生物多様性について:
定義、階層、調べ方など

UBC/environment/ecology/biodiversity

このページの最終更新日: 2024/02/14

  1. 概要: 生物多様性について
  2. α 多様性
  3. β 多様性
  4. γ 多様性

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概要: 生物多様性について

生物多様性に関する概念は、以下のように階層化されている (チャート式シリーズ 新生物 生物基礎・生物, Amazon link)。


  • 生物多様性 biodiversity
    • 遺伝的多様性 genetic diversity
    • 種多様性 species diversity
      • 種の多様さ (豊富さ) species richness
      • 種の均等度 species evenness
    • 生態系多様性 ecosystem diversity

遺伝的多様性 は、種内の多様性を表す概念である。たとえば イヌ は一つの種だが、大きい犬、小さい犬などの多様性がある。

種多様性 には、種の豊富さ species richness と均等度 species evenness の 2 つの種類がある。詳細は 種の豊富さと Rarefaction curve のページも参照のこと。

種多様性には、さまざまな概念および指標が存在する。よく使われるのは α、β、および γ 多様性という概念である (1)。このページで解説するが、内容が増えてきたら独自のページを作る。

生態系多様性 は、生物だけでなく生息環境の多様性をも含む概念である。つまり、森林、川など様々な生息環境があること、種間関係が多様であること、物質循環が多様であることなどがここに含まれる。


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α 多様性

1 つのサンプルにおける多様性 を表す指標であり、値が大きいほど種の多様性が高い。たとえば、以下のような場合に α 多様性を算出することができる。

  • 地点 A, 地点 B... のように複数の地点で種の数を観測した場合、「地点 A の α 多様性 > 地点 B の α 多様性」のような比較が可能である。
  • ヒトのマイクロバイオーム のようなデータがある場合は、それぞれの被験者ごとに α 多様性を計算することになるだろう。

以下のように多数の指標があり、種の豊富さを重視するもの、均等度を重視するものなど様々である。姉妹サイト Ultrabem 3 に、R を使った α 多様性の計算方法に関するページがある。以下のサイト内リンクからどうぞ。


Shannon 指数

最もよく使われている指標 で、サンプル全体に対する種の割合に基づく (1)。s は全体の種の数、pi は種 i の個体数が全体の個体数に占める割合である。言い換えれば、全ての個体から 1 個体をランダムにサンプリングしたとき、その種の個体が得られる確率が pi は と言ってもよい。

Shannon 指数の値が大きいほど、その集団の多様性が高いことになる。

Shannon指数

Simpson 指数

これもよく使われる指数である。s および pi の定義は Shannon 指数と同じ。0 - 1 の範囲をとる。意味は このページ などに。もう少し理解してから更新。

ただし、Shannon 指数とは逆に、Simpson 指数は値が小さいほど種の多様性が高いことになる。これはかなり直感に反するので、inverse Simpson という指標もよく使われる。inverse Simpson = 1/Simpson であり、これならば値が大きいほど多様性も高いことになる。

Shannon 指数に比べて、taxa richness (species richness) の違いに鈍感である (4)。

Shannon指数

このほか、次のような指数もある。

  • Chao1: 種の豊富さを重視、とくに希少種に重みをつけた指標 (1)。
  • Pielou's eveness index: 均等度を重視する指標。

β 多様性

α 多様性はサンプル固有の値を与える指標であるが、β 多様性は 2 サンプル間での多様性の差 を示す指標である。したがって「・・距離」という名前の指標が多い。

Jaccard 距離

Jaccard 係数および Jaccard 距離は「2 つの集合がどのくらい似ているか」を示す概念で、生物多様性以外にも使われる。両者は以下のような関係にある。

  • Jaccard 係数 (Jaccard index) = Jaccard similarity coefficient: 2 つの集合がどれくらい 似ているか
  • Jaccard 距離 (Jaccard distance): 2 つの集合がどれくらい 似ていないか
  • Jaccard 係数 + Jaccard 距離 = 1 という関係が成り立つ。

Jaccard 係数は、以下の式で表される (参考)。

Jaccard係数

この式の意味するところは、「A かつ B」/「A または B」である。下のベン図 (Public domain) がわかりやすいだろう。

Jaccard係数の計算、A かつ B

「A かつ B」

Jaccard係数の計算、A または B

「A または B」


Bray-Curtis 距離

Bray-Curtis 距離も、2 つの群集がどの程度似ていないかを表す指標である。群集が全く異なるときには 1 を、同じときには 0 をとる。

その他メモ

  • Unifrac 距離 – weighted と unweighted がある。

γ 多様性

対象とする全ての環境の種多様性。α および β 多様性の積。α よりも 広い地域で考える。


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References

  1. α 多様性と β 多様性.Link: Last access 2020/10/22.
  2. Qiime2 を用いた 16S rRNA 菌叢解析.Link: Last access 2020/10/22.
  3. 土居、岡村 2011a. 生物群集解析のための類似度とその応用: R を使った類似度の算出、グラフ化、検定. 日本生態学会誌 61, 3-20.
  4. ResearchGate. How can I interpret the Simpson's and Shannon's diversity indices about my data? Link: Last access 2023/08/06.

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