6.1: Потік енергії через екосистеми
- Page ID
- 30100
Екосистема - це спільнота живих організмів та їх абіотичного (неживого) середовища. Екосистеми можуть бути невеликими, наприклад, припливні басейни, знайдені біля скелястих берегів багатьох океанів, або великими, наприклад, ті, що зустрічаються в тропічних лісах Амазонки в Бразилії (рисунок нижче).
Існує три широкі категорії екосистем на основі їх загального середовища: прісноводні, морські та наземні. У межах цих трьох категорій є окремі типи екосистем, засновані на середовищі існування та наявних організмів.
Екологія екосистем
Життя в екосистемі часто передбачає конкуренцію за обмежені ресурси, яка відбувається як всередині одного виду, так і між різними видами. Організми конкурують за їжу, воду, сонячне світло, простір та мінеральні поживні речовини. Ці ресурси забезпечують енергію для обмінних процесів і питання, щоб скласти фізичні структури організмів. Іншими критичними факторами, що впливають на динаміку громади, є складові її фізичного середовища: клімат середовища проживання (пори року, сонячне світло та кількість опадів), висота та геологія. Всі вони можуть бути важливими змінними навколишнього середовища, які визначають, які організми можуть існувати в межах певної області.
Прісноводні екосистеми є найменш поширеними, зустрічаються лише на 1,8 відсотка поверхні Землі. Ці системи включають озера, річки, струмки та джерела; вони досить різноманітні та підтримують різноманітних тварин, рослин, грибів, протистів та прокаріотів.
Морські екосистеми є найбільш поширеними, що складають 75 відсотків поверхні Землі і складаються з трьох основних типів: мілководний океан, глибоководні води океану та глибоке дно океану. Мілководні океанічні екосистеми включають надзвичайно біорізноманітні екосистеми коралових рифів, але глибока океанська вода відома великою кількістю планктону та криля (дрібних ракоподібних), які підтримують його. Ці два середовища особливо важливі для аеробних респіраторів у всьому світі, оскільки фітопланктон виконує 40 відсотків всього фотосинтезу на Землі. Незважаючи на те, що вони не такі різноманітні, як дві інші, глибоководні екосистеми океану містять найрізноманітніші морські організми. Такі екосистеми існують навіть на глибині, де світло не в змозі проникнути крізь воду.
Наземні екосистеми, також відомі своєю різноманітністю, згруповані у великі категорії, які називаються біомами. Біом - це масштабне співтовариство організмів, в першу чергу визначається на суші домінуючими типами рослин, які існують в географічних регіонах планети зі схожими кліматичними умовами. Приклади біомів включають тропічні ліси, савани, пустелі, луки, помірні ліси та тундри. Групування цих екосистем лише в кілька категорій біомів приховує велику різноманітність окремих екосистем всередині них. Наприклад, кактуси сагуаро (Carnegiea gigantean) та інші рослинні життя в пустелі Соноран, в США, відносно різноманітні порівняно з пустельною скелястою пустелею Боа-Віста, островом біля узбережжя Західної Африки (рисунок нижче).
Екосистеми та порушення
Екосистеми складні з багатьма взаємодіючими частинами. Вони зазвичай піддаються різним порушенням: змінам навколишнього середовища, які впливають на їх склад, наприклад, щорічні зміни опадів та температури. Багато порушення є наслідком природних процесів. Наприклад, коли блискавка викликає лісову пожежу і руйнує частину лісової екосистеми, земля з часом заселяється травами, за ними йдуть чагарники і чагарники, а пізніше і зрілі дерева: таким чином, ліс відновлюється до колишнього стану. Цей процес настільки універсальний, що екологи дали йому назву—спадкоємство. Вплив екологічних порушень, спричинених діяльністю людини, зараз настільки ж значний, як і зміни, спричинені природними процесами. Людські сільськогосподарські практики, забруднення повітря, кислотні дощі, глобальне вирубка лісів, перелов риби, розливи нафти та незаконне скидання на сушу та в океан - все це впливає на екосистеми.
Рівновага - це динамічний стан екосистеми, в якій, незважаючи на зміни чисельності та виникнення видів, біорізноманіття залишається дещо постійним. В екології для вимірювання змін екосистем використовуються два параметри: стійкість і стійкість. Здатність екосистеми залишатися в рівновазі, незважаючи на порушення, називається опором. Швидкість, з якою екосистема відновлює рівновагу після порушення, називається стійкістю. Стійкість до екосистем та стійкість особливо важливі при врахуванні впливу людини. Природа екосистеми може змінитися до такої міри, що вона може повністю втратити свою стійкість. Цей процес може призвести до повного руйнування або незворотної зміни екосистеми.
Харчові ланцюги та харчові мережі
Харчовий ланцюг - це лінійна послідовність організмів, через які поживні речовини та енергія проходять, коли один організм їсть інший; рівні в харчовому ланцюзі є виробниками, первинними споживачами, споживачами вищого рівня і, нарешті, розкладається. Ці рівні використовуються для опису структури та динаміки екосистеми. Існує єдиний шлях через харчовий ланцюг. Кожен організм в харчовому ланцюжку займає певний трофічний рівень (енергетичний рівень), своє положення в харчовому ланцюзі або харчовій павутині.
У багатьох екосистемах основа або основа харчового ланцюга складається з фотосинтетичних організмів (рослин або фітопланктону), які називаються продуцентами. Організми, які споживають виробники, є травоїдними тваринами: основними споживачами. Вторинні споживачі, як правило, м'ясоїдні тварини, які їдять первинних споживачів. Третинні споживачі - це м'ясоїдні тварини, які їдять інших м'ясоїдних тварин. Споживачі вищого рівня харчуються наступними нижчими трофічними рівнями тощо, аж до організмів у верхній частині харчового ланцюга: верхівкових споживачів. У харчовому ланцюзі озера Онтаріо, показаному на малюнку нижче, лосось Чинук є вершиною споживача у верхній частині цього харчового ланцюга.
Одним з основних факторів, що обмежує кількість кроків у харчовому ланцюзі, є енергія. Енергія втрачається на кожному трофічному рівні і між трофічними рівнями у вигляді тепла і при передачі до декомпозиторів (рисунок нижче). Таким чином, після обмеженої кількості трофічних передач енергії кількість енергії, що залишається в харчовому ланцюгу, може бути недостатньо великим для підтримки життєздатних популяцій на ще більш високому трофічному рівні.
Існує одна проблема при використанні харчових ланцюгів для опису більшості екосистем. Навіть коли всі організми згруповані у відповідні трофічні рівні, деякі з цих організмів можуть харчуватися більш ніж одним трофічним рівнем; так само деякі з цих організмів також можуть харчуватися з декількох трофічних рівнів. Крім того, види харчуються і вживаються в їжу не одним видом. Іншими словами, лінійна модель екосистем, харчовий ланцюг, є гіпотетичним, надмірно спрощеним представленням структури екосистеми. Цілісна модель, яка включає всі взаємодії між різними видами та їх складні взаємопов'язані відносини між собою та з навколишнім середовищем - є більш точною та описовою моделлю для екосистем. Харчова павутина - це концепція, яка враховує множинні трофічні (харчові) взаємодії між кожним видом та багатьма видами, якими він може харчуватися, або які харчуються ним. У харчовій павутині кілька трофічних зв'язків між кожним видом та іншими видами, які взаємодіють з ним, можуть перетинати кілька трофічних рівнів. Рухи матерії та енергії практично всіх екосистем більш точно описуються харчовими павутинами (рисунок нижче).
Два загальні типи харчових павутин часто відображаються взаємодіючими в межах однієї екосистеми. Пасуча харчова павутина має рослини або інші фотосинтезуючі організми в своїй основі, а потім травоїдні та різні м'ясоїдні тварини. Детритальна харчова павутина складається з бази організмів, які харчуються розкладається органічною речовиною (мертві організми), включаючи розкладників (які розщеплюють мертві та гниючі організми) та згубні (які споживають органічний детрит). Ці організми, як правило, бактерії, гриби та безхребетні тварини, які переробляють органічний матеріал назад в біотичну частину екосистеми, коли вони самі споживаються іншими організмами. Оскільки екосистемам потрібен метод переробки матеріалу з мертвих організмів, пасуться харчові мережі мають пов'язану з собою детритальну харчову павутину. Наприклад, в луговій екосистемі рослини можуть підтримувати пасучу харчову павутину різних організмів, первинних та інших рівнів споживачів, одночасно підтримуючи деталізовану харчову павутину бактерій та грибів, що живляться мертвими рослинами та тваринами. Одночасно детріальна харчова павутина може внести енергію в пасовищну харчову павутину, як коли рябін їсть дощового черв'яка.
Як організми набувають енергії в харчовій павутині
Все живе вимагає енергії в тій чи іншій формі. Енергія використовується більшістю складних метаболічних шляхів (зазвичай у вигляді АТФ), особливо відповідальними за побудову великих молекул з менших сполук. Живі організми не змогли б зібрати макромолекули (білки, ліпіди, нуклеїнові кислоти та складні вуглеводи) зі своїх мономерів без постійного надходження енергії.
Діаграми Food-web ілюструють, як енергія тече спрямовано через екосистеми. Вони також можуть вказувати на те, наскільки ефективно організми набувають енергію, використовують її, і скільки залишається для використання іншими організмами харчової павутини. Енергія набувається живими істотами двома способами: автотрофи використовують легку або хімічну енергію, а гетеротрофи набувають енергію за рахунок споживання та перетравлення інших живих або раніше живих організмів.
Фотосинтетичні та хемосинтезирующие організми - це автотрофи, які є організмами, здатними синтезувати власну їжу (точніше, здатні використовувати неорганічний вуглець як джерело вуглецю). Фотосинтетичні автотрофи (фотоавтотрофи) використовують сонячне світло як джерело енергії, а хемосинтетичні автотрофи (хемоавтотрофи) використовують неорганічні молекули як джерело енергії. Автотрофи мають вирішальне значення для більшості екосистем: вони є продуцентом трофічного рівня. Без цих організмів енергія була б недоступна іншим живим організмам, а саме життя було б неможливим.
Фотоавтотрофи, такі як рослини, водорості та фотосинтезуючі бактерії, є джерелом енергії для більшості екосистем світу. Ці екосистеми часто описуються випасом худоби та детритарними харчовими павутинами. Фотоавтотрофи використовують сонячну енергію Сонця, перетворюючи її в хімічну енергію у вигляді АТФ (і NADP). Енергія, що зберігається в АТФ, використовується для синтезу складних органічних молекул, таких як глюкоза. Швидкість, з якою виробники фотосинтезу включають енергію від Сонця, називається валовою первинною продуктивністю. Однак не вся енергія, включена виробниками, доступна іншим організмам у харчовій павутині, оскільки виробники також повинні рости та розмножуватися, що споживає енергію. Чиста первинна продуктивність — це енергія, яка залишається у виробників після обліку дихання та тепловтрат цих організмів. Потім чиста продуктивність доступна первинним споживачам на наступному трофічному рівні.
Хемоавтотрофи - це перш за все бактерії та археї, які зустрічаються в рідкісних екосистемах, де сонячне світло недоступний, наприклад, пов'язані з темними печерами або гідротермальними жерлами на дні океану (рисунок нижче). Багато хемоавтотрофи в гідротермальних отворах використовують сірководень (H 2 S), який виділяється з вентиляційних отворів як джерело хімічної енергії; це дозволяє їм синтезувати складні органічні молекули, такі як глюкоза, для власної енергії і, в свою чергу, постачає енергію решті екосистеми.
Наслідки харчових павутин: біологічне збільшення
Одним з найважливіших наслідків динаміки екосистем з точки зору впливу людини є біомагніфікація. Біомагніфікація - це зростаюча концентрація стійких, токсичних речовин в організмах на кожному наступному трофічному рівні. Це речовини, які жиророзчинні, не розчинні у воді, і зберігаються в жирових запасах кожного організму. Було показано, що багато речовин біозбільшуються, включаючи класичні дослідження з пестицидом дихлордифенилтрихлоретан (ДДТ), які були описані в бестселері 1960-х років, Silent Spring Рейчел Карсон. ДДТ був широко використовуваним пестицидом до того, як стало відомо про його небезпеку для верхівкових споживачів, таких як білоголовий орлан. У водних екосистемах організми з кожного трофічного рівня споживали багато організмів на нижньому рівні, що призвело до збільшення ДДТ птахів (споживачів верхівки), які їли рибу. Таким чином, птахи накопичили достатню кількість ДДТ, щоб викликати крихкість в яєчній шкаралупі. Цей ефект збільшив розбиття яєць під час гніздування і було показано, що він має руйнівний вплив на ці популяції птахів. Використання ДДТ було заборонено в США в 1970-х роках.
Інші речовини, які біозбільшують, - це поліхлоровані дифеніли (PCB), які використовувалися як охолоджуючі рідини в США, поки їх використання не було заборонено в 1979 році, і важкі метали, такі як ртуть, свинець та кадмій. Ці речовини найкраще вивчаються у водних екосистемах, де хижі види риб накопичують дуже високі концентрації токсичних речовин, які знаходяться при досить низьких концентраціях в навколишньому середовищі і у виробників. Як показано в дослідженні, проведеному NOAA в Сагіно-Бей озера Гурон Північноамериканських Великих озер (рис. Нижче), концентрації ПХБ збільшилися від виробників екосистеми (фітопланктон) через різні трофічні рівні видів риб. Апекс-споживач, судак, має більш ніж у чотири рази більше ПХБ порівняно з фітопланктоном. Крім того, виходячи з результатів інших досліджень, птахи, які їдять ці риби, можуть мати рівні PCB принаймні на порядок вище, ніж ті, що містяться в озерній рибі.
Інші занепокоєння були викликані біомагніфікацією важких металів, таких як ртуть та кадмій, у деяких видах морепродуктів. Агентство з охорони навколишнього середовища США рекомендує вагітним жінкам та маленьким дітям не вживати жодної риби-меча, акули, королівської скумбрії або черепиці через високий вміст ртуті. Цим особам рекомендується вживати рибу з низьким вмістом ртуті: лосось, креветки, минтай, сом. Біомагніфікація є хорошим прикладом того, як динаміка екосистем може впливати на наше повсякденне життя, навіть впливаючи на їжу, яку ми їмо.