生態系プロセスとエネルギーの流れ

すべての生態系は、生産者によって捕捉され、食物連鎖を上昇するにつれて散逸するエネルギーによって機能しており、この流れを追跡することで、システムがどれだけの生命を維持できるかが明らかになります。

Definition

生態系プロセスとエネルギーの流れとは、熱力学によって支配され、生産性と効率を通じて定量化される、生態系の栄養構造を通じたエネルギーの捕捉、伝達、および散逸に関わるものです。

Scope

このトピックは、生態系のエネルギー論を扱います。生態系に適用される熱力学の法則、独立栄養生物によるエネルギーの固定、摂食経路と腐食経路を通じたその伝達、同化効率と生態学的効率、および結果として生じるエネルギーとバイオマスのピラミッドについてです。これは、現存量とフラックス、および生産、呼吸、損失間のエネルギー配分を扱います。

Core questions

• エネルギーはどのように捕捉され、生態系を通過するのか？
• 栄養段階間のエネルギー伝達が非効率なのはなぜか？
• 摂食経路と腐食経路はどのようにエネルギーの流れを配分するのか？
• エネルギーとバイオマスのピラミッドは生態系の構造について何を明らかにするのか？

Key theories

栄養動態的エネルギー流

生産者によって固定されたエネルギーは、各段階での呼吸と不完全な消費によるかなりの損失を伴いながら栄養段階を上昇するため、高次の消費者には次第に少ないエネルギーしか利用できなくなります。

生態学的効率

エネルギーがある栄養段階から次の栄養段階に変換される効率は、どれだけの食物が消費され、同化され、新しいバイオマスに変換されるかを組み合わせたものであり、通常は約10パーセントのオーダーです。

Mechanisms

生産者は光合成を通じて太陽エネルギーを化学エネルギーに変換し、総一次生産を固定します。そこから呼吸によって消費者に利用可能な純一次生産を残します。エネルギーが草食動物や肉食動物に伝達されるにつれて、消費効率、同化効率、生産効率がそれぞれ保持される割合を減少させ、未消費および排泄された物質は腐食経路に入り、そこで分解者がその多くを呼吸によって消費します。熱力学第二法則により、各伝達はエネルギーを熱として散逸させるため、システムは継続的な外部エネルギー入力を必要とし、限られた数の栄養段階しか維持できません。

Clinical relevance

エネルギー流分析は、生態系の生産性、収穫可能な種の収容力、および食料生産のエネルギーコストの評価に役立ちます。これは教育的な文脈であり、管理上の処方ではありません。

History

エルトンは1927年に数のピラミッドを導入し、リンデマンは1942年に栄養段階を通じたエネルギーの流れを定式化しました。オダム兄弟はこれらのアイデアを定量的な生態系エネルギー論に拡張し、国際生物学事業などの大規模な野外プログラムは、生物群系全体のエネルギー収支を測定しました。

Key figures

• Raymond Lindeman
• Charles Elton
• Eugene Odum
• Howard Odum

Seminal works

• lindeman1942
• chapin2011
• begon2006

Frequently asked questions

各栄養段階で約10パーセントのエネルギーしか伝達されないのはなぜですか？

各段階のエネルギーの多くは呼吸に使われたり、熱として失われたり、あるいは全く消費されなかったりするため、ごく一部しか次の段階に利用可能な新しいバイオマスに変換されません。

総一次生産と純一次生産の違いは何ですか？

総一次生産は生産者によって固定された総エネルギーであり、純一次生産は生産者自身の呼吸後に残るもので、実際に消費者に利用可能なエネルギーです。