高校生物 消費者の同化量—摂食と不消化排出と呼吸の収支を図で組み立てる｜武蔵野個別指導塾

摂食量から不消化排出を引き、呼吸や被食を含む収支からたどるのが消費者の同化量です。

よくあるのは、高校生が食べた量をそのまま消費者の同化量とする場面です。餌は体内に入りますが、その中には消化されずに体外へ出る部分もあります。さらに同化された物質も、呼吸に使われる部分と体の物質として生産される部分に分かれます。食べた後にどこへ移ったかをたどると、体の重さの増加だけでは見えない収支が見えてきます。

収支を問う3つの型

第1の型は、摂食量と不消化排出量から同化量を求める問題です。消費者が食べた物質のうち、不消化のまま排出された分は同化量に含めません。問題文の「排出量」が何を指すかを確かめ、同化後の排泄物まで含む場合は、別の情報なしに同じ引き算をしないことが出発点です。

第2の型は、同化量を呼吸量と生産量に分ける問題です。生産量は期間中に消費者の体の物質としてつくられた量であり、期末に残っている増加分だけではありません。期間中に捕食者に食べられたり死亡したりして対象集団から失われた体の物質も、いったん生産されたものとして数えます。

第3の型は、測定値がそろわない資料で、何が求まり何が求まらないかを判断する問題です。餌の減少量だけでは、こぼれた餌を食べた量と区別できないことがあります。残された量の差に飛びつく前に、対象とする集団、期間、面積、物質の尺度をそろえます。

食べた物質の行き先を描く

ここでは、同一面積の消費者集団について、一定期間の量を乾燥質量で表します。集団は外部から餌を取り込み、物質を外へ出す開放系です。摂食量をI、不消化のまま排出された量をF、同化量をA、呼吸量をR、生産量をPとします。各量は同じ期間と面積に対応させ、単位もそろえます。記号の意味は問題ごとに確認します。

図1のように、摂食した餌は不消化排出と同化に分けて考えます。矢印はその期間に物質がどちらへ移るかを示す模式図で、自作の関係図です。呼吸量はここでは収支上、同化された物質のうち呼吸によって失われた量として扱います。

図1の分岐を式にすると、I = F + A、したがってA = I − Fです。さらに、同化された量を呼吸量と生産量に分ける条件では、A = R + P、したがってP = A − Rです。排泄による損失などを別に数える資料では、その量も同化後の支出として扱う必要があります。この式は、どんな資料にも無条件で当てはまる決まりではありません。

生産量と現存量の増加量も区別します。対象集団の体の物質が、増加のほかには被食と死亡によってのみ減るとします。被食量をC、死亡量をD、期末と期首の現存量の差をΔBとすれば、P = ΔB + C + Dです。死亡量は被食された量と重ならないものとし、移入や移出、脱落物などはないとします。これらがある場合は、その出入りも加えて収支を立て直します。

増加量は、期末の現存量から期首の現存量を引いた値です。負になることもあります。一方、被食された個体や死亡した個体の体も、期間中に対象集団に存在した物質です。たとえば期首からあった体が期間中に失われた場合も、収支式では現存量の減少と相殺して扱います。単に期末の個体を量るだけでは、期間中の生産を復元できません。

乾燥質量は水分の違いによる見かけの変動を避けるための尺度です。ただし呼吸で放出されるCO₂には外部から取り込んだ酸素も含まれます。そのCO₂の乾燥質量をそのまま呼吸量として引くのではなく、問題で定義された共通尺度の値を使います。エネルギーで表す問題もありますが、乾燥質量と混ぜて足し引きはできません。

基本例題：食べた量から2段階で引く

自作資料です。ある区画の消費者集団について、1 m²あたりの30日間の収支を調べました。乾燥質量で、摂食量は120 g、不消化のまま体外へ出た量は30 g、同化後に呼吸で失われた量は40 gでした。同化後のその他の損失はないものとします。同化量と生産量をそれぞれ整数で求め、単位を付けてください。

図2のように、まず摂食量を2つに分け、その後で同化量を分けます。図の数値はこの例題に対応し、単位はすべて30日間のg/m²です。模式図の矢印は量の移動先を示し、幅は量の比を表しません。

同化量 = 120 - 30 = 90 g/m²
生産量 = 90 - 40 = 50 g/m²

答えは同化量90 g/m²、生産量50 g/m²です。元の分岐に戻すと30 + 90 = 120、40 + 50 = 90となり、2か所とも入る量と出る量が一致します。図2で120から40を先に引いても、残りには不消化排出が含まれます。呼吸は同化後の分岐に置くと、取り違えを避けられます。

