生産性（生態学）

生態学において、生産性とは生態系におけるバイオマスの生成速度であり、通常は単位時間あたりの体積（単位表面積）あたりの質量の単位で表され、例えば1平方メートルあたり1日あたりのグラム（gm ⁻² d ⁻¹）などである。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する。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る。^{[ 1 ]}

生態系の生産性は、栄養分の利用可能性、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与えてくれるため、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_は光合成の過程が支配的であり、生物は太陽光、H₂O、CO₂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、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。陸上一次生産性とは、森林、草原、湿地などの陸上生態系で行われる有機物の生産を指します。

一次生産は、純一次生産量（NPP）と総一次生産量（GPP）に分けられます。総一次生産量は、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 ]}純一次生産量は、一次生産者による有機分子を測定します。純一次生産量も、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で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 を計算するために使用される式は、純一次生産量 = 総一次生産量 - 呼吸です。

一次生産者

光合成独立栄養生物

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る。^{[ 6 ]}

光合成独立栄養生物は生命の系統樹全体に存在します。シアノバクテリア^{[ 7 ]}やシュードモナス門（旧プロテオバクテリア）^{[ 8 ]}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。真核生物は、細胞内共生関係から派生したプラスチドの発達を通じて光合成に参加する能力を獲得しました。 ^{[ 9 ]}紅藻、緑藻、植物を含むアーケプラスチダは、アルファプロテオバクテリアとの古代の細胞内共生関係から葉緑体を進化させてきました。^{[ 10 ]}植物の生産性は、光合成独立栄養生物である一方で、塩分濃度や周囲の環境からの非生物的ストレス要因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、リザリアを含む）に属します。 SARクレードに属する生物でプラスチドを発達させたものは、緑藻類や紅藻類との二次または三次内共生関係を通じてプラスチドを発達させた。^{[ 12 ]} SARクレードには、コンブ、珪藻類、渦鞭毛藻類など、多くの水生および海洋の一次生産者が含まれる。^{[ 12 ]}

独立栄養生物

一次生産のもう 1 つのプロセスは、岩石独立栄養です。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された化学物質を使用して炭素を固定し、一次生産に参加します。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ます。^{[ 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 ]}、および洞窟生態系^{[ 17 ]など、光のない生態系で可能な唯一の一次生産形態です。}

二次生産とは、システム内の従属栄養生物（消費者）のバイオマスの生成のことです。これは栄養段階間の有機物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、草食性消費者による一次生産者の消費のみを含むものと定義されることもありますが^{[ 18 ]} （三次生産は肉食性消費者を指します）^{[ 19 ]} 、従属栄養生物によるすべてのバイオマス生成を含むものと定義される方が一般的です。^{[ 1 ]}

二次生産を担う生物には、動物、原生生物、菌類、そして多くの細菌が含まれる。

二次生産は、増分加算法、除去加算法、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依存します。たとえば、コホートを区別する必要があるかどうか、線形死亡率を仮定できるかどうか、個体群増加が指数関数的であるかどうかなどです。

生態系の純生産量は、総一次生産量（GPP）と生態系の呼吸量の差として定義されます。^{[ 21 ]}生態系の純生産量を計算する式は、NEP = GPP - 呼吸量（独立栄養生物による） - 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が主に独立栄養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による炭素収支への寄与を組み込んでいる点です。^{[ 23 ]}

以下は、生産性の高い順に並べた生態系の一覧です。

植物の生産性と生物多様性の関係は、生態学において重要なテーマであるが、数十年にわたり議論の的となってきた。生産性と種の多様性は、気候、生態系タイプ、土地利用強度などの他の変数によって制約される。^{[ 24 ]}植物の多様性と生態系機能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につれて生産性も増加する。^{[ 25 ]}その理由の一つは、生態系に最初に存在する種の数が増えるにつれて、生産性の高い種を発見する可能性が高くなるからである。^{[ 25 ] [ 26 ]}

他の研究者たちは、生態系内では種の多様性と生産性の関係は単峰性であると考えている。^{[ 27 ]}例えば、1999年にヨーロッパの草原生態系で行われた研究では、種の多様性の増加は当初生産性を増加させたが、多様性が中程度のレベルで徐々に横ばいになったことがわかった。^{[ 28 ]}さらに最近では、さまざまな生態系タイプの44の研究のメタ分析により、多様性と生産性の相互作用は1つの研究を除いてすべて単峰性であることが観察された。^{[ 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きました。これらの活動の例としては、生息地の改変、淡水の消費、肥料による栄養分の増加などが挙げられます。^{[ 30 ]}栄養分の増加は水域で藻類の異常繁殖を促し、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カスケード効果が生じ、最終的には生態系全体の生産性が向上します。^{[ 32 ]}湖では、これらの人為的影響が気候変動の影響を「覆い隠す」可能性があります。^{[ 33 ]}一部の湖では、 藻類のバイオマスは気候と因果関係があり、生産性の一時的または長期的な変化（レジームシフト）が生じます。^{[ 33 ]}

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