勝てないなら統合するだけ？侵入植物と在来植物はどのように共存するのでしょうか?

制作：中国科学普及協会

著者: Le Haichuan、Xie Zongqiang (中国科学院植物学研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：科学技術の仕事の謎を解明するために、中国の最先端技術プロジェクトは「私と私の研究」と題する一連の記事を立ち上げ、科学者に独自の記事を書いて科学研究の経験を共有し、科学の世界を創造するよう呼びかけました。科学技術の最前線に立つ探検家たちと一緒に、情熱、挑戦、驚きに満ちた旅に出ましょう。

ダーウィンは『種の起源』の中で、有名な進化論を提唱したほか、外来種の自然化理論も提唱し、後の生態学者を悩ませた。

一方でダーウィンは、在来種と近縁の外来種は生態学的ニーズが似ているため、新しい環境に容易に適応できると信じていました。私たち人間も、故郷と似た気候や環境の場所に行けば、適応しやすくなります。この現象は「前処理仮説」と呼ばれます。

一方、ダーウィンは、在来種と遠縁の外来種の方が侵入に成功し、独自の「生息空間」を見つける可能性が高いとも信じていました。外来種が在来種に近すぎると、まるでおもちゃをめぐって争う兄弟のように、激しい競争に直面することになる。しかし、外来種が在来種に慣れていない場合、この競争を避けることができます。この見解は「ダーウィン自然化仮説」と呼ばれ、彼が提唱した一見矛盾する 2 つの仮説が「ダーウィン自然化パズル」を構成しています。

科学者の中には、「見知らぬ人の方が成功する可能性が高い」という考えを裏付ける証拠を持っている人もいる。科学者たちは、南アフリカのアゾレス諸島や米国のコロラド川などの場所では、外来種と在来種の関係が遠いほど、外来種が侵入しやすくなることを発見した。

ダーウィンの自然化パズルの模式図: 赤は前適応仮説を表し、青はダーウィンの自然化仮説を表します。

（画像出典：参考資料2）

別の科学者グループは、「親族の方が成功する可能性が高い」という考えを裏付ける証拠を持っている。カリフォルニア、ニュージーランド、地中海で行われた研究では、在来種と近縁関係にある外来種の方が侵入に成功する可能性が高いことがわかった。

研究が深まるにつれ、ダーウィンが提唱した2つの仮説を支持、あるいは反対する証拠が次々と現れ、ダーウィンの帰化の謎をめぐる論争はますます激しくなっています。この問題に対処するため、科学者たちは、空間規模、侵入段階、環境勾配、種間の違いを測定する方法など、さまざまな説明の可能性を探り、一見矛盾する研究結果を統一しようと試み始めています。

小さなステージ、大きな競争。大きなステージ、大きな上映

小規模では、種間の競争は外来種の侵入に影響を与える重要な要因です。近縁種は、多くの場合、同様の生態学的地位を持っています。生態学的地位とは、種のライフスタイル、資源の利用方法、行動習慣などの要素を含む、種が生息する環境とその生活習慣の総称です。これらの要因が共同して生態系における種の位置を決定します。同様の生態学的地位を持つ種はより激しく競争するでしょう。ダーウィンの帰化仮説は小規模ではあるが検証されている。

しかし、私たちが焦点を単一の森林から地域全体、さらには地球全体に広げると、環境のフィルタリングの役割はさらに重要になります。本来の環境に適応しやすい種ほど侵入に成功する確率が高く、これは適応前仮説と一致しています。

小規模および大規模の両方の生物間の相互作用が外来種の侵入に影響を与えることに注意することが重要です。したがって、外来種の侵入は、複数の要因の影響を受ける複雑なプロセスであり、単純に単一のメカニズムに帰することはできません。

模倣は生き残るための方法であり、革新は勝利するための魔法の武器である

外来種の侵入は、導入、定着、帰化、侵入などの段階を経ることがあり、侵入の成功を決定する生態学的プロセスは各段階で異なる可能性があります。研究によると、侵入の初期段階では、できるだけ早くグループに統合するために、外来種は在来種に似た生活環境を選択する傾向があり、事前適応の特徴を示しています。侵入の後期段階では、外来種は徐々に新しい環境に足場を築き、新たな発展の機会を探し始めます。在来種との激しい競争を避けるため、徐々に異なる生態学的ニッチへと進化していきます。

