Поток на енергия и материя през звената на екосистемите

Да разгледаме кръговрата на енергията и материята в екосистемата. Докато гледаш това видео, помисли върху тези две идеи. Дори след като го изгледаш, обърни внимание на екосистемите около теб, особено на тези, от които си част, и помисли как се осъществява кръговрат на енергийните потоци и материята. Нека първо да помислим за енергията. За повечето екосистеми тя идва първоначално от Слънцето. Има и други източници на енергия, може би се сещаш за лунната светлина, но най-голямата част идва от Слънцето. Също има и геотермална енергия, но Слънцето е източникът на най-много енергия за почти всички екосистеми, за които се сещаме. Как екоситемата се възползва от тази енергия? Как я получава, как я съхранява в екосистемата, особено като биомаса? На първа линия са първичните производители-продуценти, които обикновено са растения. Може също да са и бактерии, които фотосинтезират, или такива, които са способни да поемат тази енергия и да създават биомолекули, които да съхраняват енергията чрез тях. Така че това са първичните продуценти – растенията на диаграмата. Понякога може да чуеш да ги наричат автотрофни организми. Те получават собствената си храна от Слънцето, от неговата енергия. Но отново – как се съхранява тази енергия? Запазва се в тези биологични молекули. Ако увеличиш молекулите на това растения – това е изключително опростено – ще видиш всички връзки между въглеродните атоми. А за да се създадат тези връзки, е необходима енергия, и когато тези връзки се разкъсат, отново се отделя енергия. Може би ще се запиташ откъде е дошъл този въглерод, който е в дървото? Той идва от въздуха. Нашият въздух съдържа въглероден диоксид в себе си. Той има въглероден диоксид, така че това са въглеродите. Може би трябва да нарисувам кислород. Имаме два кислородни атома за всеки въглероден атом. А целият процес на фотосинтезата е изцяло свързан с преобразуването на този въглерод. Нека го запиша. Преобразуваме въглерода от газообразна форма – когато е част от въглеродния диоксид – в структура на растението – в биологични молекули на растението. По този начин се съхранява енергията. Това обаче не е най-ефективният процес. Не може да бъде съхранена цялата енергия от Слънцето. Част от нея се отразява. Дори докато самото растение живее, възпроизвежда се, клетките му се делят – то използва част от тази енергия. Понякога, евентуално, тази енергия се освобождава като топлина. Ще забелязваш често тази тенденция в термодинамичните системи, където има преминаване от даден вид енергия... когато използваш енергия, за да извършиш някаква работа, по време на процеса може да се отдели топлина. Но това е само началото на кръговрата на енергията. Сега нека помислим как тази енергия преминава към другите участници в екосистемата. Следващата фаза – това тук е много опростена диаграма или екосистема, която разглеждаме. Повечето екосистеми са далеч, далеч по-сложни. Сега да помислим за организмите, които биха изяли растенията, тези, които изяждат основните продуценти, тези обитатели, изяждащи основните продуценти, ги наричаме първични консументи. Така че това зайче или тази катеричка отдясно – те са първични консументи (консументи I ред). Те се хранят с първичните продуценти. А защо го правят? Защо зайчето яде трева? Защото получава енергия от тези връзки в биологичните молекули, от тези връзки между въглеродните атоми и други връзки. И то използва тази енергия, за да расте, да се възпроизвежда, да живее, да бяга, но то също така съхранява част от тази енергия в собствената си биомаса. Но отново, този процес не е много ефективен. При преминаването от едно ниво на хранителната верига към следващото се предава само около 10% от енергията. 10% от енергията преминава или се съхранява на следващото ниво. Защо само 10%? Тъй като не всички растения биват изядени. В целия процес на изяждане на растения, разграждането им, част от енергията се изхвърля, губи се, тъй като консументът I ред или просто консументът не е способен да поеме цялата енергия от биологичните молекули. Като цяло – това е неефективен процес. Все още не сме приключили. Имаме още съхранена енергия в биологичните молекули на консумента I ред, от която някой може да се интересува. Знаем, че в много екосистеми има хищници, които се хранят със зайци и дори с катерички. На тази схема това е лисицата. Тъй като тази лисица се храни с консументи I ред, ще я наречем консумент II ред. Консумент II ред. Можем да продължим по този начин, ако има някой участник извън схемата, да кажем някой човек, който се храни с лисици. Това е нож в ръката му, който използва за да преследва лисиците. И лисицата може да отиде при него. Но защо той ще я изяде? Той иска енергията ѝ, но всъщност не става въпрос за молекулите. След малко ще говорим за кръговрата на материята. Той иска енергията и материята на лисицата, за да расте и живее. Този участник се нарича консумент III ред. Консумент III ред. И ако няма кой да го изяде него, тогава той се смята за краен консумент или върховен хищник. Участниците, които изяждат другите животни, вече ги споменахме, се наричат месоядни животни. Да кажем, че той е крайният консумент. Ние наистина мислим за върха в хранителната верига Затова се нарича краен консумент или върховен хищник. Но все още не сме приключили, тъй като в даден момент всички участници, без значение дали говорим за дървета, зайчета, лисици – този участник, който яде лисици, всеки от тях ще умре. И тази енергия няма просто да изчезне. Като цяло, ще видиш, че енергията се запазва и се прехвърля от едно място на друго. След това тази енергия ще се използва от тези участници тук долу, които наричаме редуценти. Те могат да поемат цялата останала енергия в труповете или дори от изпражненията и я използват отново, за да живеят и да се възпроизвеждат. И чрез разграждането ѝ те могат да освободят много хранителни вещества и материя, която използват. Материята се рециклира, за да се използва отново от растенията. Така се създава този наистина добър кръговрат. Важно е да се осъзнае, че енергията идва от светлината и тази енергия преминава, както показахме, през различните нива на хранителната верига. Това не е напълно ефективен процес и много от тази енергия, особено тази, която живите организми използват за живот, възпроизвеждане и движение, се освобождава като топлина. Фокусирахме се доста върху енергията. Сега нека помислим малко за материята. Вече го споменах, но съществува и кръговрат на материята. Няма, поне по начина, по който го представяме, нова материя, която да влиза или да напуска тези екосистеми, или да бъде магически създадена, или магически разрушена. Както споменах, когато се вгледаме в листото на растящо растение или дърво, или в растящите тревички, материята няма да дойде отникъде, тя просто преминава в друга форма, или може би най-добрия начин да го представя е, че тя винаги е била под формата на въглероден диоксид. Растението използва енергията от Слънцето, за да преработи въглерода от газообразната форма в твърда форма. И това му позволява да използва тази енергия, за да създаде връзки между въглеродните атоми в тези биологични молекули, които всъщност съхраняват енергията. Растението я използва, за да расте, и както споменахме, тези, които ядат растенията, или другите, които изяждат хранещите се с растения, използват тази енергия. Както казахме, въглеродният диоксид влиза в растенията. Май тази стрелка малко заблуждава, ще я изтрия засега. Освобождава се кислород – О2. Този кислород, който виждаш като част от процеса на фотосинтезата, се използва от животните при обмяната на тези биологични молекули. Това сме го учили по биология относно дишането. Самата материя, както казах, това е въглеродът. Когато бъде изяден, той става част от биомолекулите на зайчето и когато то използва всяка от тези молекули като източник на енергия, то може да разкъса тези връзки в процеса на дишане. След това въглеродът се освобождава под формата на въглероден диоксид – може би това е по-добър начин. Всъщност съм го начертал тук. Важното е да разбереш, че енергията се движи – идва от слънчевата светлина, това става бавно, всички тези действия продължават, освен това се освобождава топлина на почти всяка стъпка, но самата материя е винаги там. Всичките атоми в нашето тяло, на Земята, те постоянно се използват отново. Всъщност те са получени в звездите преди много милиони години, а ние просто продължаваме да ги използваме отново и отново. Преминават от една форма в друга, дори когато участниците умрат, редуцентите ги разлагат до прости неорганични молекули. Както вече споменахме, тези молекули могат да се използват после от растенията в съчетание с въглерода от въздуха, светлината от Слънцето и водата, която растението получава чрез корените си, за да започне този процес отново от самото начало.