2023 年 7 月 18 日
概要京都大学生态学研究中心铃木纱也华原博士课程学生和东树宏和同副教授以及农业食品产业技术综合研究机构马场友希高级研究员等的研究小组，应用网罗性地阐明生物多样性的“DNA变位编码”技术，阐明了50种蜘蛛和约1，000种食物生物组成的食物网的结构及其动态。捕食其他生物的生物体内，含有饵料种类的DNA。 本项目在以早春到晚秋的草原生态系统为对象的野外调查中，采集了2，000只以上的蜘蛛，同时对其全部个体进行了以食物种类DNA为目标的分析。 在此基础上，从网络科学的角度分析了食物网的结构。 结果，成功捕捉到了食物网的结构随着季节的变化而发生戏剧性变化的情况。 被发现的约1,000种食物种类中，包括以植物的叶子为食的昆虫和以地下有机物为食的弹虫类、以其他节肢动物为食的捕食者和寄生者。 在探索捕食这些各种各样的食物，发挥着连接地上和地下的生态系统之间的作用的蜘蛛时，发现随着季节的变化，在被吃掉的关系网络内，位于核心的物种(“核心生物种”)发生了交换。 今后，通过扩大仅用肉眼观察无法一举阐明生物种类之间关系的本研究途径，可以期待为回答生态系统内物质是如何循环的、“核心生物种”对生态系统的功能和稳定性有何贡献等核心问题的基础得以构筑。本成果将于当地时间2023年7月17日刊登在英国学术杂志《Nature Ecology and Evolution》上。
图 以蜘蛛为中心的食物网结构的季节变动(概念图)。 木下达弘
1 .背景 在生态系统内，暗中围绕着“被吃掉——被吃掉”关系的复杂的相互作用网络。 到目前为止，一直尝试通过直接观察来探索生物种类的这种关系，但是连小生物和夜行性生物的捕食行为都难以全面观察。
在这种情况下，通过名为DNA元编码(※1 )的技术获取对象生物体内和粪便中所含的食物生物信息的技术备受关注。 但是，存在着只检测出捕食者的DNA而得不到有关食物生物的信息等技术问题。 另外，作为分析对象的捕食者也大多是1种至数种程度的研究，几乎没有能弄清食物网结构的规模的研究。
2 .研究方法成果 本研究以细致的技术探讨提高食物生物种类的检测效率，同时进行前所未有的捕食者种类的采样(采集2,000个体以上的捕食者)，以弄清食物网的结构为目标。 另外，该食物网的结构随着季节的变迁如何变化，我们以率先在世界上大规模追踪为目标。
作为研究对象，我们着眼于滋贺县大津市草原生态系统中的蜘蛛群落。 已知蜘蛛在身边的生态系统中也显示出很高的物种多样性，捕食广泛的食物生物。 但是，关于各个蜘蛛种类具有什么样的食物保留力，在季节的变迁中，在生态系统中发挥着什么样的作用，还是保持着黑匣子的状态。
首先，在春季( 4月)至深秋( 11月)的8个月期间，共采集了63种2,224只蜘蛛。 在此基础上，对所有个体分别进行了DNA代谢编码诱饵种类分析，从50种1，556个个体中共计检测出了974种诱饵种类DNA。 根据这些食物内容庞大的信息，分析了食物网的结构随着季节的推移是如何变化的(图1 )。 将各月的食物网结构作为网络进行分析的话，可以定义几个由“被吃掉-被吃掉”关系特别密切的蜘蛛和食物种类构成的组(“网络模块”) (图2的M1、M2等)。 在这个捕食-被食关系的模块之间，地上的食物(植食性昆虫等)和地下的食物(土壤动物等)所占的相对比例不同。 另外，随着季节的推移，该模块呈现离合聚散的模式，地面生态系统和地下生态系统密切缠绕的情况得到了明确。 研究还表明，位于食物网核心的蜘蛛种类会随着季节的变化而变化(图3 )。 这样的“核心生物种”被认为对地上和地下的生态系统的物质循环和稳定性有很大的影响，根据这个结果可以推测其作用随着季节的推移而接力。
3 .波及效果 通过本研究，确立了将约1,000种生物组成的关系网络与其动态一起一举阐明的方法。 在以往的食物网研究中，一直是以“被吃掉-被吃掉”关系的网络结构固定为前提进行分析和解释的。 但是，如本研究所示，生物种类之间的关系正在非常动态地变动，作为生态系统的重要部分发挥作用的生物种类也随着时间而交替。 随着明确的数据和捕捉自然界真实现象的技术的发展，我们期待着回答为什么各种各样的生物能在生态系统内共存，为什么会有容易崩溃的生态系统和难以崩溃的生态系统等根本性问题的基础得到巩固。
4 .项目启动的经过和未来展开
生态学的经典问题之一是“世界为什么是绿色的？ ”的东西。 既然地球上到处都是经过精心进化的植食性昆虫，为什么很多生态系统都没有把植物吃光呢？ 虽然很简单，但实际上是还没有得出决定性答案的重要问题。 一个重要的假设是，植食性昆虫的捕食者控制了植食性昆虫的数量。 但是，正如“生态金字塔”所表达的那样，捕食者的数量远远少于食物生物一直被视为生态学的“教科书事实”，这是否对捕食者有抑制植食性昆虫急剧繁殖的效果，令人怀疑。启动本研究项目的背景是“世界为什么是绿色的？ ”的问题，有想回答的动机。 实际上，在野外用虫网密集采集草和树上的虫子们，经常能采集到数量不输给植食性昆虫的蜘蛛，完全没有成为“生态金字塔”。 因此，本项目得出了“因吃了地下生态系统庞大的食物而增加数量的蜘蛛们控制着地上植食性昆虫的增加”的假说，试图彻底证明这一点。 蜘蛛们容易被视为“可怕”的存在，但实际上多亏了蜘蛛们，“绿色地球”才得以保持！ 如果通过本研究，能以与以往稍微不同的视角来看待蜘蛛们的话就太好了。 捕蝇草之类的，眼睛圆圆的，忽而跳来跳去，一看到它们瞄准猎物，不知不觉就看得入迷了。
虽说本研究已经明确了庞大的生物种类之间的关系，但生态系统内除了蜘蛛以外还存在着各种各样的捕食者。 我想通过以更广泛的生物群为分析对象，捕捉生态系统时时刻刻变化的情况。
5 .关于研究项目 本研究是在以下资金的支持下进行的。 科研经费基础a“融合尖端技术破解地下生态黑匣子”( 18H04009 ) JST开创性研究支持事业“实现生态系统水平生物功能优化的过境科学前沿”( JPMJFR2048 )
<术语解释> ※1 DNA元编码 一种DNA分析技术，用于分析含有土壤和海水等多个生物种类的基因组的样品，并阐明其中存在的生物种类的组成。 用被称为新一代DNA序列发生器的机器，可以制作庞大的种类列表。 以捕食者为样本时，可以应用于编制其体内所含食物生物种类的列表，但由于捕食者自身含有大量DNA，因此需要在技术上下功夫。
<研究者评论>
即使是一直被认为不喜欢选择食物的蜘蛛，根据种类和季节的不同其行为也不同，通过长期的采样可以明确这一点。 期待今后食物网的季节动态会受到更多的关注。
图1 .蜘蛛和食物种类网络。 用线连接各月登场的蜘蛛种类(左)和从各个蜘蛛种类中检测出的食物生物(右)。
图2 .网络模块的演变(上)和各模块内的饵料结构(下)。 用不同的颜色表示了由“被吃掉-被吃掉”关系密切的蜘蛛种类和食物生物构成的网络模块(上)。 显示了该模块的构成种类随着季节的变化而被继承的情况。 关于M1∼M8的各个模块，用照片表示了代表性的蜘蛛种类。 在下图中，以比例表示了构成各模块的饵料生物的构成。 用粉红色的边框和箭头例示了饵料构成比率不同的模块随着季节的变化而分离融合的情况。
图3 .“核心生物物种”的变迁。 越位于右上的物种，在网络中越占有重要的位置。
<论文标题和作者> 标题: dynamics of species-rich predator–prey networks and seasonal alternations of core species (各种捕食-被食网络动态和核心生物物种季节交替) 作者: Sayaka S. Suzuki，Yuki G. Baba，and Hirokazu Toju 刊登杂志: nature ecology andevolution doi:10.1038/s 41559-023-02130-9。
<研究相关咨询方式> 东树宏和 京都大学生态学研究中心副教授
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