別解では、摂食量から不消化排出と呼吸を順に除き、120 − 30 − 40 = 50 g/m²と求められます。ただし、この一行だけでは同化量90 g/m²が見えにくくなります。何を聞かれたかを見て、中間の量も答案に残しましょう。

標準例題：現存量の増減と失われた分

別の自作資料です。1 m²の区画にいる消費者集団の乾燥質量は、ある40日間の初めに80 g、終わりに95 gでした。この期間に対象集団から捕食者に食べられた量は20 g、被食と重ならない死亡量は10 gです。移出入やその他の体物質の損失はなく、同化後の支出は呼吸と生産のみです。呼吸量が35 g/m²、不消化排出量が25 g/m²のとき、生産量、同化量、摂食量を整数で求めてください。量はいずれも40日間のg/m²で答えます。

まず期末と期首の差を求め、途中で集団から出た分を足します。期首に存在した物質が死亡や被食で失われた場合も、現存量の差にその減少が含まれるため、同じ収支式を使えます。

現存量の増加量 = 95 - 80 = 15 g/m²
生産量 = 15 + 20 + 10 = 45 g/m²
同化量 = 45 + 35 = 80 g/m²
摂食量 = 80 + 25 = 105 g/m²

答えは順に45、80、105 g/m²です。逆向きに確認すると、80 + 45 − 20 − 10 = 95 g/m²で期末に戻ります。さらに105 − 25 = 80、80 − 35 = 45です。もし15 g/m²を生産量とすると、期首80に15を足して失われた30を引いた結果は65となり、与えられた期末95と合いません。

別解は期首の現存量と生産量の合計が、期末の現存量と被食量と死亡量の合計に等しいという形です。80 + P = 95 + 20 + 10からP = 45と出ます。どちらの方法でも、被食と死亡の重複がないことが必要です。死亡後に食べられた量を両方に数えれば、同じ体の物質を二重に加えることになります。

発展例題：測定の欠けと比較の設計

自作の2区画X、Yについて、それぞれ同じ面積、同じ20日間の乾燥質量を調べます。Xでは摂食量100 g/m²、不消化排出量20 g/m²、呼吸量30 g/m²でした。Yでは摂食量100 g/m²、呼吸量30 g/m²ですが、不消化排出量は測れませんでした。両区画とも同化後の支出は呼吸と生産のみです。Xの生産量を整数で求め、Yと大小を比較できるか理由を述べてください。

Xでは同化量が100 − 20 = 80 g/m²、生産量が80 − 30 = 50 g/m²です。戻して確かめると20 + 80 = 100、30 + 50 = 80です。Yの不消化排出量をFとすれば、Yの生産量は100 − F − 30 = 70 − F g/m²です。Fが未測定なので、Xとの大小は決まりません。たとえばFが10なら60、30なら40となり、どちらも摂食量100と呼吸量30に矛盾しません。

この比較では測定できなかった値を0と置かないことが重要です。餌の種類や消化の程度が異なれば、不消化排出量も異なりえます。条件をそろえて区画を複数用意し、供給した餌、残った餌、こぼれた餌、不消化排出をそれぞれ区別して測る設計を考えます。捕獲や飼育の実践手順は扱わず、学校の指導の下で得た資料を用いて検討します。

測定には、餌に混じった別の物質や、乾燥の程度の差、対象外の生物による摂食などの誤差が入りえます。餌の減少をすべて摂食とみなすと、こぼれた分だけ摂食量を大きく見積もるおそれがあります。不消化排出を集め損ねれば、同化量は大きく見積もられます。どの方向にずれるかは、ほかの測定値が変わらないという条件の下で考えます。

グラフで期間ごとの同化量が示された場合、縦軸が各期間の量か累積量かを確かめます。各期間の棒が高いことはその期間の同化が多いことを示しますが、体の現存量が同じだけ増えたとは限りません。呼吸や被食などの収支が不明だからです。累積量の線なら、高さの差がその間に加わった量を示します。軸の面積と期間がそろわない図を、そのまま高さで比較しないようにします。

誤答を収支へ戻して直す

基本例題で「摂食量が120 g/m²だから同化量も120 g/m²」とした答案を考えます。図3のように不消化排出30 g/m²が摂食の行き先として抜けています。これを加えると、120 g/m²から同化量120 g/m²と不消化排出30 g/m²が出ることになり、出口の合計が入口を超えます。

図3の正しい分岐では、120 g/m²を30 g/m²と90 g/m²に分けます。食べたことと体に取り込まれたことは同じではありません。まず量を両側に書いて合計し、同じ量が二度数えられていないかを調べると修正できます。

もう1つの誤りは、同化量から呼吸を引いた後に、さらに被食量を引いて生産量とすることです。問題の定義では生産量に、つくられた後に被食された部分も含みます。呼吸を引いて求めた生産量から被食量を引けば、求めたい期間中の生産と、期末に残る量との区別が崩れます。期首の現存量や死亡量も含めた収支に戻して点検します。

「排出」という言葉にも注意します。不消化排出だけを指す場合と、同化後に生じた排泄物を含む場合では、引く位置が違います。混合した排出量しか与えられず内訳も不明なら、摂食量からそれを引くだけでは同化量を決められません。問題文に定義がなければ、どの成分の量が必要かを記述します。

練習：条件を変えて収支を追う

次の5問はすべて自作資料です。量は指定された期間と面積についての乾燥質量で、不消化排出は消化されずに体外へ出た物質です。同化後の支出は呼吸と生産のみとします。整数の量はg/m²を付けて答えてください。

1. ある15日間に摂食量が160、不消化排出量が45、呼吸量が55でした。同化量と生産量を求めてください。
2. 別の25日間に、期首の現存量が70、期末が62、被食量が18、被食と重ならない死亡量が12でした。移出入とその他の体物質の損失はありません。生産量を求めてください。
3. 摂食量90、呼吸量20の資料で、不消化排出量は測定されませんでした。同化量が決まらない理由と、追加で必要な量を述べてください。
4. 同じ面積の区画で、連続する2期間の同化量が順に60、80、呼吸量が順に25、35でした。各期間の生産量と2期間の合計を求めてください。各期間の長さは同じとします。
5. ある期間に生産量が36、呼吸量が24、不消化排出量が15でした。摂食量を求め、逆算して各分岐が合うことを示してください。

解答と考え方

1. 同化量は160 − 45 = 115 g/m²、生産量は115 − 55 = 60 g/m²です。45 + 115 = 160、55 + 60 = 115と戻せます。呼吸を摂食量から先に引くと、途中の同化量と異なる量をつくるので注意します。

2. 増加量は62 − 70 = -8 g/m²です。生産量は-8 + 18 + 12 = 22 g/m²です。現存量が減っていても、その期間に生産がなかったとは限りません。70 + 22 − 18 − 12 = 62で期末に戻り、失われた分を二重に数えていないことも確認できます。

3. 摂食量のうち不消化のまま出た量が不明なので、同化した部分を定められません。必要なのは同じ期間と面積の不消化排出量です。たとえばその量が10なら同化量は80、30なら60 g/m²です。いずれも呼吸量20を差し引いた生産量は負にならず、与えられた条件を満たします。呼吸量がわかっても、この不確定さは消えません。

4. 生産量は順に60 − 25 = 35、80 − 35 = 45 g/m²、合計は80 g/m²です。戻すと35 + 25 = 60、45 + 35 = 80です。各期間の量を足した合計であり、1期間あたりの平均と取り違えないようにします。期間の長さが異なる場合、量の大小と単位時間あたりの速さの大小は別に考えます。

5. 同化量は36 + 24 = 60 g/m²、摂食量は60 + 15 = 75 g/m²です。75 − 15 = 60、60 − 24 = 36と元の分岐へ戻ります。生産量から始める場合は、矢印を逆にたどり、分かれた量を足すことが要点です。

覚えておくこと

• 同化量は摂食量から不消化排出量を引きます。
• 定義された支出が呼吸と生産のみなら、同化量はその和です。
• 生産量は現存量の差に、被食や死亡などの損失を加えて求めます。
• 対象、期間、面積、尺度と、排出の定義をそろえます。
• 算出した値を元の収支に戻して点検します。

どこで止まったかを見分ける

個別指導では、最初に摂食量からの矢印を描き、不消化排出を同化前に置けるかを見ます。次に現存量の差だけを生産量にした答案なら、期首の量に生産を足し、被食と死亡を引いて期末に戻るかを一緒に確かめます。数値が合わない箇所には、失われた物質の行き先を言葉で書き添えます。

式が合っていても、排出量の定義や面積が異なる資料をそのまま引いていないかを点検します。未知の量が残る問題では、適当な値を補わず、異なる2つの値で条件を満たせるか試すと、決定できない理由が明確になります。消費者の物質収支は、入口と出口をそろえて初めて読めます。