8.3.2: Οικολογία Οικοσυστημάτων

Last updated
Save as PDF

Page ID: 213552

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

Μαθησιακοί Στόχοι

Μέχρι το τέλος αυτής της ενότητας, θα μπορείτε να κάνετε τα εξής:

Περιγράψτε τους βασικούς τύπους οικοσυστημάτων
Εξηγήστε τις μεθόδους που χρησιμοποιούν οι οικολόγοι για να μελετήσουν τη δομή και τη δυναμική του οικοσυστήματος
Προσδιορίστε τις διαφορετικές μεθόδους μοντελοποίησης οικοσυστημάτων
Διαφοροποιήστε μεταξύ τροφικών αλυσίδων και τροφικών ιστών και αναγνωρίστε τη σημασία του καθενός

Η ζωή σε ένα οικοσύστημα αφορά συχνά τον ανταγωνισμό για περιορισμένους πόρους, χαρακτηριστικό της θεωρίας της φυσικής επιλογής. Ο ανταγωνισμός στις κοινότητες (όλα τα έμβια όντα εντός συγκεκριμένων οικοτόπων) παρατηρείται τόσο εντός των ειδών όσο και μεταξύ διαφορετικών ειδών. Οι πόροι για τους οποίους ανταγωνίζονται οι οργανισμοί περιλαμβάνουν οργανικό υλικό, ηλιακό φως και μεταλλικά θρεπτικά συστατικά, τα οποία παρέχουν την ενέργεια για τις ζωντανές διαδικασίες και την ύλη για τη σύνθεση των φυσικών δομών των οργανισμών. Άλλοι κρίσιμοι παράγοντες που επηρεάζουν τη δυναμική της κοινότητας είναι τα συστατικά του φυσικού και γεωγραφικού της περιβάλλοντος: το γεωγραφικό πλάτος ενός οικοτόπου, η ποσότητα βροχοπτώσεων, η τοπογραφία (υψόμετρο) και τα διαθέσιμα είδη. Αυτές είναι όλες σημαντικές περιβαλλοντικές μεταβλητές που καθορίζουν ποιοι οργανισμοί μπορούν να υπάρχουν σε μια συγκεκριμένη περιοχή.

Ένα οικοσύστημα είναι μια κοινότητα ζωντανών οργανισμών και οι αλληλεπιδράσεις τους με το αβιοτικό (μη ζωντανό) περιβάλλον τους. Τα οικοσυστήματα μπορεί να είναι μικρά, όπως οι παλίρροιες που βρίσκονται κοντά στις βραχώδεις ακτές πολλών ωκεανών ή μεγάλες, όπως το τροπικό δάσος του Αμαζονίου στη Βραζιλία (Εικόνα 46.2).

Η αριστερή φωτογραφία δείχνει μια βραχώδη πισίνα παλίρροιας με φύκια και σαλιγκάρια. Η δεξιά φωτογραφία δείχνει το τοπίο του τροπικού δάσους του Αμαζονίου, με φαινομενικά κάθε ίντσα γης να καλύπτεται από φυτά κάποιου είδους.

Εικόνα 46.2 Ένα (α) οικοσύστημα παλιρροιακής πισίνας στο νησί Matinicus στο Maine είναι ένα μικρό οικοσύστημα, ενώ το (β) τροπικό δάσος του Αμαζονίου στη Βραζιλία είναι ένα μεγάλο οικοσύστημα. (πίστωση α: τροποποίηση του έργου από το «takomabibelot» /Flickr · πίστωση β: τροποποίηση του έργου του Ivan Mlinaric)

Υπάρχουν τρεις ευρείες κατηγορίες οικοσυστημάτων με βάση το γενικό τους περιβάλλον: γλυκό νερό, ωκεάνιο νερό και χερσαίο. Σε αυτές τις ευρείες κατηγορίες υπάρχουν μεμονωμένοι τύποι οικοσυστημάτων με βάση τους υπάρχοντες οργανισμούς και τον τύπο του περιβαλλοντικού οικοτόπου.

Τα ωκεάνια οικοσυστήματα είναι τα πιο κοινά, που περιλαμβάνουν πάνω από το 70 τοις εκατό της επιφάνειας της Γης και αποτελούνται από τρεις βασικούς τύπους: ρηχά ωκεάνια, βαθιά ωκεάνια νερά και βαθιές επιφάνειες ωκεανών (οι περιοχές χαμηλού βάθους των βαθιών ωκεανών). Τα ρηχά ωκεάνια οικοσυστήματα περιλαμβάνουν οικοσυστήματα κοραλλιογενών υφάλων εξαιρετικά βιοποικιλότητας και η βαθιά επιφάνεια του ωκεανού είναι γνωστή για τον μεγάλο αριθμό πλαγκτόν και κριλ (μικρά καρκινοειδή) που την υποστηρίζουν. Αυτά τα δύο περιβάλλοντα είναι ιδιαίτερα σημαντικά για τους αερόβιους αναπνευστήρες παγκοσμίως, καθώς το φυτοπλαγκτόν εκτελεί το 40 τοις εκατό όλης της φωτοσύνθεσης στη Γη. Αν και δεν είναι τόσο διαφορετικά όσο τα άλλα δύο, τα οικοσυστήματα βαθέων ωκεανών περιέχουν μια μεγάλη ποικιλία θαλάσσιων οργανισμών. Τέτοια οικοσυστήματα υπάρχουν ακόμη και στον πυθμένα του ωκεανού όπου το φως δεν μπορεί να διεισδύσει μέσα από το νερό.

Τα οικοσυστήματα γλυκού νερού είναι τα πιο σπάνια, εμφανίζονται μόνο στο 1,8% της επιφάνειας της Γης. Λίμνες, ποτάμια, ρυάκια και πηγές αποτελούν αυτά τα συστήματα. Είναι αρκετά διαφορετικά και υποστηρίζουν μια ποικιλία ψαριών, αμφιβίων, ερπετών, εντόμων, φυτοπλαγκτόν, μυκήτων και βακτηρίων.

