Journal of Fisheries Technology, 6（1）, 57︲68, 2013
総水産技術，6（1）, 57︲68, 2013

説

安定同位体による新食物網解析法－数値の解釈と基礎生産者の同位体比推定記述モデルの検討－
杉崎宏哉＊１，２・児玉真史＊１・市川忠史＊１・山田圭子＊１・和田英太郎＊１・渡邊朝生＊１

A New Aspect on Food Web Analyses Using a Nitrogen and Carbon Isotope Map- Guidance for Interpretations of Values and Estimation Model for Stable
Isotope Values of Primary Producers of Food Web Hiroya SUGISAKI ＊1,2, Masashi KODAMA ＊1, Tadafumi ICHIKAWA ＊1, Keiko YAMADA ＊1,
Eitaro WADA ＊1and Tomowo WATANABE ＊1
Though the isotope analysis method for marine and fishery science is spreading recently, there are serious obstacles for the analysis of food chain structures due to the difficulty of measuring the stable isotope
ratio of the primary producer. In this paper, a brief history of the trophic fractionation of carbon and nitrogen isotopes during feeding processes was reviewed and a new method introduced for analysis of the foodweb structure and estimation of trophic level regardless of the stable isotope ratio of primary producer orthe origin of the organic matters of the food web.
Recently a linear relation was reported between nitrogen and carbon isotope ratios among food chainsin marine environments with a constant ratio of Δδ15N/Δδ13C=1.53. Starting with this equation, together
with the two source mixing model for the Ohtsuchi bay watershed, we established a predictive descriptivemodel for the coastal areas and off-shore areas of the Sanriku district in Japan. On the basis of our model,
we also reexamined several methods of sampling and sample preparations. Some potential future aspects ofthe present stable isotope techniques were discussed.
2012 年 12 月 28 日受付，2013 年 5 月 22 日受理
海洋科学に関連した近年の技術革新の背景

生産量を領域スケールから全球スケール，かつ短いタイ

30 年来の環境学の発展を振り返ると衛星画像とコン

ムスケール（1 週間以内の程度）で観測できるようにな

ピューターサイエンスの著しい進歩には目を見張るものったということである。一方，近年ではコンピュータのがある。例えば，海洋における一次生産量，その時空間処理性能の開発が目覚ましく発展しており，全球スケー

分布について衛星による推定とモニタリングの精度が飛ルのモデル解像度も 300 ～ 400km 程度から 25km 以内。すなわち，クロロフィル量やの渦解像可能なモデル 5）が開発され，領域スケールでは躍的に上昇している＊１

1-4）

独立行政法人水産総合研究センター中央水産研究所〒 236-8648

海洋・生態系研究センター

横浜市金沢区福浦 2-12-4

Research Center for Fisheries Oceanography and Marine Ecosystem, National Research Institute of Fisheries Science, Fisheries Research
Agency,2-12-4, Fukuura, Kanazawa-ku, Yokohama, 236-8648, Japan＊2（現所属） 独立行政法人水産総合研究センター〒 220-6115

横浜市西区みなとみらい 2-3-3

研究推進部

クイーンズタワー B15F

（present address）Research management Department, Fisheries Research Agency
Queen＇s Tower B 15F, 2-3-3 Minatomirai, Nishi-ku Yokohama, 220-6115, Japan― 57 ―

2.5km 以内まで解析可能となり，研究対象とする規模も，市場調査を行って得られるデータを元にした資源量や漁その目的により様々なアプローチが可能となった。この場の把握と予測が主要な研究内容であったが，水産重要

ように現在は，衛星から得られたデータとタイムステッ

種（マイワシ，サンマなど）は大きな資源量変動を繰り

プが短い海洋生態数値モデルとを容易に比較ができる時返しており，この変動は海洋環境変動と連関しているこ代となった。

とがわかってきた。この様な大きな資源変動メカニズム

しかしながら海洋の水産資源の主題となる食物網，すを把握するには，水産重要種が生活史の様々な時期にどなわち高等植物→植食性動物→肉食性動物→高次動物のの海域でどのような被食捕食関係に遭遇し，その結果と実態については，生物種のレベルである程度理解されてしてどのような栄養条件の優劣が生じ，どのような条件

いるが，一歩踏み込んだ代謝系のレベルや分子のレベルで捕食されあるいは生残したかを，観測データやモデル

では，その実態を把握するに至っていない。このことを用いて詳細に解析して生態系構造を明らかにする必要が，現在の生物の機能を重要視する生態系モデルと観測がある。そのため水産資源調査の一環としてこれまでもの間に大きなギャップを生じさせ，観測とモデルの統合

対象種の食性調査が行われており，その一般的な手法とを困難にする原因となっていると考えられる。

して消化管内容物を観察して査定計量する手法が多く用

近年，生態学に導入された分析手法として，分子生物

いられてきた。しかし海洋生態系を構成する生物種は大学 的 な DNA 分 析 法 と 化 学 的 な 安 定 同 位 体（Stable

変多く，調査も広域に及ぶため，これらの食性を消化管

Isotope; SI）精密測定法がある。前者は遺伝情報をつか

内容物の検鏡から解析するには多大な労力を要し，しかさどる核酸塩基の配列を解析する DNA ワールド学と見も捕獲された生物が直前に補食した餌という断片的な情做せる。DNA ワールドでは主に系統分類や親子関係の報しか得られてこなかった。そこで，近年水産研究にお解析が中心であり，対象生物の系統進化上の位置づけをいても安定同位体を用いた食物網構造解析の手法が注目明らかにする。さらに高速 DNA 塩基配列解析法によるされ，徐々に成果が出始めている 7）。これらの成果から，