研究者らは、寒さや干ばつなどの厳しい環境では、環境フィルターが種の共存を左右し、互いを暖かく保っていることを発見し、適応前仮説を裏付けている。しかし、温暖で湿度の高い環境では、豊富な資源と多数の種が存在することで激しい競争が起こり、異なる生態学的地位にある遠縁の種が共存することになり、ダーウィンの自然化仮説と一致しています。

ダーウィンの自然化パズルの和解への道。

（画像出典：参考文献3）

人間関係と性格の羅生門

前適応仮説とダーウィンの自然化仮説はどちらも、近縁種は類似した特徴を持つという仮定を暗示しています。しかし、近縁種間の分岐と遠縁種間の収束により、この仮定の信頼性は低下します。簡単に言えば、科学者たちはかつて、親族は多くの類似した生活習慣を持つ傾向があると想定していました。

しかし現実には、親戚の中には互いに非常に異なる人もいます。まるで双子のように、一方はスポーツが好きで、もう一方は読書が好きで、彼らの興味や趣味はまったく異なります。イルカと魚類のように、近縁ではない種でも、実は非常によく似ている種もあります。一方は哺乳類でもう一方は魚類ですが、その外見や生活習慣は非常に似ています。どちらも流線型の体を持ち、水中に生息します。したがって、外来種と在来種の関係および特性の違いを総合的に考慮することは、ダーウィンの自然化の謎をより深く理解するのに役立つでしょう。

種の形質の進化は、保守的 (左) または収束的 (右) のパターンのいずれかを示します。

（画像出典：参考文献4）

適者生存

しかし、人為的撹乱は自然環境よりも広範囲かつ激しく発生することが多く、種の構成の軌跡が自然条件下でのものと異なる可能性があることを示唆しています。三峡ダムは長江の水位変動パターンを変えた。ダムの水位は、これまでの自然な水位変動とは異なり、現在では年間を通じて逆に変化し、夏は水位が低く、冬は水位が高くなっています。また、このダムにより、揚子江の河岸地帯は毎年、より長期間、より深く浸水するようになり、河岸の土壌は頻繁に洪水や露出に見舞われ、外来植物の侵入に対して非常に脆弱になっている。

私たちのチームは、大規模な水資源保護プロジェクトが生態系と生態系の回復に与える影響を研究することに専念しています。三峡ダム地域の植物群落調査を実施し、外来植物と在来植物の共存関係を探った。

三峡ダムの水位低下の航空写真

（写真提供：新華社通信）

一方で、水位低下帯（陸上生態系と水生生態系の移行帯）における頻繁な水位変動が在来植物の多様性の減少につながり、在来種のほとんどがイネ科やヤナギ科などの代表的な少数の科に集中していることが分かりました。この集合により、コミュニティ内に生態学的ニッチの空きスペースが生まれ、遠縁の外来種がその機会を活用できるようになるため、血縁関係の観点からダーウィンの帰化仮説が裏付けられます。

一方、水位低下地帯における外来種の機能は在来種の機能と同様である。彼らは水浸しのストレスに適応しました。一年生草本植物は、大量の種子を作り、水位が下がるのを待って発芽し、急速に成長することでこの環境に適応し、短い乾季の間にライフサイクルを完了します。

対照的に、多年生植物はクローン成長を通じて資源を統合し、環境に対する耐性を向上させるため、機能的形質の観点から前適応仮説が支持されます。同時に、貯水池沿岸域における種の形態の類似性は時間の経過とともに増加しており、三峡ダムの継続的な水位変動が貯水池沿岸域における種間の競争を弱めている可能性があることを示している。

貯水池河岸地帯におけるダーウィン自然化パズルの模式図

（画像出典：参考文献6）

結論

ダーウィンの自然化パズルは、生物学的侵入が複数の要因の影響を受ける複雑なプロセスであることを示しています。外来種の侵入が成功するかどうかは、在来種との関係だけでなく、生態学的適応性、環境条件、人間の活動などの要因にも左右されます。

私たちの研究結果は、ダーウィンの古典的な自然化の謎に新たな説明を与え、定期的な水位変動が外来種の定着と在来種の適応を促進する上で重要な役割を果たしていることを強調しています。これにより、どの外来種が貯水池の河川沿岸地域に侵入する可能性が高いか、また在来種で構成されるどのコミュニティが侵入される可能性が高いかをより正確に予測できるようになり、河川沿岸の生物多様性を保護し、侵入的外来種による脅威を軽減することができます。

参考文献

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