メジャーIIの生物学

環境の非生物的要素と生物的要素を区別する

多くの力が、生物圏のさまざまな部分に存在する生物のコミュニティに影響を与えます（生命が住む地球のすべての部分）。生物圏は大気圏（地球から数キロ上）と海の深さまで広がっています。個々の人間にとって明らかに広大であるにもかかわらず、生物圏は、既知の宇宙と比較した場合、わずか1分のスペースしか占めていません。多くの非生物的な力は、生命が存在できる場所や、生物圏のさまざまな部分に見られる生物の種類に影響を与えます。非生物的要因は、気候、植物相、動物相の分布に影響を与えます。

生物地理学

生物地理学生物の地理的分布とその分布に影響を与える非生物的要因の研究です。気温や降雨量などの非生物的要因は、主に緯度と標高によって異なります。これらの非生物的要因が変化すると、動植物群集の構成も変化します。たとえば、赤道で旅を始めて北に歩くと、植物群落が徐々に変化していることに気付くでしょう。旅の初めには、赤道近くに見られる植物群落の特徴である、広葉樹の常緑樹が生い茂る熱帯の湿った森があります。北への旅を続けると、これらの広葉樹の常緑植物が、やがて木々が点在する季節的に乾燥した森林を生み出すのがわかります。また、温度と湿度の変化に気付くようになります。北に約30度で、これらの森林は降水量が少ないことを特徴とする砂漠に道を譲ります。

さらに北に移動すると、砂漠が草原または草原に置き換わっていることがわかります。最終的に、草地は落葉温帯林に置き換わります。これらの落葉樹林は、北極圏の南にある亜寒帯に見られる北極圏の森林に取って代わられます。最後に、最北の緯度にある北極圏のツンドラに到達します。この北へのトレッキングでは、気候と、さまざまな緯度で見られる生態系に関連する環境要因に適応した生物の種類の両方が徐々に変化していることがわかります。ただし、ジェット気流、メキシコ湾流、海流などの非生物的要因もあり、同じ緯度に異なる生態系が存在します。山をハイキングする場合、植生に見られる変化は、高緯度に移動するときの変化と平行します。

種の分布

生物地理学を研究する生態学者は、種の分布。どこにも種は存在しません。たとえば、ハエトリグサはノースカロライナ州とサウスカロライナ州の小さな地域に固有のものです。固有種とは、通常サイズが制限されている特定の地理的領域でのみ自然に見られる種です。他の種はジェネラリストです。さまざまな地理的領域に生息する種。たとえば、アライグマは北アメリカと中央アメリカのほとんどに自生しています。

種の分布パターンは、生物的および非生物的要因と、種の進化に必要な非常に長い期間におけるそれらの影響に基づいています。したがって、生物地理学の初期の研究は、18世紀の進化論的思考の出現と密接に関連していた。動植物の最も特徴的な群集のいくつかは、地理的な障壁によって何百万年もの間物理的に隔てられてきた地域で発生します。生物学者は、たとえばオーストラリアには60万から70万種の動植物がいると推定しています。生きている植物と哺乳類の種の約3/4は、オーストラリアでのみ見られる固有種です（図1）。

図1.オーストラリアには多くの固有種が生息しています。 （a）カンガルー科の中型のワラビー（Wallabia bicolor）は、袋に入れられた哺乳類、または有袋類です。 （b）ハリモグラ（Tachyglossus aculeatus）は産卵哺乳類です。 （クレジットa：Derrick Coetzeeによる作業の変更、クレジットb：Allan Whittomeによる作業の変更）

生態学者は、種が見つからない場所を特定することにより、種の分布の独特なパターンを発見することがあります。たとえば、ハワイには爬虫類や両生類の在来種はなく、在来の陸生哺乳類はホアリーコウモリだけです。別の例として、ニューギニアのほとんどは胎盤哺乳類を欠いています。

植物は固有種でもジェネラリストでもかまいません。固有植物は地球の特定の地域でのみ見られますが、ジェネラリストは多くの地域で見られます。オーストラリア、ハワイ、マダガスカルなどの孤立した大地には、多くの場合、固有の植物種が多数あります。これらの植物のいくつかは、人間の活動のために絶滅の危機に瀕しています。たとえば、森林クチナシ（Gardenia brighamii）はハワイ固有のものです。推定15〜20本の樹木のみが存在すると考えられています。

エネルギー源

図2.春の美しさは、日光を求めて大きな森の木と競合することを避けるために、春の初めに開花する一時的な春の植物です。 （クレジット：John Beetham）

太陽からのエネルギーは、緑の植物、藻類、シアノバクテリア、光合成原生生物によって捕らえられます。これらの生物は、太陽エネルギーをすべての生物が必要とする化学エネルギーに変換します。光の利用可能性は、光合成装置の適応の進化に直接影響を与える重要な力になる可能性があります。たとえば、温帯林の下層植生の植物は、春の終わりに林冠の上の木が完全に葉を落とすと日陰になります。当然のことながら、下層植生には、利用可能な光をうまく取り込むための適応があります。そのような適応の1つは、春の美しさなどの春の短命植物の急速な成長です（図2）。これらの春の花は、成長の多くを達成し、林冠の木が葉を発達させる前に、シーズンの早い段階でライフサイクルを終了（再生）します。

水生生態系では、日光が水、植物、浮遊粒子、および常在微生物によって吸収されます。湖、池、海の底に向かって、光が届かないゾーンがあります。光合成はそこでは起こり得ず、その結果、生物が光なしで生き残ることを可能にする多くの適応が進化してきました。たとえば、水生植物は水面近くに光合成組織を持っています。たとえば、スイレンの広く浮かぶ葉を考えてみてください。スイレンは光なしでは生き残れません。熱水噴出孔などの環境では、光合成のための光がないため、一部のバクテリアは無機化学物質からエネルギーを抽出します。

図3.海洋の隆起は、海洋の栄養素とエネルギーを再利用する重要なプロセスです。風（緑の矢印）が沖合に押し出されると、海底（赤の矢印）からの水が水面に移動し、海の深さから栄養分をもたらします。

での栄養素の利用可能性水系もエネルギーや光合成の重要な側面です。多くの生物は、外洋で死ぬと海の底に沈みます。これが起こると、海洋湧昇が起こらない限り、その生物に見られるエネルギーはしばらくの間隔離されます。海洋湧昇は、卓越風が海岸線近くの地表水に沿って吹くときに発生する深海の上昇です（図3）。風が海の水を沖に押し出すと、海の底からの水が上に移動してこの水に取って代わります。その結果、かつて死んだ生物に含まれていた栄養素は、他の生物が再利用できるようになります。

淡水システムでは、気温の変化に応じて栄養素のリサイクルが行われます。湖の底にある栄養素は、春と秋の売上高の年に2回リサイクルされます。春と秋の売上高は、栄養素と酸素を淡水生態系の底から水域の頂上までリサイクルする季節的なプロセスです。これらのターンオーバーは、サーモクラインの形成によって引き起こされます。つまり、周囲の層の温度とは大幅に異なる温度の水の層です。冬の間、多くの北部地域で見られる湖の表面は凍っています。ただし、氷の下の水はわずかに暖かく、湖の底の水は4°Cから5°C（39.2°Fから41°F）でまだ暖かいです。水は4°Cで最も密度が高くなります。したがって、最も深い水も最も密度が高くなります。湖の底での有機物の分解は利用可能な酸素を使い果たし、表面の氷層のために水中への酸素拡散によって置き換えることができないため、最も深い水は酸素が不足しています。

図4.春と秋のターンオーバーは、深層湖の底で栄養素と酸素を移動させるように作用する淡水湖の重要なプロセスです。頂点に。水は4°Cで最大密度を持つため、ターンオーバーが発生します。季節が進むにつれて地表水温が変化し、密度の高い水が沈みます。

春になると、気温が上昇し、表面の氷が溶けます。地表水の温度が4°Cに達すると、水は重くなり、底に沈みます。湖の底の水は、より重い地表水によって置き換えられ、したがって、頂上に上昇します。その水が上に上がると、湖の底からの堆積物と栄養分が一緒に運ばれます。夏の間、湖の水は層状になるか、温度の層を形成し、湖の表面で最も暖かい水になります。