動植物プランクトン，微生物の同定等の解析に使われ始かみ砕かれたり急速に消化したりすることにより消化管めている。後者は生体内で起こる同化や異化などの化学内容物調査ではわかりにくかった海洋生物の食性の情報

反応の際に同じ元素でも同位体が異なるために起こる反が得られ，餌の餌となるものの推定など基礎生産から対応速度の違いに起因して生態構成元素の同位体比が変動

象種に至る食物網構造を把握することができるようになする効果（同位体効果）を利用するものである。つまる。食物網構造が自然・人為的要因による環境変化など

り，同位体分子の分子振動の差を解析する SI ワールド

によって変動することで，水産重要資源などの餌料環境解析学であり統計熱力学に支配された生物界を見ることに大きな変動を及ぼして資源量変動がもたらされたり，が出来る。安定同位体法は化学反応における同位体効果

生態系を構成する主要種が変化して漁場が変動したりす

を基盤とする生物現象の解析法であるので，物質の動態ると考えられているが，消化管内容物の直接観察などのについて生物種を超えた一般性が期待できる事象を扱う手法のみではこのような食物網構造の実態を把握するこ方法でもある。SI ワールドでは安定同位体比の分布をとは困難である。消化管内容物や捕食行動の直接観察に測定することにより，生態系内の物質循環のキープロセ

より餌の種類やサイズなどを把握することに加えて安定

スと食物網の構造を知ることができる 。

同位体を用いることにより個々の被食 - 捕食関係から多6）

上に述べた数値モデルとリモートセンシングは，コン
ピュータや衛星のめざましい発展によって，ここ 10 年

様な生態系の中の食物網構造まで，生物の食性に関わる様々な解析が可能となる。

日進月歩の中にある。一方，安定同位体比精密測定法はまた，安定同位体は魚体を形成する栄養源となってい分子レベルの理解を深めつつも発展途上にある。近未来

る餌を識別できるので，増養殖事業において，無給餌養には安定同位体比数値モデルを構築し，現場観測によっ殖で実際に何が主要な餌料となっているかということて検証・高度化する分野の発展が見込まれる。本研究でや，様々な種類の餌料の中でどの餌がどの程度魚体形成はこのような視座に立脚して，食物網に沿った窒素・炭に貢献しているか等を定量的に把握することが可能とな

素安定同位体効果の最新の知見をまとめ，食物網を包括る。安定同位体のデータを正しく用いることにより，こする安定同位体比推定記述モデルの構築・提示を目指しれまでアプローチが困難であった水産重要種など水圏にた。具体例として三陸沖の食物網解析を取り上げた。まおける生態系の主要生物をとりまく食物網を把握するこ

たこのモデルに基づいて，試料処理法について考察しとが可能となり，水産資源研究に大きく貢献できると期た。

待されている 8,9）。

水産研究における安定同位体手法の利用～餌や消化管内

安定同位体食物網

容物を直接調べなくても食性や被食 - 被捕食関係が分かる手法～

安定同位体は，近年，構成する動物の種類に関わらず
食物網構造を数値的に表現する手法として広く普及し始

これまで，長年にわたり水産資源研究は調査船およびめており，水産研究においても利用されるようになって― 58 ―

きた。安定同位体を用いて食物網構造を判断するために物を通して成立することが認められている 13）。これには生態系の有機物起源（エンドメンバー，すなわち基礎

対してδ13C 値は餌と捕食者の間に 0 ～ 1.5‰の差が見

生産者や遺骸など）の安定同位体比を把握する必要があられる 15-17）。McCONNAUGHEY and McROY18）はベーリンる。しかし，海洋においては起源となる有機物の特定がグ海の食物網内におけるδ13C 値を調べた結果，栄養段

難しいことに加え，基礎生産者は微小な植物プランクト階（TL）が１つ上がる毎にδ13C 値が 1.5‰濃縮されるンやバクテリアなどであることも多く，安定同位体比をことを示した。また RAU et al. 16）では，東部太平洋赤道

分析できる十分量を収集することも困難であり，海洋の域およびカリフォルニア沿岸域の捕食者を調べた結果，生態系構造を解析する際にエンドメンバーの安定同位体

0.7 ～ 1.4‰ /TL の関係を示し，データセットにより変動比から分析を行う障害となっている。そこで，本研究にが見られるがそのような相違が生じるメカニズムには ,おいては，安定同位体比を用いた手法の近過去史の概要

エンドメンバーの組成や成長速度など様々な要因が想定をまとめ，エンドメンバーにこだわらず測定可能な生物

され，食物網過程上のδ13C 値の濃縮機構に関して統一

種の安定同位体比を測定し同位体マップ上に整理するこ的見解が明らかとなっていなかった。

とにより，同位体比の数値から食物連鎖構造や各種の栄

これまでの経緯をまとめると，δ15N-δ13C マップ上

養段階を推定する新食物網解析の提案について紹介すに一次生産者の安定同位体比が異なる食物網の構造を描くことができ，不完全ながら安定同位体食物網モデルがる。
生物界における窒素同位体比測定の報告は HOERING10）

使われるようになったが，δ13C の生物濃縮について幅に始まる。彼は職人肌の研究者で難しい測定法に挑戦すがあり，かつ，δ13C は栄養段階に応じた変化よりも一るのが好きなようであった。また岩石中の正確な窒素同次生産者が生息する環境に応じた変動が大きいため，食位体比も彼のグループによって報告されている。海洋に物網の炭素源の特定と動物の餌起源の推定に有効である

