生態学的効率

生態学的効率とは、エネルギーが1 つの栄養段階から次の栄養段階に伝達される効率を表します。これは、生態系における生物資源の獲得と同化に関連する効率の組み合わせによって決まります。

一次生産は、生態系の独立栄養生物で行われます。維管束植物や藻類などの光独立栄養生物は、太陽からのエネルギーを炭素化合物として蓄えられたエネルギーに変換します。光合成は、緑色植物のクロロフィルで行われます。光合成によって変換されたエネルギーは、生物が下位の栄養段階のメンバーを消費するにつれて、生態系の栄養段階を通じて運ばれます。

一次生産は、総一次生産と純一次生産に分けられます。総一次生産は、光合成独立栄養生物が太陽から得るエネルギーの尺度です。たとえば、太陽からx ジュールのエネルギーを取り込む草の葉を考えてみましょう。グルコースに変換されるそのエネルギーの割合は、草の葉の総生産性を反映します。呼吸後に残るエネルギーは、純一次生産と見なされます。一般に、総生産は呼吸前の生物に含まれるエネルギーを指し、純生産は呼吸後のエネルギーを指します。これらの用語は、独立栄養生物と従属栄養生物の両方におけるエネルギー伝達を説明するために使用できます。

栄養段階間のエネルギー移動は一般に非効率であり、ある栄養段階での純生産量は、その前の栄養段階での純生産量のわずか 10% に過ぎない (10 パーセントの法則)。非捕食性の死、排泄、細胞呼吸により、消費者による生産に吸収されるのではなく、かなりの量のエネルギーが環境に失われる。この数字は、典型的な生態系におけるエネルギー損失の各段階後に利用可能なエネルギーの割合を概算したものだが、これらの割合は生態系や栄養段階によって大きく異なる。非捕食性の死、排泄、呼吸の各段階でエネルギーが半分ずつ失われることは、多くの生物系で一般的である。したがって、ある栄養段階での純生産量は、その前の栄養段階の純生産量の約 10 パーセントである。 ${\displaystyle 1/2*1/2*1/2=1/8}$

たとえば、栄養段階 1 で 500 単位のエネルギーが生成されるものとします。その半分は非捕食による死で失われ、残りの半分 (250 単位) は栄養段階 2 で摂取されます。摂取された量の半分は排便によって排出され、残りの半分 (125 単位) は生物に吸収されます。最後に、残りのエネルギーの半分は呼吸によって失われ、残り (63 単位) は成長と繁殖に使用されます。成長と繁殖に費やされるこのエネルギーは、栄養段階 1 の純生産量 (単位) に相当します。 ${\displaystyle 500*1/2*1/2*1/2=63}$

生態効率は、資源の利用と資源がバイオマスに変換される程度を表すいくつかの関連する効率の組み合わせです。^[1]

• 利用効率は、摂取した食物の量を獲物の生産量で割ったものである（）${\displaystyle I_{n}/P_{n-1}}$
• 同化効率は、同化量を食物摂取量で割ったものである（）${\displaystyle A_{n}/I_{n}}$
• 純生産効率は、消費者の生産量を同化量（）で割ったものである。${\displaystyle P_{n}/A_{n}}$
• 総生産効率は、同化効率に純生産効率を掛け合わせたもので、消費者の生産量を摂取量で割ったもの（）に相当する。${\displaystyle P_{n}/I_{n}}$
• 生態学的効率は、搾取効率に同化効率を乗じ、純生産効率を乗じたものであり、消費者の生産量を獲物の生産量で割ったものに相当する（）${\displaystyle P_{n}/P_{n-1}}$

理論的には、上記の数学的関係を使用して生態学的効率を計算するのは簡単です。ただし、計算に含まれる値を正確に測定することは多くの場合困難です。たとえば、摂取量を評価するには、生態系で消費される食物の総量とそのカロリー量に関する知識が必要です。そのような測定は、特に生態学者や測定ツールがほとんどアクセスできない生態系に関しては、知識に基づいた推定よりも優れていることはめったにありません。結果として、生態系の生態学的効率は、近似値に過ぎないことがよくあります。一方、ほとんどの生態系では、効率の正確な測定値を取得することではなく、エネルギーが栄養段階をどのように移動しているかについての大まかな見当を得ることが重要であるため、近似値で十分な場合があります。