秋に気温が下がると、湖の水の温度は4°に下がります。 C;したがって、これにより、重い冷水が沈み、底の水が置き換わるため、秋のターンオーバーが発生します。その後、湖の表面にある酸素が豊富な水は湖の底に移動し、湖の底にある栄養分は表面に上昇します。冬の間、湖の底の酸素は分解者や魚などの酸素を必要とする他の生物によって使用されます。

温度

図5.ミッドウェイガイザー盆地にあるイエローストーン国立公園にあるこのカラフルな温泉は、米国で最大の温泉であり、世界で3番目に大きい温泉です。その豊かな色は、温泉の端に沿って生息する好熱性生物の結果です。

温度は、生物の生理機能だけでなく、水の密度と状態にも影響を与えます。代謝の制約により、0°C（32°F）未満の温度で生き残ることができる生物はほとんどいないため、温度は生物に重要な影響を及ぼします。 45°C（113°F）を超える温度で生物が生き残ることもまれです。これは、典型的な温度に対する進化的応答を反映しています。酵素は、狭い特定の温度範囲で最も効率的です。酵素の分解は高温で発生する可能性があります。したがって、生物は内部温度を維持するか、代謝をサポートする温度範囲内に体を維持する環境に生息する必要があります。一部の動物は、冬眠や爬虫類の休眠状態で見られるような、体が重大な温度変動に耐えられるように適応しています。同様に、間欠泉などの一部の細菌は、非常に高温での生存に適応しています。このような細菌は極限環境微生物の例です。極端な環境で繁殖する生物です。

温度によって生物の分布が制限される可能性があります。温度変動に直面した動物は、生き残るために、移動などの適応で反応する可能性があります。ある場所から別の場所への移動である移動は、季節的に寒い気候に生息する多くの動物を含む多くの動物に見られる適応です。移行は、温度、食べ物の場所の特定、および配偶者の検索に関連する問題を解決します。たとえば、キョクアジサシ（Sterna paradisaea）の移動では、南半球の餌場と北極海の繁殖地の間を毎年40,000 km（24,000マイル）往復します。オオカバマダラ（Danaus plexippus）は、暖かい季節には米国東部に生息し、冬にはメキシコと米国南部に移動します。哺乳類のいくつかの種はまた、渡りの進出をします。トナカイ（Rangifer tarandus）は、食べ物を探すために毎年約5,000 km（3,100マイル）移動します。両生類と爬虫類は、移動能力がないため、分布がより制限されています。移動できるすべての動物がそうするわけではありません。移動にはリスクが伴い、エネルギーコストが高くなります。

図6.チップマンクは冬の間冬眠しますが、数日おきに眠りから出て食べます。

一部の動物は冬眠するか、敵対的な気温に耐えようと努力します。冬眠は動物が寒い条件を生き残ることを可能にし、夏眠は動物が暑くて乾燥した気候の敵対的な条件を生き残ることを可能にします。冬眠または夏眠する動物は、休眠状態と呼ばれる状態になります。これは、代謝率が大幅に低下する状態です。これにより、動物はその環境がその生存をよりよくサポートするまで待つことができます。カナダアカガエル（Rana sylvatica）などの一部の両生類は、細胞内に凍結防止剤のような化学物質を含んでおり、細胞の完全性を維持し、破裂を防ぎます。

植物の成長に影響を与える非生物的要因

温度と湿度は、植物の生産（一次生産性）と食品として利用可能な有機物の量（純一次生産性）に重要な影響を及ぼします。純一次生産性は、食品として利用可能なすべての有機物の推定値です。これは、1年に固定される炭素の総量から、細胞呼吸中に酸化される量を引いたものとして計算されます。陸域環境では、根を除いた生きている植物の総質量である単位面積あたりの地上部バイオマスを測定することにより、純一次生産性を推定します。これは、地下に存在する植物バイオマスの大部分がこの測定に含まれていないことを意味します。バイオームの違いを考慮する場合、純一次生産性は重要な変数です。非常に生産性の高いバイオームには、高レベルの地上バイオマスがあります。

年間のバイオマス生産は、環境の非生物的要素に直接関係しています。バイオマスの量が最も多い環境には、光合成、植物の成長、および結果として生じる純一次生産性が最適化される条件があります。これらの地域の気候は暖かく、湿っています。光合成は高速で進行し、酵素は最も効率的に機能し、気孔は過度の蒸散のリスクなしに開いたままになります。これらの要因が合わさって、最大量の二酸化炭素（CO2）がプラントに移動し、バイオマス生産量が増加します。地上のバイオマスは、生息地や食物など、他の生物にとっていくつかの重要な資源を生み出します。逆に、乾燥した環境と寒い環境では、光合成速度が低く、したがってバイオマスが少なくなります。そこに住む動物群集も、利用可能な食料の減少の影響を受けます。

無機栄養素と土壌

窒素やリンなどの無機栄養素は、分布と生き物の豊富さ。植物は、水が根を通って植物に移動するときに、土壌からこれらの無機栄養素を取得します。したがって、土壌構造（土壌成分の粒度）、土壌pH、土壌養分含有量は、植物の分布に重要な役割を果たします。動物は彼らが消費する食物から無機栄養素を得る。したがって、動物の分布は、彼らが食べるものの分布に関連しています。場合によっては、動物は環境中を移動するときに食物資源を追跡します。

水

水は細胞プロセスにとって重要であるため、すべての生物に必要です。陸生生物は単純な拡散によって環境に水分を失うため、水分を保持するために多くの適応を進化させてきました。

• 動物は、水分を保持するために油性またはろう状の皮膚またはキューティクルで覆われます。
• 植物は葉に多くの興味深い特徴を持っています。たとえば、葉の毛やろう状のキューティクルなど、蒸散による水分損失の割合を減らすのに役立ちます。

周囲の生物水は水の不均衡の影響を受けません。それらもまた、細胞の内外の水を管理するための独自の適応を持っています。

• 淡水生物は水に囲まれており、浸透のために水が細胞に突入する危険性が常にあります。淡水環境に生息する生物の多くの適応は、体内の溶質濃度が適切なレベル内にとどまるように進化してきました。そのような適応の1つは、希薄な尿の排泄です。希薄な尿は溶質の濃度が低く、ほとんどが水であるため、過剰な水を排出することができます。
• 海洋生物は、生物よりも溶質濃度が高い水に囲まれているため、危険にさらされています。浸透のために環境に水を失う。これらの生物は、水を保持し、溶質を環境に放出するための形態学的および生理学的適応を持っています。たとえば、ウミイグアナ（Amblyrhynchus cristatus）は、海で泳いだり水生植物を食べたりしながら、溶質濃度を許容範囲内に維持するために、塩分を多く含む水蒸気を絞り出します。

その他の水生要因

酸素などの一部の非生物的要因は、水生生態系や陸生環境で重要です。陸生動物は呼吸する空気から酸素を獲得します。しかし、空気中の酸素分子が少ない非常に高い標高に住む生物にとって、酸素の利用可能性は問題になる可能性があります。水生システムでは、溶存酸素の濃度は水温と水が移動する速度に関連しています。冷水は温水よりも溶存酸素が多い。さらに、塩分、潮流、潮汐は、水界生態系の重要な非生物的要因となる可能性があります。

その他の陸域要因

図7.ジャックパインの成熟した円錐形は、森林火災時など、高温にさらされた場合にのみ開きます。 （クレジット：USDA）

風は蒸発と蒸散の速度に影響を与えるため、重要な非生物的要因になる可能性があります。風の物理的な力は、土壌、水、その他の非生物的要因、および生態系の生物を動かす可能性があるため、重要です。

火は、地上の擾乱の重要な要因となる可能性のあるもう1つの地上要因です。生態系。一部の生物は火に適応しているため、ライフサイクルの一部を完了するには火に関連する高熱が必要です。たとえば、針葉樹であるバンクスマツ（Pinus bankiana）は、種子の円錐形を開くために火からの熱を必要とします。火事はほとんどの植生を殺す可能性が高いので、火事の後に発芽する苗木は、通常の条件下で発芽する苗木よりも十分な日光を受ける可能性が高くなります。松葉を燃やすことで、火は土壌に窒素を追加し、下草を破壊することで競争を制限します。

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