Główna zawartość
Kurs: Biologia - program rozszerzony > Rozdział 8
Lekcja 2: Przepływ energii w ekosystemachŁańcuchy i sieci pokarmowe
Jak łańcuchy i sieci pokarmowe przedstawiają przepływ energii i obieg materii. Poziomy troficzne i efektywność transferu energii. Tłumaczenie na język polski: Fundacja Edukacja Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji HASCO-LEK.
Kluczowe punkty:
- Producenci, czyli autotrofy tworzą własne cząsteczki organiczne. Konsumenci, czyli heterotrofy pozyskują cząsteczki organiczne, jedząc inne organizmy.
- Łańcuch pokarmowy to liniowa sekwencja organizmów, przez którą przenoszone są składniki odżywcze i energia, gdy jeden organizm zjada inny.
- W łańcuchu pokarmowym każdy organizm zajmuje inny poziom troficzny, określony przez liczbę transferów energii oddzielających go od początku łańcucha.
- Sieci pokarmowe składają się z wielu połączonych ze sobą łańcuchów pokarmowych i są bardziej realistycznym odzwierciedleniem relacji pokarmowych w ekosystemach.
- Transfer energii między poziomami troficznymi jest nieefektywny - z typową wydajnością około 10%. Ta nieefektywność ogranicza długość łańcuchów pokarmowych.
Wprowadzenie
Organizmy różnych gatunków mogą wchodzić w interakcje na wiele sposobów. Mogą ze sobą konkurować lub być symbiontami - wieloletnimi partnerami o bliskiej współpracy. Lub, oczywiście, mogą robić to, co tak często widzimy w programach przyrodniczych: jeden z nich może zjadać drugiego! Oznacza to, że mogą tworzyć jedno z ogniw łańcucha pokarmowego.
W ekologii łańcuch pokarmowy to szereg organizmów, które zjadają się nawzajem, aby energia i składniki odżywcze przepływały z jednego do drugiego. Na przykład, jeśli jadłeś hamburgera na lunch, możesz być częścią łańcucha pokarmowego, który wygląda następująco: trawa
Jak pokazuje powyższy przykład, nie zawsze możemy w pełni opisać, co organizm - taki jak człowiek - je za pomocą jednego liniowego szlaku. W sytuacjach takich jak powyższa możemy chcieć użyć sieci pokarmowej, która składa się z wielu krzyżujących się łańcuchów pokarmowych i reprezentuje różne organizmy, które organizm może zjeść i przez które może zostać zjedzony.
W tym artykule przyjrzymy się bliżej łańcuchom pokarmowym i sieciom pokarmowym, aby zobaczyć, jak opisują one przepływ energii i składników odżywczych przez ekosystemy.
Autotrofy vs. heterotrofy
Jakie podstawowe strategie wykorzystują organizmy, aby zdobyć pożywienie?
Niektóre organizmy, zwane autotrofami, znane również jako organizmy samożywne, mogą wytwarzać własne pożywienie - to znaczy własne związki organiczne - z prostych cząsteczek, takich jak dwutlenek węgla. Istnieją dwa podstawowe rodzaje autotrofów:
- Fotoautotrofy, takie jak rośliny, wykorzystują energię słoneczną do wytwarzania związków organicznych - cukrów - z dwutlenku węgla podczas fotosyntezy. Inne przykłady fotoautotrofów to algi i cyjanobakterie.
- Chemoautotrofy wykorzystują energię chemiczną do budowy związków organicznych z dwutlenku węgla lub podobnych cząsteczek. Nazywa się to chemosyntezą. Na przykład istnieją bakterie chemoautotroficzne utleniające siarkowodór, występujące w podmorskich kominach hydrotermalnych, do których nie dociera żadne światło.
Autotrofy są podstawą każdego ekosystemu na naszej planecie. To może brzmieć dramatycznie, ale to nie jest przesada! Autotrofy stanowią podstawę łańcuchów pokarmowych i sieci pokarmowych, a energia, którą czerpią ze światła lub związków chemicznych, utrzymuje przy życiu wszystkie inne organizmy. Kiedy mówimy o ich roli w łańcuchach pokarmowych, możemy nazwać autotrofy producentami.
Heterotrofy, znane również jako organizmy cudzożywne, nie potrafią wykorzystywać światła ani energii chemicznej do wytwarzania własnego pożywienia z dwutlenku węgla. Ludzie są heterotrofami. Heterotrofy pozyskują cząsteczki organiczne, jedząc inne organizmy lub ich produkty uboczne. Zwierzęta, grzyby i wiele bakterii to heterotrofy. Kiedy mówimy o roli heterotrofów w łańcuchach pokarmowych, możemy nazwać ich konsumentami. Jak zobaczymy wkrótce, istnieje wiele różnych rodzajów konsumentów pełniących różne role ekologiczne, od owadów żywiących się roślinami, przez zwierzęta mięsożerne, po grzyby żywiące się odpadami.