おける窒素同位体比の測定に関する初期の本格的論文はと考えられてきた 19-20）。このため誌上発表された研究で日本から出ており 11），このときの成果は以下のようには，Δδ13C（δ13C の数値の差）よりもΔδ15N（δ15N

まとめられる。

の数値の差）の変化をもとに栄養段階を研究されている

1）海洋では食物網に沿ってδ N 値が高くなる。

ものが多く，この解析法は主として窒素同位体比の変化

2）海洋生態系は陸域よりもδ15N 値が高い。

を中心に発展してきた。不完全ではあったが，この式を15

この論文は国内紙であったが，我が国の学術会議が別

色々な生態系に応用することにより，食物関係を中心と刷を外国に沢山送っていたこともあり色々な国の地球化

する安定同位体の研究に一応の進捗が見られ，同位体生学者の注目を浴びることとなった。

態学なる言葉も散見されるようになってきた。その後

炭素同位体生態学の先鞭となる「食う－食われる」の

MATTHEWS and HAYES21）によって Isotope-Ratio-Monitoring

研究は 1975 年ごろ Texas 大学海洋研究所（有機地球科

Gas Chromatography Mass Spectrometry が 開 発 さ れ，He学の P.L. PARKER 教授の研究室）で始まった。著者の一

フロースルー法と微分同位体比測定法の導入によって，人和田は博士研究員として同研究所に在席し，当時，院現在見られる迅速簡便法に発展し，同位体生態学が急速生として在席していた Brian FRY（現グリフィス大教授，に普及する引き金となった。近年は分子レベルでの同位

オーストラリア）や Malilin FORGEL（現カーネギイ研究

体比の測定が急速に発展しており，今後同位体生態学は所，Washington DC），その後に加わった Stephen MACKO（バージニア大学教授）などにより，いわゆる炭素同位体生態学の走りとなった研究が進められた。研究所がメ
キシコ湾沿いの C4 植物（光合成にカルビン－ベンソン回路以外に CO2 を濃縮する C4 回路を持つ植物群）の多い藻場の中にあり，炭素同位体の研究ができる自然環境に恵まれていたことがその出発点になったと思っている。食物網に沿った 15N の濃縮に関する本格的な論文は，UCLA の DENIRO and EPSTEIN12），MINAGAWA and WADA13）
等により報告された。
以下に生物界の窒素・炭素同位体比の分布に関する経
験則を示す

。

14）

N は食物網によって濃縮される。食物の栄養段階

15（Trophic Level:TL）を 1 とすると図 1 に示すように，
δ15N（動物）＝ 3.3（TL-1）＋δ15N（植物）……経験則 1の関係式が成立する。この一般式は無脊椎動物や脊椎動図 1． 栄 養 段 階（Trophic level） と 左： 窒 素 安 定 同 位 体 比（δ15N：MINAGAWA & WADA, 1984; FRY, 1988 より改変）
右：炭素安定同位体比（δ13C：DENIRO & EPSTEIN, 1978;
RAU et al., 1983; FRY & SHERR, 1984 より改変）の関係（相田私信）
これらの関係から生態学的なプロセスや生態系（食物連鎖）構造などの理解が可能
ただし，δ13C については測定する部位によって値が異なるため，不明瞭な部分もある― 59 ―

合を想定している。

分子レベルや代謝マップの動態などの基礎研究を踏まえこれらの条件が成立すれば，食物網はδ13C-δ15N マて発展してゆくことが予見される。

ップ上で直線になる。
食物網がδ15N- δ13C マップ上で直線になる意義

図 3 に同位体効果の起こる生体内のサイトとしてアミ

多くの文献では食物網のデータをδ C- δ N マップ

ノ酸合成系にまつわるメタボリックマップを示したが，上に描き最小二乗法で有意の直線を引いている。δ13C

アミノ酸の炭素骨格の合成系はすべての生物に共通であ値の変動は約 0.8‰程度とされ，食物網の解析では，陸り，トータルとしてのアミノ酸の炭素骨格の合成系のダ

上の植物，中緯度の植物プランクトン，C4 植物の間のイナミクスに関与する同化と異化の比率（同化／異化）13

大きなδ C 値の差を使い食物網を解析することに留まは生物種によらずほぼ同じであり，似たΔδ13C を示すっていた。

ことが期待できる。実際，アミノ酸の炭素同位体比分布1315

植物の生育に使われる窒素・炭素の安定同位体比は地には一定の傾向があること 22）やプランクトンではセル

域によって一定の値を示し，これを出発点とする生態系

ロースに比べてアミノ酸の方が高いδ13C 値を示すこと

は地域ごとに統一的な規則性が維持されると考えること

23）

が出来る

が報告されている。

。

Δδ15N はアミノ基の脱アミノ過程ですべての生物に

14）

ここでどのような条件を満たせば，食物網はδ13C-δ

共通に起こるという力石ら 24-25）の考えを踏襲すれば，上15

N マップ上で直線となるのかを検討する。この背景に記Δδ15N ／Δδ13C ＝一定となり，δ13C-δ15N マップ

は多くの生態系でδ13C とδ15N が有意の直線関係を示

上で食物網は直線になる（図 2）。

すことが多いという事実がある。このためには以下の条

この仮説を検証するためには共分散分析（ANCOVA：

件を満たす必要が出てくる。

analysis covariance）を用いる方法が考えられる。その結

1） 図 2 に示したように食物網の起源となる植物プラン

果，多くの生態系について共通の勾配が得られれば，そ

クトンは連鎖上の高位の動物に共通しており，同一の勾配と一次生産者の窒素・炭素安定同位体比を用いの食物網内にある。

て，目的とする同位体比推定記述モデルが構築可能とな

2） メタボリックマップは，代謝形態の異なる生物種のる。繰り返しになるが，これまでの文献でのデータは食

例外はあるが，多くの生物に共通であり，タンパク物網が窒素・炭素安定同位体マップ上で有意に直線なる質を構成するアミノ酸合成系の窒素・炭素の同位体ものが多いことがこの仮設の成立の可能性を示唆してい効果は全ての動物で同じである。すなわち低次からる。このような視点から，食物網に沿ったΔδ15N ／高次までの栄養段階を網羅した食物網を考えたとΔδ13C について最近の成果を検討し，同位体比推定記

