高校生物 食物網と間接効果—一種の増減が他の種へ伝わる経路を追って説明する｜武蔵野個別指導塾

餌から捕食者へ矢印を引き、除去実験と複数経路から変化の伝わり方をたどる食物網の読み方です。

よくあるのは、高校生が食物関係の図を描くとき、捕食者から餌へ矢印を伸ばす場面です。口に入れる向きを想像すると自然に見えますが、餌から捕食者への物質やエネルギーの移動を表す約束とは逆です。向きが逆のままでは、ある種を取り除いた後の変化も追いにくくなります。図の約束を確かめ、直接の関係と、その先へ伝わる間接効果を区別しましょう。

どんな問いで経路を使うか

食物網の問題では、まず「何を食べるか」という文章を矢印に直します。次に、ある生物の増減が、直接食べられる生物や直接の捕食者にどう影響するかを考えます。さらに、その変化が別の種へ伝わる道筋を説明します。矢印は食べる行動の向きではなく、食べられる側から食べる側へ向けます。

もう1つの型は、除去した区画と除去しない区画を比べる資料です。差が生じても、その原因を考えるには、除去以外の条件や調査のばらつきを吟味します。特に複数の道筋がある網では、ある道筋が増加を、別の道筋が減少を予測する場合があります。矢印の数だけで実際の増減を決めることはできません。

食べる関係を網にする

植物などの生産者は、無機物から有機物をつくります。生産者を食べる生物は一次消費者、それを食べる生物は二次消費者です。さらに上位の消費者が続くこともあります。こうした食う・食われる関係の連なりを食物連鎖と呼び、複数の連鎖がつながったものを食物網と呼びます。

図1のように、植物を草食者が食べ、草食者を捕食者が食べる場合、矢印は植物から草食者、草食者から捕食者へ進みます。図は自作の模式図で、矢印は餌に含まれる物質やエネルギーが食べる側に移る関係を表します。移った量がすべて捕食者の体になるという意味ではありません。

図1では捕食者が草食者を直接食べます。捕食者が草食者を減らし、その結果として植物が食べられにくくなるなら、捕食者は植物に間接的な正の影響を及ぼします。ここで正とは、比較する条件で植物が増える向きの影響です。捕食者が植物を直接食べていないことが、経路を説明する鍵です。

ただし、関係の存在と変化の大きさは別です。捕食者が増えても、別の餌が豊富で草食者をほとんど食べなければ、植物への影響は小さいかもしれません。生物の移動や餌の切り替えも結果に関わります。栄養段階は餌に沿って定めるので、植物も動物も食べる種を常に1段階に固定することはできません。

基本と標準の例題

以下は自作資料です。生物名は関係を見やすくするための設定です。個体数は同じ広さの開放された区画を同じ期間、同じ方法で数えた値とします。期間中に出入りはありえますが、例題の予測では示した食物関係の効果を他の変化より強いと仮定します。個体数は乾燥質量やエネルギー量ではありません。

基本例題

草をバッタが食べ、バッタをカエルが食べます。図2の矢印を読み、カエルが増えたとき、バッタと草にそれぞれどの向きの変化が予想されるか、経路とともに答えてください。他の条件は同じで、捕食による効果が優勢とします。

図2の矢印は草からバッタ、バッタからカエルです。カエルが増えるとバッタへの捕食が強まり、バッタは減ると予想します。バッタが減れば草が食べられる程度が弱まるので、草は増えると予想します。カエルからバッタへの負の直接効果と、バッタを介する草への正の間接効果です。

反対にカエルを減らすなら、同じ仮定の下ではバッタが増え、草は減る向きを考えます。これは条件を逆にした予測であり、どの環境でも必ず対称な変化が起きるという証明ではありません。個体数がすでに限界に近い場合や、別の餌が変化した場合には、単純な予測が外れることがあります。

標準例題

同じ広さの区画を用いた自作資料です。開始時のカエル数は各区画で8個体、バッタ数は各区画で40個体でした。カエルを減らした区画Aでは終了時にカエル2個体、バッタ60個体でした。操作しない区画Bでは終了時にカエル8個体、バッタ45個体でした。開始から終了までのバッタの増加数をそれぞれ整数で求め、区画間の増加数の差を整数で答えてください。また、この差から言えることと、言い切れないことを述べてください。

