46.2: Nishati inapita kupitia Mazingira

Malengo ya kujifunza

• Eleza jinsi viumbe hupata nishati katika mtandao wa chakula na katika minyororo ya chakula inayohusishwa
• Eleza jinsi ufanisi wa uhamisho wa nishati kati ya viwango vya trophic huathiri muundo wa mazingira na mienendo
• Jadili viwango vya trophic na jinsi piramidi za kiikolojia zinazotumiwa kuziiga

Vitu vyote vilivyo hai vinahitaji nishati kwa namna moja au nyingine. Nishati inahitajika kwa njia nyingi za kimetaboliki (mara nyingi kwa njia ya adenosine triphosphate, ATP), hasa wale wanaohusika na kujenga molekuli kubwa kutoka kwa misombo ndogo, na maisha yenyewe ni mchakato unaoendeshwa na nishati. Viumbe hai hawataweza kukusanya macromolecules (protini, lipids, asidi ya nucleic, na wanga tata) kutoka kwa subunits zao za monomeric bila pembejeo ya nishati ya mara kwa mara.

Ni muhimu kuelewa jinsi viumbe hupata nishati na jinsi nishati hiyo inapitishwa kutoka kwa kiumbe kimoja hadi nyingine kupitia utando wa chakula na minyororo yao ya chakula. Utando wa chakula unaonyesha jinsi nishati inapita kwa njia ya mazingira, ikiwa ni pamoja na jinsi viumbe vinavyopata vizuri, kuitumia, na ni kiasi gani kinachobaki kutumiwa na viumbe vingine vya mtandao wa chakula.

Jinsi Viumbe Kupata Nishati katika Mtandao wa Chakula

Nishati hupatikana kwa vitu vilivyo hai kwa njia tatu: usanisinuru, chemosynthesis, na matumizi na mmeng'enyo wa viumbe hai vingine au vilivyo hai hapo awali kwa heterotrofs.

Viumbe vya usanisinifu na chemosynthetic vyote viwili vimewekwa katika jamii inayojulikana kama autotrophs: viumbe vinavyoweza kuunganisha chakula chao wenyewe (zaidi hasa, wenye uwezo wa kutumia kaboni isokaboni kama chanzo cha kaboni). Autotrophs (photoautotrophs) hutumia jua kama chanzo cha nishati, ambapo autotrophs za chemosynthetic (chemoautotrophs) hutumia molekuli isokaboni kama chanzo cha nishati. Autotrophs ni muhimu kwa mazingira yote. Bila viumbe hivi, nishati ingeweza kupatikana kwa viumbe hai wengine na maisha yenyewe hayatawezekana.

Photoautotrophs, kama mimea, mwani, na photosynthetic bakteria, hutumika kama chanzo cha nishati kwa mazingira mengi duniani. Mazingira haya mara nyingi huelezewa na malisho ya utando wa chakula. Photoautotrophs huunganisha nishati ya jua ya jua kwa kuibadilisha kwa nishati ya kemikali kwa namna ya ATP (na NADP). Nishati iliyohifadhiwa katika ATP hutumiwa kuunganisha molekuli za kikaboni tata, kama vile glucose.

Chemoautotrophs kimsingi ni bakteria ambazo hupatikana katika mazingira machache ambapo jua haipatikani, kama vile katika zile zinazohusiana na mapango ya giza au matundu ya hydrothermal chini ya bahari (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Chemoautotrophs nyingi katika matundu ya hydrothermal hutumia sulfidi hidrojeni (H ₂ S), ambayo hutolewa kutoka matundu kama chanzo cha nishati ya kemikali. Hii inaruhusu chemoautotrophs kuunganisha molekuli za kikaboni tata, kama vile glucose, kwa nishati zao wenyewe na kwa upande hutoa nishati kwa mazingira mengine.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Shrimp ya kuogelea, lobsters chache za squat, na mamia ya missels ya vent huonekana kwenye vent ya hydrothermal chini ya bahari. Kama hakuna jua linaloingia kwa kina hiki, mazingira yanasaidiwa na bakteria ya chemoautotrophic na vifaa vya kikaboni vinavyozama kutoka kwenye uso wa bahari. Picha hii ilichukuliwa mwaka 2006 kwenye volkano ya NW Eifuku iliyokuwa ndani ya pwani ya Japan na Utawala wa Taifa wa Oceanic and Anga (NOAA). Mkutano wa volkano hii yenye nguvu sana iko 1535 m chini ya uso.