き，述モデルの構築を意図した。

Δδ N ／Δδ C ＝一定1513

安定同位体食物網記述モデルの登場といえる。
3） １次生産者のδ C，δ N は，ある時間幅で一定とAITA et al. 26）らは西部北太平洋域を中心として海洋中みなしうる状況である。例えば動物プランクトンのの食物網に関するデータベースをまとめ海域によって異昼夜鉛直移動がホモジナイザーのように鉛直方向のな る Δδ15N ／ Δ δ13C を 持 つ の か を 検 証 す る た め に

同位体比の異なる藻類を摂取し平均化するような場

ANCOVA を用いて統計的な解析を行った。

1315

図 2．栄養段階（Trophic level；TL）を示す δ13C-δ15N 分布の
概念図― 60 ―

図 3．作業仮説：同位体効果の起こるサイト

δ15N（‰）=1.53［± 0.25］δ13C+40.9［±5.6］+ 各海域れた場合も同様の手続きでマップ上に直線を引くことがの定数（p<0.05）

可能となる。

水産総合研究センター北海道区水産研究所・東北区水産以下に文献値を踏まえた三陸沿岸及びその近海におけ研究所の共同海洋調査定線である A-line（道東及び本州

る同位体比推定記述モデルを具体例として取り上げてみ

東北沖太平洋上）の親潮系冷水域においてはる。

δ15N（‰）=1.53［± 0.25］δ13 C+ 各海域の定数（p<0.05）

図 4 に岩手県大槌川水系の堆積物の陸域から湾にいた……経験則 2

る安定同位体比の変化 28）を示した。大槌湾の堆積有機

ここで A-line 親潮水域の定数は -1.71±0.5724 であるか物は，陸起源と湾内で植物プランクトンによって作られら，沈降した有機物の混合系，すなわち Two Source Modelが成立し以下の式が得られている 28-30）。

δ15N（‰）=1.53［± 0.25］δ13 C+39.2

δ 15N（‰）=0.68 δ 13C+20.6（r=0.57；n=19）となる。
MEARNS は胃の内容物などの調査から，海洋性動物

これより食物網におけるエンドメンバーとして，陸域

27）

プランクトンの Calanoid copepodas（カラヌス目カイア

有機物の C，N のδ値として -26.5‰，+1.8‰，また大シ類），Chaetognaths（ヤムシ類）の栄養段階（TL）は槌湾で生産される有機物の平均値として -20.3‰，+6.3

それぞれ 2.0，3.5 と報告されている。またカイアシ類の‰が得られている。

一種である Eucalanus bungi の TL を 2.0 として勘案し，これらから親潮域（A-line）26），大槌湾 28-30），大槌陸域

最終的には ANCOVA から得られた直線から，親潮域の（和田私信）における食物網－安定同位体マップを示し

植物プランクトンの平均的な窒素と炭素の定同位体比とた（図 5）。
仙 台 湾 で 採 取 し た， カ タ ク チ イ ワ シ（Engraulis

してそれぞれ，
δ15 N ＝ 5.0， δ13C ＝－ 22.3‰

japonicus）からヒラメ（Paralichthys olivaceus），多毛類が得られた。

からババカレイ（Microstomus achne）の連鎖のデータもここに提案した同位体比推定記述モデルは以下のよう

勾配 1.53 から説明が可能と思われる（東北区水産研究に要約できる。

所，未発表）。ここに述べた安定同位体比推定記述モデi） ある生態学的に栄養段階（TL）の分かっている動物

ルにより，δ13C-δ15N マップ上で，食物網の解析が可についてδ15N とδ13C の平均値を求める。

能となる。

ii） 次にδ13C-δ15N マップ上で，この点を使い勾配 1.5
安定同位体比を用いた新手法に関する考察の直線を引く。
iii）この直線上でΔδ15N ／ TL=3.3‰あるいは Δδ13C

ここに述べた新しい食物網解析法では一次生産者の窒／ TL=2.2‰を使って，その動物の食物網の出発点

素・炭素安定同位体比が一定のとき，食物網はδ 13C-δ

と想定される植物プランクトンの値がマップ上に決15

N マップ上で勾配が約 1.5 の直線となる。ただし扱う

窒素・炭素はアミノ酸の複合体となるタンパク質であまる。
iv）得られた直線を基準として他の動物の同位体比が解り，その代表はいわゆる肉の部分である。動物体内では器官によって窒素・炭素同位体比が異なるが（図 6），

析可能となり，その TL を予測可能となる。

上記の一般経験則は食物網にそってアミノ酸組成が似て実例：三陸沖（A-line）及び内湾における同位体比推定
記述モデルの提案

いる筋肉タンパクを対象として成立する。
この手法は，海洋生態系のみならず，陸水，陸上の生以上の作業仮説，これまでの研究から得られている食物網経験則１および２，種々の考察をまとめると食物網の窒素・炭素安定同位体比推定記述モデルは以下のように整理される。
δ15N（動物）=3.3（TL-1）＋δ15N（植物）……経験則 1
δ N（‰）=1.53［± 0.25］δ C+39.2（p<0.05）
15

13（A-line 親潮域）
Δδ15N ／Δδ13C ＝ 1.53 ± 0.25（一定）……経験則 2
したがって，δ 13C- δ 15N マップ上で高位の魚の同位体比が得られると，そのδ13C，δ15N 値と勾配 1.53，生態学的な栄養段階数を用いて直線を引き，Δδ15N ／TL=3.3 を入れて，対応する一次生産者マップ上の位置を決めることが可能となる。一次生産者の平均値が得ら

図 4．大槌川水系（河川＋湾）の標高と地勢（上）と堆積物の同位体分布（下）（WADA et al. 1987 より改変）― 61 ―

図 5．A-line 上親潮域（OY）と大槌湾及び大槌陸域における同位体予測記述モデル（ ）内はエンドメンバーの平均的窒素・炭素同位体比

図 6．同じ餌で飼育した 16 匹のラットの各体組織における窒素・炭素同位体比（和田，2009 より改変）
図左の◆は分析誤差を示す

態系にも有効であり，WADA ら 31）によるとこの式は，動の比（異化・同化作用の比率）が一定であると，ア

バイカル湖・琵琶湖沖帯の食物網，モンゴル草原の草，

ミノ酸総体の合成時の窒素・炭素同位体効果が相似的

ヒツジ・ヤギ・ウシ・キツネ・オオカミを含む食物網でに起こり，食物網を通して「Δδ15N ／Δδ13C ＝一も成立していることが明らかとなっている。これは，陸定」が期待される。しかも逐次化学反応ではなく，い上（海洋）起源の生物生産を海洋（陸上）生物が利用す

くつかの代謝サイクルの総体として同位体効果が顕在るような異なった生態系が混合している場合の解析に適化するため，この同位体効果の温度依存性はなくなっ用できる手法である。

ていると考えられる。すなわち多重な代謝連鎖系の動他の組織，例えばモンゴル遊牧生態系ではヒツジ・ヤ
ギ→キツネ・オオカミ→ヒトを含めた髪の毛についても成立することが確認されている。このことを踏まえ，

31）

筋肉タンパク質を中心とした新食物網解析法ではこれま

態は海洋生物全般について相似であることを示唆する。
2）生態学的要因 : ecological factor
以下のような生態学的要因は経験則 2 からのゆらぎをで不明瞭であった試料の扱いについて明確な指針が得ら引き起こす。

れる。高井・富永ら 7）は安定同位体比測定法について詳• 一次生産者が C と N を同化したときの，季節的及びしく解説しているが，これを補足するために，以下に新生息環境の違いによる生育速度の差異による同位体比

しい解析法に基づく資料処理法の新知見をまとめた。

の変動。
• 同位体比の異なる 2 種以上の藻類の増殖と食物網から勾配のゆらぎ

食物網への複雑化。

1）速度論的要因 : kinetic isotope effect• 従属栄養動物の混食。

• 一般的に生体内の同位体比は，代謝過程内で起こる• ライフサイクルによる脂肪含量の違い。

数々の同位体分岐反応によって決定される（図 3 ある

3）試料採取の偏り

いは MINAGAWA et al. 22）の例より）• 一次生産者の地域による違いのほか，この最後の因子• 主要な代謝経路の多くは，殆ど全ての細胞や生物で共（試料採取の偏り）がゆらぎをもたらす可能性はきわ通している。アミノ酸合成にまつわる中間代謝駆動

めて大きいと考えられる。図 7 にこの例を示した。た時，例えば排泄系（尿素サイクル），アミノ酸の炭素

とえば植物プランクトンのブルーミングが発生してい骨格の供給や消費をする TCA サイクル，アミノ酸のない時には植物のδ13C 値が低くなるためブルーミン

再利用等の代謝様の動態によって各種分岐反応時に差グ時のみ高いδ13C 値が混合して勾配が小さくなる傾が生まれる。しかし栄養段階が異なる多くの動物は基向が見られたり（図 7 の例 1），同化 / 異化比が変化し本的には同一の代謝マップを持っており，普通の生活動物プランクトンの脂質含量が増えδ13C 値が低くなでは種に関わらずタンパク合成系と ATP 獲得系の駆り勾配が大きくなる傾向が見られたり（図 7 の例 2）― 62 ―

図 7．SI 予測モデルとそのゆらぎの例
PP：植物プランクトン，ZP：動物プランクトンする。このように一次生産者の炭素安定同位体比の数

後（通常 1 月で親になる）各臓器の窒素・炭素安定同位値が大きな幅を持つことから，安定同位体比による食体比を測定した結果である。個体の違いを超えて各器官物網の解析において原点となる一次生産者の炭素同位がほぼ一定の値を示すことがわかる。ただし飼育実験で体比の数値の特定が困難となっている。これは植物プ

摂餌過程における濃縮係数を求め，これを自然生態系とランクトンの組成のばらつきなどによりサンプルによ比較する場合，飼育される動物の生理状態（例えば同化

るばらつきが大きく同位体比の平均値が得にくいこと/ 異化の比率）が似ている必要がある。餌の選択にもこに一因があると考えられる。また，植物プランクトンの点での注意が必要となる。餌に C4 系のもの（例えばではブルーミングのような短期間のタイミングのずれ