増加数は終了時の数から開始時の数を引きます。

Aの増加数 = 60 - 40 = 20個体
Bの増加数 = 45 - 40 = 5個体
増加数の差 = 20 - 5 = 15個体

元の場面に戻すと、40個体にそれぞれ20個体と5個体を加えれば60個体と45個体になります。別解として、開始時の数が同じなので、終了時の差60 − 45も15個体です。開始時が異なる資料では終了時の差をそのまま増加数の差にできません。

この資料では、カエルを減らした区画のバッタの増加数が15個体多いと読めます。カエルによる捕食がバッタを抑えていたという説明と整合しますが、区画が各1つでは、餌の量や日当たりなど区画固有の違いも考えられます。差を見ただけで捕食の効果が15個体と確定したり、草への影響まで測定したことにしたりはできません。

経路が競い合うときの予測

発展例題

自作の開放区画で、藻類を小型の水生動物Pが食べ、Pを魚Qが食べます。Qは藻類も食べます。Qが減ったとき、Pを通る経路と、藻類を直接食べる経路から、それぞれ藻類の変化を予測してください。各関係以外の条件は一定とし、各経路で示した食べる量の変化が生じると仮定します。最後に、2経路を合わせた藻類の変化を断定できるか答えてください。

Pを通る道では、Qが減るとPへの捕食が弱まり、Pが増える方向です。Pが増えて藻類をより多く食べれば、藻類は減る方向です。一方、Qが藻類を直接食べる道では、Qの減少で藻類への捕食が弱まり、藻類は増える方向です。2つの予測は反対なので、関係の有無だけから合計の向きは決まりません。

経路ごとの作用の強さや、PとQが実際にどれだけ藻類を食べるかを調べる必要があります。2経路の矢印が同数でも、効果の大きさが等しいとは限りません。Qの餌の選択が変わる場合や、区画外からPが入る場合もあります。モデルの予測と観察が違ったときは、矢印の向きだけでなく、前提にした関係の強さや外からの出入りも点検します。

この問題を調べる計画では、似た条件の区画を複数用意し、Qを減らす区画と操作しない区画を割り当てます。操作に伴う影響を分けるため、可能ならQの数を変えず同様の操作を行う対照も設けます。各区画で開始前と同じ期間後にPと藻類を同じ方法で測ります。捕獲や放逐の手順は扱わず、ここでは資料上の設計を考えます。

区画の広さ、光、測定時期が異なると、Q以外の違いが結果に混ざります。複数区画の値にばらつきがあれば、平均だけでなく各区画の差も見ます。Qを減らしきれない、外から移入する、測定器具が藻類を見落とすといった場合は、操作後のQの数や測定条件を記録して解釈を控えめにします。対照区でも同じように数が変われば、時間とともに共通して変わる要因を検討します。

グラフで読むときは、横軸の時点、縦軸の対象と単位、区画ごとの線を先に確かめます。操作後に両区画の差が開いても、開始前から差があったならその分を考慮します。途中の一時的な増加と終了時の差が逆になることもあるため、終点だけで経過を断定しません。

誤答を経路に戻して直す

「カエルがバッタを食べるから、カエルからバッタへ矢印を描く」という答えを考えます。食べる主体から描くと、図の約束である餌から捕食者への移動と逆になります。図3のように、まず「バッタが食べられる」と言い換えて、バッタからカエルへ描き直します。

図3の修正後は、草からバッタへも同じ約束で引けます。矢印の向きと、捕食者が餌を減らすという負の作用の向きは別の情報です。矢印がバッタからカエルへ向くからといって、カエルがバッタに影響しないわけではありません。

もう1つの誤答は「捕食者を除くと、食物網の他の種は必ず増える」です。直接食べられる種は増える方向でも、その種が食べる生物は減る方向になることがあります。まず直接の相手を挙げ、次にその相手が他の種へ及ぼす作用をたどります。複数の道がある場合は、それぞれを分け、向きが競合するかを確認します。

