3.1: Потік енергії через екосистеми
- Page ID
- 3061
Екосистема - це спільнота організмів та їх абіотичного (неживого) середовища. Екосистеми можуть бути невеликими, наприклад, припливні басейни, знайдені біля скелястих берегів багатьох океанів, або великими, такими як ті, що зустрічаються в тропічних лісах Амазонки в Бразилії (рис.\(\PageIndex{1}\)).
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.
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. Неглибокі океанічні екосистеми включають надзвичайно біорізноманітні екосистеми коралових риф Невеликі фотосинтезуючі організми, підвішені в океанічних водах, в сукупності відомі як фітопланктон, виконують 40 відсотків всього фотосинтезу на Землі. Глибоководні екосистеми океану містять найрізноманітніші морські організми. Ці екосистеми настільки глибокі, що світло не в змозі до них дістатися.
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 інше рослинне життя в пустелі Соноран, в США, відносно різноманітні в порівнянні з пустельною скелястою пустелею Боа-Віста, островом біля узбережжя Західної Африки (рис.\(\PageIndex{2}\)).
Харчові ланцюги та харчові мережі
Харчовий ланцюг - це лінійна послідовність організмів, через які проходять поживні речовини та енергія, коли один організм їсть інший. Рівні в харчовому ланцюзі - це виробники, первинні споживачі, споживачі вищого рівня і, нарешті, розкладачі. 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, які називаються первинними споживачами. Вторинними споживачами, як правило, є м'ясоїдні тварини, які їдять основних споживачів. Третинні споживачі - це м'ясоїдні тварини, які їдять інших м'ясоїдних тварин. Споживачі вищого рівня харчуються наступними нижчими трофічними рівнями і так далі, аж до організмів у верхній частині харчового ланцюга. У харчовому ланцюзі озера Онтаріо, показаному на малюнку\(\PageIndex{3}\), 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\(\PageIndex{4}\) 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 більш високих трофічних рівнях.
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 на більш ніж одному трофічному рівні. Крім того, види харчуються і вживаються в їжу не одним видом. Іншими словами, лінійна модель екосистем, харчовий ланцюг, є гіпотетичним і 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 (рисунок\(\PageIndex{5}\) 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.
Як організми набувають енергії в харчовій павутині
Все живе вимагає енергії в тій чи іншій формі. На клітинному рівні енергія використовується в більшості метаболічних шляхів (як правило, у вигляді АТФ), особливо відповідальних за побудову великих молекул з менших сполук. Живі організми не змогли б зібрати складні органічні молекули (білки, ліпіди, нуклеїнові кислоти та вуглеводи) 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 екосистем, оскільки вони займають трофічний рівень, що містить виробників. Без цих організмів енергія була б недоступна іншим живим організмам, і життя було б неможливим.
Фотоавтотрофи, такі як рослини, водорості та фотосинтезуючі бактерії, є джерелом енергії для більшості екосистем світу. Фотоавтотрофи використовують сонячну енергію Сонця, перетворюючи її в хімічну енергію. 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 обміну речовин і тепловтрат цих організмів. Потім чиста продуктивність доступна первинним споживачам на наступному трофічному рівні.
Малюнок\(\PageIndex{6}\). Плаваючі креветки, кілька присідань омарів і сотні вентиляційних мідій видно на гідротермальному вентиляційному отворі на дні океану. Оскільки сонячне світло не проникає на цю глибину, екосистема підтримується хемоавтотрофними бактеріями та органічним матеріалом, який тоне з поверхні океану. Цей знімок був зроблений у 2006 році на зануреному вулкані NW Ейфуку біля узбережжя Японії Національною адміністрацією з питань океанічних та атмосферних впливів (NOAA). Вершина цього високоактивного вулкана лежить на 1535 м нижче поверхні.
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 (рис.\(\PageIndex{6}\)). 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.
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 є ліпідно-розчинними 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. ДДТ та інші токсини приймаються виробниками і передаються послідовним рівням споживачів зі все більш високими темпами. Оскільки лисі орли харчуються зараженою рибою, їх рівень ДДТ підвищується. Було виявлено, що ДДТ призвів до того, що яєчна шкаралупа птахів стала крихкою, що сприяло тому, що білоголовий орлан був внесений до списку зникаючих видів згідно із законодавством США. Використання ДДТ було заборонено в Сполучених Штатах в 1970-х роках.
Іншими речовинами, які біомагніфікує, є поліхлорбіфеніл (PCB), який використовувався як охолоджуючі рідини в США, поки його використання не було заборонено в 1979 році. PCB найкраще вивчався у водних екосистемах, де хижі види риб накопичили дуже високі концентрації токсину, який в іншому випадку існує при низьких концентраціях у навколишньому середовищі. Як показано в дослідженні, проведеному NOAA в Сагіно-Бей озера Гурон Північноамериканських Великих озер (рис.\(\PageIndex{7}\) 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, дослідження виявили, що птахи, які їдять ці риби, можуть мати рівні друкованих плат, які принаймні в десять разів 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.
Пропоноване додаткове читання
Каналес, М. та співавт. 2018. 6 речей, які роблять можливим подібне на Землі [Інфографіка]. Національний географічний. Березень.
Дописувачі та атрибуція
- Потік енергії через екосистеми від OpenStax ліцензується відповідно до CC BY 3.0. Модифікований з оригіналу Метью Р. Фішер.