トウモロコシ）をまぜると餌のアミノ酸分子内の同位体

でも同位体比が変動し，食物網に沿ってタイムスケー

比が変わることに注意されたい。このため、自然界でルをあわせた試料採取が極めて困難であることも一次

C3 植物系（C4 植物と異なり光合成過程にカルビン - ベ

生産者の炭素同位体比のばらつきの要因と考えられンソン回路のみを持つ植物群）が主体となる海洋生態系

る。

に属する生物を対象とした実験を行う際に，飼育実験でここに述べたような試料採取の不完全さも含めた生態

トウモロコシなどの C4 植物をまぜた飼料を使うと，分子内同位体比の分布の違いにより、自然界での被食 - 捕

学的要因が見かけ上の勾配のゆらぎの原因となる。

食関係で起こるδ 13C 値の変化とは異なった結果となる
再現性可能性がある。この点はこれまでに軽視されてきたが，同一の窒素・炭素安定同位体比を持つ餌を食べた時の今後の研究の要点となるであろう。また飼育に際しては捕食者の器官の同位体比の再現性を確かめることが必須対象とする動物の成長速度が自然界のものに近い状態に条件となる。図 6 はこの目的で 16 匹のラットを特注のすることが必要となる。この点に関しては今後更なる検同位体比の均一化過程を経たペレット試料で 3 ヶ月飼育討が必要となる。

― 63 ―

り高位の餌を食べるため炭素同位体比が変化したと

MIZUTANI et al. 32）は，上野動物園に餌として搬入され思われる。

たサバの安定同位体比を 3 年間に渡って調べ，δ15N:9.5± 1.0（n=7），δ13C:-20.1 ± 1.2（n=19）の結果を得，±1vi）蒲生干潟に生息するアシハラガニ（Helice tridens）：‰の幅で変動していることを明らかにした。一方，自然甲羅が大きくなると岩場やヨシハラに移動し炭素同界ではその生活史や生育環境によって大きく炭素安定同位体比の変動が激しくなる。

位体比が変動することが知られている。その例を図 8 にvii）多 摩 川 河 口 域 に 生 息 す る ア サ リ（Ruditapes

示した。以下に同種でも炭素安定同位体比が大きく変動

philippinarum）：春から夏にかけて高く，冬に低下すしたことを観察した研究例を示す。

る季節変化を示す。餌となる基礎生産者の生産速度

i） ナンキョクオキアミ：元東大海洋研究所の川口浩一の変化やアサリ自身のグリコーゲンの増減など体組教授が昭和基地で越冬した際 1 年にわたって採取し成の変化が影響しているものと考えられる 36）。

た和名コオリオキアミ（Euphausia crystallorophias），

上記の例は同種内でのδ13C 値が例外的に大きく変動

英 名 Ice krill，Antarctic coastal krill で あ る。 冬 季 にする例であり，通常は，成長に伴って炭素同位体比が高はアイスアルジーと浮遊性植物プランクトン食の二くなり，成熟後ほぼ一定の値を示すことが知られていつのグループがあるため，このように炭素同位体比る。これは成長に伴って餌の種類やサイズが変化するこがばらついたと思われる。

とによるものと考えられる。種の同位体比を代表する値ii） 諏訪湖のフナ（Carassius auratus）：4m×4m の四手として安定した数値を使用するため，安定同位体法では網で同時に捕獲したほぼ同じ体長からなる試料であ

通常成熟個体を採取して解析を行う。哺乳類では出生後る。それらの炭素同位体比は個体ごとに大きく異な母乳で育つためその影響はヒトで 2 年半，アザラシで１った。これは水草周辺で各個体の採取域が極めて狭

年 37）などが知られている。また，ヒトのひげの場合約 2

い餌のδ C 値が異なる範囲で生育したためと示唆週間でその変化が出てくる 38）。大槌湾に放流されたサされる。海では藻場がこのような環境となる。すな

ケの稚魚は湿重量１g になると湾内の餌に同調した値にわち光条件や流速の差異によって植物の炭素同位体

なる（和田私信）。

13

比がヘテロな値となっている。
iii）ヨコエソ（Sigmops gracile）：相模湾表層から数 100

植物プランクトンの採取法と同位体比ｍにかけて採取した。ヨコエソは昼夜を通じ 200 ～植物プランクトンの炭素安定同位体比（δ13C）は生，多様な餌を捕食し育速度の関数である。一般に，生育速度は水温 , 光強度，800m の幅広い水深に分布し

33）

ことが知

栄養塩濃度，細胞の形によって変化するが，前三者が大られており，個体による分布深度や餌生物に大きな，その餌サイズも幅広いレンジにあるきな因子となる。生育速度が速くなると細胞内への CO2差が生じ，炭素同位体比がばらついた可能性がある。

の供給が炭酸固定を律速し，δ13C 値は高くなる。弱光iv）諏訪湖のワカサギ（Hypomesus nipponensis）：春からで温度が低くいと生育速度が遅くなりδ13C 値は低くな

34）

35）

夏にかけてアオコの増殖と連動した餌となるワムシる。したがって海では表層から有効層下部に向かって植（輪形動物：Rotifera），ミジンコ（Cladocera），ユス

物プランクトンのδ13C 値は低くなる。また北から南にリカ（Chironomidae）のさなぎなどの炭素同位体比

向かって表面水温（SST）が高くなり，生育がよくなるが激しく変動し春から夏にかけて高くなる。

ため，そのδ13C 値は高くなる。春のブルームでは Chl.

