アンダーグラウンドの世界で最も食通な人は誰ですか?土壌動物食物網が教えてくれること

制作：中国科学普及協会

著者: 張良、張沙 (中国科学院東北地理農業生態研究所)、喬宇 (雲鑫儀器科技(上海)有限公司)

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。

緑豊かな森を散歩したり、黄金色の麦畑を歩いたりするとき、私たちは足元に活気に満ちた「地下王国」があり、そこに「食通」の集団、つまり土壌動物が住んでいることに気づかないことがよくあります。

サイズは小さいですが、土壌動物とその食物連鎖は生態系の健全性に重要な役割を果たしています。

今日は、シャーロック・ホームズに変身して、神秘的な地下世界で起こっているこの謎を解き明かしましょう。土壌動物の中で、誰が誰を食べるのでしょうか？

顕微鏡で見る土壌動物

（画像出典：Eidg.WSL研究所）

地下の「食通」には3つの種類があり、そのうち最大のものはわずか数センチである。

「誰が誰を食べたのか」という地下の謎を解く前に、この事件に関係する「当事者」を見てみましょう。

土壌動物は、土壌中の有機物、微生物、または他の動物を摂取することで物質を分解し、栄養素をリサイクルするのに役立つため、「食べる動物」と呼ばれます。小さくて目立たない存在ですが、土壌の健全性と生態系の安定にとって不可欠です。土壌動物は大きさによって以下のように分類されます。

1. 小型土壌動物：体幅100μm未満のもの（線虫、原生動物、ワムシなど）

2. 中型土壌動物：体幅100μm～2mmで、ダニ、トビムシ、原生動物、複生動物、ミミズなどを含む。

3. 大型土壌動物：体幅が2mmを超えるものは大型土壌動物であり、ミミズ、クモ、甲虫、リポッドなどが含まれます。

土壌動物の食物網は生態系の重要なつながりです。彼らの活動は小さいながらも、土壌の肥沃度、植物の成長、そして生態系全体の安定性に直接影響を及ぼします。したがって、土壌動物を研究することは、土壌とその生態系をよりよく理解し、保護するのに役立ちます。

一般的な土壌動物の分類

(画像出典: Paul E A.、2007)

こうした「食通」を見つけるにはどうすればいいのでしょうか?

しかし、これらの「食通」のうち最大のものでも、大きさはわずか数センチです。科学者はどのようにして土壌中のこれらの小さな生物を見つけ、土壌動物の食物連鎖を研究するのでしょうか?

張り込み、逮捕、解剖は単純で粗雑な方法だが、「事件を解決する」には十分ではない

素早ければ、現場で直接観察するのが間違いなく最も直感的で最速の方法です。科学者は、土壌の中でこれらの「容疑者」の痕跡を見つけるために静かに待つだけでよく、その後、その捕食行動を観察して捕らえることができます。ただし、この方法は通常、肉眼で簡単に確認できるクモやミミズなどの大型の土壌動物にのみ適用できます。小さな動物や土の中に隠れている動物を直接観察するのは、なかなか難しいものです。

さまざまな獲物を狩るクモ

（写真提供：veerフォトギャラリー）

野生での直接観察に加えて、土壌動物を捕獲し、研究室に持ち帰って培養・観察することも、一般的に用いられる研究方法です。私たちが家でペットに餌を与えるのと同じように、科学者もペットに餌を与えてその食習慣を観察し、これらの「食通」が何を好むかを判断し、それによって「容疑者」を捕らえて食物連鎖における彼らの位置を推測します。

この方法は直感的で効果的ですが、実験室では野生環境を完全にシミュレートすることはできません。したがって、「食通」が研究室と野生で同じ食習慣を持っていることを保証することはできません。室内栽培実験​​観察方法の精度については、さらに検討する必要がある。

もちろん、これらの「食通」が何を食べ、どのように食べるかを直接観察することに加えて、最も直接的な方法は、土壌動物に「無実を証明」させることです。

顕微鏡による腸内容物分析により、科学者は優れた「医療技術」を使ってこれらの土壌動物を解剖し、顕微鏡下で胃の中の食物残留物を注意深く観察して、何を食べたのかを判断することができます。

この方法により、科学者はこれらの小動物の食習慣を正確に理解できるようになります。しかし、腸の内容物は動物が最近食べたものしか反映できず、消化しやすい食物も無視される可能性があるため、この方法は「誤判定」になりやすい。

ミミズの腸内のマイクロプラスチック

(画像出典: Ke Meng et al.、2023)

誰が誰を食べたのか？化学的には「事件を解決する」という意味です

上記の方法はすべて、土壌動物の摂食行動を観察することによって食物網を決定しますが、いずれも一定の限界があります。そこで、科学者たちは食通が食べる食物から始めることを考え、より効率的で正確な食物網研究方法を開発しました。

消化酵素分析は、土壌動物の消化酵素を分析することで土壌動物の食性を推測する方法です。動物にはさまざまな種類の消化酵素があり、それぞれが 1 つまたは複数の種類の食物を消化する役割を担っています。したがって、この方法は鍵を使って鍵穴を開けるようなもので、土壌動物の食習慣をより深く理解することができます。例えば、研究により、ミミズである Eisenia fetida の消化酵素は主に植物残渣を分解するために使用されていることが判明しており、このミミズは植物を餌としていることがわかります。

消化酵素と同様に、さまざまな栄養素には異なる特性があり、土壌動物が見つけた物質の栄養成分を調べることで、土壌動物が何を食べたかを判断することができます。

脂肪酸を例に挙げてみましょう。脂肪酸は消化後も完全に分解されず、基本的にそのまま吸収されるため、食べ物の由来をよく反映します。この特性に基づいて、科学者は脂肪酸分析を使用して土壌動物の脂肪酸の含有量と種類を分析し、異なる土壌動物の脂肪酸組成を比較することで「誰が」誰を食べるかを判断し、食物連鎖における物質移動経路を明らかにします。

土壌動物（トビムシ）の中性脂肪酸抽出プロセス

(画像提供: Scheu Group)

安定同位体技術は「探偵」の役割を果たし、食物連鎖における安定同位体の移動や変化を追跡することで、土壌動物間の食物関係を明らかにすることができます。事件の手がかりを追って容疑者を見つけるようなものです。科学者は土壌動物の炭素と窒素の同位体を分析して、その食物源と栄養段階を決定します。このアプローチは、特定の瞬間の摂食関係を明らかにするだけでなく、食物網における物質移動の長期的な結果を理解することも可能にします。

草食コメツキムシの幼虫とクモの安定同位体分析

(画像出典: Michael Traugott 他、2013)

食通がIDカードを持つとき: DNAが食物連鎖をたどる

21 世紀に入り、分子生物学が急速に発展するにつれ、科学者たちは DNA 分子追跡食物連鎖ネットワーク技術という新しい研究方法を開発しました。

この方法は、DNA の特異性を利用して土壌動物間の食物関係を追跡します...

それぞれの土壌動物が固有の「IDカード」を持つ個体のようなもので、DNAがこの「IDカード」の情報であると想像してください。この情報を読むことで、科学者はこれらの土壌動物が何を食べ、互いにどのような関係があるかを理解することができます。

将来的には、種の分子識別技術の継続的な向上とデータベースの蓄積により、DNA分子追跡食物連鎖ネットワーク技術が土壌動物の食物網を研究する主流の方法となるでしょう。土壌動物食物網の研究は、地下世界の謎をより深く理解することを可能にするだけでなく、生態環境を保護するための新しいアイデアや方法も提供します。

近い将来、この神秘的な地下世界はより明らかになり、より興味深いものになると信じる理由があります。

温帯における穀物害虫のマルチプレックスPCR検出

(画像出典: Michael Traugott 他、2013)

土壌動物食物網の研究は、地下世界の謎をより深く理解することを可能にするだけでなく、生態環境を保護するための新しいアイデアや方法も提供します。この神秘的な地下世界に注目し、私たちの故郷である地球の調和ある共存に私たち自身の力で貢献しましょう！

(画像出典: Pexels)

参考文献:

1. 崔英。 2012年 安定同位体と脂肪酸組成に基づく中国沿岸生態系における物質の流れに関する研究（博士論文）。上海：華東師範大学。

2.Donovan SE、Eggleton P、Bignell D E.シロアリの腸内容物分析と新しい摂食グループ分類[J]。生態昆虫学、2001年、26(4):356-366。

3.Berg MP、Stoffer M、van den Heuvel HH. 消化酵素に基づくトビムシ類の摂食ギルド[J]。 Pedobiologia、2004、48(5-6): 589-601。

4. 馬秀慧、王志堅。 DNAに基づく方法と動物の食事組成の研究への応用[J]。四川動物科学、2012年、31(3):497-503。