農業環境では、生産者（食料）から消費者（家畜）へのエネルギー伝達を最大化することで経済的利益が得られます。生態系や関連する効率を監視および改善する方法を研究する農業科学のサブ分野が生まれました。

牛によるエネルギー利用の純効率を比較すると、ヘレフォード種など歴史的に牛肉生産のために飼育されてきた品種は、ホルスタイン種など酪農生産のために飼育されてきた品種よりも、飼料からのエネルギーを組織として蓄積されたエネルギーに変換する点で優れていました。^[2]これは、タンパク質としてのエネルギー貯蔵が両方の品種で同じレベルであったため、肉牛が乳牛よりも多くの体脂肪を蓄える結果です。これは、屠殺用の牛の飼育は、牛乳生産用の飼育よりも飼料をより効率的に使用することを意味しています。

家畜のエネルギー利用効率を改善することは可能ですが、世界の食糧問題を考える上で、畜産と植物農業の違いも考慮することが重要です。脂肪組織のカロリー濃度は植物組織よりも高いため、高脂肪の生物は最もエネルギーが集中します。しかし、家畜の飼料を栽培するために必要なエネルギーは、脂肪細胞に変換されるのは一部だけです。飼料の栽培に投入される残りのエネルギーは、家畜によって呼吸または排泄され、人間が使用することができません。

1999年に米国で使用された合計28,400テラワット時（96.8 × 10 ¹⁵ BTU ）のエネルギーのうち、10.5％が食料生産に使用され、 ^[3]この割合は、生産者と一次消費者の栄養段階の両方の食料を占めています。動物の栽培と植物の栽培を比較すると、エネルギー効率の大きさに明らかな違いがあります。栽培に必要なキロカロリーのエネルギーから生産される食用キロカロリーは、鶏肉で18.1％ 、牧草飼育の牛肉で6.7％、養殖鮭で5.7％ 、エビで0.9％です。対照的に、ジャガイモは123％、トウモロコシは250％、大豆は415％の収量が、入力カロリーから人間が利用できるカロリーに変換されます。^[4]この効率の不均衡は、栄養段階の上昇による生産量の減少を反映しています。したがって、より低い栄養段階から食事を形成する方がエネルギー効率が高くなります。 ^ 

ある栄養段階から次の栄養段階へのエネルギー移転に関する10 パーセントの法則は、レイモンド リンデマン(1942)によるものですが、 ^[5] リンデマンはこれを「法則」とは呼ばず、0.1% から 37.5% の範囲の生態学的効率を挙げました。この法則によると、有機食品のエネルギーをある栄養段階から次の栄養段階に移転する際に、移転されたエネルギーの約 10 パーセントのみが肉として蓄えられます。残りは移転中に失われるか、呼吸で分解されるか、または上位の栄養段階による不完全な消化によって失われます。

生物が消費されると、食物に含まれるエネルギーの約 10% が肉に固定され、次の栄養段階 (肉食動物または雑食動物) で利用できるようになります。次に肉食動物または雑食動物がその動物を消費すると、より高いレベルのためにその肉に固定されるエネルギーは約 10% のみです。

たとえば、太陽が10,000 J のエネルギーを 放出すると、植物は太陽光から 100 J のエネルギーしか吸収しません(例外: 植物が太陽から吸収するエネルギーは 1% のみです)。その後、鹿は植物から 10 J (エネルギーの 10%) を吸収します。鹿を食べるオオカミは、1 J (鹿からのエネルギーの 10%) しか吸収しません。オオカミを食べる人間は、0.1 J (オオカミからのエネルギーの 10%) を吸収します。

10 パーセントの法則は、食物連鎖の循環に関する基本的な理解を提供します。さらに、10 パーセントの法則は、各栄養段階におけるエネルギー獲得の非効率性を示しています。合理的な結論は、できるだけ最初のエネルギー源に近いところで食物を調達することで、エネルギー効率を最もよく維持できるということです。

n(番目)レベルのエネルギー = (太陽から与えられるエネルギー)/(10)^(n+1)、

• エコ効率- 人間社会が生態資源を利用する際の経済効率