共通テスト生物基礎の生態系と植生｜調査表から遷移と物質の移動を読み取る｜武蔵野個別指導塾

照度と土壌の表を比べ、食物網の炭素を追う手順を自作資料で練習します。資料で追う対象は生態系です。

よくあるのは、植生と土壌の表から先に結論を決めたノートを見返す場面です。地表の光が弱い区画を見て「ここが必ず最も古い森林だ」と書いても、表に時間の記録がなければ成立の順序は確定しません。まず何を測り、どの条件で比べたのかを確かめます。そのうえで光、植物、土壌の関係を説明し、数値から言えることと推測を分けます。

資料で問われる3つの見方

第1に、林外と林内の照度、植物の種類や高さを対応させる型があります。林外の照度が異なる測定をそのまま比べると、林冠の遮光と天候の違いが混ざります。林外を基準とする相対照度を使い、測定場所や高さも確認します。割合は林内照度を林外照度で割った値に100を掛けます。

第2に、裸地から草原、低木林、森林へと植生が変わる遷移を資料から考える型があります。先駆植物の定着や土壌の形成、日陰に耐える植物の成長などが環境を変え、次の植物の生育に影響します。ただし別々の地点の一覧は、同じ地点の経年記録ではありません。順序の仮説を立てても、それだけで実際の経過を証明したことにはなりません。

第3に、食べる関係と炭素の移動を矢印で追う型があります。生産者が光合成で無機物から有機物をつくり、消費者は他の生物を食べます。遺体や排出物を分解者が利用し、呼吸によって二酸化炭素が環境に戻ります。物質が循環することと、光として入ったエネルギーが生態系を通過して熱として散逸することを区別します。

光の割合と植生を結ぶ

図1のように、林外の明るさを100%としたときの林床の明るさを考えます。光は葉などに遮られるので、林冠の下では一般に林外より弱くなります。相対照度が小さいという事実から、林床に到達する光が林外に対して少ないと読めます。暗いことだけを根拠に植物の年齢や林の成立時期を決めることはできません。

図1のように基準と対象を対にして記録すると、分母を取り違えにくくなります。照度の単位は lx です。同じ単位の照度の比なので、相対照度は単位のない割合を百分率で表します。林外が0 lxなら割り算ができず、この方法では割合を求められません。測定値が欠けている場合も、似た区画の値で勝手に補わず、求められないと判断します。

陽生植物は強い光の下でよく生育し、陰生植物は弱い光の下でも生育できます。これは暗い所であればどんな条件でも生育するという意味ではありません。光以外にも水分、温度、土壌などの条件が関係します。また、ある区画で陰生植物が見つかったことと、その植物が林床で優占していることは別です。観察した種類の有無と、面積や個体数を使った多さの評価を混同しないようにします。

一次遷移は土壌のない場所から始まり、二次遷移は土壌が残る場所から始まります。どちらも必ず同じ速さで進むわけではありません。土壌の厚さが大きい区画と小さい区画が並んでいても、もともとの地形や水分などが異なれば、厚さの差を経過時間の差だけで説明できません。時間を追った記録や、比較条件をそろえた追加の資料が必要です。

炭素を含む物質に注目すると、光合成によって大気中の二酸化炭素に含まれる炭素が植物の有機物に取り込まれます。植物を食べる動物へ、さらにその動物を食べる動物へと炭素が移る道筋があります。生物は呼吸で有機物を分解し、二酸化炭素を放出します。遺体や排出物の有機物も分解者に利用されます。食物網の矢印はここでは食べられる側から食べる側へ向け、炭素を含む物質の移動を表します。

調査表に植物の被度があるときは、その種が地表を覆う割合として読みます。被度と個体数は異なる量です。大きな株が少数ある区画と小さな株が多数ある区画では、個体数と覆う面積の大小が一致するとは限りません。同じ尺度で記録された値を比べ、測定されていない特徴を補わずに判断します。

基本例題：林床へ届く光

次は説明のための自作データです。同じ日の短い時間内に、各区画の林外と林床で照度を測りました。測定器と地表からの高さは共通です。Aでは林外が2000 lx、林床が400 lx、Bでは林外が3000 lx、林床が300 lxでした。AとBそれぞれの林床の相対照度を整数の百分率で求め、どちらが林外に対して暗いか答えてください。

図2のように、区画ごとに林床を分子、対応する林外を分母にします。AとBの林外照度が違うので、林床の値だけを比べて遮光の程度を判定しません。順番に計算します。

Aの比は 400 / 2000 = 1 / 5 です。 百分率は 1 / 5 × 100 = 20% です。 Bの比は 300 / 3000 = 1 / 10 です。 百分率は 1 / 10 × 100 = 10% です。

したがって林外に対する林床の明るさはAが20%、Bが10%で、Bの方が暗いと読みます。割合を元に戻すと、2000 lxの20%は400 lx、3000 lxの10%は300 lxです。各区画の実際の林床値に戻るので、分母と分子の取り違えがないか確かめられます。

ただし、この値だけではBがAより必ず古いとは言えません。葉の量や樹種、林冠の形が異なる可能性もあり、過去からの変化を測った資料はないからです。また、林床の値が小さいことは、その時の光の条件を表すのであって、そこにどの植物が実際に生えているかの記録の代わりにはなりません。植生の調査表と照度の表を区画名で結び、観察と解釈を分けて書きます。

条件が増えたときの判断

次も自作資料です。以前は同じような裸地だった2区画を、それぞれ同じ方法で10年間観察しました。開始時の土壌は両方ともありません。10年後、Cは土壌が2 cm、草本が多く低木は見られませんでした。Dは土壌が5 cm、草本と低木が見られました。CとDでは水分などの環境条件が異なります。Dの方が低木を含む植生になったという観察と、Dでは土壌が厚くなることが低木の定着に役立った可能性を区別してください。また、土壌の厚さの差だけが低木の有無を生んだと断定できるか答えてください。

観察から、10年後のDには低木があり、Cには見られません。また、その時点の土壌はDの方が3 cm厚いです。開始時に土壌がないという条件から、どちらも一次遷移の出発点にあたります。一方、土壌が厚くなることが低木の定着に役立ったという説明は、表から考えられる可能性です。土壌が水や養分を保持し、植物の生育環境を変えるという考え方で結びつけられます。

しかし、水分なども異なるため、土壌の厚さの差だけが原因だとは断定できません。低木が定着した結果として落葉や遺体が土壌形成に影響した可能性も、表だけでは排除できません。確かめるには、複数の区画で水分などの条件をそろえ、土壌条件と低木の定着の関係を時間を追って調べる方法が考えられます。観察結果と原因の説明を別の文にすると、資料の限界が見えます。

この場面での分かれ目は、同じ場所の時間変化が記録されているか、また比較する条件がそろっているかです。開始時と10年後の記録があるので各区画での変化は述べられます。それでも区画間の差の原因を1つに決めるには条件が足りません。順序の記録と因果関係の証明は別の問いです。

間違えた矢印を直す

図3のように、食物網では植物から草食動物へ、草食動物から肉食動物へ矢印を向けます。矢印は「炭素を含む物質が移る向き」と定めています。生物どうしの関係を考えるとき、捕食する側から獲物へ矢印を書きたくなるかもしれません。しかしその向きでは、ここで指定した物質の移動と逆になります。

図3のように、食べられる側を出発点にして矢印をたどれば、植物の有機物に含まれる炭素が動物へ移ることを表せます。たとえば「草食動物が植物を食べるから、草食動物から植物に炭素が移る」という答えは逆です。原因は、食べるという動作の主語を矢印の出発点と考えたことです。植物から草食動物へと修正し、矢印の意味を図の横に書きます。

