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北極生態学は、北極圏（北緯66度33分）の北の地域である北極における生物的要因と非生物的要因の関係を科学的に研究する学問です。 [1]この地域は、タイガ（または北方林）とツンドラの2つのバイオームによって特徴付けられます。[2]タイガは気候が穏やかで、維管束植物と非維管束植物の両方の多様性が認められますが、[3]ツンドラは、厳しい寒さ、降水量の低下、[4]および冬季の日照不足により、生育期が限られており、生育条件が厳しくなります。[5]北極地域全体には、地球温暖化によって劇的な影響を受けている敏感な生態系が存在しています。[6]
北極圏に最初に居住した人類はネアンデルタール人の亜種であった。それ以来、多くの先住民がこの地域に居住し、現在も居住し続けている。[7]
北極圏は生態学的研究にとって貴重な地域です。[8]冷戦中、北極圏は米国、カナダ、ソ連が近年の気候変動研究に欠かせない重要な研究を行う場所となりました。[9]北極圏の研究が気候変動研究にとって価値がある主な理由は、カナダ北西部とアラスカで平均以上の気温が予測されており、気候変動の影響は世界の高緯度でより迅速かつ劇的に感じられるためです。[10] [11]
北極圏における人類の初期の歴史と生態
狩猟によるマンモスの死に関する現在の証拠は、北極圏における人類の存在を45,000年前まで遡らせているが、[12]他の証拠は、さらに古い時代に北極圏付近に人類が存在していたことを示唆している。[13]これら初期の集団の狩猟能力と高度な道具が、北極圏に定着できた一因となったのではないかと推測されている。[14]現在の北極圏の生態学的研究における議論の主題は、これらの北極圏の住民がホモ・ネアンデルターレンシスの種に属していたのか、それともホモ・サピエンス・サピエンスの種の初期のメンバー、つまり現代人であったのかである。[12]この議論は、ネアンデルタール人の集団がホモ・サピエンス・サピエンスに置き換わった過程に関する現在の知識の欠如に起因しているが、[15] [12]北極圏での道具の使用と狩猟の証拠は、この地域に何らかの形で人類が存在していたことを示唆しているという点では一致している。[12]
約4万年前、ネアンデルタール人は現代人であるホモサピエンスサピエンスに世界的に置き換えられました。[15]
13,000年前にはシベリアの北極圏に「葉先」の道具を使っていたホモ・サピエンス・サピエンスの存在を示す証拠が見つかっている。 [16]古北極圏のホモ・サピエンス・サピエンス集団は、更新世から完新世への移行期である13,000年から8,000年前、アラスカ北部に居住していた。[17] [16]研究では、同様の時期に北極圏で発見された代替タイプの道具技術から、これらの集団が「北方コルディレラ伝統」の人々を「取って代わったり、融合したり、同化させたりした」と推測されている。[18]
既知の歴史的環境変化と人類の存在の年代を考慮すると、環境撹乱によって引き起こされた獲物の個体数サイクルと北極の生息地における古北極居住との間に潜在的な関連があることが示唆されている。[17] Mannらは、その結果生じた古北極狩猟者の撹乱への依存、および過酷な生息地（草むら-ツンドラ）と蚊などの害虫の拡大が、更新世の終わりに続く北極地域の古北極個体数の減少をもたらした可能性があると示唆している。[17]この期間中の特定の北極グループの存在の有無を決定することに関しては、依然として不確実性がある。[18] [16]
古エスキモーは、5,000 [19]から 6,000 [20]年前に古北極圏の集団の後を追ったもので、研究によると、彼らは現代の北極圏の先住民と祖先関係を持つ、より広範囲に分布し、長居した集団であったことが示唆されている。[19]遺伝学的証拠から、古エスキモーはアラスカ、カナダ、グリーンランドに居住し、大型陸生哺乳類やアザラシを狩って生計を立てていた特異な民族であったという説が浮上している。[20]研究では、このグループとより南部の先住民の間には遺伝的および文化的祖先が共通していることも示唆されている。[21] [20]
