Główna zawartość
Kurs: AP®︎ Biology (2018) > Rozdział 23
Lekcja 6: Wprowadzenie do ekosystemówPrzepływ energii i produktywność
Poznaj pojęcia produktywności, wydajności transferu energii między poziomami troficznymi oraz dowiedz się, jak czytać piramidy ekologiczne. Tłumaczenie na język polski: Fundacja Edukacja Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji HASCO-LEK.
Kluczowe punkty:
- Producenci (zwykle rośliny i inne fotosyntezatory) są bramą dla energii, aby mogła dostać się do sieci pokarmowych.
- Produktywność to tempo, w jakim energia jest dodawana do organizmu lub grupy organizmów (np. producentów) w postaci biomasy.
- Produktywność brutto to całkowita ilość pochłoniętej energii. Produktywność netto jest niższa, ponieważ jest skorygowana o energię zużywaną przez organizmy podczas oddychania/metabolizmu.
- Transfer energii między poziomami troficznymi jest nieefektywny. Tylko
- Piramidy ekologiczne to wizualne przedstawienie przepływu energii, akumulacji biomasy i liczby osobników na różnych poziomach troficznych.
Wprowadzenie
Czy zastanawiałeś się kiedyś, co by się stało, gdyby wszystkie rośliny na Ziemi zniknęły (wraz z innymi fotosyntezatorami, takimi jak algi i bakterie)?
Cóż, nasza piękna planeta z pewnością wyglądałaby na jałową i smutną. Utracilibyśmy również nasze główne źródło tlenu (tego ważnego elementu, którym oddychamy i na którym polegamy w metabolizmie). Dwutlenek węgla nie byłby już usuwany z powietrza, a ponieważ zatrzymywałby ciepło, Ziemia mogłaby szybko się nagrzać. I, co być może najbardziej problematyczne, prawie każdej żywej istocie na Ziemi w końcu zabrakłoby jedzenia i umarłaby.
Dlaczego by się tak stało? W prawie wszystkich ekosystemach fotosyntezatory są jedyną „bramą” dla przepływu energii do sieci pokarmowych (sieci organizmów, które zjadają się nawzajem). Gdyby usunięto fotosyntezatory, dopływ energii zostałby odcięty, a innym organizmom zabrakłoby pożywienia. Na tej zasadzie, fotosyntezatory stanowią podstawę każdego ekosystemu opartego na energii słonecznej.
Producenci są bramą dla przepływu energii
Rośliny, algi i bakterie fotosyntetyzujące pełnią rolę producentów. Producenci to autotrofy, czyli organizmy „samożywne”, które wytwarzają własne cząsteczki organiczne z dwutlenku węgla. Photoautotrofy, takie jak rośliny, wykorzystują energię świetlną do budowy cukrów z dwutlenku węgla. Energia jest magazynowana w wiązaniach chemicznych cząsteczek, które są wykorzystywane przez roślinę jako paliwo i budulec.
Energia zmagazynowana w cząsteczkach organicznych może zostać przekazana innym organizmom w ekosystemie, gdy organizmy te zjedzą rośliny (lub inne organizmy, które wcześniej zjadły rośliny). W ten sposób wszyscy konsumenci, czyli heterotrofy (organizmy „cudzożywne”) ekosystemu, w tym zwierzęta roślinożerne, mięsożerne i destruenci, polegają na producentach ekosystemu w zakresie energii.
Gdyby rośliny lub innych producentów ekosystemu usunięto, nie byłoby możliwości przedostania się energii do sieci pokarmowej, a społeczność ekologiczna upadłaby. Dzieje się tak, ponieważ energia nie może być ponownie wykorzystana: zamiast tego jest rozpraszana jako ciepło i musi być stale uzupełniana.
Ponieważ producenci wspierają wszystkie inne organizmy w ekosystemie, liczebność producentów, biomasa (sucha masa) i tempo pochłaniania przez nich energii mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia, w jaki sposób energia przepływa w ekosystemie oraz jaką liczbę i rodzaje innych organizmów może utrzymać.
Produktywność pierwotna
W ekologii produktywność to tempo, w jakim energia jest dodawana do organizmów w postaci biomasy. Biomasa to po prostu ilość materii, która jest zmagazynowana w ciałach grupy organizmów. Produktywność można zdefiniować dla dowolnego poziomu troficznego lub innej grupy i może być wyrażana w jednostkach energii lub biomasy. Istnieją dwa podstawowe rodzaje produktywności: brutto i netto.
Aby zilustrować różnicę, rozważmy produktywność pierwotną (produktywność producentów ekosystemu).
- Produktywność pierwotna brutto to tempo, z jakim energia słoneczna jest magazynowana w cząsteczkach cukru podczas fotosyntezy (energia zmagazynowana na jednostkę powierzchni w jednostce czasu). Producenci, tacy jak rośliny, wykorzystują część tej energii na swój metabolizm/oddychanie komórkowe, a część do wzrostu (budowanie tkanek).
- Produktywność pierwotna netto to produktywność pierwotna brutto pomniejszona o tempo utraty energii na metabolizm i wzrost. Innymi słowy, jest to tempo, w jakim energia jest magazynowana jako biomasa przez rośliny lub innych pierwotnych producentów i udostępniana konsumentom w ekosystemie.
Rośliny zazwyczaj pochłaniają i przetwarzają około
Produktywność pierwotna netto różni się w zależności od ekosystemu i zależy od wielu czynników. Należą do nich ilość energii słonecznej, temperatura i wilgotność, poziom dwutlenku węgla, dostępność składników odżywczych i interakcje między społecznościami (np. wypas zwierząt roślinożernych)
W ekosystemach lądowych produktywność pierwotna waha się od około
W jaki sposób energia przepływa pomiędzy poziomami troficznymi?