別の誤りは「呼吸は動物が行い、植物は光合成しかしない」とすることです。植物も呼吸を行い、有機物を分解して二酸化炭素を放出します。光合成による取り込みと呼吸による放出は向きが異なるため、どちらの過程を問うか確認してから矢印を選びます。分解者も呼吸を行い、二酸化炭素を環境へ戻します。

さらに「炭素が循環するのでエネルギーも同じように循環する」という答えも修正が必要です。光のエネルギーは光合成によって有機物に蓄えられ、食物を通じて移りますが、各段階で熱として散逸します。物質の原子の移動とエネルギーの移動は同一ではありません。図の炭素の矢印をそのままエネルギーの循環図と読み替えないことが大切です。

練習：別の調査を読む

以下はすべて自作の資料です。照度は同一時刻に対応する林外と林床で測り、測定方法は各区画で共通とします。答えは問題の後にまとめています。

1. Eの林外照度は2400 lx、林床照度は600 lxです。林床の相対照度を整数の百分率で求めてください。
2. Fの林外照度は5000 lx、林床照度は500 lx、Gはそれぞれ1000 lx、200 lxです。相対照度を整数の百分率で求め、林外を基準にした林床の明るさを比べてください。
3. HとIは異なる場所の調査区画です。Hは草本が多く土壌が3 cm、Iは低木があり土壌が6 cmでした。過去の記録はありません。IがHより先に成立したと断定できるか、理由とともに答えてください。
4. 水草を小動物が食べ、その小動物を魚が食べる関係があります。水草から魚までの炭素を含む物質の移動を矢印で示してください。水草の遺体を分解者が利用するとき、呼吸によって炭素は何という物質として環境に戻るかも答えてください。

練習の答えと確かめ方

1. 600 / 2400 = 1 / 4、1 / 4 × 100 = 25%です。2400 lxの25%は600 lxなので、元の測定値へ戻ります。林外の値ではなく林床の値を分母にすると、求める割合の意味が変わります。

2. Fは 500 / 5000 × 100 = 10%、Gは 200 / 1000 × 100 = 20%です。林外に対してFの林床の方が暗いです。戻して確かめると、5000 lxの10%は500 lx、1000 lxの20%は200 lxです。林床の照度の絶対値はFの方が大きいものの、基準となる林外の照度も違うため、割合の大小は逆になります。

3. 断定できません。表は異なる地点の一時点の観察であり、成立時期やその後の変化を示していないからです。土壌が厚いことと低木があることはIについて観察できますが、それだけでHとIの成立の前後関係は決まりません。各地点の過去の記録や経時的な観察があれば、成立や変化の順序を検討できます。

4. 水草 → 小動物 → 魚です。水草を食べるのは小動物で、小動物を食べるのは魚なので、各矢印を与えられた食べる関係に戻して確認できます。分解者の呼吸で炭素は二酸化炭素として環境に戻ります。水草の遺体から分解者への移動と、その後の呼吸による放出を分けます。魚が水草を直接食べるという関係は問題文にないので、矢印を追加しません。

手元に残す要点

林内の相対照度は、対応する林外の照度を分母にします。 遷移の順序は、地点と時刻の対応を確かめて考えます。 食物網の矢印は、指定された物質の移動方向に合わせます。 炭素は循環し、エネルギーは熱として散逸します。

どこで読み違えたかを見つける

割合が合わないときは、まず割り算の前に「何を基準にするか」を答案の横に書き、同じ区画の林外値を分母に置けているか確認します。答えを元の照度に戻せなければ、数値の転記や百分率への変換を見直します。表からの結論が強すぎるときは、観察した事実に下線を引き、その外側に書いた原因や時間順序に別の印を付けます。

個別指導では、図の矢印を隠して食べる関係を文章で言い直し、炭素がどちらからどちらへ移るかを説明してから描き直すと、向きの取り違えを見分けられます。遷移の資料では、区画名、測定時刻、土壌と植物の記録を指で対応させ、足りない情報を一緒に確認します。数字と条件を結び直せば、資料が示す範囲で生態系を説明できます。