結果が予想に合う場合も注意が必要です。例えば捕食者の除去区で餌が増えたとしても、同時に餌の資源が増えた可能性があります。反対に増えなかった場合も、捕食が無関係と即断せず、移出入や観測の誤差、他の捕食者による補償を検討します。成功したように見える結果と予測が外れた結果の両方で、対照と前提を確かめます。

練習問題

次の5問は自作資料です。区画は同じ広さの開放系とし、数は指定した同じ期間の始点と終点に同じ方法で数えた個体数です。乾燥質量やエネルギー量ではありません。問題1〜3では、書かれた食物関係の効果が優勢で、他の条件は同じと仮定します。

1. 木の葉をイモムシが食べ、イモムシを小鳥が食べます。餌から食べる側へ矢印を使って並べ、小鳥が減ったときの葉の変化の向きを経路とともに答えてください。
2. 種子をネズミが食べ、ネズミをヘビが食べます。ヘビが増えたとき、種子への間接効果の向きと、その理由を答えてください。
3. 植物Rを昆虫Sと鳥Tが食べ、SもTに食べられます。Tが減ったとき、Sを介するRへの影響とTがRを直接食べる関係を通じた影響をそれぞれ答え、R全体の変化を断定できるか述べてください。
4. 同じ期間に、処理区の巻貝は開始時30個体、終了時42個体でした。対照区は開始時35個体、終了時41個体でした。各区の増加数とその差を整数で求め、終了時の数の差だけでは増加数の差にならない理由を答えてください。
5. 捕食者を除いた区と対照区の餌の個体数を、開始時、途中、終了時に調べました。除去区は順に20、30、24個体、対照区は20、22、23個体です。横軸を時点、縦軸を個体数とするグラフを想像し、途中と終了時の区画間の差を整数で求めてください。この資料から時間経過と因果について何を言えるかも答えてください。

練習の答えと考え方

1. 木の葉 → イモムシ → 小鳥です。小鳥が減るとイモムシへの捕食が弱まり、イモムシが増えて葉をより多く食べるので、葉は減る方向です。矢印を逆にせず、捕食の変化を矢印とは別に追います。
2. ヘビが増えるとネズミが減り、種子が食べられにくくなるので、種子は増える方向です。ヘビが種子を直接増やすのではなく、ネズミを介する正の間接効果です。
3. Tが減るとSが増え、Rを食べる量が増える道ではRは減る方向です。TがRを直接食べる量が減る道ではRは増える方向です。作用の大きさが不明なので全体の向きは断定できません。
4. 処理区は42 − 30 = 12個体、対照区は41 − 35 = 6個体増え、増加数の差は6個体です。開始時に戻すと30 + 12 = 42、35 + 6 = 41です。終了時の差は1個体ですが、開始時の差があるため増加数の差とは異なります。
5. 除去区から対照区を引くと、途中は30 − 22 = 8個体、終了時は24 − 23 = 1個体です。対照区の値に差を加えると30個体と24個体に戻ります。差は途中に大きく終了時に小さくなりましたが、区画の反復や他の条件が示されていないため、差の原因を捕食者の除去に確定できません。

覚えておくこと

餌から食べる側へ矢印を引きます。 直接の作用と、別の種を介する間接効果を分けます。 複数経路が反対方向に働けば、強さの情報なしに結果を決められません。 除去区と対照区の差は、開始条件やばらつきとともに読みます。

図と説明を点検する

矢印に迷ったら、各線に「どちらが食べられるか」を書き添えてみます。向きが正しくても増減を逆に読む場合は、捕食者が増えたとき餌がどう変わるかを口に出し、次の生物へ一段ずつ進めます。区画の数値でつまずく場合は、各区の始点と終点を別々に引き算し、得た増加数を始点に戻して終点と一致するか確かめます。

個別指導では、生徒が描いた矢印と説明を照らし、直接の関係、仲介する種、他の経路を指さして区別できるかを見ます。対照区との差を見つけた後に、別の要因でも差が生じる可能性を挙げられるかも点検します。経路と条件を言葉にすると、食物網の予測の届く範囲が見えてきます。