生産性（生態学）

生態学において、生産性という用語は、生態系におけるバイオマスの生成率を指し、通常はグラム/平方メートル/日（gm ⁻² d ⁻¹ ）など、単位時間あたり体積（単位表面積）の質量の単位で表されます。質量の単位は、乾燥物質または生成された炭素の質量に関連します。植物などの独立栄養生物の生産性は一次生産性と呼ばれ、動物などの従属栄養生物の生産性は二次生産性と呼ばれます。^[1]

生態系の生産性は、栄養素の利用可能性、温度、水の利用可能性など、さまざまな要因によって影響を受けます。生態系の生産性を理解することは、生態系がどのように機能し、どの程度生命を支えることができるかについての洞察を提供するため、非常に重要です。^[2]

一次生産とは、無機分子から有機物を合成することです。ほとんどの生態系における一次生産は、光合成のプロセスによって支配されており、生物は太陽光、H ₂ O、CO ₂から有機分子を合成します。^[3]水生一次生産性とは、海洋、湖沼、河川などの水生生態系における植物プランクトン、水生植物、藻類などの有機物の生産を指します。陸生一次生産性とは、森林、草原、湿地などの陸生生態系で行われる有機物の生産を指します。

一次生産は、純一次生産（NPP）と総一次生産（GPP）に分けられます。総一次生産は、一次生産者によって有機分子に同化されたすべての炭素を測定します。^{[4]純一次生産は、一次生産者による有機分子を測定します。純一次生産も、一次生産者によって有機分子に同化された炭素の量を測定しますが、}細胞呼吸などの生物学的プロセスのためにこれらの生物によって再び分解される有機分子は含まれません。^[5] NPPの計算に使用される式は、純一次生産 = 総一次生産 - 呼吸です。

光エネルギーを利用して炭素を固定し、一次生産に参加する生物は光合成独立栄養生物と呼ばれます。^[6]

光合成独立栄養生物は生命の樹全体に存在します。シアノバクテリア^[7]や一部のシュードモナス亜綱（旧称プロテオバクテリア）など、多くの細菌分類群が光合成独立栄養生物であることが知られています。^[8] 真核生物は、共生関係から生じたプラスチドの発達により光合成に参加する能力を獲得しました。^[9]紅藻類、緑藻類、植物を含むアーキプラスチダは、アルファプロテオバクテリアとの太古の共生関係に由来する葉緑体を進化させました。^[10]植物は光合成独立栄養生物ですが、その生産性は塩分や周囲の環境からの非生物的ストレスなどの要因にも依存しています。 ^[11]残りの真核光合成独立栄養生物は、SARクレード（ストラメノピラ、アルベオラータ、リザリアで構成）に属します。 SAR系統群の生物は、緑藻類や紅藻類との二次的または三次的な共生関係を通じてプラスチドを発達させた。^{[12] SAR系統群には、}ケルプ、珪藻類、渦鞭毛藻類など、多くの水生および海洋一次生産者が含まれる。^[12]

一次生産のもう一つの過程は岩石独立栄養である。岩石独立栄養生物は、水素ガス、硫化水素、メタン、または鉄イオンなどの還元化合物を使用して炭素を固定し、一次生産に参加する。岩石独立栄養生物は原核生物であり、細菌ドメインと古細菌ドメインの両方のメンバーによって代表される。 ^{[13]岩石独立栄養は、}地下水生態系、^[14] 熱水噴出孔生態系、^[15] 土壌生態系、^[16]洞窟生態系など、 光のない生態系で可能な唯一の一次生産形態である。^[17]

二次生産とは、システム内の従属栄養生物（消費者）によるバイオマスの生成です。これは栄養段階間の有機物質の移動によって促進され、同化された食物の使用によって生成される新しい組織の量を表します。二次生産は、草食動物の消費者による一次生産者の消費のみを含むと定義されることもあります^[18]（三次生産は肉食動物の消費者を指します）^[19]が、より一般的には従属栄養生物によるすべてのバイオマス生成を含むと定義されます。^[1]

二次生産を担う生物には、動物、原生生物、菌類、多くの細菌などが含まれる。^[要出典]

二次生産は、増分和、除去和、瞬間成長法、アレン曲線法など、さまざまな方法で推定できます。^[20]これらの方法の選択は、それぞれの仮定と研究対象の生態系によって異なります。たとえば、コホートを区別する必要があるかどうか、線形死亡率を想定できるかどうか、人口増加が指数関数的であるかどうかなどです。^{[引用が必要]}

純生態系生産は、総一次生産量（GPP）と生態系呼吸量の差として定義されます。^[21]純生態系生産量を計算する式は、NEP = GPP - 呼吸量（自栄生物による） - 呼吸量（従属栄養生物による）です。^[22] NPPとNEPの主な違いは、NPPが主に自栄生物の生産に焦点を当てているのに対し、NEPは生態系の他の側面の貢献を総炭素予算に組み込んでいることです。^[23]

以下は、生産性の降順で並べた生態系のリストです。^[要出典]

植物の生産性と生物多様性の関係は、何十年も議論の的となってきたものの、生態学における重要なトピックです。生産性と種の多様性は、気候、生態系の種類、土地利用の強度などの他の変数によって制限されます。^[24]植物の多様性と生態系の機能との相関関係に関するいくつかの研究によると、種の多様性が増加すると生産性も増加します。^[25]その理由の1つは、生態系に最初に存在する種の数が増えると、生産性の高い種を発見する可能性が高くなることです。^{[25] [26]}

他の研究者は、種の多様性と生産性の関係は生態系内では単峰性であると考えています。^[27]たとえば、1999年にヨーロッパの草原生態系について行われた研究では、種の多様性が増加すると最初は生産性が向上しましたが、中間レベルの多様性で徐々に横ばいになることが分かりました。^[28]最近では、さまざまな生態系タイプからの44の研究のメタ分析により、1つの研究を除いてすべてにおいて、多様性と生産性の相互作用は単峰性であることが観察されました。^[29]

人為的活動（人間の活動）は、いくつかの生態系の生産性とバイオマスに影響を与えています。これらの活動の例には、生息地の改変、淡水の消費、肥料による栄養素の増加などがあります。^[30]栄養素の増加は水域の藻類の大量発生を促し、一次生産を増加させますが、生態系の安定性を低下させます。^[31]これにより二次生産が増加し、食物連鎖全体に栄養段階のカスケード効果をもたらし、最終的には生態系全体の生産性が向上します。^[32]

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