料では、その先まで含めた局所的な山と断定できません。問題文の扱いがあるため、ここでは与えられた値の中の山として数えます。

捕食が減少に関与するという説明は成り立ちますが、この記録だけでは原因を断定できません。被食者の餌や環境も同時期に変わっていたかもしれないからです。時間順序が仮説と合うことと、別の説明を退けたことは別です。捕食者が遅れて増えたことも、それだけで餌の増加が原因だったと証明するわけではありません。

発展例題：比較で何が変わったか

同じ時期に、似た環境の区画をそれぞれ複数用意します。捕食者の侵入を防ぐ区と、同じ材料の囲いを使いつつ捕食者が入れる対照区を設け、区画ごとに被食者数を追ったという自作資料を考えます。両区は同面積で、開始時の被食者数と餌条件をそろえた開放系とします。囲いは被食者の移動を妨げないものとし、捕食者以外の条件への影響は無視できると仮定します。実際の捕獲や放逐の手順は扱いません。

開始時に各区画の被食者は40個体でした。4単位時間後、侵入防止区の3区画では60、54、66個体、対照区の3区画では36、42、48個体でした。両区の平均の差を個体で求め、何を支持し、何がまだ不確かか答えてください。各値は乾燥質量やエネルギーではなく、その時点の個体数です。

侵入防止区の合計は60 + 54 + 66 = 180個体、平均は180 / 3 = 60個体です。対照区は36 + 42 + 48 = 126個体、平均は126 / 3 = 42個体です。差は60 − 42 = 18個体です。平均に区画数3を掛けると、それぞれ180個体と126個体に戻ります。開始数を使う別解では平均の増減は順に20個体増、2個体増なので、差は20 − 2 = 18個体です。

条件が仮定どおりなら、この差は捕食者の侵入が被食者数を低くする方向に働いたという考えを支持します。ただし、平均だけでは各区画の経過や、食べられた個体数を直接示しません。出生や移動への間接的な影響も含む差です。囲い自体が光や餌を変えるなら、捕食者以外の差が混じります。対照区にも同じ材料を使うのは、その影響を比べやすくするためです。

区画ごとに結果が異なるので、1区画ずつの比較では偶然の差を捕食の効果と取り違えるおそれがあります。配置を偏らせず反復し、各区画の値を残して平均とばらつきを見る設計が必要です。開始時の違いが残るなら、終了時の数だけでなく各区画の開始からの変化も比べます。平均が同じでも区画ごとの値が大きく異なれば、平均だけから安定した反応と決められません。

差がほとんど出なかった場合も考えます。その条件と期間では大きな効果が検出されなかったと言えますが、捕食が全くない証明にはなりません。侵入防止が不十分、観察期間が短い、数え漏れが多いなどの場合、効果があっても差が見えにくくなります。逆に、捕食者を防ぐ囲いが被食者の餌も増やしたなら、見えた差を捕食者の効果だけとは扱えません。設計の失敗と生物の反応を区別するため、囲いの状態や餌の条件も記録します。

数え方の偏りにも注意します。植生が密な区画ほど見落としが多ければ、実際には同じ数でも少なく記録されます。各区で同じ方法と時間帯を用い、見落としの程度を点検します。測定が途中で途切れた区画は、欠けた値を0個体とせず欠測として残します。終点だけ比べられる区画が偏れば結果も偏るため、欠測の理由と区画を示して結論を限定します。

時刻ごとの平均をグラフにするなら、横軸に開始からの時間、縦軸に区画当たりの個体数を置きます。差が最後に大きくても、いつから広がったかは途中の点を見ないと判断できません。捕食者の効果が時間とともに現れるという予想を、途中の変化と照らせますが、点の間の細かな増減を線だけから作り出してはいけません。

誤答を直す：順序と原因を分ける

図3は、被食者の山が先に記録されたときの読み方を模式的に示します。左から右への矢印は時間の向きです。図3のように、時刻の順序を確かめてから、ありうる仕組みを考えます。

誤答例は「捕食者が被食者を減らすのだから、捕食者の山が必ず先です」です。捕食者が被食者に影響するという考えから、2つの山の時刻まで一律に決めてしまっています。まず資料の最大値を種ごとに探し、時刻を比べます。被食者の山が先なら、餌の増加後に捕食者が増えた可能性を述べ、その後の被食者の減少に捕食が寄与する可能性をつなぎます。

