3.1: זרימת אנרגיה דרך מערכות אקולוגיות

Last updated
Save as PDF

Page ID: 207594

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

מערכת אקולוגית היא קהילה של אורגניזמים והסביבה האביוטית (הלא חיה) שלהם. מערכות אקולוגיות יכולות להיות קטנות, כמו בריכות הגאות שנמצאות ליד החופים הסלעיים של אוקיינוסים רבים, או גדולות, כמו אלה שנמצאות ביערות הגשם הטרופיים של האמזונס בברזיל (איור\(\PageIndex{1}\)).

ישנן שלוש קטגוריות רחבות של מערכות אקולוגיות המבוססות על סביבתן הכללית: מים מתוקים, ימיים ויבשתיים. בתוך שלוש הקטגוריות הללו ישנם סוגי מערכות אקולוגיות בודדות המבוססות על בית הגידול הסביבתי והאורגניזמים הקיימים.

מערכות אקולוגיות של מים מתוקים הן הפחות נפוצות, ומתרחשות רק על 1.8 אחוז משטח כדור הארץ. מערכות אלו כוללות אגמים, נהרות, נחלים ומעיינות; הם מגוונים למדי ותומכים במגוון בעלי חיים, צמחים, פטריות, פרוטיסטים ופרוקריוטים.

מערכות אקולוגיות ימיות הן הנפוצות ביותר, המהוות 75 אחוז משטח כדור הארץ ומורכבות משלושה סוגים בסיסיים: אוקיינוס רדוד, מי אוקיינוס עמוקים וקרקעית אוקיינוס עמוקה. מערכות אקולוגיות של אוקיינוס רדוד כוללות מערכות אקולוגיות של שוניות אלמוגים במגוון ביולוגי ביותר. אורגניזמים פוטוסינתטיים קטנים התלויים במי האוקיינוס, המכונים ביחד פיטופלנקטון, מבצעים 40 אחוז מכל הפוטוסינתזה על פני כדור הארץ. מערכות אקולוגיות בקרקעית האוקיינוס העמוק מכילות מגוון רחב של אורגניזמים ימיים. מערכות אקולוגיות אלה כה עמוקות עד שהאור אינו מסוגל להגיע אליהן.

מערכות אקולוגיות יבשתיות, הידועות גם במגוון שלהן, מקובצות לקטגוריות גדולות הנקראות ביומות. ביומה היא קהילה רחבת היקף של אורגניזמים, המוגדרת בעיקר ביבשה על ידי סוגי הצמחים הדומיננטיים הקיימים באזורים גיאוגרפיים של כדור הארץ עם תנאי אקלים דומים. דוגמאות לביומות כוללות יערות גשם טרופיים, סוואנות, מדבריות, שטחי עשב, יערות ממוזגים וטונדרות. קיבוץ מערכות אקולוגיות אלה למספר קטגוריות ביומות בלבד מטשטש את המגוון הגדול של המערכות האקולוגיות הבודדות בתוכם. לדוגמה, קקטוסי הסאגוארו (Carnegiea gigantean) וחיי צמחים אחרים במדבר סונוראן, בארצות הברית, מגוונים יחסית בהשוואה למדבר הסלעי השומם של בואה ויסטה, אי מול חופי מערב אפריקה (איור). \(\PageIndex{2}\)

רשתות מזון וקורי מזון

שרשרת מזון היא רצף ליניארי של אורגניזמים שדרכם עוברים חומרים מזינים ואנרגיה כאשר אורגניזם אחד אוכל אחר. הרמות בשרשרת המזון הן יצרנים, צרכנים ראשוניים, צרכנים ברמה גבוהה יותר ולבסוף מפרקים. רמות אלו משמשות לתיאור מבנה ודינמיקה של המערכת האקולוגית. יש דרך אחת דרך שרשרת מזון. כל אורגניזם בשרשרת מזון תופס רמה טרופית ספציפית (רמת אנרגיה), מיקומו בשרשרת המזון או ברשת המזון.

