高校生物 生態系の物質生産—現存量と生産量を分けて収支を計算する｜武蔵野個別指導塾

植物の現存量の差から被食量と枯死量を足して純生産量を求め、消費者では摂食量からふんと呼吸を差し引く手順をたどれます。

よくあるのは、ある時点で測った植物の現存量を、そのまま年間の純生産量として答案に書く場面です。収穫したときに残っている量は、1年間に作られた量のうち、食べられたり枯れたりした分を含みません。反対に、期間の始めから残っていた部分も含みます。学校の範囲表と授業ノートで扱う収支の項目を確認し、時間の付いた量と時点の量を分けて整理しましょう。

問題の形を先に見分ける

この単元では、まず植物の総生産量、呼吸量、純生産量の関係を問う型があります。光合成によって作られた有機物の量から、同じ期間に植物が呼吸で消費した量を引くと純生産量です。式を覚えていても、設問の値が総生産量なのか純生産量なのかを読み間違えると、足し算と引き算が逆になります。

次に、期間の最初と最後の現存量、被食量、枯死量から純生産量を求める型があります。現存量の差は残った分の増減であり、途中で外へ出た分を加えて生産量を求めます。資料に他の出入りがある場合には、その分も条件に従って扱います。表に書かれた項目を確かめずに、決まった式へ数を入れることはできません。

さらに、消費者の摂食量から同化量を求め、呼吸量や成長量へ分ける型があります。植物が作った量と動物が食べた量は、別の段階の収支です。どの生物を対象にし、どの期間の、何を測った数なのかを丸で囲むと、図の矢印を選びやすくなります。ここでは質量を乾燥質量で表し、同じ面積と期間の値を比較します。

時点の量と期間の流れをつなぐ

現存量は、ある時点に生物体として存在する有機物の量です。植物の現存量を2回測ると、後の値から前の値を引いて、その期間の現存量の増加分を求められます。減った場合は差が負になります。この差は、期間中にできた有機物のうち、測定対象に残った分を表します。

生産量は、ある期間に作られた有機物の量です。植物では、総生産量から植物自身の呼吸量を引いたものが純生産量です。呼吸に使われる有機物は、植物体に残る純生産量には含めません。純生産量は植物の成長として残る分に加え、期間中に動物に食べられた分や、枯れて植物体から離れた分にも分かれます。

図1のように、流れの分岐を描くと、引き算の意味が見えます。図は、被食と枯死以外に対象からの出入りがない条件を示しています。成長量はここでは最後の現存量から最初の現存量を引いた値として扱います。問題によって成長量の定義や、落葉などの扱いが指定されるので、その条件を先に確認してください。

図1の各矢印は同じ期間の量です。現存量そのものを矢印に入れず、前後の差を使う点が分かれ目です。たとえば純生産量が正でも、被食や枯死がそれを上回れば現存量は減ります。植物が作った分と、最後に残る分を別々に考えると矛盾しません。

消費者については、摂食量からふんとして排出された量を引いたものを同化量とします。同化された有機物のうち、呼吸で消費された分を引くと、消費者の生産量になります。設問で、成長以外の生産や排出の扱いが与えられたときはそれに従います。エネルギーも有機物とともに栄養段階を移動しますが、呼吸に伴って熱として散逸するため、次の段階へ全量が移るわけではありません。物質の質量とエネルギーの値は単位が異なるので、そのまま同じ式に混ぜません。

基本例題：植物の1年間をたどる

次の値は計算のために作った条件です。ある区画の植物の乾燥質量は、年の始めに120 g、年の終わりに150 gでした。この1年間の被食量は40 g、枯死量は30 g、植物の呼吸量は50 gです。被食と枯死以外に植物体からの出入りはなく、区画と測定対象は両時点で同じです。純生産量と総生産量を、それぞれ年間の乾燥質量としてgで求めてください。

まず、時点で測った2つの量に注目します。現存量の差は、150 − 120 = 30 gです。これは植物体に残った増加分で、純生産量全体ではありません。期間中に食べられた40 gと枯れた30 gも、その年に残った量を考えるうえで対象から出ていった分です。