Łańcuchy pokarmowe
Teraz możemy przyjrzeć się, jak energia i składniki odżywcze są przenoszone w ekosystemie. Zacznijmy od rozważenia tylko kilku relacji kto-zjada-kogo, omawiając łańcuch pokarmowy.
Łańcuch pokarmowy to liniowa sekwencja organizmów, przez którą przenoszone są składniki odżywcze i energia, gdy jeden organizm zjada inny. Spójrzmy na składowe typowego łańcucha pokarmowego, zaczynając od dołu - producentów - i idąc w górę.
- U podstawy łańcucha pokarmowego leżą producenci pierwotni. Głównymi producentami są autotrofy i najczęściej są to organizmy fotosyntetyzujące, takie jak rośliny, algi czy cyjanobakterie.
- Organizmy, które jedzą producentów pierwotnych, nazywane są konsumentami pierwszego rzędu. Są nimi zazwyczaj roślinożercy, chociaż mogą to być organizmy żywiące się glonami lub bakteriami.
- Organizmy, które zjadają konsumentów pierwszego rzędu, nazywane są konsumentami drugiego rzędu. Są to zazwyczaj organizmy mięsożerne.
- Organizmy, które zjadają konsumentów drugiego rzędu, nazywane są konsumentami trzeciego rzędu. Są to mięsożerne drapieżniki, takie jak orły lub duże ryby.
- Niektóre łańcuchy pokarmowe mają dodatkowe poziomy, na przykład konsumentów czwartego rzędu
- mięsożerców, którzy jedzą konsumentów trzeciego rzędu. Organizmy znajdujące się na samej górze łańcucha pokarmowego nazywane są konsumentami szczytowymi.
Na poniższym diagramie możemy zobaczyć przykład łańcucha pokarmowego z wyszczególnieniem tych poziomów. Algi zielone są producentami zjadanymi przez małże - konsumentów pierwszego rzędu. Małże stają się następnie obiadem dla ryby Cottus cognatus, konsumenta drugiego rzędu, zjadanego przez większą rybę, czawyczę - konsumenta trzeciego rzędu.
Każdy z powyższych poziomów nazywany jest poziomem troficznym i odzwierciedla, ile transferów energii i składników odżywczych - ile etapów konsumpcji - oddziela organizm od pierwotnego źródła energii łańcucha pokarmowego, takiego jak energia słoneczna. Jak przekonamy się niedługo, przypisywanie organizmów do poziomów troficznych nie zawsze jest jednoznaczne. Na przykład ludzie są organizmami wszystkożernymi, które mogą jeść zarówno rośliny, jak i zwierzęta.
Destruenci
Na uwagę zasługuje jeszcze jedna grupa konsumentów, choć nie zawsze pojawia się ona w łańcuchach pokarmowych. Ta grupa to destruenci, organizmy, które rozkładają martwą materię i odpady.
Destruenci są czasami uważani za oddzielny, ich własny poziom troficzny. Jako grupa odżywiają się martwą materią i produktami przemiany materii pochodzącymi z organizmów na różnych innych poziomach troficznych; na przykład z radością zjadaliby rozkładającą się materię roślinną, ciało na wpół zjedzonej wiewiórki lub szczątki orła. W pewnym sensie poziom troficzny destruentów przebiega równolegle do standardowej hierarchii konsumentów pierwszego, drugiego i trzeciego rzędu.
Grzyby i bakterie to główni destruenci w wielu ekosystemach; wykorzystują energię chemiczną martwej materii i odpadów do napędzania swoich procesów metabolicznych.
Innymi destruentami są detrytusożercy - odżywiają się detrytusem. Są to zwykle zwierzęta wielokomórkowe, takie jak dżdżownice, kraby, ślimaki lub sępy. Nie tylko żywią się martwą materią organiczną, ale często ją również rozdrabniają, czyniąc ją bardziej dostępną dla bakterii lub grzybów.
Destruenci jako grupa odgrywają kluczową rolę w utrzymaniu ekosystemów zdrowymi. Kiedy rozkładają martwą materię i odpady, uwalniają składniki odżywcze, które mogą być poddane recyklingowi i wykorzystane jako budulec przez producentów podstawowych.
Sieci pokarmowe
Łańcuchy pokarmowe dają nam jasny obraz tego, kto kogo je. Jednak pewne problemy pojawiają się, gdy próbujemy je wykorzystać do opisania całych ekosystemów.