パレオ・エスキモーと同時期に遡る北極小道具伝統（ASTt）文化の証拠が発見されている。[22]この文化は、サッカク族やプレドーセット族を含む複数の北極文化の同様の道具使用を概念的に結びつけるものである。[23] [24]北極小道具伝統は、2700年から1200年前に北米北極圏を占領したドーセット文化の直接の祖先である。[24]
初期のイヌイット（トゥーレ）族が北極圏に移住し、700年前[20]から800年前[25]にパレオエスキモーの人口に取って代わった。[20]これらの人々を「トゥーレ」という用語で表現することについては、ナチ党が「無関係」に使用したことから議論されている。[25]トゥーレ族は、北極圏の小道具の伝統とドーセットの人口の子孫である可能性が高く[24] 、現在北アメリカ北極圏に居住する先住民族の1つである現代のイヌイットを生み出したことが知られている。 [19]ラップランド大学の出版物によると、イヌイットは「北極圏に住む40を超える民族」の1つである。[26]
初期の住民が感じた急激な寒冷化は、 1300年代の小氷期の早期の始まりを告げるものでした。これにより海氷が拡大し、グリーンランドとアイスランドを通る航行が不可能になり、人々は家や集落に閉じ込められ、貿易は停止しました。[27]
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18世紀後半から19世紀初頭にかけて、ノースウェスト会社とハドソン湾会社によるヨーロッパの貿易がカナダ北部に拡大するにつれ、北極圏の先住民が貿易に深く関わるようになった。やかん、鉄器、タバコ、アルコール、銃など、ヨーロッパからの品々がますます増え、先住民はコミュニティ内で売買するようになった。18世紀初頭の先住民社会は、ヨーロッパの商人から銃も購入するようになった。銃は狩猟の効率を高め、その地域の資源不足を招いた。これは、アメリカの人間生態学者ギャレット・ハーディンが「コモンズの悲劇」と呼んだものの一種である。[28]
北極圏の先住民の生活様式は、彼らの環境に対する精神的かつ科学的な理解を同時に反映している。[29]
北極の生態学的探検の歴史
初期の北極探検
18世紀後半から19世紀初頭にかけて、英国の科学者ウィリアム・スコアズビーが北極圏を探検し、気象学、動物学、地球物理学に関する報告書を執筆した。この頃、北極圏は帝国科学の主要な研究対象となりつつあった。常設の観測所はまだ設置されていなかったが、19世紀初頭には旅する科学者たちが北極圏で磁気データを収集し始めた。1831年6月、ジェームズ・ロス卿と北極圏の先住民の一団がブース半島を探検し、磁北極の正確な位置を突き止めた。しかしヨーロッパの北極圏では、アイスランドとグリーンランドにノルウェー人が築いた初期の植民地の結果として、スカンジナビア諸国がほとんどの科学的データを収集した。北極圏への科学的探検は19世紀半ばまでに頻繁に行われるようになった。 1838年から1840年にかけて、フランスのラ・ルシェルシュは、フランス、デンマーク、ノルウェー、スウェーデンの科学者チームとともに北大西洋への探検に出かけました。1856年から1914年にかけて、スウェーデンはノルウェーの北極圏のスピッツベルゲン島への探検を約25回行いました。スウェーデンはスピッツベルゲン島での影響力を拡大し、鉱業や資源採掘を通じて経済的、科学的目的のためにこの地域を利用しました。この間、米国、ロシア、英国、オーストリア、スイス、ノルウェー、ドイツもスピッツベルゲン島でより積極的になり始めました。[30]
近代史
1946年、北極圏特有の物理的・生物学的現象を調査することを目的として、アラスカ州ポイントバローに海軍研究局との契約により北極圏研究所が設立された。[31]科学者たちは、新たな観察結果をそれまで広く受け入れられていた知識と結び付けるデータ収集のため、フィールドワークを実施した。土壌サンプルの採取、景観の調査と写真撮影、サケのタグ配布といったプロセスを通じて、科学者たちは環境科学の研究における歴史的ケーススタディの重要性を実証した。過去と現在のデータを比較する能力により、科学者たちは生態学的変化の原因と影響を理解することができた。この頃、マギル大学の地理学者たちは北部の地理を研究する新しい方法を開発していた。