図2のように3つの行き先を足します。純生産量 = 現存量の増加分 + 被食量 + 枯死量です。したがって、30 + 40 + 30 = 100 gです。単位には1年間の量であることを添えます。

次に、純生産量は総生産量から呼吸量を引いたものなので、総生産量 = 純生産量 + 呼吸量です。100 + 50 = 150 gとなります。図2の値を元に戻すと、総生産量150 gから呼吸量50 gを引いて100 g、そこから被食40 gと枯死30 gを引くと30 gです。最初の現存量120 gに30 gを加えると最後の150 gに戻ります。この戻し方なら、途中で外へ出た量を足し忘れていないかも確かめられます。

同じ数字でも、最後の現存量150 gと総生産量150 gは意味が異なります。前者は年末の植物体にある量、後者は1年間に作られた量です。偶然数が等しくても、同じものとして置き換える根拠にはなりません。単位のgだけで判断せず、測定時点か期間かを併記します。

条件が変わると判断も変わる

別の自作資料を考えます。ある区画で、植物の現存量は年初200 g、年末180 gでした。1年間の被食量は50 g、枯死量は20 gで、それ以外の出入りはありません。植物の呼吸量は40 gです。植物の年間純生産量と総生産量を乾燥質量のgで求め、現存量が減っても純生産量が正になる理由を「被食」「枯死」を使って2文程度で説明してください。

まず現存量の差は180 − 200 = -20 gです。減った分を20 gとしてそのまま足すのではなく、差の符号を残します。純生産量は -20 + 50 + 20 = 50 g、総生産量は50 + 40 = 90 gです。検算では90 − 40 = 50 g、50 − 50 − 20 = -20 gです。年初200 gから20 g減るので年末180 gに戻ります。

説明は「1年間の純生産量50 gより、被食量と枯死量の合計70 gが大きいためです。その差の20 gだけ現存量が減りました」と書けます。現存量が減るという結果だけでは、純生産がなかったとはいえません。生産される量と、測定対象から失われる量の大小が分かれ目です。

もし別の区画から植物が移されたなど、問題に追加の出入りが記されていれば、上の式だけでは足りません。移入は年末の現存量を増やし、移出は減らします。追加の量が不明なら、与えられた数だけから純生産量を一意に決めないことが大切です。また、区画の面積や乾燥質量か生質量かが異なる値をそのまま足すと、収支の意味が崩れます。

間違いを矢印に戻して直す

誤答の例は、基本例題で「年末の現存量が150 gなので純生産量も150 g」とするものです。原因は、ある時点の残りと、1年間に作られた量を同じ箱に入れたことです。図3のように、年初と年末の差を出し、期間中の被食と枯死を加えて修正します。年初にすでにあった分は、その年の生産量に含めません。

図3の右側では差に2つの流出を加えています。別の誤りとして、純生産量から呼吸量をさらに引いて総生産量とすることもあります。呼吸量を引いた後が純生産量なので、総生産量へ戻るときは呼吸量を足します。式の各項が同じ期間に対応しているかも確認してください。

消費者では、摂食量を同化量とする誤りがあります。食べた有機物の一部はふんとして排出されるため、設問で指定されたふんの量を差し引きます。その後に呼吸量を引くので、ふんと呼吸を同じ項目として扱わないことも重要です。値の意味が不明な表では勝手に補わず、何が測定されたかを問題文に戻って確認します。

資料の不足と比較のしかた

表の空欄を埋める前に、対象と境界を言葉にします。植物体の中に残った量を数えるのか、落ち葉を含む区画全体の量を数えるのかで、枯死量の扱いは変わります。植物体から離れた枯死物を現存量に含めない条件なら、枯死は植物体からの流出です。枯死物も対象に含める条件では、同じ量をそのまま流出として足すことはできません。問題の測定対象を図に囲み、その境界を横切る矢印を探します。