Uzalishaji ndani ya Ngazi Trophic

Uzalishaji ndani ya mazingira unaweza kuelezwa kama asilimia ya nishati inayoingia katika mazingira yaliyoingizwa katika biomasi katika ngazi fulani ya trophic. Biomasi ni molekuli jumla, katika eneo la kitengo wakati wa kipimo, ya viumbe hai au awali hai ndani ya ngazi ya trophic. Mazingira yana kiasi cha tabia ya majani katika kila ngazi ya trophic. Kwa mfano, katika mazingira ya Channel ya Kiingereza wazalishaji wa msingi huhesabu kwa biomasi ya 4 g/m ² (gramu kwa kila mita ya mraba), wakati watumiaji wa msingi wanaonyesha biomasi ya 21 g/m ².

Uzalishaji wa wazalishaji wa msingi ni muhimu hasa katika mazingira yoyote kwa sababu viumbe hivi huleta nishati kwa viumbe hai wengine kwa photoautotrophy au chemoautotrophy. Kiwango ambacho wazalishaji wa msingi wa photosynthetic huingiza nishati kutoka jua huitwa uzalishaji mkuu wa msingi. Mfano wa uzalishaji wa msingi wa jumla unaonyeshwa kwenye mchoro wa compartment wa mtiririko wa nishati ndani ya mazingira ya majini ya Silver Springs kama inavyoonekana (Kielelezo 46.1.7). Katika mazingira haya, jumla ya nishati iliyokusanywa na wazalishaji wa msingi (jumla ya uzalishaji wa msingi) ilionyeshwa kuwa 20,810 kcal/m ² /yr.

Kwa sababu viumbe vyote vinahitaji kutumia baadhi ya nishati hii kwa kazi zao wenyewe (kama kupumua na kusababisha kupoteza joto la kimetaboliki) wanasayansi mara nyingi hutaja uzalishaji wa msingi wa mazingira. Uzalishaji wa msingi wa msingi ni nishati iliyobaki katika wazalishaji wa msingi baada ya uhasibu kwa kupumua kwa viumbe na kupoteza joto. Uzalishaji wa wavu unapatikana kwa watumiaji wa msingi katika ngazi ya pili ya trophic. Katika mfano wetu wa Silver Spring, 13,187 ya 20,810 kcal/m ² /yr zilitumiwa kupumua au zilipotea kama joto, na kuacha 7,632 kcal/m ² /yr ya nishati kwa matumizi ya watumiaji wa msingi.

Ufanisi wa mazingira: Uhamisho wa Nishati kati ya Ngazi za Trophi

Kama inavyoonekana katika Kielelezo 46.1.7, kiasi kikubwa cha nishati hupotea kutoka kwa mazingira kutoka ngazi moja ya trophic hadi ngazi nyingine kama nishati inapita kutoka kwa wazalishaji wa msingi kupitia ngazi mbalimbali za trophic za watumiaji na waharibifu. Sababu kuu ya hasara hii ni sheria ya pili ya thermodynamics, ambayo inasema kwamba wakati wowote nishati inabadilishwa kutoka fomu moja hadi nyingine, kuna tabia ya kuelekea ugonjwa (entropy) katika mfumo. Katika mifumo ya kibiolojia, hii inamaanisha nishati kubwa inapotea kama joto la kimetaboliki wakati viumbe kutoka ngazi moja ya trophic hutumia ngazi inayofuata. Katika mfano wa mazingira ya Silver Springs (Kielelezo 46.1.7), tunaona kwamba watumiaji wa msingi walizalisha 1103 kcal/m ² /yr kutoka 7618 kcal/m ² /yr ya nishati inapatikana kwao kutoka kwa wazalishaji wa msingi. Upimaji wa ufanisi wa uhamisho wa nishati kati ya viwango viwili vya trophic mfululizo huitwa ufanisi wa uhamisho wa kiwango cha trophic (TLTE) na hufafanuliwa na formula:

\[\text{TLTE} = \frac{\text{production at present trophic level}}{\text{production at previous trophic level}} * 100 \nonumber\]

Katika Silver Springs, TLTE kati ya ngazi mbili za kwanza trophic ilikuwa takriban asilimia 14.8. Ufanisi mdogo wa uhamisho wa nishati kati ya viwango vya trophic ni kawaida sababu kuu ambayo hupunguza urefu wa minyororo ya chakula inayoonekana kwenye mtandao wa chakula. Ukweli ni, baada ya uhamisho wa nishati nne hadi sita, hakuna nishati ya kutosha iliyoachwa ili kuunga mkono ngazi nyingine ya trophic. Katika mfano wa Ziwa Ontario umeonyeshwa kwenye Kielelezo 46.1.5, uhamisho wa nishati tatu tu ulifanyika kati ya mtayarishaji wa msingi, (kijani mwani), na walaji wa kilele (sahani ya Chinook).

Wanaikolojia wana mbinu nyingi za kupima uhamisho wa nishati ndani ya mazingira. Baadhi ya uhamisho ni rahisi au vigumu zaidi kupima kulingana na utata wa mazingira na ni kiasi gani wanasayansi wa upatikanaji wanapaswa kuchunguza mazingira. Kwa maneno mengine, baadhi ya mazingira ni vigumu zaidi kujifunza kuliko wengine, na wakati mwingine upimaji wa uhamisho wa nishati unapaswa kuhesabiwa.

Kipengele kingine kuu ambacho ni muhimu katika kuashiria mtiririko wa nishati ndani ya mazingira ni ufanisi wa uzalishaji wa wavu. Ufanisi wa uzalishaji wa wavu (NPE) inaruhusu wanaikolojia kupima jinsi viumbe vya kiwango fulani cha trophic vinavyoingiza nishati wanayopokea katika biomasi; huhesabiwa kwa kutumia formula ifuatayo:

\[\text{NPE} = \frac{\text{net consumer productivity}}{\text{assimilation}} * 100 \nonumber\]

Uzalishaji wa watumiaji wa wavu ni maudhui ya nishati inapatikana kwa viumbe wa ngazi ya pili ya trophic. Assimilation ni biomasi (maudhui ya nishati yanayotokana kwa eneo la kitengo) ya kiwango cha sasa cha trophic baada ya uhasibu kwa nishati iliyopotea kutokana na kumeza kamili ya chakula, nishati inayotumiwa kupumua, na nishati iliyopotea kama taka. Uingizaji usio kamili unamaanisha ukweli kwamba watumiaji wengine hula sehemu tu ya chakula chao. Kwa mfano, wakati simba anaua antelope, itakula kila kitu isipokuwa kujificha na mifupa. Simba anakosa uboho wa mfupa wenye nguvu ndani ya mfupa, hivyo simba haitumii kalori zote mawindo yake yanaweza kutoa.

Hivyo, NPE hatua jinsi ufanisi kila ngazi trophic inatumia na inashirikisha nishati kutoka chakula chake katika majani kwa mafuta ngazi ya pili trophic. Kwa ujumla, wanyama wenye damu baridi (ectotherms), kama vile uti wa mgongo, samaki, amfibia, na reptilia, hutumia chini ya nishati wanayopata kwa kupumua na joto kuliko wanyama wenye joto (endotherms), kama vile ndege na mamalia. Joto la ziada linalozalishwa katika endotherms, ingawa faida katika suala la shughuli za viumbe hawa katika mazingira ya baridi, ni hasara kubwa katika suala la NPE. Kwa hiyo, endotherms nyingi zinapaswa kula mara nyingi zaidi kuliko ectotherms kupata nishati wanayohitaji kwa ajili ya kuishi. Kwa ujumla, NPE kwa ectotherms ni amri ya ukubwa (10x) ya juu kuliko ya mwisho. Kwa mfano, NPE kwa ajili ya mnyama kula majani imekuwa kipimo kwa asilimia 18, ambapo NPE kwa squirrel kula acorns inaweza kuwa chini kama asilimia 1.6.