別の誤答は「山がずれたので捕食だけが原因です」です。時間差は仮説に合う観察ですが、共通の環境変化や他の餌などを排除しません。比較実験で捕食者の有無以外の条件をできるだけそろえ、複数区画の変化を比べると、因果の説明をより強く検討できます。それでも囲いの影響や数え漏れを考慮し、実験条件の外に結論を広げすぎないことが必要です。

また、被食者の数が減っている時刻に捕食者の数が増えていても、捕食者がその時点で最大とは限りません。傾きは増減の向き、縦の位置はその時点の個体数です。山を探す問いでは、変化の向きだけでなく前後の値を見ます。軸や凡例が欠けた図なら、線の色だけで種を決めず、資料に戻って確認します。

練習：別の記録を読む

以下は自作資料です。いずれも同じ面積の区画における各時点の個体数で、区画への出入りがある開放系です。個体数であり、乾燥質量やエネルギーではありません。近似は不要です。

1. 時刻0から4まで1単位時間ごとの被食者数が8、16、24、16、8個体、捕食者数が3、4、6、9、6個体です。両種の最大値の時刻と、その差を単位時間で答えてください。
2. 別の記録では被食者の山が時刻1と7、捕食者の山が時刻3と9でした。各種の山の間隔と、各回の山の時間差を単位時間で求めてください。どちらの山が先ですか。
3. 捕食者の山の後に被食者が減ったという観察から、捕食だけが減少の原因だと断定できない理由を、別の要因を1つ挙げて述べてください。
4. 同面積の区画で、捕食者を防いだ3区画の終了時の被食者数は45、51、54個体、対照の3区画は30、36、42個体でした。各区の平均とその差を個体で答え、捕食者以外にそろえる条件を1つ挙げてください。
5. 被食者数が時刻0、1、2、3にそれぞれ14、28、28、14個体でした。この記録から山の時刻を1つに決められるか答え、その理由と、欠測値を0として扱ってはいけない理由を述べてください。

答えと解き方

1. 被食者の最大は時刻2の24個体、捕食者の最大は時刻3の9個体です。差は3 − 2 = 1単位時間で、被食者が先です。表に戻すと、両方とも前後の値より大きく、最大値の位置と一致します。

2. 被食者の間隔は7 − 1 = 6単位時間、捕食者の間隔も9 − 3 = 6単位時間です。各回の差は3 − 1 = 2、9 − 7 = 2単位時間で、いずれも被食者の山が先です。先の山に6を加えると次の同種の山になり、各被食者の山に2を加えると対応する捕食者の山になります。この短い記録から、将来も同じ間隔が続くとは決められません。

3. 例えば被食者の餌が同時に減れば、捕食とは別に被食者数が減る可能性があります。時間順序は捕食による減少と矛盾しませんが、餌の条件を含む別の説明を退けていないため断定できません。捕食者の有無を比較するときも、餌の条件をそろえる必要があります。

4. 防いだ区の平均は(45 + 51 + 54) / 3 = 50個体、対照は(30 + 36 + 42) / 3 = 36個体です。差は14個体です。各平均に3を掛ければ150個体と108個体に戻り、元の合計と一致します。例えば被食者の餌の量をそろえます。開始時の数や囲いの影響も比較の解釈に関わります。

5. 時刻1と2で同じ最大値なので、記録から一方を唯一の山とは決められません。2つの時刻の間の経過も測定していません。欠測は数が不明であることを意味し、0個体とは異なります。0に置き換えると実際には減っていない場所に谷を作るおそれがあります。

覚えておくこと

被食者の山と捕食者の山は、それぞれの値から探します。 山の差は時刻の差であり、そのまま繁殖時間ではありません。 遅れを伴う変動は捕食の仮説に合っても、原因を単独では証明しません。 比較では捕食者以外の条件、反復、欠測と数え漏れを点検します。

つまずきを見分けるには

自分の図に各種の山の時刻を書き込み、先後を矢印で結んでみてください。次に、矢印が時間の順序を示すのか、生物間の影響を示すのかを言葉で添えます。2種類の矢印を混ぜると、同時に起きたことまで原因と結果に見えてしまいます。

個別指導で確認するときは、表から山を選んだ根拠、差の引き算、比較区でそろえる条件を順に説明してみましょう。予想に合わない結果が出た場合も、捕食の効果が小さい可能性と測定や設計の問題を並べて考えます。時間差の読み取りは、捕食関係の仮説を検討する出発点です。