v） 大槌で購入したサケ（Oncorhynchus keta）：体重 3 ～

a のピークに向かってδ13C 値は高くなり，以後低下す

6kg のサケ 12 個体について体長が大きくなるとよる。ブルームの時期 10 日間天気が悪いとδ13C 値はそれほど高くなれない。すなわち植物プランクトンの炭素同位体比は時空間に変化が激しく（タイムスパン１週間），その時間積分平均値を出すためには，毎週採水と分別作業をすることが要求される。
一方，植物プランクトンの窒素安定同位体比（δ15N）
はδ15N（NO3）値とその濃度によって決まる。西部北太平洋高緯度の硝酸濃度が 10μM を超える場合，表層の植物プランクトンは約 3‰程度で鉛直方向に向かって，有光層下部でδ15N 値は低くなる。したがって，植物プランクトンが過去の一定期間に蓄積し平均化されてきた同位体比を知るためには毎日時空間的に必要十分な試料採取とソーティングが必要となるが，ほぼ不可能である。このため，植物プランクトンより栄養段階が高位

図 8．各種動物のδ13C 値の変動幅に位置する動物の同位体比から外挿して求めることが次― 64 ―

善の策となる。ただし，外挿値の妥当性を検証するた

2）OHKOUCHI et al. 41）の手法：均質化した乾燥試料 2mg

め，現場の植物プランクトンで構成される懸濁態有機物

程度をマイクロチューブにいれ，特級メタノールを（POM）の同位体比は可能ならば取得することが望まし

1mL，ジクロロメタン：メタノール（7:1）1mL，ジい。

クロロメタン：メタノール（10:1）1mL の順に添加。
各溶液を添加後 20 分間の超音波抽出と 10,000 回転

酸処理

で 5 分間遠心分離し，上澄みを捨てる。残った試料

海水中には約 2mM の無機炭酸が含まれるため，酸処を 60℃で乾燥。

理を行い，無機炭酸塩を除くのが一般的である。中央水図 9 に多摩川河口で採取したアサリのδ13C 値につい

研では GF/F フィルター試料は，60℃で一晩以上乾燥さて，未脱脂－脱脂の比較を示した。脱脂によって δ13C

せた後，HCl を入れたデシケーター内で 3 時間以上塩酸値が有意に高くなっていることが分かる。

蒸気にさらす。あるいはフィルターに試料を集めた後，
NaCl 等張溶液で洗浄する。先に述べた同位体効果は筋

キチン質の除去について肉を構成するタンパク質の合成で起こると仮定し，筋肉

甲殻類は水圏の生態系を構成する生物としてきわめての同位体比がそれぞれの生体の同位体比を代表するもの

生物量が多く，多くの甲殻類（エビ，カニなど）が水産として得られた経験則をもとに食物網構造を推定するの重要種となっているばかりでなく，動物プランクトンやで，試料はターンオーバータイムの異なるキチン，髪の小型ベントスとしてほとんどの水産資源の重要な餌料と毛，血液などを除いた値を得ることが求められる。このなっており，水圏生態系において甲殻類を経由しない食ため，酸処理によって失われる可溶性分画の損失は気に

物網構造はきわめてまれであると言える。したがって，する必要はない。堆積物の処理でも同様に考えるが，後多くの生態系構成種がキチン質の殻を持つあるいはそれ

述のように同化される有機物はトータルの堆積有機物とを捕食することとなるので，キチン質が同位体比にもた

同位体比が異なることに注意されたい。

らす影響について考察する必要がある。
1） NICOL et al. 42）はオキアミの場合，キチンは全体の脱脂処理について

2.4 ～ 2.7%（乾重量，平均 2.6%）（1）と報告した。

安定同位体による食物網解析にはタンパク質の δ13C

またツノナシオキアミ（Euphausia pacifica）とナン

値を知ることが求められる。しかし脂質の炭素同位体比

キョクオキアミ（Euphausia superba）のタンパク質は有意に低いため 39-40），この影響を除くために脱脂を行

含量は 70% である（2）。

う。特に海洋においては，魚類の餌料として重要とされ

2） SCHIMMELMAN et al. 43）はアルテミア（Artemia salina）

る冷水域のカイアシ類や，深層に生息するハダカイワシを例としてタンパク質に比べキチン質の窒素同位体

科魚類など体に非常に多量の脂質を蓄える生物種が多く比は約 10‰，炭素同位体比は 2‰低くなることを報存在するため，安定同位体を用いてこの様な生物を取り告している（3）。

巻く食物網構造を高い精度で検証するために脂質含量を

上記をまとめると考慮することは重要となる。

• オキアミの例：一般的なタンパク質の窒素含量 16％1） 従来法：クロロホルム：メタノール（2:1）液 4mL（4）を 0.01 ～ 0.02g の試料に加え攪拌。5 分間遠心分離
し上澄み液を捨てる。この操作を 2 回繰り返す。その後 50℃で乾燥。

（2），（4） よ り

Protein 70%×0.16=11.2%（Protein-Nの値）（5）• さ ら に Chitin:（C8H13N05）n，N は 7.3%（6） で あ る

図 9．多摩川河口域のアサリの未脱脂－脱脂の同位体比比較（児玉，未発表）― 65 ―

動物試料のアミノ酸δ15N を使って TL を一義的にことから（1），（6） よ り

決める方法が開発されている。

Chitin タ ン パ ク 質 の N 量 は 2.6%×

一次生産者のδ15N を動物試料から復元でき計算は以0.073 ＝ 0.19%（7）• アルテミアの同位体のデータ（筋肉 5.0‰，（3）より下の式で行う。

Chitin-N は 5-10=-5‰）を利用して，（5），（7）よりタ

TL を動物試料だけで計算できる（アミノ酸 TL；ATL）：

ンパク質キチンの N の割合から加重平均を取り試算

動物の ATL=（動物δ15NGlu- 動物δ15NPhe+3.4）/7.6+1
Glu はグルタミン酸、Phe はフェニルアラニン、3.4 はすると5‰×（11.2/11.39）+（-5）‰ ×（0.19/11.39）=4.84‰
δ 15N 値は 0.16‰低くなるが，測定の誤差範囲以内と見