また、年初と年末の値だけが与えられ、途中の被食量や枯死量が不明なら、差は計算できても純生産量は決まりません。たとえば現存量が増えなかったとしても、生産と流出が同じ量だった可能性があります。情報が不足しているときは、0を勝手に代入せず、必要な量を示すことが正しい読み取りです。測り直しが必要なのは、差の計算ではなく期間中に対象から出た量です。

消費者の資料でも、食べた量と体に取り込まれた量を区別します。ふんは摂食量に含まれていても同化量には含まれません。呼吸で使われた分は同化後の行き先です。もし同化量と呼吸量だけが与えられ、成長以外の行き先の有無が不明なら、差をそのまま成長量と断定できません。問題が置いた条件の範囲で結論を出すことが、数を正しく使うための準備です。

2つの期間を比べる際には、単に一方の数字が大きいと述べる前に、測定期間の長さと区画の面積をそろえます。年間の量と一時点の量は、数字が同じ単位のgで書かれていても、比較から読み取れる内容が異なります。エネルギーについても、ある段階の量が次の段階へ移る過程で呼吸に伴う熱の散逸があることを示し、質量の差をそのままエネルギーの差としないようにします。

自分で解く4問

以下はすべて自作の条件です。各問の面積、期間、乾燥質量の基準は同じで、明記されたもの以外の出入りはないものとします。

1. ある植物の1年間の総生産量は240 g、呼吸量は80 gです。年間純生産量を乾燥質量のgで求めてください。
2. 別の植物の年初の現存量は90 g、年末は110 gです。1年間の被食量は25 g、枯死量は15 gです。年間純生産量を乾燥質量のgで求めてください。
3. ある消費者の1年間の摂食量は180 g、ふんとして排出された量は60 g、呼吸で消費された量は45 gです。同化量と生産量をそれぞれ年間の乾燥質量としてgで求めてください。同化された残りはすべて生産に回る条件です。
4. 年初と年末の現存量が等しい植物について、被食量と枯死量がどちらも正であるとします。純生産量は0かどうか、「現存量の差」と「被食量」を使って2文程度で説明してください。

答えと考え方

1. 240 − 80 = 160 gです。総生産量から呼吸量を引きます。逆に160 + 80 = 240 gとなり、与えられた総生産量に戻ります。
2. 現存量の差は110 − 90 = 20 gです。20 + 25 + 15 = 60 gが純生産量です。60 gから被食25 gと枯死15 gを引くと20 g残り、年初90 gに加えて年末110 gに戻ります。年末の110 gをそのまま年間の量にしないことがポイントです。
3. 同化量は180 − 60 = 120 gです。生産量は120 − 45 = 75 gです。75 + 45 = 120 g、さらに120 + 60 = 180 gとなり、摂食量まで戻せます。ふんは同化されなかった分で、呼吸量は同化後に消費された分です。
4. 純生産量は0ではありません。現存量の差が0でも、被食量と枯死量を足した分がその期間の純生産量になるためです。残りが変化しないことは、出入りがなかったことを意味しません。

押さえる関係

• 純生産量 = 総生産量 − 植物の呼吸量です。
• 出入りが被食と枯死に限られるとき、純生産量 = 現存量の差 + 被食量 + 枯死量です。
• 同化量 = 摂食量 − ふんとして排出された量です。
• 時点、期間、面積と乾燥質量の基準をそろえます。

答案のどこを見直すか

解けなかったときは、まず答案の数値に「年初」「年末」「1年間」と書き添えてみます。年末の量を生産量として使っていれば、現存量の差から書き直せます。符号を落とした場合は、年初の量に計算した増減を加え、年末に戻るかを確認します。

個別指導で確かめるなら、図に矢印を描いてもらい、被食やふんがどの対象から出る量かを言葉で説明できるかを見ます。計算が合っていても、総生産量と純生産量の間の呼吸を逆に描いていれば、別の資料で迷いやすくなります。期間の収支を元の場面へ戻せれば、残った量と作られた量の違いが答案に表れます。