Energia może przejść z jednego poziomu troficznego na następny, gdy cząsteczki organiczne jednego organizmu zostaną zjedzone przez inny organizm. Jednak transfer energii między poziomami troficznymi zwykle nie jest zbyt wydajny.
Jak nieefektywny? Średnio tylko około
Na przykład w pewnym ekosystemie wodnym w Silver Springs na Florydzie produktywności netto (wskaźniki magazynowania energii jako biomasy) dla poziomów troficznych wyniosły
- Producenci, np. rośliny i glony:
- Konsumenci pierwszego rzędu, np. ślimaki i larwy owadów:
- Konsumenci drugiego rzędu, np. ryby i duże owady:
- Konsumenci trzeciego rzędu, np. duże ryby i węże:
Efektywność transferu energii waha się pomiędzy poziomami i nie wynosi dokładnie
Dlaczego transfer energii jest nieefektywny? Jest kilka powodów. Jednym z nich jest to, że nie wszystkie organizmy na niższym poziomie troficznym są zjadane przez te na wyższym poziomie troficznym. Warte uwagi jest też to, że niektóre cząsteczki z ciał organizmów, które zostaną zjedzone, nie są trawione przez drapieżniki i trafiają do ich odchodów (kału). Martwe organizmy i odchody stają się obiadem dla destruentów. Ponadto, niektóre z cząsteczek przenoszących energię, które są wchłaniane przez drapieżniki, są używane do oddychania komórkowego (zamiast być magazynowane jako biomasa)
Chcesz zobaczyć konkretne liczby za tymi koncepcjami? Kliknij wyskakujące okienko, aby zobaczyć dokładnie, jak płynie energia, gdy przemieszcza się przez ekosystem Silver Springs:
Piramidy ekologiczne
Możemy przyjrzeć się liczbom i wykonać obliczenia, aby zobaczyć, jak energia przepływa przez ekosystem. Ale czy nie byłoby wygodnie mieć diagram, który zawiera te informacje w łatwy do przetworzenia sposób?
Piramidy ekologiczne zapewniają intuicyjny, wizualny obraz tego, jak poziomy troficzne w ekosystemie różnią się pod kątem interesującej cechy (takiej jak przepływ energii, biomasa lub liczba organizmów). Przyjrzyjmy się tym trzem rodzajom piramid i zobaczmy, jak odzwierciedlają one strukturę i funkcje ekosystemów.
Piramidy energii
Piramidy energii reprezentują przepływ energii przez poziomy troficzne. Na przykład poniższa piramida przedstawia produktywność brutto dla każdego poziomu troficznego w ekosystemie Silver Springs. Piramida energii zwykle przedstawia szybkości przepływu energii przez poziomy troficzne, a nie bezwzględne ilości zmagazynowanej energii. Może być wyrażona w jednostkach energii, np.
Piramidy energii są zawsze ustawione pionowo, to znaczy węższe na każdym kolejnym poziomie (chyba że organizmy dochodzą do ekosystemu z innego miejsca). Ten wzorzec odzwierciedla prawa termodynamiki, które mówią nam, że nowa energia nie może zostać utworzona, a część energii musi zostać przekształcona w nieprzydatną formę (ciepło) w każdym transferze.
Piramidy biomasy
Innym sposobem wizualizacji struktury ekosystemu są piramidy biomasy. Te piramidy reprezentują ilość energii przechowywanej w żywej tkance na różnych poziomach troficznych. (W przeciwieństwie do piramid energii, piramidy biomasy pokazują, ile biomasy jest obecna na poziomie, a nie tempo, w jakim jest dodawana.)
Poniżej po lewej stronie widzimy piramidę biomasy dla ekosystemu Silver Springs. Piramida ta, podobnie jak wiele piramid biomasy, jest ustawiona pionowo. Jednak piramida biomasy pokazana po prawej - z morskiego ekosystemu w kanale La Manche - jest odwrócona do góry nogami.
Odwrócona piramida jest możliwa dzięki dużej rotacji fitoplanktonu. Jest on szybko zjadany przez konsumentów pierwszego rzędu (zooplankton), więc jego biomasa w dowolnym momencie jest niewielka. Jednak rozmnaża się tak szybko, że pomimo niskiej biomasy w stanie ustalonym ma wysoką produktywność pierwotną, która może posłużyć dużej liczbie zooplanktonu.
Piramidy liczb
Piramidy liczb pokazują, ile pojedynczych organizmów znajduje się na każdym poziomie troficznym. W zależności od ekosystemu mogą być pionowe, odwrócone lub nieco nierówne.
Jak pokazano na poniższym rysunku, typowe łąki latem mają podstawę piramidy złożoną z wielu roślin, a przy wyższych poziomach troficznych liczba organizmów maleje. Z kolei latem w lesie w klimacie umiarkowanym podstawa piramidy składa się z kilku roślin (głównie drzew), które są znacznie mniej liczne niż konsumenci pierwszego rzędu (głównie owady). Ponieważ poszczególne drzewa są duże, mogą służyć innym poziomom troficznym pomimo ich niewielkiej liczby.
Podsumowanie
Producenci, którymi zwykle są rośliny i inne fotosyntezatory, są bramą, przez którą energia dostaje się do sieci pokarmowych.
Produktywność to tempo, w jakim energia jest dodawana do organizmu lub grupy organizmów, takich jak producenci, w postaci biomasy. Produktywność brutto to całkowita ilość pochłoniętej energii. Produktywność netto jest niższa: to produktywność brutto skorygowana o energię zużywaną przez organizmy w oddychaniu/metabolizmie, a więc odzwierciedla ilość energii zmagazynowanej jako biomasa.
Transfer energii między poziomami troficznymi nie jest zbyt wydajny. Tylko
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji