20.1: Потік енергії через екосистеми

Екосистема - це спільнота живих організмів та їх абіотичної (неживої) середовища. Екосистеми можуть бути невеликими, такими як басейни припливів, знайдені біля скелястих берегів багатьох океанів, або великими, такими, як ті, що знаходяться в тропічних лісах Амазонки в Бразилії (Малюнок \(\PageIndex{1}\)).

Малюнок \(\PageIndex{1}\): A (a) екосистема припливного басейну на острові Матінікус, штат Мен, є невеликою екосистемою, тоді як (b) тропічний ліс Амазонки в Бразилії - велика екосистема. (кредит a: модифікація роботи Джима Куна; кредит b: модифікація роботи Івана Млінарича)

Існує три великі категорії екосистем на основі їх загального середовища: прісноводні, морські та наземні. У межах цих трьох категорій є окремі типи екосистем на основі середовища існування навколишнього середовища та присутніх 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 метаболічних процесів і речовини, щоб скласти фізичні структури організмів. Іншими критичними факторами, що впливають на динаміку громади, є компоненти її фізичного середовища: клімат середовища проживання (пори року, сонячне світло та кількість опадів), висота та геологія. Все це може 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.

Найбільш поширеними є морські екосистеми, що складаються на 75 відсотків поверхні Землі і складаються з трьох основних типів: дрібного океану, глибоких океанських вод і глибокого дна океану. Неглибокі океанічні екосистеми включають надзвичайно біорізноманітні екосистеми коралових рифів, але глибока океанська вода відома великою кількістю планктону та криля (малих ракоподібних), які підтримують його. Ці два середовища особливо важливі для аеробних респіраторів у всьому світі, оскільки фітопланктон виконує 40 відсотків усього фотосинтезу на Землі. Хоча вони не такі різноманітні, як два інших, екосистеми глибокого дна океану містять найрізноманітніші морські організми. Такі екосистеми існують навіть на глибині, де світло не здатний проникати крізь воду.

Наземні екосистеми, також відомі своєю різноманітністю, групуються 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 біому затьмарює велику різноманітність окремих екосистем всередині них. Наприклад, кактуси сагуаро (Carnegiea gigantean) та інші рослини в пустелі Соноран, в США, порівняно різноманітні в порівнянні з пустельною скелястою пустелею Боа-Віста, островом біля берегів Західної Африки (рис. \(\PageIndex{2}\)).

Ілюстрація \(\PageIndex{2}\): Екосистеми пустелі, як і всі екосистеми, можуть сильно відрізнятися. Пустеля в (а) національному парку Сагуаро, штат Арізона, має рясне рослинне життя, тоді як скеляста пустеля (b) острова Боа-Віста, Кабо-Верде, Африка, позбавлена рослинного життя. (кредит a: модифікація роботи Джея Гелвіна; кредит b: модифікація роботи Інго Вельберна)

Екосистеми та порушення

Екосистеми складні з багатьма взаємодіючими частинами. Вони регулярно піддаються різним порушенням: зміни навколишнього середовища, що впливають на їх склад, наприклад, щорічні коливання опадів та температури. Багато порушення є результатом природних процесів. Наприклад, коли блискавка спричиняє лісову пожежу та руйнує частину лісової екосистеми, земля з часом заселяється травами, а потім кущами та чагарниками, а пізніше зрілими деревами: таким чином ліс відновлюється до колишнього стану. Цей процес настільки універсальний, що екологи дали йому назву—правонаступництво. Вплив екологічних порушень, спричинених діяльністю людини, зараз такий же значний, як і зміни, спричинені природними процесами. Людські сільськогосподарські практики, забруднення повітря, кислотні дощі, глобальна вирубка лісів, перелов, розливи нафти та незаконне скидання на сушу та в океан мають вплив на екосистеми.

Рівновага - це динамічний стан екосистеми, в якому, незважаючи на зміни чисельності видів та виникнення, 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 розгляді впливу людини. Природа екосистеми може змінитися до такої міри, що вона може повністю втратити свою стійкість. Цей процес може привести до повного руйнування або незворотної зміни екосистеми.

Харчові ланцюги та харчові мережі

Харчовий ланцюг - це лінійна послідовність організмів, через яку поживні речовини та енергія проходять, коли один організм їсть інший; рівні в харчовому ланцюгу - це виробники, первинні споживачі, споживачі вищого рівня і, нарешті, редуценти. 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 ланцюжку або харчовій павутині.

У багатьох екосистемах основу, або фундамент харчового ланцюга складають фотосинтезуючі організми (рослини або фітопланктон), які називаються продуцентами. Організми, які споживають виробники, є травоїдними: основними споживачами. Вторинні споживачі, як правило, м'ясоїдні тварини, які їдять основних споживачів. Третинні споживачі - 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: споживачів верхівки. У харчовому ланцюжку озера Онтаріо, показаному на малюнку \(\PageIndex{3}\), чавичий лосось є вершиною споживача на вершині цього харчового ланцюга.

Ілюстрація \(\PageIndex{3}\): Це трофічні рівні харчового ланцюга в озері Онтаріо на кордоні США та Канади. Енергія та поживні речовини надходять від фотосинтезуючих зелених водоростей біля основи до вершини харчового ланцюга: «Чинук». (кредит: модифікація роботи Національного управління океанічної та атмосферної середовища/NOAA)

Одним з основних факторів, що обмежує кількість кроків харчового ланцюга, є енергія. Енергія втрачається на кожному трофічному рівні і між трофічними рівнями у вигляді тепла і при передачі до редуцентів (рис. \(\PageIndex{4}\)). Таким чином, після обмеженої кількості трофічних передач енергії кількість енергії, що залишається в харчовому ланцюзі, може бути недостатньо великою для підтримки життєздатних популяцій на ще більш високому трофічному рівні.

Малюнок \(\PageIndex{4}\): Показана відносна енергія трофічних рівнів в екосистемі Сілвер-Спрингс, штат Флорида. Кожен трофічний рівень має меншу кількість енергії, і зазвичай, але не завжди, підтримує меншу масу організмів на наступному 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 на одному трофічному рівні; також деякі з цих організмів також можуть харчуватися з декількох трофічних рівнів. Крім того, види харчуються і з'їдаються більш ніж 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 зв'язки між собою та з навколишнім середовищем, є більш точною та описовою моделлю для екосистем. Харчова павутина - це концепція, яка враховує множинні трофічні (годування) 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. Матерія і енергетичні рухи практично всіх екосистем більш точно описані харчовими павутинами (рис. \(\PageIndex{5}\)).

Малюнок \(\PageIndex{5}\): Ця харчова павутина показує взаємодію між організмами на трофічних рівнях. Стрілки вказують від організму, який витрачається на організм, який його споживає. Всі виробники та споживачі з часом стають харчуванням для редуцентів (гриби, цвіль, дощові черв'яки та бактерії в ґрунті). (кредит «лисиця»: модифікація твору Кевіна Бахера, NPS; кредит «сова»: модифікація твору Джона та Карен Холлінгсворт, USFWS; кредит «змія»: модифікація твору Стіва Юрвецсона; кредит «Робін»: модифікація твору Алана Вернона; кредит «жаба»: модифікація роботи Алессандро Катенацці; кредит» spider»: модифікація твору «Sanba38» /Wikimedia Commons; кредит «багатоніжка»: модифікація роботи «Bauerph» /Wikimedia Commons; кредит «білка»: модифікація роботи Dawn Huczek; кредит «миша»: модифікація роботи НІГМС, NIH; кредит «горобець»: модифікація роботи Девіда Фріла; кредит «жук»: модифікація роботи Скотта Бауера, Служби сільськогосподарських досліджень USDA; кредит «гриби»: модифікація роботи Кріса Ві; кредит «цвіль»: модифікація роботи доктора Люсіль Георга, CDC; кредит «дощовий черв'як»: модифікація роботи Роба Хілла; кредит «бактерії»: модифікація роботи Дона Сталонса, CDC)

ПОНЯТТЯ В ДІЇ

Голова до цього інтерактивного онлайн-симулятора , щоб дослідити харчову веб-функцію. У полі Інтерактивні лабораторії в розділі « Продовольча мережа » натисніть Крок 1 . Спочатку прочитайте інструкції, а потім натисніть Крок 2 , щоб отримати додаткові інструкції. Коли ви будете готові до створення симуляції, у верхньому правому куті вікна Interactive Labs натисніть ВІДКРИТИ СИМУЛЯТОР .

Два загальні типи харчових мереж часто показані взаємодіючими в рамках однієї екосистеми. Пасуча харчова павутина має в своїй основі рослини або інші фотосинтезуючі організми, за якими слідують травоїдні та різні м'ясоїдні тварини. Детритальна харчова павутина складається з основи організмів, які харчуються розкладається органічною речовиною (мертвими організмами), включаючи редуцентів (які руйнують мертві та гниючі організми) та detritivoars (які споживають органічний детрит). Ці організми, як правило, є бактеріями, грибами та безхребетними тваринами, які переробляють органічний матеріал назад у біотичну частину екосистеми, коли вони самі споживаються іншими організмами. Оскільки екосистеми вимагають методу переробки матеріалу з мертвих організмів, пасучі харчові мережі мають пов'язану з нею детритальну харчову павутину. Наприклад, у луговій екосистемі рослини можуть підтримувати пасуючу харчову павутину різних організмів, первинного та інших рівнів споживачів, одночасно підтримуючи детритальну харчову павутину бактерій та грибів, що живлять мертві рослини та тварини. Одночасно детритальна харчова павутина може внести енергію в пасуче харчову павутину, як коли зарянка їсть дощового черв'яка.

Як організми набувають енергії в харчовій павутині

Все живе вимагає енергії в тому чи іншому вигляді. Енергія використовується більшістю складних метаболічних шляхів (зазвичай у вигляді АТФ), особливо відповідальних 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.

Food-web діаграми 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 світлову або хімічну енергію, а гетеротрофи набувають енергію за рахунок споживання та перетравлення інших живих або раніше живих організмів.

Фотосинтетичні та хіміосинтетичні 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 трофічним рівнем виробника. Без цих організмів енергія не була б доступна іншим живим організмам, а саме життя було б неможливим.

Фотоавтотрофи, такі як рослини, водорості та фотосинтетичні бактерії, є джерелом енергії для більшості світових екосистем. Ці екосистеми часто описуються пасовищними та детритальними харчовими павутинами. Фотоавтотрофи використовують сонячну енергію Сонця, перетворюючи її в хімічну енергію у вигляді АТФ (і НАДП). 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, закладена 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 організацій. Тоді чиста продуктивність доступна первинним споживачам на наступному трофічному рівні.

Хемоавтотрофи - це насамперед бактерії та археї, які зустрічаються в рідкісних екосистемах, де сонячне світло недоступний, наприклад, пов'язані з темними печерами або гідротермальними вентиляційними отворами на дні океану (рис. \(\PageIndex{6}\)). Багато хемоавтотрофів в гідротермальних вентиляційних отворах використовують сірководень (H₂S), 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 енергією решту екосистеми.

Ілюстрація \(\PageIndex{6}\): Плаваючі креветки, кілька приземкуватих омарів і сотні вентиляційних мідій видно на гідротермальному вентиляційному отворі на дні океану. Оскільки на цю глибину не проникає сонячне світло, екосистема підтримується хемоавтотрофними бактеріями та органічним матеріалом, який тоне з поверхні океану. Ця фотографія була зроблена в 2006 році на затопленому північно-західному вулкані Ейфуку біля берегів Японії Національним управлінням океанічних і атмосферних явищ (NOAA). Вершина цього високоактивного вулкана лежить на 1535 м нижче поверхні.

Наслідки харчових павутинок: біологічне збільшення

Одним з найважливіших наслідків екосистемної динаміки з точки зору впливу людини є біомагнітизація. Біомагнітизація - це зростаюча концентрація стійких, токсичних речовин в організмах на кожному наступному трофічному рівні. Це речовини, які є жиророзчинними, не розчинними у воді, і зберігаються в жирових запасах кожного організму. Було показано, що багато речовин біологічно збільшують, включаючи класичні дослідження з пестицидом дихлордіфенілтріхлоретан (ДДТ), які були описані в бестселері 1960-х років, Silent Spring Рейчел Карсон. ДДТ був широко використовуваним пестицидом до того, як стала відома його небезпека для споживачів верхівки, таких як білоголовий орлан. У водних екосистемах організми з кожного трофічного рівня споживали багато організмів на нижньому рівні, що спричинило збільшення ДДТ у птахів (споживачів верхівки), які їли рибу. Таким чином, птахи накопичили достатню кількість ДДТ, щоб викликати крихкість в їх яєчній шкаралупі. Цей ефект посилив обрив яєць під час гніздування і, як було показано, має руйнівний вплив на ці популяції птахів. Використання ДДТ було заборонено в США в 1970-х роках.

Іншими речовинами, які біомагніфікують, є поліхлоровані біфеніли (PCB), які використовувались як рідини для охолодження 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, що знаходяться при досить низьких концентраціях в навколишньому середовищі і у виробників. Як показано в дослідженні, проведеному NOAA в Сагінській затоці озера Гурон Північноамериканських Великих озер (рис. \(\PageIndex{7}\)), Концентрація ПХБ збільшилася у виробників екосистеми (фітопланктону) через різні трофічні рівні видів риб. Споживач верхівки, судак, має більш ніж у чотири рази більше, ніж кількість друкованих плат порівняно з фітопланктоном. Також, виходячи з результатів інших досліджень, птахи, які їдять цю рибу, можуть мати рівні PCB принаймні на порядок вище, ніж ті, що містяться в озерній рибі.

Малюнок \(\PageIndex{7}\): Ця діаграма показує концентрації друкованих плат, виявлені на різних трофічних рівнях в екосистемі Сагіно-Бей озера Гурон. Зверніть увагу, що риби в більш високих трофічних рівнях накопичують більше друкованих плат, ніж ті, що мають нижчі трофічні рівні. (Кредит: Патрісія Ван Хоф, NOAA)

Інші побоювання викликали біомагнітизація 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 рибу-меч, акулу, королівську скумбрію або плиткову рибу через високий вміст ртуті. Цим особинам рекомендується вживати рибу з низьким вмістом ртуті: лосося, креветок, минтая, сома. Біомагнітизація - хороший приклад того, як динаміка екосистеми може впливати на наше повсякденне життя, навіть впливаючи на їжу, яку ми їмо.

Підсумок розділу

Екосистеми існують під землею, на суші, на морі та в повітрі. Організми в екосистемі набувають енергії різними способами, яка передається між трофічними рівнями, коли енергія тече від основи до вершини харчової павутини, при цьому енергія втрачається при кожній передачі. На кожному трофічному рівні втрачається енергія, тому довжина харчових ланцюгів обмежена, оскільки є момент, коли залишається недостатньо енергії для підтримки населення споживачів. Жиророзчинні сполуки біологічно збільшують харчовий ланцюг, завдаючи шкоди провідним споживачам. навіть тоді, коли екологічні концентрації токсину низькі.

Глосарій

автотроф

організм, здатний синтезувати власні молекули їжі з менших неорганічних молекул

апекс споживач

організм у верхній частині харчового ланцюга

біомагнітизація

зростаюча концентрація стійких, токсичних речовин в організмах на кожному трофічному рівні, від виробників до споживачів верхівки

биом

великомасштабне співтовариство організмів, в першу чергу визначається на суші домінуючими типами рослин, які існують в географічних регіонах планети з аналогічними кліматичними умовами

хемоавтотроф

організм, здатний синтезувати власну їжу, використовуючи енергію з неорганічних молекул

Детритальне харчове полотно

тип продовольчої мережі, яка підтримується мертвих або розпадаються організмів, а не живими autotrophs; вони часто пов'язані з випасу їжі павутини в межах тієї ж екосистеми

екосистеми

співтовариство живих організмів та їх взаємодії з їх абіотичних середовищем

рівноваги

усталений стан системи, в якій взаємозв'язки між елементами системи не змінюються

харчовий ланцюг

лінійна послідовність трофічних (кормових) відносин виробників, первинних споживачів та споживачів вищого рівня

продовольча павутина

мережа трофічних (кормових) відносин між виробниками, первинними споживачами та споживачами вищого рівня в екосистемі

випас продовольчої павутини

тип продовольчої павутини, в якій виробники є рослини на суші або фітопланктон у воді; часто асоціюється з detrital продовольчої мережі в межах тієї ж екосистеми

валова первинна продуктивність

швидкість, з якою виробники фотосинтезу включають енергію від Сонця

чиста первинна продуктивність

енергія, яка залишається у виробників після обліку дихання та тепловтрат організмів

фотоавтотроф

організм, який використовує сонячне світло як джерело енергії для синтезу власних молекул їжі

первинний споживач

трофічний рівень, який отримує свою енергію від виробників екосистеми

виробник

трофічний рівень, який отримує свою енергію від сонячного світла, неорганічних хімічних речовин або мертвих або гниття органічного матеріалу

стійкість (екологічність)

швидкість, з якою екосистема відновлює рівновагу після порушення

стійкість (екологічна)

здатність екосистеми залишатися в рівновазі, незважаючи на порушення

вторинний споживач

трофічного рівня в екосистемі, зазвичай хижака, яка їсть первинного споживача

третинний споживач

трофічного рівня в екосистемі, зазвичай м'ясоїдних, які їдять інших м'ясоїдних

трофічний рівень

положення виду або групи видів в харчового ланцюга або продовольчої павутини

Дописувачі та атрибуції

• Template:ContribOpenStaxConcepts