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砂漠生態学とは、砂漠環境における生物的要素と非生物的要素の相互作用を研究する学問である。砂漠生態系は、生物、生物が生息する気候、そして生息地に影響を与えるその他の非生物的要因との相互作用によって定義される。砂漠は一般的に温暖な気候と関連付けられる乾燥地帯であるが、寒冷な砂漠も存在する。砂漠はすべての大陸に存在し、最大の砂漠は南極大陸、北極圏、北アフリカ、中東に位置する。
砂漠は気温や気象条件が大きく異なり、高温砂漠、半乾燥砂漠、沿岸砂漠、寒冷砂漠の4種類に分類されます。高温砂漠は年間を通して気温が高く、年間降水量が少ないのが特徴です。湿度が低いため、日中の気温が高くなり、夜間の熱損失も大きくなります。高温砂漠の年間平均気温は約20～25℃ですが、極端な気象条件では-18～49 ℃ まで気温が変化することもあります。
一般的に降雨があり、その後長期間の乾燥が続きます。半乾燥砂漠は高温砂漠と似たような状況ですが、最高気温と最低気温はそれほど極端ではなく、一般的に10～38 ℃の範囲です。沿岸砂漠は高温砂漠や半乾燥砂漠よりも涼しく、夏の平均気温は13～24 ℃です。また、総降水量も多くなります。寒冷砂漠は気温は沿岸砂漠と似ていますが、年間降水量は雪の形で多くなります。[ 1 ]砂漠は乾燥した気候で特に有名です。これは通常、周囲の地形によるものです。たとえば、雨を遮る山脈や海からの距離は、砂漠の乾燥に寄与する2つの地理的特徴です。雨を遮る山脈は雨陰を作り出します。空気が上昇して冷えると、相対湿度が上昇し、水分の一部または大部分が雨となって放出され、山脈の反対側では降水を形成する水蒸気がほとんど、または全く残りません。
砂漠は地球の陸地の5分の1を占め、南半球と北半球の両方で緯度15度から35度の間の2つの帯に分布しています。[ 2 ]これらの帯は、熱帯のすべての地域が受ける強い日射と、ハドレー循環とフェレル循環の両方の下降気流によって運ばれてくる乾燥した空気に関連しています。乾燥した風はこれらの地域にほとんど水分を含まず、存在する水分を蒸発させる傾向があります。
多くの砂漠生態系は、放射量や気温ではなく、利用可能な水量によって制限されています。これらの生態系における水の流れは、エネルギーの流れに似ていると考えることができます。実際、砂漠生態系や生態学を研究する際には、水とエネルギーの流れを一緒に検討することがしばしば有効です。[ 3 ]
砂漠における水の利用可能性は、緩い堆積物によっても妨げられる可能性がある。砂塵雲は、風の強い乾燥した気候でよく発生する。科学者たちはこれまで、砂漠の砂塵雲が降雨量を増加させると理論づけてきたが、最近の研究では、この現象が大気中の水分を吸収することで降雨を実際に阻害することが示されている。この大気中の水分の吸収は、正のフィードバックループを引き起こし、さらなる砂漠化につながる可能性がある。[ 4 ]
砂漠の景観には、オアシス、岩の露頭、砂丘、山など、さまざまな地質学的特徴が含まれることがあります。[ 5 ]砂丘は、風が堆積物を移動させて盛り上がった構造物です。砂漠の砂丘は、一般的に風に対する向きに基づいて分類されます。おそらく最もよく知られている砂丘の種類は、風の方向に対して横向きの頂上を持つ横断砂丘です。多くの砂丘は活動的であると考えられており、風の影響で時間とともに移動したり変化したりする可能性があります。しかし、一部の砂丘は植生や地形によって固定され、移動が妨げられることがあります。[ 6 ]一部の砂丘は粘着性砂丘とも呼ばれます。これらのタイプの砂丘は、個々の砂粒がセメントで固められたときに発生します。粘着性砂丘は、緩い砂丘よりも安定しており、風による再加工に抵抗力があります。[ 7 ]バルハン砂丘とセイフ砂丘は、最も一般的な砂漠の砂丘です。バルハン砂丘は、風が常に同じ方向に吹くことで形成され、砂丘の頂上が三日月形をしているのが特徴です。セイフ砂丘は細長く、鋭い頂上が特徴で、サハラ砂漠でより一般的です。[ 8 ]
砂漠環境における地質学的特徴の分析は、その地域の地質史について多くのことを明らかにすることができる。岩石堆積物の観察と識別を通して、地質学者は砂漠形成中に起こった出来事の順序を解釈することができる。例えば、ナミブ砂漠の地表地質に関する研究により、地質学者は岩石の年代と地域で確認された特徴に基づいて、クイセブ川の古代の動きを解釈することができた。 [ 9 ]