Τα χερσαία οικοσυστήματα, επίσης γνωστά για την ποικιλομορφία τους, ομαδοποιούνται σε μεγάλες κατηγορίες που ονομάζονται βιομάζα, όπως τροπικά τροπικά δάση, σαβάνες, έρημοι, κωνοφόρα δάση, φυλλοβόλα δάση και τούνδρα. Η ομαδοποίηση αυτών των οικοσυστημάτων σε λίγες μόνο κατηγορίες βιωμάτων αποκρύπτει τη μεγάλη ποικιλία των μεμονωμένων οικοσυστημάτων μέσα σε αυτά. Για παράδειγμα, υπάρχει μεγάλη ποικιλία στη βλάστηση της ερήμου: οι κάκτοι saguaro και άλλα φυτά στην έρημο Sonoran, στις Ηνωμένες Πολιτείες, είναι σχετικά άφθονα σε σύγκριση με την έρημη βραχώδη έρημο του Boa Vista, ένα νησί στα ανοικτά των ακτών της Δυτικής Αφρικής (Εικόνα 46.3).

Η φωτογραφία (α) δείχνει κάκτους saguaro που μοιάζουν με τηλεφωνικούς στύλους με χέρια εκτεταμένα από αυτά. Η φωτογραφία (β) δείχνει μια άγονη πεδιάδα κόκκινου εδάφους γεμάτη με βράχους.

Εικόνα 46.3 Τα οικοσυστήματα της ερήμου, όπως όλα τα οικοσυστήματα, μπορεί να διαφέρουν πολύ. Η έρημος στο (α) Εθνικό Πάρκο Saguaro, Αριζόνα, έχει άφθονη φυτική ζωή, ενώ η βραχώδης έρημος του (β) νησιού Boa Vista, Πράσινο Ακρωτήριο, Αφρική, στερείται φυτικής ζωής. (πίστωση α: τροποποίηση του έργου του Jay Galvin · πίστωση β: τροποποίηση του έργου από τον Ingo Wölbern)

Τα οικοσυστήματα είναι πολύπλοκα με πολλά αλληλεπιδρώντα μέρη. Εκτίθενται συνήθως σε διάφορες διαταραχές ή αλλαγές στο περιβάλλον που επηρεάζουν τις συνθέσεις τους: ετήσιες διακυμάνσεις στις βροχοπτώσεις και τη θερμοκρασία και τις πιο αργές διαδικασίες ανάπτυξης των φυτών, οι οποίες μπορεί να διαρκέσουν αρκετά χρόνια. Πολλές από αυτές τις διαταραχές οφείλονται σε φυσικές διεργασίες. Για παράδειγμα, όταν ο κεραυνός προκαλεί δασική πυρκαγιά και καταστρέφει μέρος ενός δασικού οικοσυστήματος, το έδαφος τελικά κατοικείται από χόρτα, στη συνέχεια από θάμνους και θάμνους, και αργότερα από ώριμα δέντρα, αποκαθιστώντας το δάσος στην προηγούμενη κατάσταση. Ο αντίκτυπος των περιβαλλοντικών διαταραχών που προκαλούνται από τις ανθρώπινες δραστηριότητες είναι εξίσου σημαντικός με τις αλλαγές που προκαλούνται από φυσικές διεργασίες. Οι ανθρώπινες γεωργικές πρακτικές, η ατμοσφαιρική ρύπανση, η όξινη βροχή, η παγκόσμια αποψίλωση των δασών, η υπεραλίευση, ο ευτροφισμός, οι πετρελαιοκηλίδες και η απόρριψη αποβλήτων στη γη και στον ωκεανό είναι όλα θέματα που απασχολούν τους οικολόγους.

Η ισορροπία είναι η σταθερή κατάσταση ενός οικοσυστήματος όπου όλοι οι οργανισμοί βρίσκονται σε ισορροπία με το περιβάλλον τους και μεταξύ τους. Στην οικολογία, δύο παράμετροι χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση των αλλαγών στα οικοσυστήματα: αντίσταση και ανθεκτικότητα. Αντίσταση είναι η ικανότητα ενός οικοσυστήματος να παραμένει σε ισορροπία παρά τις διαταραχές. Η ανθεκτικότητα είναι η ταχύτητα με την οποία ένα οικοσύστημα ανακτά την ισορροπία αφού διαταραχθεί. Η αντίσταση και η ανθεκτικότητα του οικοσυστήματος είναι ιδιαίτερα σημαντικές όταν εξετάζουμε τον ανθρώπινο αντίκτυπο. Η φύση ενός οικοσυστήματος μπορεί να αλλάξει σε τέτοιο βαθμό ώστε να χάσει εντελώς την ανθεκτικότητά του. Αυτή η διαδικασία μπορεί να οδηγήσει στην πλήρη καταστροφή ή μη αναστρέψιμη αλλαγή του οικοσυστήματος.

Αλυσίδες τροφίμων και τροφικοί ιστοί

Ο όρος «τροφική αλυσίδα» χρησιμοποιείται μερικές φορές μεταφορικά για να περιγράψει ανθρώπινες κοινωνικές καταστάσεις. Τα άτομα που θεωρούνται επιτυχημένα θεωρούνται ότι βρίσκονται στην κορυφή της τροφικής αλυσίδας, καταναλώνοντας όλα τα άλλα προς όφελός τους, ενώ τα λιγότερο επιτυχημένα θεωρούνται ότι βρίσκονται στο κάτω μέρος.

Η επιστημονική κατανόηση μιας τροφικής αλυσίδας είναι πιο ακριβής από ό, τι στην καθημερινή της χρήση. Στην οικολογία, μια τροφική αλυσίδα είναι μια γραμμική ακολουθία οργανισμών μέσω των οποίων περνούν τα θρεπτικά συστατικά και η ενέργεια: οι πρωτογενείς παραγωγοί, οι πρωτογενείς καταναλωτές και οι καταναλωτές υψηλότερου επιπέδου χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν τη δομή και τη δυναμική του οικοσυστήματος. Υπάρχει ένα μόνο μονοπάτι μέσα από την αλυσίδα. Κάθε οργανισμός σε μια τροφική αλυσίδα καταλαμβάνει αυτό που ονομάζεται τροφικό επίπεδο. Ανάλογα με το ρόλο τους ως παραγωγών ή καταναλωτών, είδη ή ομάδες ειδών μπορούν να ανατεθούν σε διάφορα τροφικά επίπεδα.

Σε πολλά οικοσυστήματα, ο πυθμένας της τροφικής αλυσίδας αποτελείται από φωτοσυνθετικούς οργανισμούς (φυτά ή/και φυτοπλαγκτόν), οι οποίοι ονομάζονται πρωτογενείς παραγωγοί. Οι οργανισμοί που καταναλώνουν τους πρωτογενείς παραγωγούς είναι φυτοφάγα ζώα: οι κύριοι καταναλωτές. Οι δευτερεύοντες καταναλωτές είναι συνήθως σαρκοφάγα που τρώνε τους κύριους καταναλωτές. Οι τριτογενείς καταναλωτές είναι σαρκοφάγα που τρώνε άλλα σαρκοφάγα. Οι καταναλωτές υψηλότερου επιπέδου τρέφονται με τα επόμενα χαμηλότερα τροφικά επίπεδα και ούτω καθεξής, μέχρι τους οργανισμούς στην κορυφή της τροφικής αλυσίδας: τους κορυφαίους καταναλωτές. Στην τροφική αλυσίδα της λίμνης Οντάριο που φαίνεται στο Σχήμα 46.4, ο σολομός Chinook είναι ο κορυφαίος καταναλωτής στην κορυφή αυτής της τροφικής αλυσίδας.

Σε αυτήν την εικόνα το κάτω τροφικό επίπεδο είναι ο κύριος παραγωγός, ο οποίος είναι τα πράσινα φύκια. Οι κύριοι καταναλωτές είναι μαλάκια ή σαλιγκάρια. Οι δευτερεύοντες καταναλωτές είναι μικρά ψάρια που ονομάζονται slimy sculpin. Ο τριτογενής και κορυφαίος καταναλωτής είναι ο σολομός Chinook.

Εικόνα 46.4 Αυτά είναι τα τροφικά επίπεδα μιας τροφικής αλυσίδας στη λίμνη Οντάριο στα σύνορα Ηνωμένων Πολιτειών-Καναδά. Η ενέργεια και τα θρεπτικά συστατικά ρέουν από τα φωτοσυνθετικά πράσινα φύκια στο κάτω μέρος στην κορυφή της τροφικής αλυσίδας: τον σολομό Chinook.

Ένας σημαντικός παράγοντας που περιορίζει το μήκος των τροφικών αλυσίδων είναι η ενέργεια. Η ενέργεια χάνεται ως θερμότητα μεταξύ κάθε τροφικού επιπέδου λόγω του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής. Έτσι, μετά από περιορισμένο αριθμό μεταφορών τροφικής ενέργειας, η ποσότητα ενέργειας που παραμένει στην τροφική αλυσίδα μπορεί να μην είναι αρκετά μεγάλη για να υποστηρίξει βιώσιμους πληθυσμούς σε ακόμη υψηλότερο τροφικό επίπεδο.

Η απώλεια ενέργειας μεταξύ των τροφικών επιπέδων φαίνεται από τις πρωτοποριακές μελέτες του Howard T. Odum στο οικοσύστημα Silver Springs της Φλόριντα τη δεκαετία του 1940 (Εικόνα 46.5). ^{^{^{Οι πρωτογενείς παραγωγοί παρήγαγαν 20.819 kcal/m ² /έτος (χιλιοθερμίδες ανά τετραγωνικό μέτρο ετησίως), οι πρωτογενείς καταναλωτές παρήγαγαν 3368 kcal/m 2/έτος, οι δευτερεύοντες καταναλωτές παρήγαγαν 383 kcal/m 2/έτος και οι τριτογενείς καταναλωτές παρήγαγαν μόνο 21 kcal/m 2/έτος.}}} Έτσι, απομένει λίγη ενέργεια για ένα άλλο επίπεδο καταναλωτών σε αυτό το οικοσύστημα.

Το γράφημα δείχνει ενεργειακό περιεχόμενο σε διαφορετικά τροφικά επίπεδα. Το ενεργειακό περιεχόμενο των πρωτογενών παραγωγών είναι πάνω από 20.000 χιλιοθερμίδες ανά τετραγωνικό μέτρο ετησίως. Το ενεργειακό περιεχόμενο των πρωτογενών καταναλωτών είναι πολύ μικρότερο, περίπου 3.400 χιλιοθερμίδες ανά τετραγωνικό μέτρο ετησίως. Το ενεργειακό περιεχόμενο των δευτερογενών καταναλωτών είναι 383 kcal ανά τετραγωνικό μέτρο ετησίως και το ενεργειακό περιεχόμενο των τριτογενών καταναλωτών είναι μόνο 21 kilocalories ανά τετραγωνικό μέτρο ετησίως.

Εικόνα 46.5 Εμφανίζεται η σχετική ενέργεια σε τροφικά επίπεδα σε ένα οικοσύστημα Silver Springs της Φλόριντα. Κάθε τροφικό επίπεδο έχει λιγότερη διαθέσιμη ενέργεια και υποστηρίζει λιγότερους οργανισμούς στο επόμενο επίπεδο.

Υπάρχει ένα πρόβλημα όταν χρησιμοποιείτε τροφικές αλυσίδες για να περιγράψετε με ακρίβεια τα περισσότερα οικοσυστήματα. Ακόμη και όταν όλοι οι οργανισμοί ομαδοποιούνται σε κατάλληλα τροφικά επίπεδα, ορισμένοι από αυτούς τους οργανισμούς μπορούν να τρέφονται με είδη από περισσότερα από ένα τροφικά επίπεδα. Ομοίως, ορισμένοι από αυτούς τους οργανισμούς μπορούν να καταναλωθούν από είδη από πολλαπλά τροφικά επίπεδα. Με άλλα λόγια, το γραμμικό μοντέλο των οικοσυστημάτων, η τροφική αλυσίδα, δεν είναι πλήρως περιγραφικό της δομής του οικοσυστήματος. Ένα ολιστικό μοντέλο - το οποίο εξηγεί όλες τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ διαφορετικών ειδών και τις πολύπλοκες διασυνδεδεμένες σχέσεις τους μεταξύ τους και με το περιβάλλον - είναι ένα πιο ακριβές και περιγραφικό μοντέλο για τα οικοσυστήματα. Ένας ιστός τροφίμων είναι μια γραφική αναπαράσταση ενός ολιστικού, μη γραμμικού ιστού πρωτογενών παραγωγών, πρωτογενών καταναλωτών και καταναλωτών υψηλότερου επιπέδου που χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη δομή και τη δυναμική του οικοσυστήματος (Εικόνα 46.6).

Το κάτω επίπεδο της εικόνας δείχνει τους πρωτογενείς παραγωγούς, οι οποίοι περιλαμβάνουν διάτομα, πράσινα φύκια, γαλαζοπράσινα φύκια, μαστίγια και rotifers. Το επόμενο επίπεδο περιλαμβάνει τους πρωτογενείς καταναλωτές που τρώνε πρωτογενείς παραγωγούς. Αυτά περιλαμβάνουν τα καλανοειδή, τους ψύλλους νερού και τα κυκλοποειδή, τα στροφεία και τα αμφίποδα. Η γαρίδα τρώει επίσης τους πρωτογενείς παραγωγούς. Οι πρωτογενείς καταναλωτές με τη σειρά τους τρώγονται από δευτερεύοντες καταναλωτές, οι οποίοι είναι συνήθως μικρά ψάρια. Τα μικρά ψάρια τρώγονται από μεγαλύτερα ψάρια, τους τριτογενείς ή τους κορυφαίους καταναλωτές. Η κίτρινη πέρκα, ένας δευτερεύων καταναλωτής, τρώει μικρά ψάρια μέσα στο δικό της τροφικό επίπεδο. Όλα τα ψάρια τρώγονται από το θαλάσσιο λαμπρέι. Έτσι, ο ιστός τροφίμων είναι πολύπλοκος με συνυφασμένα στρώματα.

Εικόνα 46.6 Αυτός ο ιστός τροφίμων δείχνει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ οργανισμών σε τροφικά επίπεδα στο οικοσύστημα της λίμνης Οντάριο. Οι πρωτογενείς παραγωγοί περιγράφονται με πράσινο χρώμα, οι πρωτογενείς καταναλωτές σε πορτοκαλί, οι δευτερεύοντες καταναλωτές με μπλε χρώμα και οι τριτογενείς (κορυφαίοι) καταναλωτές με μωβ. Τα βέλη δείχνουν από έναν οργανισμό που καταναλώνεται στον οργανισμό που το καταναλώνει. Παρατηρήστε πώς ορισμένες γραμμές δείχνουν σε περισσότερα από ένα τροφικά επίπεδα. Για παράδειγμα, η γαρίδα opossum τρώει τόσο τους πρωτογενείς παραγωγούς όσο και τους πρωτογενείς καταναλωτές. (πίστωση: NOAA, GLERL)

Η σύγκριση των δύο τύπων μοντέλων δομικών οικοσυστημάτων δείχνει δύναμη και στα δύο. Οι τροφικές αλυσίδες είναι πιο ευέλικτες για αναλυτική μοντελοποίηση, είναι πιο εύκολο να ακολουθηθούν και είναι ευκολότερο να πειραματιστούν, ενώ τα μοντέλα ιστού τροφίμων αντιπροσωπεύουν με μεγαλύτερη ακρίβεια τη δομή και τη δυναμική του οικοσυστήματος και τα δεδομένα μπορούν να χρησιμοποιηθούν άμεσα ως είσοδος για μοντελοποίηση προσομοίωσης.

Σύνδεση με τη μάθηση

Προχωρήστε σε αυτόν τον διαδικτυακό διαδραστικό προσομοιωτή για να διερευνήσετε τη λειτουργία ιστού τροφίμων. Στο πλαίσιο Διαδραστικά εργαστήρια, στην περιοχή Food Web, κάντε κλικ στο Βήμα 1. Διαβάστε πρώτα τις οδηγίες και, στη συνέχεια, κάντε κλικ στο Βήμα 2 για πρόσθετες οδηγίες. Όταν είστε έτοιμοι να δημιουργήσετε μια προσομοίωση, στην επάνω δεξιά γωνία του πλαισίου Interactive Labs, κάντε κλικ στην επιλογή OPEN SIMULATOR.

Δύο γενικοί τύποι τροφικών ιστών εμφανίζονται συχνά να αλληλεπιδρούν μέσα σε ένα μόνο οικοσύστημα. Ένας τροφικός ιστός βόσκησης (όπως ο τροφικός ιστός της λίμνης Οντάριο στο Σχήμα 46.6) έχει φυτά ή άλλους φωτοσυνθετικούς οργανισμούς στη βάση του, ακολουθούμενοι από φυτοφάγα και διάφορα σαρκοφάγα. Ένας καταστροφικός τροφικός ιστός αποτελείται από μια βάση οργανισμών που τρέφονται με οργανική ύλη σε αποσύνθεση (νεκροί οργανισμοί), που ονομάζονται αποικοδομητές ή παρασιτοφάγα. Αυτοί οι οργανισμοί είναι συνήθως βακτήρια ή μύκητες που ανακυκλώνουν οργανικό υλικό πίσω στο βιοτικό τμήμα του οικοσυστήματος καθώς οι ίδιοι καταναλώνονται από άλλους οργανισμούς. Καθώς όλα τα οικοσυστήματα απαιτούν μια μέθοδο ανακύκλωσης υλικού από νεκρούς οργανισμούς, οι περισσότεροι ιστοί τροφίμων που βόσκουν έχουν έναν σχετικό καταστροφικό τροφικό ιστό. Για παράδειγμα, σε ένα οικοσύστημα λιβαδιών, τα φυτά μπορεί να υποστηρίζουν έναν τροφικό ιστό βοσκής διαφορετικών οργανισμών, πρωτογενών και άλλων επιπέδων καταναλωτών, ενώ ταυτόχρονα υποστηρίζουν έναν καταστροφικό τροφικό ιστό βακτηρίων, μυκήτων και αποτροφάγων ασπόνδυλων που τρέφονται από νεκρά φυτά και ζώα.

Σύνδεση εξέλιξης

Three-spined Stickleback Είναι καλά εδραιωμένο από τη θεωρία της φυσικής επιλογής ότι οι αλλαγές στο περιβάλλον παίζουν σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη των ειδών μέσα σε ένα οικοσύστημα. Ωστόσο, λίγα είναι γνωστά για το πώς η εξέλιξη των ειδών μέσα σε ένα οικοσύστημα μπορεί να αλλάξει το περιβάλλον του οικοσυστήματος. Το 2009, ο Δρ Luke Harmon, από το Πανεπιστήμιο του Αϊντάχο, δημοσίευσε ένα έγγραφο που για πρώτη φορά έδειξε ότι η εξέλιξη των οργανισμών σε υποείδη μπορεί να έχει άμεσες επιπτώσεις στο περιβάλλον του οικοσυστήματος τους. ¹

Το τρίπτυχο stickleback (Gasterosteus aculeatus) είναι ένα ψάρι γλυκού νερού που εξελίχθηκε από ψάρι αλμυρού νερού για να ζει σε λίμνες γλυκού νερού πριν από περίπου 10.000 χρόνια, το οποίο θεωρείται πρόσφατη εξέλιξη στον εξελικτικό χρόνο (Εικόνα 46.7). Τα τελευταία 10.000 χρόνια, αυτά τα ψάρια του γλυκού νερού απομονώθηκαν το ένα από το άλλο σε διαφορετικές λίμνες. Ανάλογα με τον πληθυσμό της λίμνης που μελετήθηκε, Τα ευρήματα έδειξαν ότι αυτά τα sticklebacks είτε παρέμειναν ως ένα είδος είτε εξελίχθηκαν σε δύο είδη. Η απόκλιση των ειδών κατέστη δυνατή με τη χρήση διαφορετικών περιοχών της λίμνης για σίτιση που ονομάζονται μικρο κόγχες.

Ο Δρ Harmon και η ομάδα του δημιούργησαν τεχνητούς μικρόκοσμους λιμνών σε δεξαμενές 250 γαλονιών και πρόσθεσαν λάσπη από λίμνες γλυκού νερού ως πηγή ζωοπλαγκτόν και άλλων ασπόνδυλων για τη διατήρηση των ψαριών. Σε διαφορετικές πειραματικές δεξαμενές εισήγαγαν ένα είδος stickleback είτε από μια λίμνη ενός είδους είτε από μια λίμνη διπλού είδους.

Με την πάροδο του χρόνου, η ομάδα παρατήρησε ότι μερικές από τις δεξαμενές άνθισαν με φύκια ενώ άλλες όχι. Αυτό προβληματίζει τους επιστήμονες και αποφάσισαν να μετρήσουν τον διαλυμένο οργανικό άνθρακα του νερού (DOC), ο οποίος αποτελείται κυρίως από μεγάλα μόρια οργανικής ύλης σε αποσύνθεση που δίνουν στο νερό της λίμνης το ελαφρώς καφετί χρώμα του. Αποδείχθηκε ότι το νερό από τις δεξαμενές με ψάρια δύο ειδών περιείχε μεγαλύτερα σωματίδια DOC (και επομένως πιο σκούρο νερό) από το νερό με ψάρια ενός είδους. Αυτή η αύξηση του DOC εμπόδισε το φως του ήλιου και εμπόδισε την άνθηση των φυκών. Αντίθετα, το νερό από τη δεξαμενή ενός είδους περιείχε μικρότερα σωματίδια DOC, επιτρέποντας περισσότερη διείσδυση του ηλιακού φωτός για να τροφοδοτήσει τις ανθίσεις των φυκών.

Αυτή η αλλαγή στο περιβάλλον, η οποία οφείλεται στις διαφορετικές διατροφικές συνήθειες των ειδών stickleback σε κάθε τύπο λίμνης, πιθανότατα έχει μεγάλο αντίκτυπο στην επιβίωση άλλων ειδών σε αυτά τα οικοσυστήματα, ειδικά άλλων φωτοσυνθετικών οργανισμών. Έτσι, η μελέτη δείχνει ότι, τουλάχιστον σε αυτά τα οικοσυστήματα, το περιβάλλον και η εξέλιξη των πληθυσμών έχουν αμοιβαία αποτελέσματα που μπορούν τώρα να ληφθούν υπόψη σε μοντέλα προσομοίωσης.

Η φωτογραφία δείχνει δύο μικρά ψάρια να κολυμπούν πάνω από έναν βραχώδη πυθμένα.

Εικόνα 46.7 Το τρίπτυχο ραβδί εξελίχθηκε από ψάρι αλμυρού νερού σε ψάρι γλυκού νερού. (πίστωση: Μπάρετ Πολ, USFWS)

Έρευνα στη Δυναμική Οικοσυστημάτων: Πειραματισμός και Μοντελοποίηση Οικοσυστημάτων

Η μελέτη των αλλαγών στη δομή του οικοσυστήματος που προκαλούνται από αλλαγές στο περιβάλλον (διαταραχές) ή από εσωτερικές δυνάμεις ονομάζεται δυναμική οικοσυστήματος. Τα οικοσυστήματα χαρακτηρίζονται χρησιμοποιώντας μια ποικιλία ερευνητικών μεθοδολογιών. Μερικοί οικολόγοι μελετούν οικοσυστήματα χρησιμοποιώντας ελεγχόμενα πειραματικά συστήματα, ενώ μερικοί μελετούν ολόκληρα οικοσυστήματα στη φυσική τους κατάσταση και άλλοι χρησιμοποιούν και τις δύο προσεγγίσεις.

Ένα ολιστικό μοντέλο οικοσυστήματος επιχειρεί να ποσοτικοποιήσει τη σύνθεση, την αλληλεπίδραση και τη δυναμική ολόκληρων οικοσυστημάτων. είναι το πιο αντιπροσωπευτικό του οικοσυστήματος στη φυσική του κατάσταση. Ένας τροφικός ιστός είναι ένα παράδειγμα ενός ολιστικού μοντέλου οικοσυστήματος. Ωστόσο, αυτός ο τύπος μελέτης περιορίζεται από το χρόνο και το κόστος, καθώς και από το γεγονός ότι δεν είναι ούτε εφικτό ούτε ηθικό να γίνονται πειράματα σε μεγάλα φυσικά οικοσυστήματα. Είναι δύσκολο να ποσοτικοποιηθούν όλα τα διαφορετικά είδη σε ένα οικοσύστημα και η δυναμική του οικοτόπου τους, ειδικά όταν μελετάμε μεγάλους οικοτόπους όπως το τροπικό δάσος του Αμαζονίου.

Για τους λόγους αυτούς, οι επιστήμονες μελετούν τα οικοσυστήματα υπό πιο ελεγχόμενες συνθήκες. Τα πειραματικά συστήματα συνήθως περιλαμβάνουν είτε τη διαίρεση ενός μέρους ενός φυσικού οικοσυστήματος που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για πειράματα, που ονομάζεται μεσόκοσμος, είτε με την αναδημιουργία ενός οικοσυστήματος εξ ολοκλήρου σε εσωτερικό ή εξωτερικό εργαστηριακό περιβάλλον, το οποίο αναφέρεται ως μικρόκοσμος. Ένας σημαντικός περιορισμός σε αυτές τις προσεγγίσεις είναι ότι η αφαίρεση μεμονωμένων οργανισμών από το φυσικό τους οικοσύστημα ή η αλλαγή ενός φυσικού οικοσυστήματος μέσω διαχωρισμού μπορεί να αλλάξει τη δυναμική του οικοσυστήματος. Αυτές οι αλλαγές οφείλονται συχνά σε διαφορές στον αριθμό και την ποικιλομορφία των ειδών και επίσης σε αλλοιώσεις του περιβάλλοντος που προκαλούνται από τη διαίρεση (μεσόκοσμος) ή την αναδημιουργία (μικρόκοσμος) του φυσικού οικοτόπου. Έτσι, αυτοί οι τύποι πειραμάτων δεν είναι εντελώς προγνωστικοί για τις αλλαγές που θα συνέβαιναν στο οικοσύστημα από το οποίο συγκεντρώθηκαν.

Καθώς και οι δύο αυτές προσεγγίσεις έχουν τους περιορισμούς τους, ορισμένοι οικολόγοι προτείνουν ότι τα αποτελέσματα από αυτά τα πειραματικά συστήματα θα πρέπει να χρησιμοποιούνται μόνο σε συνδυασμό με ολιστικές μελέτες οικοσυστημάτων για τη λήψη των πιο αντιπροσωπευτικών δεδομένων σχετικά με τη δομή, τη λειτουργία και τη δυναμική του οικοσυστήματος.

Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν τα δεδομένα που παράγονται από αυτές τις πειραματικές μελέτες για να αναπτύξουν μοντέλα οικοσυστημάτων που καταδεικνύουν τη δομή και τη δυναμική των οικοσυστημάτων. Χρησιμοποιούν τρεις βασικούς τύπους μοντελοποίησης οικοσυστημάτων στην έρευνα και τη διαχείριση οικοσυστημάτων: ένα εννοιολογικό μοντέλο, ένα αναλυτικό μοντέλο και ένα μοντέλο προσομοίωσης. Ένα εννοιολογικό μοντέλο είναι ένα μοντέλο οικοσυστήματος που αποτελείται από διαγράμματα ροής για να δείξει αλληλεπιδράσεις διαφορετικών διαμερισμάτων των ζωντανών και μη ζωντανών συστατικών του οικοσυστήματος. Ένα εννοιολογικό μοντέλο περιγράφει τη δομή και τη δυναμική του οικοσυστήματος και δείχνει πώς οι περιβαλλοντικές διαταραχές επηρεάζουν το οικοσύστημα. Ωστόσο, η ικανότητά του να προβλέπει τις επιπτώσεις αυτών των διαταραχών είναι περιορισμένη. Τα μοντέλα ανάλυσης και προσομοίωσης, αντίθετα, είναι μαθηματικές μέθοδοι περιγραφής οικοσυστημάτων που είναι πράγματι ικανές να προβλέψουν τις επιπτώσεις πιθανών περιβαλλοντικών αλλαγών χωρίς άμεσο πειραματισμό, αν και με ορισμένους περιορισμούς ως προς την ακρίβεια. Ένα αναλυτικό μοντέλο είναι ένα μοντέλο οικοσυστήματος που δημιουργείται χρησιμοποιώντας απλούς μαθηματικούς τύπους για την πρόβλεψη των επιπτώσεων των περιβαλλοντικών διαταραχών στη δομή και τη δυναμική του οικοσυστήματος. Ένα μοντέλο προσομοίωσης είναι ένα μοντέλο οικοσυστήματος που δημιουργείται χρησιμοποιώντας πολύπλοκους αλγόριθμους υπολογιστών για την ολιστική μοντελοποίηση οικοσυστημάτων και την πρόβλεψη των επιπτώσεων των περιβαλλοντικών διαταραχών στη δομή και τη δυναμική του οικοσυστήματος. Στην ιδανική περίπτωση, αυτά τα μοντέλα είναι αρκετά ακριβή για να προσδιορίσουν ποια συστατικά του οικοσυστήματος είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα σε διαταραχές και μπορούν να χρησιμεύσουν ως οδηγός για τους διαχειριστές οικοσυστημάτων (όπως οικολόγοι διατήρησης ή βιολόγοι αλιείας) στην πρακτική διατήρηση της υγείας του οικοσυστήματος.

Εννοιολογικά Μοντέλα

Τα εννοιολογικά μοντέλα είναι χρήσιμα για την περιγραφή της δομής και της δυναμικής του οικοσυστήματος και για την επίδειξη των σχέσεων μεταξύ διαφορετικών οργανισμών σε μια κοινότητα και του περιβάλλοντός τους. Τα εννοιολογικά μοντέλα συνήθως απεικονίζονται γραφικά ως διαγράμματα ροής. Οι οργανισμοί και οι πόροι τους ομαδοποιούνται σε συγκεκριμένα διαμερίσματα με βέλη που δείχνουν τη σχέση και τη μεταφορά ενέργειας ή θρεπτικών συστατικών μεταξύ τους. Έτσι, αυτά τα διαγράμματα ονομάζονται μερικές φορές μοντέλα διαμερισμάτων.

Για να μοντελοποιηθεί ο κύκλος των ορυκτών θρεπτικών συστατικών, τα οργανικά και ανόργανα θρεπτικά συστατικά υποδιαιρούνται σε εκείνα που είναι βιοδιαθέσιμα (έτοιμα να ενσωματωθούν σε βιολογικά μακρομόρια) και εκείνα που δεν είναι. Για παράδειγμα, σε ένα χερσαίο οικοσύστημα κοντά σε μια εναπόθεση άνθρακα, ο άνθρακας θα είναι διαθέσιμος στα φυτά αυτού του οικοσυστήματος ως αέριο διοξειδίου του άνθρακα σε βραχυπρόθεσμο χρονικό διάστημα, όχι από τον ίδιο τον άνθρακα πλούσιο σε άνθρακα. Ωστόσο, για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, οι μικροοργανισμοί που μπορούν να αφομοιώσουν τον άνθρακα θα ενσωματώσουν τον άνθρακα του ή θα τον απελευθερώσουν ως φυσικό αέριο (μεθάνιο, CH ₄), αλλάζοντας αυτήν την μη διαθέσιμη οργανική πηγή σε διαθέσιμη. Αυτή η μετατροπή επιταχύνεται σημαντικά από την καύση ορυκτών καυσίμων από τον άνθρωπο, η οποία απελευθερώνει μεγάλες ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα. Αυτό θεωρείται ότι είναι ένας σημαντικός παράγοντας για την αύξηση των επιπέδων διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα στη βιομηχανική εποχή. Το διοξείδιο του άνθρακα που απελευθερώνεται από την καύση ορυκτών καυσίμων παράγεται ταχύτερα από ό, τι μπορούν να το χρησιμοποιήσουν οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί. Αυτή η διαδικασία εντείνεται από τη μείωση των φωτοσυνθετικών δέντρων λόγω της παγκόσμιας αποψίλωσης των δασών. Οι περισσότεροι επιστήμονες συμφωνούν ότι το υψηλό ατμοσφαιρικό διοξείδιο του άνθρακα είναι μια σημαντική αιτία της παγκόσμιας κλιματικής αλλαγής.

Εννοιολογικά μοντέλα χρησιμοποιούνται επίσης για να δείξουν τη ροή ενέργειας μέσω συγκεκριμένων οικοσυστημάτων. Το Σχήμα 46.8 βασίζεται στην κλασική μελέτη του Χάουαρντ Τ. Όντουμ για το ολιστικό οικοσύστημα του Σίλβερ Σπρινγκς της Φλόριντα στα μέσα του εικοστού αιώνα. ² Αυτή η μελέτη δείχνει το ενεργειακό περιεχόμενο και τη μεταφορά μεταξύ διαφόρων διαμερισμάτων οικοσυστήματος.

Οπτική σύνδεση

Το διάγραμμα ροής δείχνει ότι το οικοσύστημα απορροφά 1.700,00 θερμίδες ανά τετραγωνικό μέτρο ανά έτος ηλιακού φωτός. Οι πρωτογενείς παραγωγοί έχουν ακαθάριστη παραγωγικότητα 20.810 θερμίδων ανά τετραγωνικό μέτρο ετησίως. 13.187 θερμίδες ανά τετραγωνικό μέτρο ετησίως χάνονται στην αναπνοή και τη θερμότητα, οπότε η καθαρή παραγωγικότητα των πρωτογενών παραγωγών είναι 7.623 θερμίδες ανά τετραγωνικό μέτρο ετησίως. 4.250 θερμίδες ανά τετραγωνικό μέτρο ετησίως μεταφέρονται στους αποσυνθέτες και οι υπόλοιπες 3.373 θερμίδες ανά τετραγωνικό μέτρο ετησίως μεταφέρονται στους πρωτογενείς καταναλωτές. Έτσι, η ακαθάριστη παραγωγικότητα των πρωτογενών καταναλωτών είναι 3.373 θερμίδες ανά τετραγωνικό μέτρο ετησίως. 2.270 θερμίδες ανά τετραγωνικό μέτρο ετησίως χάνονται στη θερμότητα και την αναπνοή, με αποτέλεσμα καθαρή παραγωγικότητα για τους πρωτογενείς καταναλωτές 1.103 θερμίδες ανά τετραγωνικό μέτρο ετησίως. 720 θερμίδες ανά τετραγωνικό μέτρο ετησίως χάνονται στους αποσυνθέτες και 383 θερμίδες ανά τετραγωνικό μέτρο ετησίως γίνεται η ακαθάριστη παραγωγικότητα των δευτερογενών καταναλωτών. 272 θερμίδες ανά τετραγωνικό μέτρο ανά τετραγωνικό μέτρο ετησίως γίνεται η ακαθάριστη παραγωγικότητα των δευτερογενών καταναλωτών. 272 θερμίδες ανά τετραγωνικό μέτρο ανά τετραγωνικό μέτρο ετησίως ανά έτος χάνεται στη θερμότητα και την αναπνοή, οπότε η καθαρή παραγωγικότητα για τους δευτερεύοντες καταναλωτές είναι 111 θερμίδες ανά τετραγωνικό μέτρο ετησίως. 90 θερμίδες ανά τετραγωνικό μέτρο ετησίως χάνονται στους αποσυνθέτες και οι υπόλοιπες 21 θερμίδες ανά τετραγωνικό μέτρο ετησίως καθίστανται η ακαθάριστη παραγωγικότητα των τριτογενών καταναλωτών. Δεκαέξι θερμίδες ανά τετραγωνικό μέτρο ετησίως χάνονται στην αναπνοή και τη θερμότητα, οπότε η καθαρή παραγωγικότητα των τριτογενών καταναλωτών είναι 5 θερμίδες ανά τετραγωνικό μέτρο ετησίως. Όλη αυτή η ενέργεια χάνεται στους αποσυνθέτες. Συνολικά, οι αποσυνθέτες χρησιμοποιούν 5.065 θερμίδες ανά τετραγωνικό μέτρο ανά έτος ενέργειας και 20.810 θερμίδες ανά τετραγωνικό μέτρο ετησίως χάνονται στην αναπνοή και τη θερμότητα.

Εικόνα 46.8 Αυτό το εννοιολογικό μοντέλο δείχνει τη ροή ενέργειας μέσω ενός ελατηρίου οικοσυστήματος στο Silver Springs της Φλόριντα. Παρατηρήστε ότι η ενέργεια μειώνεται με κάθε αύξηση του τροφικού επιπέδου.

^{Γιατί πιστεύετε ότι η τιμή για την ακαθάριστη παραγωγικότητα των πρωτογενών παραγωγών είναι η ίδια με την τιμή για τη συνολική θερμότητα και την αναπνοή (20.810 kcal/m 2 /έτος);}

Αναλυτικά και Προσομοιωτικά Μοντέλα

Ο κύριος περιορισμός των εννοιολογικών μοντέλων είναι η αδυναμία τους να προβλέψουν τις συνέπειες των αλλαγών στα είδη και/ή το περιβάλλον του οικοσυστήματος. Τα οικοσυστήματα είναι δυναμικές οντότητες και υπόκεινται σε μια ποικιλία αβιοτικών και βιοτικών διαταραχών που προκαλούνται από φυσικές δυνάμεις ή/και ανθρώπινη δραστηριότητα. Τα οικοσυστήματα που έχουν αλλάξει από την αρχική τους κατάσταση ισορροπίας μπορούν συχνά να ανακάμψουν από τέτοιες διαταραχές και να επιστρέψουν σε κατάσταση ισορροπίας. Καθώς τα περισσότερα οικοσυστήματα υπόκεινται σε περιοδικές διαταραχές και συχνά βρίσκονται σε κατάσταση αλλαγής, συνήθως είτε κινούνται προς είτε μακριά από την κατάσταση ισορροπίας τους. Υπάρχουν πολλές από αυτές τις καταστάσεις ισορροπίας μεταξύ των διαφόρων συστατικών ενός οικοσυστήματος, το οποίο επηρεάζει το οικοσύστημα συνολικά. Επιπλέον, καθώς οι άνθρωποι έχουν την ικανότητα να αλλάζουν σε μεγάλο βαθμό και γρήγορα το περιεχόμενο των ειδών και τον βιότοπο ενός οικοσυστήματος, η ανάγκη για προγνωστικά μοντέλα που επιτρέπουν την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα οικοσυστήματα ανταποκρίνονται σε αυτές τις αλλαγές γίνεται πιο κρίσιμη.

Τα αναλυτικά μοντέλα χρησιμοποιούν συχνά απλά, γραμμικά συστατικά των οικοσυστημάτων, όπως οι τροφικές αλυσίδες, και είναι γνωστό ότι είναι πολύπλοκα μαθηματικά. Ως εκ τούτου, απαιτούν σημαντική ποσότητα μαθηματικών γνώσεων και εμπειρογνωμοσύνης. Αν και τα αναλυτικά μοντέλα έχουν μεγάλες δυνατότητες, η απλοποίηση σύνθετων οικοσυστημάτων πιστεύεται ότι περιορίζει την ακρίβειά τους. Τα μοντέλα προσομοίωσης που χρησιμοποιούν προγράμματα υπολογιστών είναι καλύτερα σε θέση να αντιμετωπίσουν τις πολυπλοκότητες της δομής του οικοσυστήματος.

Μια πρόσφατη εξέλιξη στη μοντελοποίηση προσομοίωσης χρησιμοποιεί υπερυπολογιστές για τη δημιουργία και εκτέλεση ατομικών προσομοιώσεων, οι οποίες αντιπροσωπεύουν τη συμπεριφορά μεμονωμένων οργανισμών και τις επιπτώσεις τους στο οικοσύστημα στο σύνολό του. Αυτές οι προσομοιώσεις θεωρούνται οι πιο ακριβείς και προγνωστικές των πολύπλοκων αποκρίσεων των οικοσυστημάτων σε διαταραχές.

Σύνδεση με τη μάθηση

Επισκεφτείτε το The Darwin Project για να δείτε μια ποικιλία μοντέλων οικοσυστημάτων, συμπεριλαμβανομένων προσομοιώσεων που μοντελοποιούν σχέσεις αρπακτικών-θηραμάτων για να μάθετε περισσότερα.

Υποσημειώσεις

1 Φύση (Τόμος 458, 1 Απριλίου 2009)
2 Χάουαρντ Τ. Όντουμ, «Τροφική Δομή και Παραγωγικότητα του Σίλβερ Σπρινγκς, Φλόριντα», Οικολογικές Μονογραφίες 27, αρ. 1 (1957): 47—112.