生態ピラミッド

各栄養段階の個体数・生物量・エネルギー量の表から生態ピラミッドの各段の比を求め、エネルギー量のピラミッドが逆転しない理由をデータで確かめられる

前提

エネルギー効率（高校生物生態と環境）

この技能までの道筋（8 技能）

算数中学高校大学大学院

読み込み中…

右端（太枠）がこの技能です。左へドラッグすると、さらに前の前提をさかのぼれます。技能を押すと、そこまでの道筋が光ります。

一覧で見る（前提が先）

細胞のつくり（中学理科生物分野の用語と知識）
植物のからだのつくり（中学理科生物分野の用語と知識）
光合成・呼吸・蒸散（中学理科生物分野の用語と知識）
生態系と物質の循環（中学理科生物分野の用語と知識）
生態系の構成と栄養段階（高校生物生態と環境（知識））
生産者の物質生産（高校生物生態と環境）
消費者の物質収支（高校生物生態と環境）
エネルギー効率（高校生物生態と環境）

説明

生態系の生物を栄養段階ごとにまとめ、生産者を一番下にして、各段の量を横幅（面積）で表して積み上げた図を生態ピラミッドといいます。何の量で比べるかによって、個体数ピラミッド・生物量ピラミッド（ある時点での単位面積あたりの生物の重さ）・エネルギー量ピラミッド（一定期間に各段階が取り込むエネルギー量）の 3 種類があります。この技能では、表のデータから各段の大きさの比を求め、どのピラミッドが逆転しうるのか、なぜエネルギー量のピラミッドだけは逆転しないのかを数値で確かめられるようになります。

なぜそうしてよいのか

エネルギー量のピラミッドの各段は、その栄養段階が一定期間に取り込んだエネルギー量、つまり同化量（生産者は総生産量）です。前提の技能で見たように、上の段階が取り込めるのは、下の段階が取り込んだもののうち食べられた分（被食量）からさらに不消化排出量を除いた分だけです。式で書くと $上の段階の同化量 = 下の段階の被食量 - 上の段階の不消化排出量 \leq 下の段階の被食量 < 下の段階の同化量（総生産量）$ となります（下の段階は必ず呼吸で一部を使うので、被食量は同化量より小さい）。したがってエネルギー効率は必ず $100 %$ より小さく、上の段ほど幅が狭くなります。エネルギー量のピラミッドは、どんな生態系でも上下が逆転しません。

一方、個体数と生物量は「ある時点に何個体・何 g いるか」という量で、エネルギーの流れの帳じりとは直接結びついていません。1 本の大きな木に何千匹もの昆虫がつく森林では、生産者の個体数より一次消費者の個体数のほうが多くなり、個体数ピラミッドが逆転します。また、海の植物プランクトンのように、増える速さが大きくすぐに食べられる生産者では、ある時点の生物量が動物プランクトンより小さくなることがあり、生物量ピラミッドも逆転しえます。

比を求めるときは、どの量のピラミッドかを決め、同じ単位・同じ面積あたりのデータどうしで、生産者から順に並べて割り算や約分をします。各段の値を最小の段や生産者の段で割ると、何倍・何分の 1 になっているかがわかります。

手順

表から、比べたい量（個体数・生物量・エネルギー量）の列を選び、単位と面積・期間がそろっていることを確かめる
生産者・一次消費者・二次消費者…の順に、その量の値を並べる
全部の値を共通の約数で割って、最も簡単な整数比にする（または生産者の値で割って割合にする）
下の段より上の段のほうが大きいところがあれば、そのピラミッドは逆転していると判断する
エネルギー量については、隣り合う段の比 $\frac{上の段}{下の段} \times 100$ （エネルギー効率）がすべて $100 %$ 未満になっていることを確かめ、逆転しないことを確認する

例題

ある森林の生態系について、各栄養段階の生物を調べたところ、次の表のようになった。エネルギー量は、1 年間に各栄養段階が取り込んだ量（生産者は総生産量、消費者は同化量）である。

栄養段階	個体数（個体/ $ha$ ）	エネルギー量（ $kJ / (m^{2} \cdot 年)$ ）
生産者	200	20000
一次消費者	150000	2400
二次消費者	1200	240

エネルギー量のピラミッドの各段の比を、最も簡単な整数比で、生産者:一次消費者:二次消費者の順に求めよ。

例題の解答

手順 1：比べる量はエネルギー量の列で、単位はすべて $kJ / (m^{2} \cdot 年)$ にそろっている。

手順 2：生産者から順に並べると $20000 : 2400 : 240$ 。

手順 3：すべてを $80$ で割ると $250 : 30 : 3$ 。 $250$ , $30$ , $3$ に共通の約数は $1$ しかないので、これが最も簡単な整数比である。

手順 4： $250 > 30 > 3$ で、上の段ほど小さく、エネルギー量のピラミッドは逆転していない。（個体数は $200 < 150000$ で、個体数ピラミッドは生産者と一次消費者のところで逆転している。）

手順 5：隣り合う段の比は $\frac{2400}{20000} \times 100 = 12 %$ 、 $\frac{240}{2400} \times 100 = 10 %$ で、どちらも $100 %$ 未満である。

よって、求める比は $250 : 30 : 3$ 。

答え: $(250, 30, 3)$

よくある誤り

個体数ピラミッドが逆転しているのを見て、エネルギー量のピラミッドも逆転すると考えてしまう誤り（例題の個体数は $200 < 150000$ ）。個体数はある時点の数で、エネルギーの流れとは別の量なので、正しくはエネルギー量で $20000 > 2400 > 240$ と比べ、逆転しないことを確かめる。
生物量のピラミッドも決して逆転しないと考えてしまう誤り。生物量はある時点の量なので、植物プランクトンのように速く増えてすぐ食べられる生産者では、たとえば生産者 $4 g / m^{2}$ 、一次消費者 $20 g / m^{2}$ のように逆転しうる。正しくは、必ず逆転しないのはエネルギー量のピラミッドだけである。
比を上の段から（二次消費者:一次消費者:生産者の順に）並べてしまう誤り（例題なら $3 : 30 : 250$ ）。問われた順に従い、正しくは生産者から $250 : 30 : 3$ 。
約分しきらずに答えてしまう誤り（例題なら $2000 : 240 : 24$ や $1000 : 120 : 12$ ）。3 つの値の最大公約数 $80$ で割って、正しくは $250 : 30 : 3$ 。

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

難易度 1（教科書の例題レベル）
ある草原の生態系で、各栄養段階の生物量（ $1 m^{2}$ あたりの生物の乾燥重量）を調べたところ、次の表のようになった。
栄養段階生物量（g）
生産者 2400
一次消費者 120
二次消費者 15
この値をもとに、各段の大きさを生物量に比例させて生物量ピラミッドをつくる。このとき、一次消費者の段の大きさは、二次消費者の段の大きさの何倍か。