砂漠には、極端な気温や乾燥した環境に対する耐性や回避方法を進化させてきた多様な動植物群が生息しています。例えば、砂漠の草原は周囲の生態系よりも湿度が高く、やや涼しいです。多くの動物は周囲の植物を食べることでエネルギーを得ますが、砂漠の植物は生物にとって食べるのがはるかに困難です。[ 10 ]高温を避けるため、砂漠に生息する小型哺乳類の大部分は夜行性で、日中は強い砂漠の太陽を避けるために巣穴に住んでいます。これらの巣穴は、哺乳類にとって最適な温度を維持することで、過熱や脱水を防ぎます。[ 11 ]砂漠の生態系は、乾燥したアルカリ性の土壌、低い純生産量、草食動物や肉食動物による日和見的な摂食パターンが特徴です。他の生物の生存戦略は生理学に基づいています。そのような戦略には、予想される干ばつ期の前にライフサイクルを完了することや、特殊な器官の助けを借りて水を貯蔵することが含まれます。[ 12 ]
砂漠の気候は、恒温動物にとって特に過酷です。しかし、恒温動物は、干ばつの影響を受けやすい砂漠生態系などの生息地で水分保持を助けるメカニズムを適応させてきました。[ 13 ]外気温が体温より低い環境では、ほとんどの恒温動物は熱産生と熱放散のバランスをとって快適な温度を維持できます。しかし、気温と地温が体温を超える砂漠では、恒温動物はこれらの環境で吸収される大量の熱を放散できなければなりません。極端な条件に対処するために、砂漠の恒温動物は回避、恒常性の緩和、特殊化などの手段で適応してきました。カンガルーネズミのような夜行性の砂漠の齧歯類は、日中は地下深くの涼しい巣穴で過ごし、夜に出てきて餌を探します。鳥は地上に生息する恒温動物よりもはるかに移動性が高く、そのため水源の間を飛ぶことで熱による脱水を避けることができます。過熱を防ぐため、多くの砂漠哺乳類の体温は、砂漠以外の哺乳類よりもはるかに高くなるように適応している。例えば、ラクダは、典型的な砂漠の気温とほぼ同じ体温を維持できる。この適応により、ラクダは大量の水を長時間保持することができる。砂漠哺乳類の体温が高い他の例としては、昼行性のアンテロープジリスやオリックスなどが挙げられる。砂漠の恒温動物の中には、脱水症状に対処するために非常に特殊で独特な特徴を進化させているものもある。オスのサケイは、水を捕らえて運ぶことができる特殊な腹部の羽毛を持っている。これにより、サケイはまだ自分で水源まで飛ぶことができない雛に水分補給源を提供することができる。[ 14 ]
砂漠は厳しい気候条件ですが、それでも生育できる植物も存在します。乾燥した砂漠で生き残ることができる植物は乾燥地植物と呼ばれ、長期間の乾燥に耐えることができます。こうした植物は、日中は気孔を閉じ、夜になると再び開きます。夜間は気温がはるかに低いため、植物は水分損失が少なくなり、光合成に必要な二酸化炭素をより多く取り込むことができます。
乾燥地植物の適応には、熱や水分損失への耐性、水分貯蔵能力の向上、葉の表面積の減少などがある。砂漠植物で最も一般的な科の1つはサボテンで、草食動物から身を守るために鋭い棘や剛毛で覆われている。オールドマンサボテンのように、特定のサボテンの剛毛は日光を反射する能力も持っている。キョウチクトウのような特定の乾燥地植物は、高温で乾燥した砂漠の風から身を守るために気孔が奥まっているため、葉がより効果的に水分を保持できる。オコティージョのような乾燥地植物には、もう1つのユニークな適応が見られる。オコティージョは「年間の大半は葉がなく、過剰な水分損失を回避している」。[ 15 ]
また、地下水面に到達して植物への水分供給を確保するために、非常に長い根系を発達させることで過酷な砂漠環境に適応した地下水植物と呼ばれる植物も存在する 。その根系の中には長さが80フィートにもなるものもある。[ 16 ]
ほとんどの砂漠地域の厳しい気候は、これらの生態系の研究を行う上で大きな障害となっている。生存するために特別な適応を必要とする環境では、研究者がそのような地域の生態を調査するために長期間を費やすことは困難、あるいは不可能な場合が多い。砂漠の気候によって課せられる制約を克服するために、一部の科学者はリモートセンシングとロボット工学の分野における技術的進歩を利用してきた。1997年に行われたそのような実験の1つでは、Nomadという特殊なロボットがアタカマ砂漠の一部を移動した。この探検中、Nomadは200キロメートル以上移動し、研究者にその経路に沿って訪れた場所の多くの写真を提供した。[ 17 ] 2004年に行われた別の実験、アラブ首長国連邦統一エアロゾル実験では、研究者は衛星とコンピューターモデルを使用して、アラビア砂漠の排出物とその気候への影響を研究した。[ 18 ]