一 次 生 産 者δ15NGlu とδ15NPhe の 差，7.6 は 捕 食 あ たりのδ15N 濃縮率である。

てよく，殻を除かなくとも大きな誤差にはならない。しこのような TL を正確に決定する手法を検証するためたがってオキアミ類の試料はキチンを除かなくても大きには天然の複雑な生態系に属している生物ではなく，飼な誤差にはならないと結論される。一方，炭素に関して

育下において既知の同位体比の餌のみで数段階の栄養段

は，SI サイエンス㈱の佐藤理恵氏（未発表）が市販の

階の得られる系が必要であり，栽培養殖技術と連携した

クルマエビ属について筋肉と殻の部分を測定し，殻の研究の取り組みも試みられている。

δ N 値は 8 ～ 10‰筋肉より低く，δ C 値が 2‰程度2）ISOSCAPES（同位体地図）1513

低いことを見いだし，キチンを分離しなくとも同位体比には大きな影響を及ぼさないと考えられる。

ISOSCAPES は Isotope Landscape の意味である。安定同位体による食物網の解析手法を広域に適応するために， 時 空 間 的 に 平 均 化 さ れ た 一 次 生 産 者（Primary

浮遊性 POM と底泥有機物の関係

Producer）の同位体地図（PP-ISOSCAPES）の作成が最河口付近の生態系について KIKUCHI and WADA44）によも重要なポイントとなる。AITA et al. 26）で導き出した Δ

る七北田川河口のゴカイ類（Hediste spp.）や児玉ら 36）

δ15N/ Δδ13C の一定の共通式（経験則 2）は TL=2 以上による多摩川河口のアサリ，孵化場から放流後大槌湾での動物から導き出しているため，年に及ぶタイムスパン

成育したサケの稚魚のデータ（和田私信）をもとに，生が長い生物の食物網上において有用な一般式となる。し体の安定同位体比と環境中の底泥の安定同位体比の差をたがって，一次生産者＝植物プランクトンの安定同位体

とると，食物網の起源と想定される底泥有機物との同位比は，このタイムスパンに対応した積分平均値として体比の差は生物種によってばらつきがあることが認めら

PP-Isoscapes を作成する必要がある。一次生産者の δ13Cれた。特にアサリでは底泥に比べて炭素同位体比が数‰値及びδ 15N 値は，栄養塩の季節変化や種構成，生物生

高く，一方窒素は 1‰未満の差であった。七北田川のゴ産を含めた物質循環に依存して変化するため，δ15N にカイ類の炭素安定同位体比には差が無く，窒素同位体比比べδ13C は特に現場環境下で測定することは難しく，

は 1‰強高かった（表 1）。このばらつきに理由について観測誤差が大きい。そこで，i）観測と経験則 2 からのは水温，底質など環境の違いや取り込む有機物の種間相見積もり，ii）数値モデルによる推定を併用する。具体違など様々な要因が考えられ，今後の研究が必要とな的には，安定同位体比，理論モデル，衛星データ解析をる。このような複雑な生態系においても安定同位体比デ統合させ，海洋域における PP-ISOSCAPES を作成する。

ータが蓄積されることにより，河口や内湾など陸上生態

例えば，藻類のδ13C は生育速度の関数であるが，光律

系と海洋生態系の境界領域となる極沿岸域の生態系構造

速のない表層の藻類については水温（SST）から炭素同を把握する有効な指標となり得る。

位体比が求められる。一方，硝酸塩濃度とδ15N の関係
式を導き，硝酸塩取り込みモデルを構築してδ15N 値を今後の展望見積もる。これにより，地球上の様々な海域や時期におという新いてそれぞれの栄養段階における生物の安定同位体比がしい方法が海洋研究開発機構（JAMSTEC）の大河

推定できる。その結果必ずしも生態系構成生物を網羅す

内直彦氏のグループによって提案された。すなわち

るような同位体比測定標本のサンプリングができなくて

1） Amino Acid Trophic Level（ATL）推定法

24）

も研究対象生物の同位体比を測定すればその生物の栄養段階や食性を見積もることや，その生物が属する生態系
表 1．底泥有機物と捕食者の窒素・炭素同位体比の差．

の特徴（エンドメンバーの組成や生物生産速度など）を把握することが可能となると考えられる。このように安定同位体－海洋生態系食物網学の新しい展開や，海域間を移動する魚類などの高次捕食者成長モデルの動態検証に向けた新しい研究の発展が期待できる。生物地理学的なこの種の図が得られれば，安定同位体を用いた海洋生態系の食物網モデルを北太平洋全域に拡大することが可― 66 ―

能となるであろう。将来は ATL も加味した，より高度化した安定同位体個体群動態モデルの構築も視野に入ってくるであろう。
PP-ISOSCAPES が完成すれば研究対象とする生物種（水産重要種など）を取り巻く食物網の様々な生物の安定同位体比をすべて分析することなく，水温等の環境情報といくつかの同位体比データを組み合わせることにより，研究対象種の属する食物網構造をかなり高い精度で類推することが可能となると期待される。そのために，
現在安定同位体比データを取得している研究者間のネットワークを密にし，安定同位体比の実測データを環境データとともに蓄積していくことが不可欠となる。

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