Na przykład organizm może czasami zjadać wiele rodzajów ofiar lub być zjadany przez wiele drapieżników, w tym te na różnych poziomach troficznych. Tak się dzieje, gdy jesz hamburgera! Krowa jest konsumentem pierwszego rzędu, a liść sałaty na kotlecie jest producentem.
Aby dokładniej przedstawić te zależności, możemy użyć sieci pokarmowej, diagramu, który pokazuje wszystkie troficzne - związane z pokarmem - interakcje między różnymi gatunkami w ekosystemie.
Poniższy diagram przedstawia przykład sieci pokarmowej z jeziora Ontario. Główni producenci są zaznaczeni na zielono, konsumenci pierwszego rzędu na pomarańczowo, konsumenci drugiego rzędu na niebiesko, a konsumenci trzeciego rzędu na fioletowo.
W sieciach pokarmowych strzałki przebiegają od organizmu, który jest zjadany, do organizmu, który go zjada. Jak przedstawia powyższa sieć pokarmowa, niektóre gatunki mogą żywić się organizmami z więcej niż jednego poziomu troficznego. Na przykład krewetka żywi się zarówno producentami, jak i konsumentami pierwszego rzędu.
Dodatkowe pytanie: Ta sieć pokarmowa zawiera łańcuch pokarmowy, który widzieliśmy wcześniej w artykule - zielone algi
Sieci pokarmowe: spasania vs. detrytusowy
Sieci pokarmowe zwykle nie przedstawiają destruentów - być może zauważyłeś, że powyższa sieć pokarmowa jeziora Ontario ich nie ma. Jednak wszystkie ekosystemy potrzebują sposobów na recykling martwej materii i odpadów. Oznacza to, że destruenci rzeczywiście są obecni, nawet jeśli nie mają dużo czasu antenowego.
Na przykład w ekosystemie łąki przedstawionym poniżej występuje sieć pokarmowa spasania roślin i zwierząt, która zapewnia materiał do sieci pokarmowej detrytusowej bakterii, grzybów i innych detrytusożerców. Sieć detrytusowa jest pokazana w uproszczonej formie w brązowym pasku u dołu diagramu. W rzeczywistości składałaby się z różnych gatunków połączonych określonymi interakcjami pokarmowymi - to znaczy połączonych strzałkami, jak w przypadku sieci pokarmowej spasania. Sieci pokarmowe detrytusowe mogą dostarczać energię do sieci pokarmowych spasania, tak jak na przykład w przypadku, gdy rudzik zjada dżdżownicę.
Efektywność transferu energii ogranicza długość łańcucha pokarmowego
Energia jest przenoszona między poziomami troficznymi, gdy jeden organizm zjada inny i pobiera bogate w energię cząsteczki z ciała ofiary. Jednak te transfery są nieefektywne, a to z kolei ogranicza długość łańcuchów pokarmowych.
Gdy energia wchodzi na dany poziom troficzny, jej część jest magazynowana jako biomasa, jako części ciała organizmów. Jest to energia, która jest dostępna dla następnego poziomu troficznego, ponieważ tylko energia zgromadzona w postaci biomasy może być "zjedzona". Z reguły tylko około 10% energii, która jest zmagazynowana jako biomasa na jednym poziomie troficznym - na jednostkę czasu - zostaje zmagazynowana jako biomasa na następnym poziomie troficznym - w tym samym czasie. Ta zasada 10% transferu energii jest warta zapamiętania.
Na przykład załóżmy, że producenci ekosystemu przechowują 20 000 kcal/m
Ten wzorzec transferu ogranicza długość łańcuchów pokarmowych; po określonej liczbie poziomów troficznych - zwykle od trzech do sześciu - przepływ energii jest zbyt mały, aby utrzymać populację na wyższym poziomie.
Dlaczego tak dużo energii opuszcza sieć pokarmową między jednym poziomem troficznym a następnym? Oto kilka głównych przyczyn nieefektywnego transferu energii
- Na każdym poziomie troficznym znaczna ilość energii jest rozpraszana w postaci ciepła, ponieważ organizmy przeprowadzają oddychanie komórkowe oraz prowadzą codzienne życie.
- Niektóre cząsteczki organiczne zjadane przez organizm nie mogą być trawione i opuszczają organizm w postaci kału, a nie są wykorzystywane.
- Nie wszystkie pojedyncze organizmy na poziomie troficznym zostaną zjedzone przez organizmy z następnego poziomu. Niektóre po prostu umierają, nie będąc zjedzonym.
Odchody i niezjedzone, martwe organizmy stają się pożywieniem dla destruentów, które je metabolizują i przekształcają ich energię w ciepło na drodze oddychania komórkowego. Tak więc żadna energia w rzeczywistości nie znika - wszystko to w końcu zamienia się w ciepło.
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji