24.5: Енергія в екосистемах

Last updated
Save as PDF

Page ID: 5709

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Морський ангел

Нескладно зрозуміти, чому водне істота на малюнку\(\PageIndex{1}\) прийнято називати морським ангелом. Він має павутинкоподібні «крила», які м'яко пурхають і допомагають йому плавати, а його прозоре тіло надає йому потойбічний вигляд. Хоча це здається ангельським, цей крихітний безхребетний насправді є порочним хижаком. Має секретну зброю у вигляді шести гострих щупалець, захованих в її обличчі. Коли мимо дрейфує нічого не підозрює видобуток, морський ангел перетворюється на диявольську машину вбивства. Вона вибиває свої щупальця, хапає свою здобич, а потім повільно її з'їдає. Хижаки, як морські ангели, отримують енергію від видобуткових організмів. Це лише один із способів отримання організмами енергії.

Кліон Лімачіна від NOA — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Кліон, равлик без раковини, відомий як Морський метелик, плаває на мілководді під арктичним льодом. Фото з моря Бофорта, на північ від Пойнт-Барроу (Аляска)

Як організми отримують енергію

Існує два основних типи організмів з точки зору того, як вони отримують енергію: автотрофи і гетеротрофи.

Автотрофи

Автотрофи - це організми, які використовують енергію безпосередньо від сонця або з хімічних зв'язків. Зазвичай називають виробниками, вони використовують енергію та прості неорганічні сполуки для отримання органічних молекул. Автотрофи життєво важливі для всіх екосистем, оскільки всі організми потребують органічних молекул, і лише автотрофи можуть виробляти їх з неорганічних сполук. Існує два основних типи автотрофів: фотоавтотрофи і хемоавтотрофи.

Фотоавтотрофи

Фотоавтотрофи - це автотрофи, які використовують енергію сонячного світла, щоб зробити органічні сполуки шляхом фотосинтезу. Фотоавтотрофи включають рослини, водорості і багато бактерій, як показано в табл\(\PageIndex{1}\). Вони є основними виробниками в переважній більшості екосистем на Землі.

Хемоавтотрофи

Хемоавтотрофи використовують енергію хімічних зв'язків для отримання органічних сполук шляхом хемосинтезу. Хемоавтотрофи включають певні бактерії та археани. Вони є основними виробниками в екосистемах, які утворюються навколо гідротермальних отворів та в гарячих джерелах.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Різні типи фотоавтотрофів важливі в різних екосистемах
Тип фотоавтотрофа	Тип екосистеми (екосистем)	Приклад	Приклад
Рослини	Наземні	Дерево	Трави
Водорості	Водні	Діатомові водорості	Морські водорості
Бактерії	Водні і наземні	Ціанобактерії	Фіолетові бактерії

гетеротрофи

Гетеротрофи - організми, які отримують енергію від інших живих істот. Як і морські ангели, вони приймають органічні молекули, споживаючи інші організми, тому їх прийнято називати споживачами. Гетеротрофи включають всіх тварин і грибів, а також багато протистів і бактерій. Гетеротрофи можна класифікувати за тим, що вони зазвичай їдять як травоїдні, м'ясоїдні, всеїдні або розкладачі.

травоїдні

Травоїдні - це гетеротрофи, які безпосередньо споживають таких виробників, як рослини або водорості. Вони є необхідною ланкою між виробниками та іншими гетеротрофами, такими як м'ясоїдні тварини. Приклади травоїдних тварин включають оленів, кроликів, морських їжаків, коників, мишей, а також личинки багатьох комах, як гусениця на малюнку\(\PageIndex{2}\). Травоїдні тварини, як правило, мають ротовий апарат або зуби, пристосовані для захоплення або подрібнення жорстких матеріалів у рослин. Багато травоїдних мають мутуалістичні кишкові мікроби, які допомагають їм розщеплювати важкозасвоювані рослинні речовини.

Гусениця годівля на листі - 20140906 121127 (обрізаний) — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Листоїдять гусениці, такі як ця, ненажерливо жують свій шлях через лист за листом.

М'ясоїдні тварини

М'ясоїдні - гетеротрофи, які споживають тварин; приклади гетеротрофів включають левів, білих ведмедів, яструбів, лосося та павуків. Облігатні м'ясоїдні тварини (наприклад, коти) не в змозі перетравлювати рослини, тому вони можуть їсти лише тварин. Факультативні м'ясоїдні тварини (наприклад, собаки) можуть перетравлювати рослинну речовину, але рослини не є важливим джерелом їжі для них. Більшість м'ясоїдних - хижаки, які ловлять і вбивають живих тварин для споживання. Деякі м'ясоїдні тварини, звані падальщиками, знаходять і їдять тварин, які вже загинули, наприклад, залишки здобичі, залишені хижаками. Приклади падальників включають грифів, гієн та мух, як на малюнку\(\PageIndex{3}\).

Муха бенкет — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Мухи бенкетують на голові мертвої риби

Всеїдні

Всеїдні - гетеротрофи, які споживають як рослини, так і тварин. До них відносяться свині, бурі ведмеді, чайки, ворони та люди. Всеїдні насправді потрапляють на континуум між травоїдними та м'ясоїдними тваринами. Деякі всеїдні їдять більше рослин, ніж тварини, тоді як інші всеїдні їдять більше тварин, ніж рослин. Деякі організми сезонно всеїдні, це означає, що вони їдять рослини в деякі сезони, а тварини в інші сезони. Прикладом може служити ведмідь грізлі. Коли лосось або інша риба багато, ведмеді в першу чергу м'ясоїдні; але коли ягоди дозрівають і стають рясними, ведмеді переважно рослиноїдні. Деякі всеїдні їдять тварин на деяких життєвих етапах, а рослини - на інших життєвих етапах. Наприклад, більшість пуголовків - травоїдні тварини, які їдять водорості, тоді як дорослі жаби - м'ясоїдні, які їдять комах та інших безхребетних.

Розкладачі

Гриби в Борнео — Малюнок\(\PageIndex{4}\): Гриби, що ростуть на мертвому дереві, виділяють ферменти, які можуть руйнувати навіть жорсткі деревні волокна, які жоден інший організм не може перетравлювати.

Розкладачі - це гетеротрофи, які руйнуються і харчуються залишками мертвих організмів та інших органічних відходів, таких як фекалії. В процесі вони виділяють прості неорганічні молекули назад в навколишнє середовище. Потім виробники можуть використовувати молекули для створення нових органічних сполук. Розкладачі класифікуються за типом органічної речовини, яку вони руйнують. Два типи - це згубні і сапротрофи.

Детритиїдні - це розкладачі, які ковтають і перетравлюють детрит, який включає мертве листя, фекалії тварин та інші органічні сміття, які збираються на землі або на дні водойми. До наземних шкідливих відносяться дощові черв'яки і гнойові жуки. До водних шкідливих відносяться «донні годівниці», такі як морські огірки та сом.
Сапротрофи - це розкладачі, які харчуються мертвою органічною речовиною, виділяючи травні ферменти та перетравлюючи її зовні, а не вживаючи речовини та перетравлюючи її внутрішньо. До сапротрофів відносяться гриби і одноклітинні найпростіші. Гриби, як і на малюнку\(\PageIndex{4}\), є єдиними організмами, які можуть розкладати деревину.

Моделі енергетичного потоку

Енергія надходить у всі екосистеми від сонця або з неорганічних хімічних речовин. Потім енергія надходить через екосистеми від виробників, які можуть використовувати неорганічні форми енергії, до споживачів, які можуть отримувати енергію лише з органічних сполук в інших живих істотах. Екологи зазвичай представляють цей потік енергії через організми екосистеми за допомогою таких моделей, як харчові ланцюги та харчові мережі. Ці моделі представляють відносини годування, показуючи, хто кого їсть. Хоча моделі, як правило, є надмірними спрощеннями реальності, вони виявилися корисними для тестування гіпотез про екосистеми та виявлення загальних закономірностей, які поділяють багато екосистем.

Харчові ланцюги

Спрощена харчова ланцюг — Малюнок\(\PageIndex{5}\): Харчовий ланцюг зліва показує, хто кого їсть в земній екосистемі. Харчовий ланцюг праворуч показує те саме для водної екосистеми.

Харчовий ланцюг - це екологічна модель, яка являє собою єдиний шлях, по якому енергія протікає в екосистемі. Харчові ланцюги практично завжди простіші, ніж те, що насправді відбувається в природі, оскільки більшість організмів споживають - і споживають - більше одного виду. Два приклади харчових ланцюгів, одна наземна і одна водна, наведені на малюнку\(\PageIndex{5}\). В обох харчових ланцюгах організми на дні є виробниками. У наземному харчовому ланцюзі виробниками є трави, а в водному харчовому ланцюзі виробниками є крихітні рослини, які називаються фітопланктоном. Виробники в кожному харчовому ланцюжку споживають травоїдні тварини. Травоїдні, в свою чергу, споживаються м'ясоїдними тваринами, які самі є здобиччю інших м'ясоїдних тварин. Верхнім організмом у кожному харчовому ланцюзі є хижак - званий верхівковий хижак - якого не полюють жоден інший вид.

Багато харчові ланцюги, в тому числі зображені на малюнку\(\PageIndex{5}\):, не включають в себе розкладачі. Однак декомпозитори є важливою складовою енергетичного потоку в кожній екосистемі. Розкладники розщеплюють будь-які залишилися органічні речовини (будь то від виробників або споживачів), використовуючи частину енергії, яку вона містить, і вивільняючи надлишки поживних речовин назад у навколишнє середовище.

Харчова павутина

Харчова павутина - це екологічна модель, яка представляє кілька шляхів, через які енергія протікає в екосистемі. Вона, як правило, включає багато пересічних харчових ланцюгів. Хоча харчові мережі, як і харчові ланцюги, зазвичай є спрощенням реальності, вони демонструють, що більшість організмів їдять і їдять більше одного виду. Два приклади харчових павутин, одна наземна і одна водна, показані на малюнку\(\PageIndex{6}\). Розглянемо на прикладі коника в наземній харчовій павутині. Це травоїдна тварина, яка споживає лише рослини, але коник споживається багатьма іншими споживачами, включаючи павуків, мишей, птахів та жаб.

Харчова веб-діаграма — Малюнок\(\PageIndex{6}\): Наземна харчова павутина (зверху) та водна харчова павутина (знизу) представляють множинні кормові відносини в екосистемах.

Трофічні рівні

Таблиця\(\PageIndex{2}\): Трофічні рівні в харчових ланцюгах та харчових мережах
Трофічний рівень	Як він отримує енергію	Приклад
^1-й трофічний рівень: виробники	фотосинтез або хемосинтез	трава
^2-й трофічний рівень: первинні споживачі	споживає виробників	кролик
^3-й трофічний рівень: вторинні споживачі	споживає первинних споживачів	змія
^4-й трофічний рівень: третинні споживачі	споживає вторинних споживачів	яструб

Різні положення годування в харчовому ланцюзі або харчовій павутині називаються трофічними рівнями. Основні трофічні рівні визначені в табл\(\PageIndex{2}\). Всі харчові ланцюги і харчові мережі мають щонайменше два-три трофічні рівні, один з яких повинен бути продуцентами (^1-й трофічний рівень). Як правило, існує максимум чотири трофічні рівні, і лише рідко буває п'ять і більше трофічних рівнів. Більшість споживачів фактично харчуються на більш ніж одному трофічному рівні. Наприклад, люди є основними споживачами, коли вони їдять рослини, такі як овочі. Вони є вторинними споживачами, коли їдять м'ясо травоїдних тварин, таких як велика рогата худоба. Вони є третинними споживачами, коли їдять вторинних споживачів, таких як лосось, які їдять меншу рибу.

Трофічні рівні та енергія

Енергія передається по харчовому ланцюгу або харчовій павутині від нижчих до більш високих трофічних рівнів. Однак, як показано в енергетичній піраміді на малюнку\(\PageIndex{7}\), лише близько 10 відсотків енергії на одному трофічному рівні фактично передається до наступного більш високого трофічного рівня. Інші 90 відсотків енергії на кожному трофічному рівні використовуються організмами на цьому рівні для обміну речовин, росту та відновлення. Метаболізм генерує тепло (теплову енергію), яке є енергією, яка втрачається навколишньому середовищу. Деяка енергія також втрачається як неповністю перетравлена їжа, яка виводиться з організму. Зниження енергії з одного трофічного рівня на інший пояснює, чому рідко буває більше чотирьох трофічних рівнів в харчовому ланцюгу або харчовій павутині. Існує, як правило, недостатня енергія залишається вище чотирьох трофічних рівнів для підтримки організмів на додаткових трофічних рівнях.

Трофічні рівні та біомаса

З меншою енергією на більш високих трофічних рівнях, як правило, трапляється, що менше організмів може підтримуватися на більш високих рівнях. Хоча окремі організми, як правило, більші за розміром при більш високих трофічних рівнях, їх менша кількість призводить до меншої кількості біомаси на більш високих рівнях. Біомаса - це кількість органічної речовини, присутньої в окремому організмі або у всіх організмах на заданому трофічному рівні. Зменшення чисельності та біомаси організмів від нижчих до вищих трофічних рівнів представлено екологічною пірамідою на рис\(\PageIndex{7}\).

Рецензія

Що таке автотрофи? Назвіть три типи організмів, які є автотрофами.
Порівняйте і контрастуйте фотоавтотрофи і хемоавтотрофи.
Визначте гетеротроф.
Які типи організмів є гетеротрофами?
Як класифікуються гетеротрофи на основі того, що вони споживають?
Що таке харчові ланцюги та харчові мережі?
Які трофічні рівні? Визначте різні трофічні рівні в харчовому ланцюгу або харчовій павутині.
Чому в екосистемі рідко буває більше чотирьох трофічних рівнів?
Як зазвичай змінюється кількість і біомаса організмів від нижчого до більш високого трофічного рівня?
Поясніть явище біоакумуляції.
Травоїдні тварини знаходяться на якому трофічному рівні?
1. \(1^{st}\)
2. \(2^{nd}\)
3. \(3^{rd}\)
4. \(4^{th}\)
Правда чи брехня. У деяких харчових ланцюгах хемоавтотрофи - це тип організму на 1-му трофічному рівні.
Правда чи брехня. Верхівкові хижаки знаходяться на трофічному рівні, який містить найбільше енергії.
Що з наступного не є гетеротрофом?
1. Яблуня
2. гриб
3. Пуголовка
4. А і Б
Які з наступних термінів відносяться до людини: автотроф; гетеротроф; м'ясоїдний; всеїдний; травоїдний; виробник; первинний споживач; третинний споживач

Дізнатися більше

https://bio.libretexts.org/link?17818#Explore_More

Перегляньте це відео, щоб дізнатися більше про забруднення

Атрибуції

Кліон Кевін Раскофф (Фотобібліотека NOAA), публічне надбання через Wikimedia Commons
Raunkiærseg, публічне надбання через Вікісховище
- Висока трава за польською назвою, публічне надбання через Wikimedia Commons
- Діатом професора Гордона Тейлора, Університет Стоуні-Брук (corp2365, Колекція корпусів NOAA), публічне надбання через Wikimedia Commons
- Кодіум від Flyingdream, публічне надбання через Вікісховище
- Формідій USGS, суспільне надбання
- Rhodospirillum rubrum від pookypoo87, публічне надбання через Вікісховище
Nematus ribesii годування листом Даніель Мітчен, ліцензований CC0 через Wikimedia Commons
Муха бенкет від LASZLO ILYES, CC BY 2.0 через Wikimedia Commons
Гриби на Борнео Кейсі, CC BY 2.0 через Wikimedia Commons
Спрощений харчовий ланцюжок від LadyOfHats (Маріана Руїс Вільярреал), присвячений CC0 через Вікісховище
Харчова павутина від LadyOfHats (Маріана Руїс Вільярреал), присвячена CC0 через Вікісховище
Екологічна піраміда за ліцензією CK-12 CC BY-NC 3.0
Текст адаптований з біології людини CK-12 ліцензований CC BY-NC 3.0