Основно съдържание

Курс: Биологична библиотека > Раздел 28

Урок 6: Въведение в екосистеми

Енергиен поток и първична производителност

Научи за първичната производителност, (не)ефикасността на енергийния трансфер между трофичните нива и как да разчиташ екологични пирамиди.

Ключови точки:

Първичните продуценти (обикновено растения и други фотосинтезиращи) въвеждат енергията в хранителните мрежи.
Производителност е скоростта, с която енергия се добавя към телата на група организми (първични продуценти) под формата на биомаса.
Брутната производителност е общата скорост на улавяне на енергия. Нетната производителност е по-ниска, включваща само енергията, използвана от организми при дишане/метаболизъм.
Енергийният трансфер между трофичните нива е неефективен. Само $\sim 10 %$ ‍ от нетната производителност на едно ниво завършва като нетна производителност на следващото ниво.
Екологичните пирамиди са визуални представяния на енергийния поток, натрупването на биомаса и броя на индивидите в различните трофични нива.

Въведение

Някога било ли ти е чудно какво би се случило, ако всички растения на Земята изчезнат (заедно с другите фотосинтезиращи организми като водораслите и бактериите)?

Е, нашата красива планета определено би изглеждала безплодна и тъжна. Ние също бихме загубили нашия основен източник на кислород (това важно нещо, което дишаме и на което разчитаме за метаболизма си). Въглеродният диоксид вече няма да бъде почистван от въздуха, и тъй като той улавя топлина, Земята може да се затопли бързо. И, може би най-проблематично, почти всяко живо същество на Земята в крайна сметка ще остане без храна и ще умре.

Защо това е така? В почти всички екосистеми фотосинтезиращите организми са единствения "портал" за енергия, която да тече в хранителни мрежи (мрежи от организми, които изяждат един друг). Ако фотосинтезиращите организми се премахнат, потокът на енергия ще бъде отрязан и другите организми ще останат без храна. По този начин фотосинтезиращите организми поставят основата на всяка получаваща светлина екосистема.

Продуцентите са енергийният портал

Растения, водорасли и фотосинтезиращи бактерии действат като продуценти. Продуцентите са автотрофни, или "самостоятелно хранещи се" организми, които синтезират свои собствени органични молекули от въглероден диоксид. Фотоавтотрофните организми като растенията използват светлинната енергия, за да изграждат захари от въглероден диоксид. Енергията се съхранява в химическите връзки на молекулите, които се използват като храна и строителен материал от растението.

Енергията, натрупана в органичните молекули, може да бъде прехвърлена на други организми в екосистемата, когато тези организми ядат растения (или ядат други организми, които преди това са яли растения). По този начин всички консументи, или хетеротрофи ("хранещи-се-с други" организми) в екосистемата, включително тревопасни животни, хищници и организми, които предизвикват гниене, разчитат на продуцентите в екосистемата за енергия.

Ако растенията или другите продуценти в една екосистема се премахнат, няма да има никакъв начин енергията да влезе в хранителната мрежа и екологичната общност ще се срути. Причината е, че енергията не се рециклира: вместо това тя се разсейва като топлина, докато преминава през екосистемата, и трябва непрекъснато да се попълва отново.

Тъй като продуцентите поддържат всички други организми в една екосистема, изобилието на продуценти, биомасата (сухо тегло) и скоростта на улавяне на енергия са ключови за разбирането на това как енергията се движи през екосистемата и какви видове и броеве други организми тя може да поддържа.

Първична продуктивност

В екологията продуктивност е скоростта, с която енергията се прибавя към телата на организмите във формата на биомаса. Биомаса е просто количеството материя, която се натрупва в телата на една група от организми. Производителността може да се определи за всяко трофично ниво или друга група, и може да заеме единици на енергия, или биомаса. Има два основни типа на производителност: брутна и нетна.

За да илюстрираме разликата, нека разгледаме първичната производителност (производителността на първичните производители на една екосистема).

Брутна първична производителност, или БПП, е скоростта, с която слънчевата енергия се улавя в захарни молекули по време на фотосинтезата (енергия уловена на единица площ за единица време). Продуценти като растенията използват част от тази енергия за метаболизъм/клетъчно дишане и част от нея за растеж (изграждане на тъкани).
Нетна първична производителност, или НПП, е брутната първична производителност минус разхода на енергия за метаболизъм и поддръжка. С други думи това е скоростта, с която енергията се натрупва като биомаса от растения или други първични продуценти и става достъпна за консументите в екосистемата.

Растенията обикновено улавят и преобразуват около

1, 3

-

1, 6

% от слънчевата енергия, която достига до земната повърхност, и употребяват около една четвърт от уловената енергия за метаболизъм и поддръжка. Така че около

1

% от слънчевата енергия, която достига до земната повърхност (за единица площ и време), завършва като нетна първична производителност.

Нетната първична производителност варира между екосистемите и зависи от много фактори. Тези включват входяща слънчева енергия, нива на температура и влажност, нива на въглероден диоксид, наличие на хранителни вещества и взаимодействия в общността (например паша от тревопасни животни)

^{2}

. Тези фактори влияят на това колко фотосинтезиращи организми присъстват, за да улавят светлинна енергия, и колко ефективно те могат да изпълняват своята роля.

В сухоземните екосистеми първичната производителност варира от около

2

000

{гр/м}^{2} /г

във високопродуктивни тропически гори и солени блата до по-малко от

100

{гр/м}^{2} /г

в някои пустини. Можеш да видиш как нетната първична производителност се променя за по-кратки срокове в динамичната карта по-долу, която показва сезонни и от година до година изменения в нетната първична производителност на сухоземни екосистеми по целия свят.

Как се движи енергията между трофичните нива?

Енергията може да премине от едно трофично ниво към следващото, когато органични молекули от тялото на един организъм се изяждат от друг организъм. Обаче пренасянето на енергия между трофичните нива обикновено не е твърде ефективно.

Колко неефективно? Средно само около

10

% от енергията, натрупана като биомаса в едно трофично ниво (например първични продуценти) успява да се натрупа като биомаса в следващото трофично ниво (например първични консументи). Казано по друг начин, нетната производителност обикновено спада с коефициент десет припреминаване от едно трофично ниво към следващото.

Например в една водна екосистема в Силвър Спрингс, Флорида, нетните производителности (проценти на съхраняване на енергия като биомаса) за трофични нива бяха

^{3}

Първични продуценти, например растения и водорасли: $7618$ ‍ ${ккал/м}^{2} /г$ ‍
Първични консументи, например охлюви и ларви на насекоми: $1103$ ‍ ${ккал/м}^{2} /г$ ‍
Вторични консументи, например риби и големи насекоми: $111$ ‍ ${ккал/м}^{2} /г$ ‍
Третични консументи, например големи риби и змии: $5$ ‍ ${ккал/м}^{2} /г$ ‍

Ефективността на пренасянето варира между различните нива и не е точно

10

%, но можем да видим, че отговаря на условията, като извършим няколко изчисления. Например ефективността на пренасяне между първични продуценти и първични консументи е:

Ефективност на пренасяне =

\frac{1103 {ккал/м}^{2} /г}{7618 {ккал/м}^{2} /г} \cdot 100

Ефективност на пренасяне = 14, 5

Защо енергийният трансфер е неефективен? Има няколко причини. Едната от тях е, че не всички организми на по-ниско трофично ниво се изяждат от тези на по-високо трофично ниво. Друга от тях е, че някои молекули в телата на организмите, които наистина се изяждат, не са лесно усвоими от хищниците и се губят в изпражненията на хищниците. Мъртвите организми и изпражненията стават вечеря за организмите, които предизвикват гниене. И накрая, някои от богатите на енергия молекули, които наистина се усвояват от хищниците, се използват за клетъчно дишане (вместо да се натрупват като биомаса)

^{4, 5}

Искаш ли да видиш някои конкретни стойности зад тези понятия? Щракни върху изскачащия прозорец, за да видиш точно къде отива енергията, докато се движи през екосистемата на Силвър Спрингс:

Нека да разгледаме по-отблизо къде отива енергията, докато се движи из екосистемата на Силвър Спрингс. Енергийният поток е представен в диаграмата по-долу.

Например най-горната кутия показва, че първичните производители улавят

20

810

{ккал/м}^{2} /г

слънчева енергия (брутна първична производителност), но използват повечето от нея (

13

187

{ккал/м}^{2} /г

) за клетъчно дишане и поддръжка на тялото – енергия, която се разсейва като топлина. Нетната първична производителност е процент от първичната производителност, след като се отчете клетъчното дишане:

7618

{ккал/м}^{2} /г

7618

{kcal/m}^{2} /година

е енергията, уловена в телата на растенията, налична за изяждане от първичните консументи. Но повечето от тази енергия не бива приета от телата на първичните консументи –

4250

{kcal/m}^{2} /година

преминава към редуцентите или като мъртва растетилна материя, или като фекалии на първичните консументи (тревопасни). Оставащите

3368

{kcal/m}^{2} /година

биват приети и използвани от първичните консументи (брутна продуктивност), но само

1103

{kcal/m}^{2} /година

биват съхранени като биомаса (нетна продуктивност), а

2265

{kcal/m}^{2} /година

биват разсеяни като топлина при дишане.

Можем да видим този модел да се повтаря, докато се движим надолу през диаграмата на потока на енергия (към прогресивно по-високи трофични нива). По-голямата част от нетната продуктивност на всяко ниво се изгубва за сметка на редуцентите, а по-голямата част от брутната продуктивност на всяко ниво отива за клетъчно дишане и поддръжка, не за нетна продуктивност. В края цялата енергия, уловена чрез фотосинтеза, бива разсеяна като топлина.

Екологични пирамиди

Можем да погледнем числата и да направим изчисления, за да видим как енергията тече през една екосистема. Но няма ли да е хубаво да има една диаграма, която показва тази информация по лесен за разбиране начин?

Екологичните пирамиди предоставят интуитивна, визуална илюстрация на сравнението на трофичните нива в една екосистема по интересна за нас характеристика (като енергиен поток, биомаса или брой организми). Нека да разгледаме тези три вида пирамиди и да видим как те отразяват структурата и функцията на екосистемите.

Енергийни пирамиди

Енергийните пирамиди представят енергийния поток през трофичните нива. Например пирамидата по-долу показва брутната производителност за всяко трофично ниво в екосистемата на Силвър Спрингс. Една енергийна пирамида обикновено показва проценти на енергийния поток през трофичните нива, а не абсолютни количества на натрупана енергия. В нея може да се използват единици за енергия като

{ккал/м}^{2} /г

или единици за биомаса като

{г/м}^{2} /г

Енергийните пирамиди са винаги в изправено положение, тоест по-тесни на всяко следващо ниво (освен когато организми влизат в екосистемата от другаде). Тази тенденция отразява законите на термодинамиката, които ни казват, че не може да бъде създадена нова енергия, и че част от енергията трябва да се преобразува в неполезна форма (топлина) при всеки трансфер.

Това е добър въпрос! Топлината не е безполезна за ендотермични животни като хората, които генерират метаболитна топлина, за да поддържат стабилна вътрешна температура на тялото.

Обаче в термодинамичен смисъл топлината е "неполезна", защото тя представлява енергия, която не може да бъде напълно превърната в други, изпълняващи работа видове енергия. В повечето биологични контексти тя не се използва за извършване на работа изобщо и просто изчезва, за да увеличи ентропията (безпорядъка) на околностите.

Можеш да научиш повече от урока закони на термодинамиката.

Пирамиди за биомаса

Друг начин за визуализиране на структурата на екосистемата е с пирамиди за биомаса. Тези пирамиди представят количеството енергия, която се натрупва в жива тъкан на различните трофични нива. (За разлика от енергийните пирамиди, пирамидите за биомаса показват колко биомаса присъства в едно ниво, а не скоростта, с която се добавя.)

По-долу вляво можем да видим пирамида на биомасата за екосистемата на Силвър Спрингс. Тази пирамида, както много пирамиди на биомаса, е изправена. Обаче пирамидата на биомаса, показана вдясно – от морската екосистема в Ламанша – е с главата надолу (обърната).

Обърнатата пирамида е възможна поради високата скорост на промяна на фитопланктона. Те бързо биват изяждани от първичните консументи (зоопланктон), така че тяхната биомаса във всяка точка от времето е малка. Обаче те се възпроизвеждат толкова бързо, че въпреки тяхната ниска биомаса, в стабилно състояние те имат висока първична производителност, която може да поддържа голям брой зоопланктон.

Пирамиди за численост

Пирамидите за численост показват колко индивидуални организма има във всяко трофично ниво. Те може да бъдат изправени, обърнати или неправилни в зависимост от екосистемата.

Както е показано във фигурата по-долу, едно типично пасище през лятото притежава база от многобройни растения, и броят на организмите намалява при по-високи трофични нива. За разлика от това в гора в умерен климат през лятото основата на пирамидата се състои от няколко растения (предимно дървета), които са значително превъзхождани числено от първичните консументи (предимно насекоми). Тъй като отделните дървета са големи, те може да поддържат другите трофични нива въпреки малката си численост.

Всеки вид пирамида предоставя малко по-различна информация за дадена екосистема и за това как енергията се натрупва в нея и се движи из трофичните нива на тази екосистема. Няма една "най-добра пирамида" и това коя пирамида е най-подходяща зависи от вида на въпроса, който си задаваме за екосистемата.

Резюме

Първичните продуценти, които обикновено са растения и други фотосинтезиращи организми, са порталът, през който енергията влиза в хранителните мрежи.

Производителността е скоростта, с която се добавя енергия към телата на група от организми като първичните продуценти, под формата на биомаса. Брутната производителност е общата скорост на улавяне на енергия. Нетната производителност е по-малка от нея: тя е брутната производителност, от която е извадена енергията, която се използва от организмите за дишане/метаболизъм, така че тя отразява количеството енергия, натрупана като биомаса.

Трансферът на енергия между трофичните нива не е много ефективен. Само

\sim 10 %

от нетната производителност на едно ниво завършва като нетна производителност на следващото ниво. Екологичните пирамиди са визуални представяния на енергийния поток, натрупването на биомаса и броя на индивидите в различните трофични нива.

Източници

Тази статия е производна модификация на следните статии:

"Energy flow," by Robert Bear, David Rintoul, Bruce Snyder, Martha Smith-Caldas, Christopher Herren, and Eva Horne, CC BY 4.0. Изтегли оригиналната статия безплатно на http://cnx.org/contents/db89c8f8-a27c-4685-ad2a-19d11a2a7e2e@24.18.
"Energy flow through ecosystems," by OpenStax College, Concepts of Biology, CC BY 4.0. Изтегли оригиналната статия безплатно на http://cnx.org/contents/b3c1e1d2-839c-42b0-a314-e119a8aafbdd@9.10.
"Energy flow through ecosystems," by OpenStax College, Biology, CC BY 4.0. Изтегли оригиналната статия безплатно на http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@10.53.

Изменената статия е лицензирана под разрешително CC BY-NC-SA 4.0.

Цитирани трудове

Jan A. Nilsson, "Energy Flow Through Ecosystems," General Biology Hub, accessed June 11, 2016, http://www.desertbruchid.net/4_GB2_LearnRes_fa11_f/4_GB2_LearnRes_Web_10Ecol.html.
Valiela, Ivan. "Factors Affecting Primary Production." In Marine Ecological Processes, 36-83. New York: Springer, 1995. http://dx.doi.org/10.1007/978-1-4757-4125-4_2.
Howard T. Odum, "Trophic Structure and Productivity of Silver Springs, Florida," Ecological Monographs 27, no. 1 (1957): 106-107, https://www.jstor.org/stable/1948571?seq=1#page_scan_tab_contents.
F. Stuart Chapin III, Pamela A. Matson, and Harold A. Mooney, "Trophic Dynamics," in Principles of Terrestrial Ecosystem Ecology (New York: Springer-Verlag, 2002), 250-251.
Peter H. Raven, George B. Johnson, Kenneth A. Mason, Jonathan B. Losos, and Susan R. Singer, "The Flow of Energy in Ecosystems," in Biology, 10th ed., AP ed. (New York: McGraw-Hill, 2014), 1216.

Препратки

Abedon, Stephen T. "Trophic Efficiency." Biology As Poetry. Accessed June 14, 2016. http://www.biologyaspoetry.com/terms/trophic_efficiency.html.

Benke, Arthur C. "Secondary Production." Nature Education Knowledge 3, no. 10 (2010): 23. http://www.nature.com/scitable/knowledge/library/secondary-production-13234142.

"Biomass (Ecology)." Wikipedia. Last modified July 9, 2016. https://en.wikipedia.org/wiki/Biomass_%28ecology%29.

Campbell, Neil A., Jane B. Reece, Lisa A. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, and Robert B. Jackson. "Ecosystems." In Campbell Biology, 8th ed., 1222-1244. San Francisco: Benjamin Cummings, 2008.

Campbell, Neil A., Jane B. Reece, Lisa A. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, and Robert B. Jackson. "Trophic Structure." In Biology, 8th ed., 1205-1207. San Francisco: Benjamin Cummings, 2008.

Chapin, F. Stuart III, Pamela A. Matson, and Harold A. Mooney. "Trophic Dynamics." In Principles of Terrestrial Ecosystem Ecology, 244-264. New York: Springer-Verlag, 2002.

"Ecological Efficiency." Wikipedia. Last modified February 7, 2016. https://en.wikipedia.org/wiki/Ecological_efficiency.

"Ecological Pyramid." Wikipedia. Last modified June 8, 2016. https://en.wikipedia.org/wiki/Ecological_pyramid.

Fester Kratz, Rene and Donna Rae Siegfried. "Moving Energy and Matter Around Within Ecosystems." In Biology for Dummies, 2nd ed., 173-182. Hoboken: John Wiley & Sons, 2010.

"Food Chains." BBC Bitesize GCSE. Accessed June 14, 2016. http://www.bbc.co.uk/education/guides/z2m39j6/revision/6.

"Food Web." Wikipedia. Last modified June 7, 2016. https://en.wikipedia.org/wiki/Food_web.

Kimball, John W. "Ecosystem Productivity." Kimball's Biology Pages. Last modified February 25, 2011. http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/N/NetProductivity.html.

Kimball, John W. "Food Chains." Kimball's Biology Pages. Last modified February 2, 2011. http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/F/FoodChains.html.

Miller, G. Tyler and Scott E. Spoolman. "What Happens to Energy in an Ecosystem?" In Essentials of Ecology, 5th ed., 61-65. Belmont: Cengage Learning, 2009.

Nilsson, Jan A. "Energy Flow Through Ecosystems." General Biology Hub. Accessed June 11, 2016. http://www.desertbruchid.net/4_GB2_LearnRes_fa11_f/4_GB2_LearnRes_Web_10Ecol.html.

Odum, Howard T. "Trophic Structure and Productivity of Silver Springs, Florida." Ecological Monographs 27, no. 1 (1957): 55-112. https://www.jstor.org/stable/1948571?seq=1#page_scan_tab_contents.

"Primary and Secondary Productivity." Mr. G's Environmental Systems. Last modified December 15, 2009. http://sciencebitz.com/?page_id=204.

"Primary Producers." Wikipedia. Last modified March 5, 2016. https://en.wikipedia.org/wiki/Primary_producers.

Purves, William K., David Sadava, Gordon H. Orians, and H. Craig Heller. "Food Web Structure Is Influenced by Productivity." In Life: The Science of Biology, 7th ed., 1060-1061. Sunderland, MA: Sinauer Associates, 2003.

Raven, Peter H., George B. Johnson, Kenneth A. Mason, Jonathan B. Losos, and Susan R. Singer. "The Flow of Energy in Ecosystems." In Biology, 10th ed., AP ed., 1214-1215. New York: McGraw-Hill, 2014.

Ritchison, Gary. "Conservation of Wildlife Resources: Lecture Notes 2." BIO 317. Accessed June 14, 2016. http://people.eku.edu/ritchisong/317notes2.html.

Russell, Peter J., Paul E. Hertz, and Beverly McMillan. "Ecosystems." In Biology: The Dynamic Science, 3rd ed., 1229-1253. Belmont: Brooks/Cole, 2014.

"Soil Food Web." Wikipedia. Last modified June 5, 2016. https://en.wikipedia.org/wiki/Soil_food_web.

Starr, Cecie and Ralph Taggart. "Studying Energy Flow Through Ecosystems." In Biology: The Unity and Diversity of Life, 11th ed., 850-851. Belmont: Thomson/Brooks-Cole, 2006.

Starr, Cecie and Ralph Taggart. "The Nature of Ecosystems." In Biology: The Unity and Diversity of Life, 11th ed., 844-845. Belmont: Thomson/Brooks-Cole, 2006.

Starr, Cecie and Ralph Taggart. "The Nature of Food Webs." In Biology: The Unity and Diversity of Life, 11th ed., 850-851. Belmont: Thomson/Brooks-Cole, 2006.

The Editors of Encyclopedia Britannica. "Ecosystem." Encyclopedia Britannica. Last modified September 4, 2016. http://www.britannica.com/science/ecosystem#ref261241.

"Trophic Level." Wikipedia. Last modified June 6, 2016. https://en.wikipedia.org/wiki/Trophic_level.

Valiela, Ivan. "Factors Affecting Primary Production." In Marine Ecological Processes, 36-83. New York: Springer, 1995. http://dx.doi.org/10.1007/978-1-4757-4125-4_2.

Wilkin, Douglas and Jean Brainerd. "Food Chains and Food Webs." CK-12 Biology Advanced Concepts. Last modified June 7, 2016. http://www.ck12.org/book/CK-12-Biology-Advanced-Concepts/section/18.7/.

Wilkin, Douglas and Jean Brainard. "Trophic Levels." CK-12 Foundation. Last modified June 14, 2016. http://www.ck12.org/biology/Trophic-Levels/lesson/Trophic-Levels-BIO/.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.