Dynamika energii

Łańcuch pokarmowy

Energia jest jednym z najważniejszych czynników abiotycznych w ekosystemie, a organizmy w ekosystemie są połączone przepływem energii i materii między sobą. Ponieważ energia nie może być ani stworzona, ani zniszczona, może jedynie zmienić formę lub zostać przekazana następnemu organizmowi w łańcuchu pokarmowym. Na przykład za każdym razem, gdy krowa pasie się na trawie lub rybołów poluje i zjada ryby, energia jest przekazywana ze spożywanego organizmu do konsumenta. Każda z tych interakcji w łańcuchu pokarmowym nazywana jest poziomem troficznym. Energia uzyskana z tych źródeł pożywienia jest wykorzystywana do budowy tkanek tych konsumentów, które z kolei stają się źródłem dla kolejnych organizmów w łańcuchu pokarmowym. Zrozumienie dynamiki przepływu energii w ekosystemie daje jaśniejszy obraz delikatnej równowagi w naszym świecie przyrody.

U podstawy ekosystemu pierwotni producenci odblokowują energię dla pozostałych organizmów w środowisku. Producenci pierwotni są organizmami autotroficznymi lub samożywiącymi się, ponieważ mogą syntetyzować cząsteczki organiczne z materiału nieorganicznego. Przykładami producentów są bakterie chemosyntetyzujące i rośliny fotosyntetyczne. Organizmy te po prostu zatrzymują energię ze źródeł takich jak gazy z kominów hydrotermalnych lub światło słoneczne w cząsteczkach organicznych, aby się utrzymać. Następnie stają się zasobem dla konsumentów, którymi są organizmy heterotroficzne, które nie mogą tworzyć własnych materiałów organicznych i pozyskiwać ich od innych organizmów. Organizmy, które czerpią energię z autotrofów, nazywane są konsumentami pierwotnymi. Następni w łańcuchu żywnościowym są konsumenci wtórni, którzy mogą żywić się konsumentami pierwotnymi. Podobnie konsumenci, którzy mogą żywić się konsumentami wtórnymi, nazywani są konsumentami trzeciorzędnymi.

Przepływ energii w łańcuchu pokarmowym zaczyna się od producentów pierwotnych, a zatem wielkość społeczności zależy od ilości energii wychwytywanej w materiale organicznym przez producentów pierwotnych. Materiał organiczny zmagazynowany w organizmie nazywany jest biomasą i nie obejmuje wody zawartej w organizmie. Dlatego, aby obliczyć biomasę, masę wody organizmu odejmuje się od jego całkowitej masy. Biomasa w łańcuchu pokarmowym jest częściowo zachowana i na ogół tylko ułamek biomasy jest przenoszony na następny poziom troficzny. W związku z tym ilości biomasy przekazywane w łańcuchu pokarmowym przypominają piramidę, największą na dole, stopniowo kurczącą się ku górze. W takiej piramidzie troficznej lub energetycznej ilość biomasy stopniowo maleje z powodu utraty energii w postaci ciepła metabolicznego. Stąd duża część energii zużytej, ale nie przekształconej w biomasę, wskazuje, jak organizmy muszą pracować, aby się utrzymać. Oddychanie jest reakcją egzotermiczną, która działa w celu zasilenia każdej pojedynczej komórki poprzez rozkład składników odżywczych w celu wychwycenia energii do adenozynotrójfosforanu (ATP), który zasila syntezę i transfer struktur i białek w komórce. Produkty odpadowe i ciepło są wytwarzane w tym samym czasie, co skutkuje mniejszą ilością biomasy w organizmie wyższego poziomu.

Produktywność ekosystemu

Zmiany w biomasie w systemie są związane z produktywnością danego ekosystemu, gdzie produktywność to tempo, w jakim organizmy pozyskują biomasę z otrzymanej energii. Produktywność producentów pierwotnych nazywana jest produktywnością pierwotną, a produktywność innych producentów nazywana jest produktywnością wtórną. Można to dalej podzielić na dwie formy: brutto i netto. Na przykład produktywność pierwotna brutto to szybkość, z jaką zachodzi fotosynteza lub chemosynteza, podczas gdy produktywność pierwotna netto to szybkość, z jaką energia jest magazynowana w postaci biomasy w tych organizmach. O produktywności pierwotnej netto można myśleć jako o produktywności pierwotnej brutto pomniejszonej o energię utraconą w wyniku procesów metabolicznych i codziennych czynności organizmu. Alokacja tych zasobów biomasy różni się w zależności od organizmu i wskazuje na granice dostaw energii.

Wpływ człowieka na przepływ energii

Piramidowy model przepływu energii podkreśla znaczenie pierwotnych producentów dla zdrowia ekosystemu: jeśli zostaną oni usunięci z systemu, konsumenci, którzy na nich polegają, muszą zostać zmuszeni do zwrócenia się ku innemu źródłu pożywienia. Jeśli konsumenci nie są w stanie znaleźć innego źródła pożywienia, może dojść do wtórnego wyginięcia¹. Jest to szczególnie ważne w najbliższej przyszłości, ponieważ zmiany wywołane przez człowieka spowodują bezprecedensowe zmiany w licznych ekosystemach na całym świecie¹. Dlatego zrozumienie dynamiki energii w łańcuchach pokarmowych, które są zagrożone, może pomóc złagodzić negatywne skutki zmian środowiskowych i zapobiec wtórnemu wymieraniu.

Zmiany wywołane przez człowieka mogą również wpływać na zdrowie organizmów znajdujących się na szczycie łańcucha pokarmowego, w tym ludzi. Jednym z dobrze znanych przykładów jest bioakumulacja i biomagnifikacja rtęci w wodnych łańcuchach pokarmowych. Bioakumulacja rtęci rozpoczyna się na pierwszym poziomie, kiedy rtęć jest wchłaniana przez organizmy znajdujące się na dole łańcucha pokarmowego. Biomagnifikacja występuje, gdy rtęć jest przekazywana konsumentom, a jej stężenie wzrasta na każdym poziomie troficznym. Wreszcie, różne duże gatunki ryb, które znajdują się wyżej w łańcuchu pokarmowym, mogą zawierać wysoki poziom rtęci². Dlatego pracownicy służby zdrowia odradzają spożywanie dużych ilości niektórych gatunków ryb.

Podczas gdy utrata głównego producenta może być szkodliwa, eliminacja niektórych konsumentów zwanych "kluczowymi drapieżnikami" może mieć również negatywny wpływ. W eksperymencie, w którym ochrowe gwiazdy morskie zostały usunięte ze skały, małże, na które te gwiazdy morskie polowały, przeludniły i pogorszyły zasoby środowiskowe oraz wolną przestrzeń³. Jako zworniki drapieżników, ochrowe gwiazdy morskie utrzymywały populację małży w ryzach i pomagały w utrzymaniu różnorodności na skale. Kiedy energia została skumulowana w postaci biomasy w postaci małży, środowisko zostało wytrącone z równowagi. W ten sposób zrozumienie, w jaki sposób energia jest przenoszona w ekosystemie, może pomóc naukowcom w ustaleniu, które populacje powstrzymują inne przed przerastaniem.

Odwołania

1. Eklof, A i Ebenman, B. Utrata gatunków i wtórne wymieranie w prostych i złożonych zbiorowiskach modelowych. J Ekologia zwierząt. 2006, tom 75, 1 (239-46).
2. Szary, JS. Biomagnifikacja w systemach morskich: perspektywa ekologa. Biuletyn Zanieczyszczenia Mórz. 2002, tom 45, 46-52.
3. Paine'a, RT. złożoność sieci troficznej i różnorodność gatunkowa. Amerykański przyrodnik. 1966, tom 100, 910 (65-75).

Pierwsza zasada termodynamiki, energia nie może być tworzona ani niszczona, a jedynie przekształcana, może być zademonstrowana w klasycznej sieci pokarmowej. Tutaj energia świetlna ze słońca jest najpierw wykorzystywana przez rośliny jako energia promieniowania, a następnie przekształcana w energię chemiczną zmagazynowaną w postaci węglowodanów złożonych. Część roślinności jest ostatecznie konsumowana przez zwierzęta. W procesie rozkładu cukrów energia jest albo uwalniana w postaci ciepła, magazynowana w makrocząsteczkach jako rezerwy energii chemicznej do późniejszego wykorzystania, albo przekazywana drapieżnikowi. Każdy z tych etapów w łańcuchu pokarmowym określany jest mianem poziomu zwrotnikowego. Roślinami są producenci. Wiewiórka byłaby głównym konsumentem, a drapieżny lis byłby konsumentem drugorzędnym. Materia organiczna, która jest przenoszona z poziomu zwrotnika na następny, nazywana jest biomasą - zwykle mierzoną w jednostkach energii, kaloriach lub kilokaloriach.

Transfer biomasy nie jest jednak liniowy. Po tym, jak pierwotni producenci otrzymują energię słoneczną i wytwarzają żywność, w wyniku oddychania komórkowego niewielka ilość jest przekształcana w bezużyteczną energię cieplną, która jest uwalniana wraz z dwutlenkiem węgla do środowiska. Całkowita wykorzystana energia świetlna nazywana jest produktywnością pierwotną brutto lub GPP. Jeśli odejmiemy energię traconą na oddychanie od GPP, otrzymamy produktywność pierwotną netto lub NPP, czyli szybkość energii, przy której biomasa jest magazynowana. Podobnie, podczas gdy pierwotni konsumenci pozyskują energię chemiczną z roślin, uwalniają również niewielką ilość energii cieplnej wraz z dwutlenkiem węgla podczas metabolizmu. I tylko część zużytej biomasy jest przywracana do ich tkanek. Wreszcie, na poziomie drapieżników, tylko ułamek pierwotnej energii pozyskiwanej ze słońca jest dostępny do wykorzystania. W związku z tym biomasa przekazana od producenta do konsumenta pierwotnego nie jest równa biomasie przekazanej od producenta do konsumenta wtórnego. Te zmiany w biomasie na każdym poziomie łańcucha pokarmowego mówią nam o produktywności danego ekosystemu jako całości.

W tym laboratorium będziesz badać te zasady dynamiki energii i produktywności, mierząc transfer biomasy i energii od producenta, kapusty, do głównego konsumenta, robaka kapuścianego.