במערכות אקולוגיות רבות, הבסיס, או היסוד, של שרשרת המזון מורכב מאורגניזמים פוטוסינתטיים (צמחים או פיטופלנקטון), הנקראים יצרנים. האורגניזמים הצורכים את היצרנים הם אוכלי עשב הנקראים צרכנים ראשוניים. צרכנים משניים הם בדרך כלל טורפים שאוכלים את הצרכנים העיקריים. צרכנים שלישוניים הם טורפים שאוכלים טורפים אחרים. צרכנים ברמה גבוהה יותר ניזונים מהרמות הטרופיות הנמוכות הבאות, וכן הלאה, עד לאורגניזמים בראש שרשרת המזון. בשרשרת המזון של אגם אונטריו, המוצגת באיור\(\PageIndex{3}\), סלמון צ'ינוק הוא הצרכן העליון בראש שרשרת המזון הזו.

גורם מרכזי אחד המגביל את מספר הצעדים בשרשרת המזון הוא אנרגיה. אנרגיה הולכת לאיבוד בכל רמה טרופית ובין רמות טרופיות כחום ובהעברה למפרקים (דמות \(\PageIndex{4}\) לְהַלָן). לפיכך, לאחר מספר מוגבל של העברות אנרגיה טרופיות, ייתכן שכמות האנרגיה שנותרה בשרשרת המזון לא תהיה גדולה מספיק כדי לתמוך באוכלוסיות ברות קיימא ברמות טרופיות גבוהות יותר.

יש בעיה אחת בעת שימוש בשרשראות מזון לתיאור רוב המערכות האקולוגיות. גם כאשר כל האורגניזמים מקובצים לרמות טרופיות מתאימות, חלק מהאורגניזמים הללו יכולים להאכיל ביותר מרמה טרופית אחת. בנוסף, מינים ניזונים ונאכלים על ידי יותר ממין אחד. במילים אחרות, המודל הליניארי של מערכות אקולוגיות, שרשרת המזון, הוא ייצוג היפותטי ופשטני מדי של מבנה המערכת האקולוגית. מודל הוליסטי - הכולל את כל האינטראקציות בין מינים שונים והיחסים המורכבים ביניהם זה עם זה ועם הסביבה - הוא מודל מדויק ותיאורי יותר למערכות אקולוגיות. רשת מזון היא מושג המסביר את האינטראקציות הטרופיות (האכלה) המרובות בין כל מין (דמות \(\PageIndex{5}\) לְהַלָן).

שני סוגים כלליים של קורי מזון מוצגים לעתים קרובות באינטראקציה בתוך מערכת אקולוגית אחת. ברשת מזון מרעה יש צמחים או אורגניזמים פוטוסינתטיים אחרים בבסיסו, ואחריהם אוכלי עשב וטורפים שונים. מארג מזון דטריטלי מורכב מבסיס של אורגניזמים הניזונים מחומרים אורגניים מתפוררים (אורגניזמים מתים), כולל מפרקים (המפרקים אורגניזמים מתים ומתפוררים) ודטריטיבורים (הצורכים דטריטוס אורגני). אורגניזמים אלה הם בדרך כלל חיידקים, פטריות ובעלי חיים חסרי חוליות הממחזרים חומר אורגני בחזרה לחלק הביוטי של המערכת האקולוגית כשהם עצמם נצרכים על ידי אורגניזמים אחרים.

איור\(\PageIndex{5}\). רשת מזון זו מציגה את האינטראקציות בין אורגניזמים על פני רמות טרופיות. החצים מצביעים מאורגניזם הנצרך לאורגניזם הצורך אותו. כל היצרנים והצרכנים הופכים בסופו של דבר להזנה למפרקים (פטריות, עובש, תולעי אדמה וחיידקים באדמה). (אשראי "שועל": שינוי של עבודה על ידי קווין בכר, NPS; אשראי "ינשוף": שינוי של עבודה על ידי ג 'ון וקארן Hollingsworth, USFWS; אשראי "נחש": שינוי של עבודה על ידי סטיב Jurvetson; אשראי "רובין": שינוי של עבודה על ידי "Sanba38" ″/Wikimedia Commons; קרדיט "מרבה רגליים": שינוי עבודה על ידי "באוארף" /ויקימדיה; אשראי "סנאי": שינוי עבודה מאת שחר הוצ'ק; אשראי "עכבר": שינוי עבודה על ידי NIGMS, NIH; קרדיט "דרור" ": שינוי עבודה על ידי דוד פריאל; אשראי "חיפושית": שינוי העבודה על ידי סקוט באואר, שירות המחקר החקלאי USDA; אשראי "פטריות": שינוי העבודה על ידי כריס ווי; אשראי "עובש": שינוי עבודה על ידי ד"ר לוסיל גיאורג, CDC; אשראי "תולעת אדמה": שינוי עבודה על ידי רוב היל; אשראי "חיידקים": שינוי עבודה על ידי דון סטאלונס, CDC)

כיצד אורגניזמים רוכשים אנרגיה ברשת מזון

כל היצורים החיים דורשים אנרגיה בצורה כזו או אחרת. ברמה התאית משתמשים באנרגיה ברוב המסלולים המטבוליים (בדרך כלל בצורה של ATP), במיוחד אלה האחראים לבניית מולקולות גדולות מתרכובות קטנות יותר. אורגניזמים חיים לא יוכלו להרכיב מולקולות אורגניות מורכבות (חלבונים, שומנים, חומצות גרעין ופחמימות) ללא קלט אנרגיה קבוע.

דיאגרמות רשת מזון ממחישות כיצד אנרגיה זורמת בכיוון דרך מערכות אקולוגיות. הם יכולים גם לציין באיזו יעילות אורגניזמים רוכשים אנרגיה, משתמשים בה וכמה נשאר לשימוש על ידי אורגניזמים אחרים של מארג המזון. אנרגיה נרכשת על ידי יצורים חיים בשתי דרכים: אוטוטרופים רותמים אור או אנרגיה כימית והטרוטרופים רוכשים אנרגיה באמצעות צריכה ועיכול של אורגניזמים חיים אחרים או חיים בעבר.

אורגניזמים פוטוסינתטיים וכימוסינתטיים הם אוטוטרופים, שהם אורגניזמים המסוגלים לסנתז את המזון שלהם (ליתר דיוק, המסוגלים להשתמש בפחמן אנאורגני כמקור פחמן). אוטוטרופים פוטוסינתטיים (פוטואוטוטרופים) משתמשים באור השמש כמקור אנרגיה, ואוטוטרופים כימוסינתטיים (כימואוטוטרופים) משתמשים במולקולות אנאורגניות כמקור אנרגיה. אוטוטרופים הם קריטיים למערכות אקולוגיות מכיוון שהם תופסים את הרמה הטרופית המכילה יצרנים. ללא אורגניזמים אלה, אנרגיה לא תהיה זמינה לאורגניזמים חיים אחרים, והחיים לא היו אפשריים.

פוטואוטוטרופים, כגון צמחים, אצות וחיידקים פוטוסינתטיים, הם מקור האנרגיה עבור רוב המערכות האקולוגיות בעולם. פוטואוטוטרופים רותמים את אנרגיית השמש של השמש על ידי המרתה לאנרגיה כימית. הקצב שבו יצרנים פוטוסינתטיים משלבים אנרגיה מהשמש נקרא פרודוקטיביות ראשונית ברוטו. עם זאת, לא כל האנרגיה המשולבת על ידי היצרנים זמינה לאורגניזמים האחרים ברשת המזון מכיוון שגם היצרנים חייבים לגדול ולהתרבות, הצורכת אנרגיה. התפוקה העיקרית נטו היא האנרגיה שנותרה אצל היצרנים לאחר התחשבות בחילוף החומרים ואובדן החום של האורגניזמים הללו. התפוקה נטו זמינה לאחר מכן לצרכנים העיקריים ברמה הטרופית הבאה.

כימואוטוטרופים הם בעיקר חיידקים וארכיאה הנמצאים במערכות אקולוגיות נדירות שבהן אור השמש אינו זמין, כגון אלה הקשורות למערות חשוכות או פתחי אוורור הידרותרמיים בתחתית האוקיינוס (איור). \(\PageIndex{6}\) כימואוטוטרופים רבים בפתחי אוורור הידרותרמיים משתמשים במימן גופרתי (H ₂ S), המשתחרר מהפתחים, כמקור לאנרגיה כימית. זה מאפשר להם לסנתז מולקולות אורגניות מורכבות, כמו גלוקוז, לאנרגיה שלהם, ובתורם, מספק אנרגיה לשאר המערכת האקולוגית.

אחת ההשלכות החשובות ביותר של הדינמיקה של המערכת האקולוגית מבחינת ההשפעה האנושית היא ביומגניפיקציה. ביומגניפיקציה היא הריכוז הגובר של חומרים מתמשכים ורעילים באורגניזמים בכל רמה טרופית עוקבת. מדובר בחומרים המסיסים בשומנים ומאוחסנים במאגרי השומן של כל אורגניזם. הוכח כי חומרים רבים מייצרים ביולוגית, כולל מחקרים קלאסיים עם חומר ההדברה דיכלורודיפנילטריכלורואתאן (DDT), שתוארו ברב המכר של שנות השישים אביב שקט מאת רייצ'ל קרסון. DDT היה חומר הדברה נפוץ לפני שנודע הסכנות שלו לצרכני שיא, כמו הנשר הקירח. DDT ורעלים אחרים נלקחים על ידי היצרנים ומועברים לרמות רצופות של צרכנים בשיעורים גבוהים יותר ויותר. כאשר נשרים קירחים ניזונים מדגים מזוהמים, רמות ה- DDT שלהם עולות. התגלה כי DDT גרם לקליפות הביצים של הציפורים להיות שבריריות, מה שתרם לכך שהנשר הקירח נרשם כמין בסכנת הכחדה על פי החוק האמריקאי. השימוש ב- DDT נאסר בארצות הברית בשנות השבעים.

חומר נוסף המגניב ביולוגי הוא ביפניל רב-כלורי (PCB), ששימש כנוזלי נוזל קירור בארצות הברית עד שנאסר השימוש בו בשנת 1979. PCB נחקר בצורה הטובה ביותר במערכות אקולוגיות מימיות שבהן מיני דגים טורפים צברו ריכוזים גבוהים מאוד של הרעלן שקיים אחרת בריכוזים נמוכים בסביבה. כפי שמודגם במחקר שבוצע על ידי NOAA במפרץ Saginaw של אגם הורון של האגמים הגדולים בצפון אמריקה (איור \(\PageIndex{7}\) להלן), ריכוזי PCB עלו מיצרני המערכת האקולוגית (פיטופלנקטון) דרך הרמות הטרופיות השונות של מיני דגים. לצרכן השיא, ה-walleye, יש יותר מפי ארבעה מכמות ה-PCB בהשוואה לפיטופלנקטון. כמו כן, מחקרים מצאו כי לציפורים שאוכלות דגים אלה עשויות להיות רמות PCB הגבוהות פי עשרה לפחות מאלו שנמצאות בדגי האגם.

חששות אחרים הועלו על ידי ביומגניפיקציה של מתכות כבדות, כמו כספית וקדמיום, בסוגים מסוימים של פירות ים. הסוכנות להגנת הסביבה של ארצות הברית ממליצה לנשים בהריון וילדים צעירים לא לצרוך דג חרב, כריש, מקרל מלך או דג אריחים בגלל תכולת הכספית הגבוהה שלהם. לאנשים אלה מומלץ לאכול דגים דלים בכספית: סלמון, שרימפס, פולוק ושפמנון. ביומגניפיקציה היא דוגמה טובה לאופן שבו הדינמיקה של המערכת האקולוגית יכולה להשפיע על חיי היומיום שלנו, ואפילו להשפיע על המזון שאנו אוכלים.

קריאה משלימה מוצעת

קנאלס, מ 'ואח' 2018. 6 דברים שהופכים כמו על כדור הארץ לאפשריים [אינפוגרפיקה]. נשיונל ג'יאוגרפיק. מרץ.

תורמים וייחוסים

זרימת אנרגיה דרך מערכות אקולוגיות על ידי OpenStax מורשית תחת CC BY 3.0. שונה מהמקור על ידי מתיו ר 'פישר.