実験室での研究がフィールド研究よりも好まれ始めたため、マギル大学の地理学者たちは研究に航空を利用し、知識生産がフィールドではなく実験室で行われるようにした。航空によって、研究者たちは北部の景観と先住民の研究方法を見直すことができた。航空機による移動の容易さは、研究対象となる生態学の規模を変えながら、北部の科学と南部のコミュニティベースの科学の統合も促進した。航空機から北極を撮影し観察する能力は、研究者に客観性を主張しながら一度に広大な空間を見ることができる視点を提供した。さらに、写真は非科学的なグループによって理解され、流通され、受け入れられる可能性があった。[32]
冷戦中、カナダ政府は大陸の安全を確保し、当時アメリカが優勢だった北極圏を含むカナダ北部の領有権を主張するための取り組みを始めた。カナダ政府は、自国の土地を軍事目的に利用するには他国の許可が必要だった。さらに、資源開発や野生生物保護などの民間の取り組みを支援し、実施した。[33]さらに、この時期の紛争の一環として、米国とソ連の両国は北極圏の一部を支配しようとしており、その過程で研究施設の建設も行われた。[9]
1950年代、生態学者チャールズ・エルトンは、動物の個体群周期の存在、原因、影響を研究するために北極圏に引き寄せられ、一方、生態学者フランク・バンフィールドとジョン・ケルサルは、カリブーなどの動物の狩猟や狩猟個体群に影響を与える要因、特に人間の影響を研究しました。[34] 1960年代と1970年代には、北極圏には大きな生物多様性が欠けていると見なされたため、北極圏を保護したいという欲求が減少し、科学者は、そのような保護に伴う可能性のある制限なしに、この地域のさらなる研究を拡大しました。1960年6月、ダンカン・ハロック将軍と米国陸軍工兵隊の指揮の下、寒冷地研究工学研究所（CRREL）が建設されました。CRRELを構成する2つの前身組織は、北極建設および霜の影響研究所（ACFEL）と雪、氷および永久凍土研究施設（SIPRE）でした。 CREEL研究所の目標は、ACFELとSIPREを統合して、これらの組織の規模と科学的評価を拡大し、寒冷地域の問題を解決し、寒冷地域の基本的な環境特性を調査することであった。[35]
先住民と研究
北米北部の北極圏での研究がより頻繁になるにつれ、研究者と先住民族との交流が起こり、しばしば先住民族社会に有害な影響を与えた。[36]最近では、北米北極圏の先住民族社会が、同地域での研究の倫理基準の設定に直接的な役割を果たしている。先住民族社会は、北極圏の研究が地域の景観や経済に望ましくない変化をもたらす可能性があると懸念を表明し、カナダ当局は、研究を行う前に先住民族社会と協議する科学者の責任を取り上げることで彼らの懸念に応えた。1977年、同地域での科学活動を改善するために、マニトバ州チャーチルにカナダ北方研究大学協会（ACUNS）が設立された。ACUNSは、北部の先住民族と研究者の協力を促進することを目的とした文書「北方における研究の実施に関する倫理原則（1982年）」を出版した。この文書は、関係者が理解できるように英語、フランス語、イヌクティトゥット語で出版された。[37]北極圏の先住民コミュニティの活動家たちは、現在の北極の気候変動研究の方向性を決定することに関わっています。[38]多くの研究者は、破壊的な相互作用ではなく建設的な相互作用を促進するために、先住民と協力し、尊重することの価値を強調しています。[38] [39]
北極の環境
北極地域の陸上と海洋の両方の側面が北極の生態系に影響を与えています。影響力のある 2 つの環境要因は、海氷と永久凍土です。[論説]
海氷は海流に乗って移動する凍った海水です。[40]特に冬季には動物の一般的な生息地および休息場所となります。時間が経つにつれて、小さな海水が氷の中に閉じ込められ、塩分が絞り出されます。これにより、氷の塩分濃度は徐々に低下します。海氷は年間を通じて存在しますが、夏季には氷が少なくなります。
陸地の大部分は、年間を通じて凍結しています。永久凍土は、最低2年間凍結した基質です。[41]永久凍土には、不連続と連続の2種類があります。不連続永久凍土は、年間平均気温が氷点下（0℃または32℉）をわずかに下回る地域で見られ、保護された場所で形成されます。年間平均土壌表面温度が-5℃（23℉）未満の地域では、連続永久凍土が形成されます。これは保護された地域に限定されず、地表から数インチ下から300メートル（1,000フィート）以上の深さまで及びます。最上層は活動層と呼ばれ、夏に解け、植物の生命にとって重要です。
バイオーム
湿度と気温は、自然生態系の主要な物理的要因です。北半球の高緯度地域 (および他の高標高地域) では、より乾燥し、より寒い気候がツンドラや北方林を支えています。この地域の水は一般に凍結しており、蒸発率は非常に低いです。ツンドラから北方林、そして北極圏バイオームの南に見られる落葉温帯生態系へと地形が進むにつれて、種の多様性、栄養素の利用可能性、降水 量、平均気温が増加します。[引用が必要]
ツンドラ
ツンドラは北アメリカ、ユーラシア、グリーンランドの北緯70度以北に見られる。また、低緯度の高地にも見られる。[42]平均気温は−34℃（−29℉）で、夏季は10℃（50℉）以下となる。平均降水量は20～30cm（8～12インチ）で、[43]永久凍土の厚さは「数百メートル」に達することもある。[42]ツンドラに生息する植物種は一般に短く、凍結温度による維管束構造の脅威のため茎がなく、生育物質の多くは土壌の下に見られる。[44]ツンドラは主に多年生草本、矮性低木、イネ科植物、地衣類、コケ類で構成されている。[42] [45]
北方
ツンドラに比べて、北方林は生育期が長くて温暖で、種の多様性、樹冠の高さ、植生密度、バイオマスが増加しています。樹木が少なく、背の高い植生が特徴のツンドラとは異なり、[45]北方林は多くの異なる樹種を支えています。[46]北方条件は、北アメリカ北部、ヨーロッパ、ユーラシア全土に見られます。[46]大陸の内部にある北方林は、非常に寒い冬（酔った木を参照）のために永久凍土の上に生育しますが、北方林バイオームの大部分は永久凍土が部分的にあるか、永久凍土がまったくありません。北方林の短い（3〜4か月）生育期は、ツンドラが受ける（年間30〜85 cmまたは12〜33インチ）よりも多くの降雨量によって維持されています。このバイオームは、トウヒ、モミ、マツ、アメリカスギなどの常緑針葉樹の閉鎖林と、一部の拡散多孔質広葉樹で占められています。低木、草本植物、シダ、コケ、地衣類も重要な種です。[要出典]林冠火災はこのバイオームにとって重要であることが示されていますが、[47]他の研究では、林冠火災は地上火災よりも森林の生物多様性に有害である可能性があることが示唆されています。[48]最近の研究では、気候変動によるこの地域の火災と干ばつの頻度の変化が、生物多様性に潜在的に損害を与える可能性があることが実証されています。[48] [47]
状況への適応
人間
北極圏に住む人間は、北極圏の極寒に耐えるために、順応と身体的、代謝的、行動的適応に頼っている。 [49]現代のイヌイット集団は、体温調節を助ける脂肪をコードする特定の遺伝子の有病率が高いという証拠がある[50] [51]また、北極圏の先住民集団は、非先住民集団よりも基礎代謝率（BMR）が著しく高い。[52] BMRは、WPTジェームズによって「空腹時および体温中性状態での安静時の酸素摂取率」と定義されている。[53]キーストラらによる研究では、寒冷気候への適応と「代謝熱産生」を「高める」甲状腺ホルモンに対するミトコンドリアの反応との間に関連があることも示唆されている。[54]
その他の動物
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冬に活動する動物は、極寒を生き抜くための適応を遂げています。 [55]一般的な例としては、体重に比べて著しく大きな足があることが挙げられます。これはスノーシューのような働きをし、カンジキウサギやカリブーなどの動物に見られます。北極圏の動物の多くは温帯の動物よりも大きく（ベルクマンの法則）、体が大きくなるほど表面積と体積の比率が小さくなることを利用しています。これにより、熱を保持する能力が高まります。脂肪、羽毛、毛皮の層も断熱材として機能し、暖かさを保つのに役立ち、ホッキョクグマや海洋哺乳類などの北極圏の動物によく見られます。動物の中には、微生物の助けを借りて、または借りずに木本植物を消化する能力を高める消化適応をしているものもあります。これは、ほとんどの柔らかい植物が積雪の下にある冬の間には非常に有利です。
