Основно съдържание

Биология за гимназиален етап

Курс: Биология за гимназиален етап > Раздел 9

Урок 5: Трофични нива

Поток на енергия и първична продуктивност

Основни идеи

Първичните продуценти – обикновено растения и други фотосинтезиращи организми – са вратата за енергията да навлезе в хранителните мрежи.
Продуктивност е скоростта, с която енергия бива добавена към телата на група организми – като първичните 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 трофични нива е неефективен. Само 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 чудели ли сте се какво би се случило ако всички растения на Земята изчезнат (заедно с други фотосинтезиращи като водорасли и бактерии?

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 метаболизъм). 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

Растенията, водораслите и фотосинтезиращите бактерии действат като продуценти. Продуцентите са автотрофи, или самохранещи се организми, които изграждат собствени молекули от въглероден диоксид. Фотоавтотрофи, като растенията, използват светлинна енергия, за да изградят захари от въглероден диоксид. Енергията бива съхранена в химичните връзки на молекулите, които биват използвани като гориво и градивни материали от растението.

Енергията, съхранена в органични молекули, може да бъде предадена на други организми в екосистемата, когато тези организми изядат растенията или други организми, които преди това са изяли растения. По този начин всички консументи – или хетеротрофи, организми, хранещи се от други – на една екосистема разчитат на продуцентите на екосистемата за енергия. Консументите включват тревопасни, месоядни и редуценти.

Ако растенията или други продуценти на една екосистема бъдат премахнати, няма да има начин енергията да навлезе в хранителната мрежа и екологичната общност ще колабира. Това е понеже енергията не бива рециклирана. Вместо това тя се разсейва като топлина, докато преминава през екосистемата, и трябва да бъде непрекъснато възстановявана.

Понеже продуцентите подкрепят всички други организми в една екосистема, изобилието на продуцентите, биомасата – или сухото тегло – и скоростта на улавяне на енергия са ключови за разбиране как енергията се движи през една екосистема и какви видове и брой други организми може да поддържа тази екосистема.

Първична продуктивност

В екологията продуктивност е скоростта, с която енергия бива добавена към телата на организмите под формата на биомаса. Биомаса е просто количеството материя, което бива съхранено в телата на група организми. Продуктивността може да бъде определена за всяко трофично ниво или друга група и може да приеме единици енергия или биомаса. Има два основни вида продуктивност: брутна и нетна.

За да илюстрираме разликата, нека помислим за първичната продуктивност – продуктивността на първичните продуценти на една екосистема.

Брутна първична продуктивност, или БПП, е скоростта, с която слънчева енергия бива уволева от захарни молекули по време на фотосинтеза – енергия, уловена на единица площ за единица време. Продуцентите, като растенията, използват част от тази енергия за метаболизъм/клетъчно дишане и част 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% до 1,6% от слънчевата енергия, която достига до земната повърхност и използват около четвърт от уловената енегия за метаболизъм и поддържане. Така че около 1% от слънчевата енергия, която достига повърхността на Земята – на единица площ за единица време – се оказва нетна първична продуктивност.

Нетната първична продуктивност варира между екосистемите и зависи от множество фактори, включително вложение на слънчева енергия, температура и нива на влажността, нива на въглеродния диоксид, наличие на хранителни вещества и общностни взаимодействия – например, опасване от тревопасните.

^{2}

Тези фактори могат да повлияят на това колко фотосинтезиращи организми са налични, за да уловят светлинна енергия и колко ефикасно те могат да извършат ролята си.

В сухоземните екосистеми първичната продуктивност варира от около 2000 g/

^{2}

/год в силно продуктивните тропически гори и солници до по-малко от 100 g/m

^{2}

/год в някои пустини. Можеш да видиш как нетната първична продуктивност се променя на по-къси времеви мащаби в динамичната карта по-долу, която показва сезонни и година-до-година вариации в нетната продуктивност на сухоземни екосистеми по глобуса.

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 неефикасно? Средно, само около 10% от енергията, съхранена като биомаса в едно трофично ниво – т.е. първични продуценти – бива съхранена като биомаса в следващото трофично ниво – т.е. първични консументи. Казано по друг начин, нетната продуктивност обикновено спада с коефициент от десет от едно трофично ниво до следващото.

Например, в една водна екосистема в Силвър Спрингс, Флорида, нетните продуктивности – степените на енергийно съхранение като биомаса – за трофичните нива са били, както следва:

^{3}

Първични продуценти, като растения и водорасли: 7618 kcal/m $^{2}$ ‍/год
Първични консументи, като охлюви и ларви на насекоми: 1103 kcal/m $^{2}$ ‍/годи
Вторични консументи, като риби и големи насекоми: 111 kcal/m $^{2}$ ‍/год
Третични консументи, като големи риби и змии: 5 kcal/m $^{2}$ ‍/годи

Трансферната ефикасност варира между нивата и не е точно 10%, но можем да видим, че е близо, като направим някои изчисления. Например ефикасността на трансфера между първичните продуценти и първичните консументи е изчислена по-долу:

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 неефикасен? Има няколко причини. Една е че не всички организми на по-долно трофично ниво биват изядени от тези на по-високо трофично ниво. Друга е че някои молекули в телата на организмите, които биват изядени, не са смилаеми от хищниците и биват изгубени във фекалиите (акото) на хищниците. Мъртвите организми и фекалиите стават вечеря за редуцентите. Накрая, от енергийно-носещите молекули, които биват абсорбирани от хищниците, някои биват използвани в клетъчното дишане, вместо да бъдат съхранени като биомаса.

^{4, 5}

Искаш да поставиш конкретни нива зад тези концепции?

[Разгледай тази пълна диаграма на енергийния поток на Силвър Спрингс.]

Екологични пирамиди

Можем да разгледаме числата и да направим изчисленията, за да видим как енергията протича през една екосистема. Но няма ли да е хубаво да имаме диаграма, която улавя тази информация в лесен за разбиране начин?

Екологичните пирамиди предоставят логична, визуална картина на как трофичните нива в една екосистема се сравняват по интересуваща ни характеристика, като енергиен поток, биомаса или брой организми. Нека разгледаме 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 изправени, тоест, по-тесни с всяко последващо ниво – освен ако организми не навлизат в екосистемата от другаде. Този модел отразява законите на термодинамиката, които ни казват, че нова енергия не може да бъде създадена и че част от енергията трябва да бъде преобразувана в неизползваема форма – топлина – при всеки трансфер.

[Защо топлината не е полезна? Тя не ни ли топли?]

Пирамиди за биомаса

Друг начин да визуализираме структурата на екосистемата е с пирамиди на биомасата. Тези пирамиди представят количеството енергия, което е съхранено в жива тъкан при различните трофични нива. За разлика от енергийните пирамиди, пирамидите на биомасата показват колко биомаса е налична на едно ниво, не скоростта, с която бива добавяна.

По-долу вляво можем да видим пирамида на биомасата за екосистемата на Силвър Спрингс. Тази пирамида, като много пирамиди на биомасата, е изправена. Но пирамидата на биомасата, показана вдясно – от морска система в Ламанша – е обърната надолу.

Обърната пирамида е възможна поради високата скорост на обновяване на фитопланктона. Те биват бързо изядени от първичните консументи – зоопланктона – така че биомасата им във всеки момент във времето е малка. Но те се възпроизвеждат толкова бързо, че въпреки ниската им биомаса в стабилно състояние, те имат висока първична продуктивност, която може да подкрепя 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, типична степ по време наа лятото има за основа множество растения и броят на организмите намалява при по-високите трофични нива. Но през лятото в умерена гора основата на пирамидата вместо това се състои от няколко растения, предимно дървета, които са силно превъзхождани от първични консументи, предимно насекоми. Понеже индивидуалните растения са големи, те могат да подкрепят другите трофични нива, въпреки малкия си брой.

[Кой вид пирамида е най-добър?]

Резюме

Първичните продуценти, които обикновено са растения и други фотосинтезиращи организми, са входната врата, през която енергията навлиза в хранителните мрежи.

Продуктивност е скоростта, с която енергия бива добавена към телата на група организми, като първичните продуценти, под формата на биомаса. Брутната продуктивност е цялостната степен на улавяне на енергия. Нетната продуктивност е по-ниска. Тя е брутната продуктивност, настроена за енергията, използвана от организма в дишане/метаболизъм, така че отразява количеството енергия, съхранено като биомаса.

Енергийният трансфер между трофичните нива не е много ефикасен. Само около 10% от нетната продуктивност на едно ниво става нетна продуктивност на следващото ниво.

Екологичните пирамиди са визуални представяния на енергийния поток, натрупването на биомасата и броя индивиди на различните трофични нива.

[Източници и препратки]

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.