生態系のエネルギー効率

この計算の道すじ。 食べた量から同化量を求め（手順1）、1つ前の段の同化量で割って百分率にする（手順2〜3）。二次消費者でも同じ計算をして（手順4〜5）、段を上がると小さくなるわけを確かめる。最後に、前の段がない生産者の扱いを見る。

生態系の生き物は、食べる、食べられるの関係で段に分けられる。光合成で有機物を作る生産者がいちばん下の段で、それを食べる一次消費者、一次消費者を食べる二次消費者と続く。この段を栄養段階という。

同化量は、食べた量のうち、消化して体に取り込んだ量である。食べた量を摂食量、消化されずにふんとして出た量を不消化排出量という。どちらもエネルギーの量として数え、単位には${\text{kJ/(m}}^2\text{⋅年)}$などを使う。

公式の$\times 100$は、割合を百分率に直すためのものだ。エネルギーどうしの割り算なので、単位は消える。

では、面積1 m²あたり1年間の数で計算してみよう。生産者の総生産量を10,000 kJ、一次消費者の摂食量を1,500 kJ、不消化排出量を500 kJとする。総生産量は生産者が光合成で作った有機物のエネルギーで、生産者の同化量にあたる。数値はこのあとも、説明のために作った例である。

1. 摂食量から不消化排出量を引き、一次消費者の同化量を出す

   $$1,500-500=1,000$$

2. 1つ前の段である生産者の総生産量で割る

   $$\frac{1,000}{10,000}=0.10$$

3. 100を掛けて百分率にする

   $$0.10\times 100=10\%$$

一次消費者の同化量1,000は、そのまま次の段へ渡るわけではない。呼吸に600を使うと、体を作るなどに回せる生産量は400になる。

二次消費者が食べるのは、この400のうちの180だ。そのうち30は消化されずに出ていく。

4. 二次消費者の同化量を出す

   $$180-30=150$$

5. 1つ前の一次消費者の同化量で割り、100を掛ける

   $$\frac{150}{1,000}\times 100=15\%$$

段を上がると小さくなるわけ

一次消費者の同化量1,000と、二次消費者の同化量150の差は、どこへ消えたのだろうか。消えてはいない。次の段へ渡らずに、ほかの行き先へ分かれたのだ。呼吸の600、食べられなかった220（$400-180$）、次の段が消化できずに出した30を、次の段の同化量150に足すと、もとの1,000に戻る。

$$1,000=600+220+30+150$$

いちばん大きいのは呼吸で、使ったエネルギーは最後に熱になって生態系の外へ出ていく。食べられずに死んだ分や、ふんとして出た分は、次の段ではなく、菌類や細菌などの分解者へ回る。だから段を上がるたびに、同化量は小さくなる。

段を積むと細くなる

同化量を横幅にして積むと、ピラミッドの形になる。三次消費者の同化量を20とすると、段ごとの効率は10%、15%、約13%で、そろってはいない。

$$\frac{20}{150}\times 100\approx 13\%$$

段から段へ渡る割合を「約10%」とまとめた説明を見かけることがある。ただ、これは目安でしかなく、決まった値ではない。オルデンブルク大学の解説は、平均すれば10%前後だが、詳しい調査では2〜24%の幅があるという1995年の研究を紹介している。計算では、問題や資料の数値から毎回出すことになる。

効率のつまみを動かすと、上の段の細り方が変わる。どの段も同じ効率にした仮の例なので、実際の生態系のような段ごとの違いは出ない。左へ出る矢印は次の段へ渡らない分を指し、長さは量を表さない。

前の段がない生産者

生産者には1つ前の栄養段階がないので、公式の分母が決まらない。そこで、太陽から届く光のエネルギーと比べる方法がある。届く光を1,000,000 kJとすると、次の値になる。

$$\frac{10,000}{1,000,000}\times 100=1\%$$

平凡社の『世界大百科事典』も、生産者が太陽エネルギーを利用する効率を「エネルギー効率」とも呼ぶとし、生育期間中に入ってくるエネルギーに対する総生産の比は、森林で2.1〜3.2%と紹介している。

ただ、呼び名も決め方も資料によって違う。大学入試センターの「生物」の問題例は、生産者の段では太陽の入射エネルギーを分母に置き、似た比を「変換効率」と呼んでいる。試験では、問題文の決め方に従えばよい。