北極の動物すべてが厳しい冬に直接直面するわけではない。多くの動物は低緯度の温暖な気候へと移動するが、他の動物は春まで冬眠することで冬の厳しさを回避する。[55]
植物
北極の植物が直面する問題の 1 つは、細胞内での氷の結晶形成で、これは組織の死につながります。植物が凍結のリスクに対処する方法は 2 つあります。凍結を避けるか、凍結を許容するかです。植物には凍結を防ぐ回避メカニズムがいくつかあります。断熱材を作ったり、茎を地面に近づけたり、積雪による断熱材を利用したり、過冷却したりすることができます。過冷却すると、水は (通常の凝固点である 0 °C または 32 °F と比較して) -38 °C または -36 °F まで液体のままでいることができます。水が -38 °C (-36 °F) に達すると、自然に凍結し、植物組織が破壊されます。これを核形成点と呼びます。溶解した溶質が存在すると、核形成点が下がることがあります。
あるいは、植物は凍結を避けるのではなく、凍結に耐えるさまざまな方法を持っています。一部の植物は細胞外の凍結を許可しますが、細胞内の凍結は許可しません。植物は細胞外の空間で水を凍らせ、高い水蒸気不足を引き起こして細胞から水蒸気を引き出します。このプロセスにより細胞が脱水され、-38 °C (-36 °F) よりはるかに低い温度でも細胞が生き残ることができます。
極寒に関連するもう 1 つの問題は、キャビテーションです。環状孔のある木材は、水の輸送に使用される大きな孔が凍結しやすいため、キャビテーションが発生しやすいです。環状拡散材の木では、キャビテーションの問題ははるかに少なくなります。環状拡散材では、輸送孔が小さいため、キャビテーションのリスクが低くなります。その代償として、これらの樹種は水を効率的に輸送できません。
気候変動が北極の生態系に与える影響
北極圏では、世界規模の気候変動による気温上昇が「世界平均」よりも大きいことが観測されており、北極圏の気温は2倍の速さで上昇している。[56] [57]北極圏で相対的に気温上昇が大きいことが観測されている現象は、「北極増幅」と呼ばれている。[58]北極圏での気候変動増幅は、海氷の融解、[58]北極海の塩分濃度の低下、[59]海流と水温の変化、[57]降水量の増加など、北極圏の生態系に影響を与えており、これらはすべて、熱塩循環の混乱につながる可能性がある。[60]さらに、北極圏の気候の変化は生態系のプロセスを混乱させ、海洋生物の多様性と、海洋生態系に依存する陸上生物の多様性を脅かす可能性がある。[56]北極圏の気候変動が永久凍土の融解によって陸上生態系に直接影響を与え、 [61]炭素排出に寄与していることをさらに示す追加の証拠も見つかっている。[62] [63]
熱塩循環は、海水の塩分と温度によって駆動される一連の海底海流である。[64]氷床が溶けると北大西洋に大量の淡水が流入し、密度の変化によってこれらの海流が乱れる可能性がある。[57]ただし、海氷の融解と海水の温暖化によって逆の結果がもたらされ、熱塩循環が強化されるか、または維持される可能性もあるという予測もある。[66] [67]地球の気候は熱塩循環に依存しているため、この循環の変化は気温と降水量に大きな影響を与える可能性がある。[68] [69]
海氷の融解は、ホッキョクグマ、ホッキョクギツネ、アザラシや海鳥の複数の種を含む幅広い種の生命と生態系の相互作用をさらに混乱させます。この混乱は、これらの種が海氷を移動、狩猟、交尾などのさまざまな行動に利用することなど、多くの要因によって引き起こされる可能性があります。[45] [70]海氷の減少は、植物プランクトンの成長に利用できる栄養素を変化させ、北極の生態系の相互作用をさらに混乱させ、北極の海洋熱帯網の「基盤」を脅かす可能性があります。[71]最近の予測では、地球温暖化により、2050年までに北極の夏の海氷のほとんどが消失する可能性があることが示唆されています。 [72]
永久凍土の劣化により、地表の沈下や隆起が顕著になっています。[73]北極圏の多くの地域で地盤が溶けているため、何世紀にもわたって人が住んでいた町やコミュニティの所在地が危険にさらされています。[73]この融解により、酔っ払い樹木症候群と呼ばれる症状が引き起こされています。[74]さらに、土壌の特性や植物群集の構成に広範囲にわたる影響が及んでおり、現在の生態系の関係が変化する恐れがあります。[75]永久凍土に蓄積された有害な化学物質や廃棄物の放出[76]や、永久凍土の不安定化による人間のインフラへの被害により、地下水や河川の流出にも悪影響が出ています。 [77]マイナーらによる研究では、永久凍土の融解による汚染の増加が北極圏の生態系の安定性を「破壊」する可能性があることが示唆されています。[76]
温暖化によりCO
2永久凍土が溶けると、一部の地域では光合成生物の吸収能力が著しく低下するが、科学者は、永久凍土が溶けることで、それまで永久凍土に閉じ込められていた大量の炭素も放出されるのではないかと懸念している。 [62]気温の上昇により土壌分解が促進され、土壌分解が純一次生産を上回ると、地球全体の大気中の二酸化炭素が増加する。永久凍土が溶けて北極の地下水位が下がると、地下水の大気吸収量も減少する。[78]
永久凍土からの炭素放出の影響は、ユーラシア大陸とカナダの北方林における森林伐採の進行によってさらに拡大する可能性がある。 [79]
人間の活動は北極の生態系への非在来種（NIS）の導入につながり、一方で気候条件の変化はそれらの生存を可能にした。[80] [81] NIS導入の最も重要な原因は船舶輸送であると示唆されており、[80]海氷が溶けることで北極海を通る船舶の移動が増えることが懸念されている。[81] [82]これらのNIS導入は、地球規模の生物多様性に対する大きな脅威とされている。[83]気候変動によって引き起こされた北極の生息地と環境の変化[84]も、一般的な渡りルートである東アジアフライウェイを利用する鳥を含む多くの異なる種を脅かしている。[85]北極の海洋生物多様性は、人為的な環境破壊によっても脅かされている。[86]さらに、気候変動は北極の生態系が果たす生態系サービスの効率を変える可能性がある。[87]
北極圏は、その厳しい環境、限られた食料源、限られたアクセスのため、歴史的にNISの侵入リスクが低い地域とみなされており、その結果NISの生存と成長の可能性は低かった。[80]しかし、近年の人間による開発の増加と気候変動による氷の融解により、北極圏はより温暖な気候を経験している。これにより、南方種またはNISの生存率が高くなり、これらの種にとって生存しやすい条件が整った。長期的には、資源と土地の枯渇の新たな原因があるため、自然の生態系と食物連鎖は壊滅的になっている。[88]
北極などの地域の種の豊富さを監視し、生物多様性の傾向と、実施されているさまざまな地域戦略が生態系にどのような利益をもたらすか、または害をもたらすかを理解するために、長期的な緩和戦略を実施する必要があります。[89] NISの移動を減らすことで地域の生物多様性を保護するのに役立つ可能性のある緩和戦略の1つは、防汚です。[90]防汚技術では、船の船体に特殊な塗料を塗布して、水中領域の海洋生物の成長を遅らせます。[91]これらの塗料には鉛や銅などのさまざまな殺生物剤が組み込まれており、北極地域に商品を輸送する車両にさまざまなNISが付着するのを防ぐのに役立ちます。[90]このプロセスにより、人間によって北極に移動されるNISの量が間接的に削減されますが、防汚により潜在的に有害な化学物質が海洋環境に導入されるため、殺生物剤の使用、量、場所を徹底的に検討して緩和する必要があります。[90]現在の科学的・環境的考え方は、殺生物剤を使わない防汚戦略の開発と使用に傾いています。[92]北極の生物多様性の喪失とその緩和策は、北極の種が気候変動への反応に強く影響するさまざまな地域条件と相互作用するため、過度に一般化することはできません。[86]
参照
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外部リンク
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