なぜ木は、ある年にたくさんの種を落とすのに、次の年にはほとんど種を落とさないのでしょうか?

巨大なオークの木が地面をドングリの山で覆います。リスはドングリを集め、豊かな実で太り、冬に備えてより多くの種を蓄えます。

温帯北半球に住んでいる人にとって、これは秋の最も馴染みのある自然風景の 1 つかもしれません。なぜなら、この地域ではさまざまな種類のオークの木とリスが一般的で、よく見られるからです。これは、生態学者が科学の初期の頃から研究してきた単純な捕食者と被食者のモデルを表しています。しかし、初期の科学者、そして彼らよりずっと前の先住民は、この風景の異常な点に気付きました。ある年には、ドングリが大量に落ち、すべての木の下にリスの楽園ができました。他の年にはほとんど落ちませんでした。

植物が 1 年間に種子のほとんどを落とし、その後数年間は種子生産をほぼまたは完全に停止することを「種子マスティング」と呼びます。オークの木はその一例ですが、何千もの樹木やその他の長命植物の種がこの繁栄と衰退の戦略を採用しています。最も一般的な説明は、ドングリを食べる空腹のリス、鳥、その他数え切れないほどの種に関連しています。理論によれば、一度に十分な量の種子を落とすと、一部の種子は捕食者のごちそうを生き延びます。生態学者はこれを「捕食者飽食仮説」と呼び、数十年にわたって種子マスティングの広く受け入れられた説明となっています。

しかし、捕食者の満足感は、唯一の理論ではありません。別の考えでは、マスト形成は、ミツバチなどの昆虫が最も効率的に植物を受粉するのに役立つと示唆しています。その理論によれば、1 種の木がすべて同時に開花し、種子を結実する場合、ミツバチなどの花粉媒介者が花粉を 1 本の木から別の木に直接運ぶ可能性が高くなります。しかし、これらの理論のどちらよりも明白で目に見えない何かがこの現象を説明するのに役立つとしたらどうでしょうか。それを駆動する力が、リスやミツバチよりもずっと小さいものであるとしたらどうでしょうか。

カナダの研究者らは今年2月に論文を発表した。 現在の生物学 種子塊形成の進化について、病気という新しい仮説を提唱している。ドングリは空腹のリスに上から食べられているが、下から、そして内部から菌類、細菌、その他の病原菌に攻撃されている。科学者たちは、これらの病原菌が大量の種子を枯らす可能性があることを長い間理解していたが、種子放出のタイミングを決定する役割はほとんど無視されてきた。しかし、一部の科学者は、塊形成樹木が、単に豊作の年に捕食者を圧倒するためだけではなく、病気のサイクルを断ち切るために、ある年に種子を少なく落とす可能性があるのではないかと考えた。

「農家が何をしているか見てください」と、ブリティッシュコロンビア大学の植物学者で森林保全科学者であり、最近の論文の著者の一人であるジョナサン・デイビス氏は言う。「彼らは畑を休ませることが多いのですが、そうすると害虫や病原菌が除去されます。2、3、または4年間作物を収穫しないのです。そうすると畑から病原菌や害虫が除去され、また作物を植えることができます。」

病気が重要な役割を果たす可能性があるという考えは、多くの考えがそうであるように、正式な研究室ではなく、何気ない会話から生まれた。デイビス氏は、チューリッヒ工科大学の植物群集生態学者、ヤネケ・ヒレ・リス・ランバース氏と、ワシントン州で研究している樹木の種子生産がいかに変動的であるかについて話していた。病原体がドライバーであるという概念が持ち上がり、デイビス氏は誰かが以前にその可能性を検討したことがあるだろうと考えた。しかし、ジャーナルデータベースで参考文献を検索したとき、空の結果画面を見つけて驚いた。

「文字通り、文献にはそれに関する記述が何もなかった」とデイヴィス氏は言う。

このような理論を裏付けるデータの収集には、樹木の再生を左右する時間スケールのため、数十年かかるだろう。しかし、病原菌逃避仮説を現場でテストする前に、理論上も機能することを確認するための強固な基盤を構築する必要がある。そのプロセスを開始するために、論文のもう 1 人の著者であるサイモン フレーザー大学の数学教授アイリーン マクファーソンが参加し、数理生物学者が行うことを行った。つまり、モデルを構築したのだ。

生態学理論の基本単位はモデルであり、数学を使用して表現された自然関係の簡略化された表現です。生態モデルは、複数の種、環境条件、およびその他の変数を考慮しているため、非常に複雑になることがあります。このテーマに関する過去の研究を白紙の状態から開始するため、マクファーソンは可能な限り単純な数学モデルを使用することを選択しました。

「これまでで最も堅牢なモデルを構築することが目的ではありませんでした」とマクファーソン氏は論文の計算について語る。彼女はこれを出発点と見ており、他の研究者にとっての出発点となることを期待している。「私たちのモデルは、これを研究する理由があるかもしれないことを示すことに非常に重点を置いています。」

文献の中で種子増殖の病原体モデルに最も近いのは、寄生虫を調べた 1992 年の研究です。この論文では、リスとドングリのような標準的な捕食者と被食者のモデルのバージョンが使用されており、基本的に種子と寄生虫という 2 つの可動部分があります。このモデルを新しい仮説に適応させるため、マクファーソンは病原体が広がる 2 つの異なる方法、つまり直接的および環境的感染を考慮しました。直接感染は、ある宿主から別の宿主へと広がります。環境的感染には、中間宿主または感染と感染の間に病原体が生存できる別の種類のリザーバーのいずれか、別のステップが関与する場合があります。典型的な例はペストを引き起こす細菌で、これはげっ歯類によって運ばれ、ノミを介して人間に感染します。

病原体が直接的か環境的かを問わず、モデルでは 2 種類の宿主を考慮する必要があります。すでに感染している宿主と、感染しやすい宿主、つまりまだ感染していない宿主です。マクファーソンのモデルによると、種子の塊は一度に多くの感染しやすい種子を生み出します。播種が遅い年には、感染しやすい種子の数が非常に少なくなるため、次の宿主の流行を飢えさせ、流行が始まる前に断ち切ることができます。

理論の第一歩が整い、デイヴィスとマクファーソンは、他の研究者が次のステップに進み、より複雑なモデルを使用し、現場のデータで理論をテストしてくれることを期待している。理論の一部を彼女の研究に取り入れる可能性がある科学者の一人は、デイヴィスとの会話がそもそもこのアイデアのきっかけとなった生態学者だ。

ヒレ・リス・ランバース氏は、2007年からマウント・レーニア国立公園の樹木とその個体群動態を研究している。そのデータセットは最近になってようやく16年目を迎え、マツの成育パターンや、おそらく病気との関連を調べるのに十分な長さになった。ランバース氏は、最近の論文が有望な出発点だと考えている。

「とてもうまく書かれていて、確かにこれは私たちがこれまで無視してきた、こうした動向の潜在的な長期的推進力となるものであると納得させられる内容だと思いました」と彼女は言う。

病原体からの逃避は、捕食者の飽和や花粉媒介者の効率という主流の理論を覆すのではなく、植物種を塊状化へと向かわせるために協力して働くさまざまな要因の混合に加わるだけなのかもしれない。

「現実には、おそらく単一の説明は存在しない」とデイヴィス氏は言う。「このパズルを組み立てると、これが説明の一部になるだろう。」