Ukosefu wa matumizi ya nishati na wanyama wenye joto huwa na athari pana kwa ugavi wa chakula duniani. Inakubaliwa sana kuwa sekta ya nyama hutumia kiasi kikubwa cha mazao kulisha mifugo, na kwa sababu NPE iko chini, kiasi kikubwa cha nishati kutoka kwa kulisha wanyama hupotea. Kwa mfano, ni gharama kuhusu 1¢ kuzalisha kalori 1000 malazi (kcal) ya mahindi au soya, lakini takriban $0.19 kuzalisha idadi sawa ya kalori kukua ng'ombe kwa ajili ya matumizi ya nyama ya ng'ombe. Maudhui sawa ya nishati ya maziwa kutoka kwa ng'ombe pia ni ya gharama kubwa, kwa takriban $0.16 kwa kcal 1000. Mengi ya tofauti hii ni kutokana na NPE ya chini ya ng'ombe. Kwa hiyo, kumekuwa na harakati inayoongezeka duniani kote ili kukuza matumizi ya vyakula visivyo vya nyama na visivyo vya maziwa ili nishati ndogo itapotezwa kulisha wanyama kwa sekta ya nyama.

Modeling mazingira Nishati kati yake: Piramidi

Mfumo wa mazingira unaweza kuonyeshwa na piramidi za kiikolojia, ambazo zilielezwa kwanza na masomo ya uanzilishi wa Charles Elton katika miaka ya 1920. Piramidi za kiikolojia zinaonyesha kiasi cha jamaa cha vigezo mbalimbali (kama vile idadi ya viumbe, nishati, na biomasi) katika ngazi za trophic.

Piramidi ya idadi inaweza kuwa sawa au inverted, kulingana na mazingira. Kama inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{2}\), nyasi ya kawaida wakati wa majira ya joto ina msingi wa mimea mingi na idadi ya viumbe hupungua kwa kila ngazi ya trophic. Hata hivyo, wakati wa majira ya joto katika misitu ya joto, msingi wa piramidi una miti michache ikilinganishwa na idadi ya watumiaji wa msingi, hasa wadudu. Kwa sababu miti ni kubwa, wana uwezo mkubwa wa photosynthetic, na kutawala mimea mingine katika mazingira haya ili kupata jua. Hata kwa idadi ndogo, wazalishaji wa msingi katika misitu bado wana uwezo wa kusaidia viwango vingine vya trophic.

Njia nyingine ya kutazama muundo wa mazingira ni pamoja na piramidi za majani. Piramidi hii hatua kiasi cha nishati kubadilishwa katika tishu hai katika ngazi mbalimbali trophic. Kwa kutumia Silver Springs mazingira mfano, data hii inaonyesha wima majani piramidi (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)), ambapo piramidi kutoka mfano Kiingereza Channel ni inverted. Mimea (wazalishaji wa msingi) wa mazingira ya Silver Springs hufanya asilimia kubwa ya biomasi inayopatikana huko. Hata hivyo, phytoplankton katika mfano wa Kiingereza Channel hufanya biomasi chini kuliko watumiaji wa msingi, zooplankton. Kama ilivyo na piramidi zilizoingizwa za idadi, piramidi hii inverted si kutokana na ukosefu wa uzalishaji kutoka kwa wazalishaji wa msingi, lakini matokeo ya kiwango cha juu cha mauzo ya phytoplankton. Phytoplankton hutumiwa haraka na watumiaji wa msingi, kwa hiyo, kupunguza biomasi yao kwa wakati wowote kwa wakati. Hata hivyo, phytoplankton huzalisha haraka, hivyo wanaweza kusaidia mazingira yote.

Modeling ya mazingira ya piramidi pia inaweza kutumika kuonyesha mtiririko wa nishati kupitia ngazi za trophic. Kumbuka kwamba namba hizi ni sawa na zile zinazotumiwa katika mchoro wa mtiririko wa nishati katika Mchoro 46.1.7. Piramidi za nishati daima ni sawa, na mazingira bila tija ya msingi ya kutosha haiwezi kuungwa mkono. Aina zote za piramidi za kiikolojia ni muhimu kwa kuashiria muundo wa mazingira. Hata hivyo, katika utafiti wa mtiririko wa nishati kupitia mazingira, piramidi za nishati ni mifano thabiti zaidi na ya mwakilishi wa muundo wa mazingira (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Piramidi za kiikolojia zinaonyesha (a) majani, (b) idadi ya viumbe, na (c) nishati katika kila ngazi ya trophic.

Zoezi

Piramidi inayoonyesha idadi ya viumbe au majani yanaweza kuingizwa, wima, au hata umbo la almasi. Nishati piramidi, hata hivyo, daima ni sawa. Kwa nini?

Jibu

Piramidi za viumbehai zinaweza kuingizwa au umbo la almasi kwa sababu kiumbe kikubwa, kama vile mti, kinaweza kudumisha viumbe vidogo vingi. Vivyo hivyo, biomasi ya chini ya viumbe inaweza kuendeleza biomasi kubwa katika ngazi ya pili trophic kwa sababu viumbe kuzaliana haraka na hivyo kutoa chakula kuendelea. Piramidi za nishati, hata hivyo, lazima iwe sawa kwa sababu ya sheria za thermodynamics. Sheria ya kwanza ya thermodynamics inasema kwamba nishati haiwezi kuundwa wala kuharibiwa; hivyo, kila ngazi ya trophic inapaswa kupata nishati kutoka ngazi ya trophic chini. Sheria ya pili ya thermodynamics inasema kwamba, wakati wa uhamisho wa nishati, nishati fulani hupotea kama joto; hivyo, nishati ndogo inapatikana katika kila ngazi ya juu ya trophic.

Matokeo ya Webs Chakula: Kukuza Biolojia

Moja ya matokeo muhimu zaidi ya mazingira ya mienendo ya mazingira ni biomagnification. Biomagnification ni mkusanyiko unaoongezeka wa vitu vinavyoendelea, vya sumu katika viumbe katika kila ngazi ya trophic, kutoka kwa wazalishaji wa msingi hadi watumiaji wa kilele. Dutu nyingi zimeonyeshwa kujilimbikiza, ikiwa ni pamoja na masomo ya classical na dawa d ichloro d iphenyl t richloroethane (DDT), ambayo ilichapishwa katika miaka ya 1960 bestseller, kimya Spring, na Rachel Carson. DDT ilikuwa dawa ya kawaida kutumika kabla ya hatari zake kujulikana. Katika mazingira mengine ya majini, viumbe kutoka kila ngazi ya trophic vilitumia viumbe vingi vya ngazi ya chini, ambayo ilisababisha DDT kuongezeka kwa ndege (walaji wa kilele) waliokula samaki. Hivyo, ndege zilikusanya kiasi cha kutosha cha DDT ili kusababisha udhaifu katika yai zao. Athari hii iliongeza kuvunjika kwa yai wakati wa nesting na ilionyeshwa kuwa na athari mbaya kwa wakazi hawa ndege. Matumizi ya DDT yalipigwa marufuku nchini Marekani katika miaka ya 1970.

Dutu zingine ambazo biomagnifia ni biphenili za poliklorini (PCBs), ambazo zilitumika katika majimaji baridi nchini Marekani hadi matumizi yao yalipopigwa marufuku mwaka 1979, na metali nzito, kama vile zebaki, risasi, na cadmium. Dutu hizi zilijifunza vizuri katika mazingira ya majini, ambapo aina za samaki katika viwango tofauti vya trophic hujilimbikiza vitu vya sumu vinavyoletwa kupitia mazingira na wazalishaji wa msingi. Kama inavyoonekana katika utafiti uliofanywa na Utawala wa Taifa wa Bahari na Anga (NOAA) katika Bay Saginaw ya Ziwa Huron (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)), viwango vya PCB viliongezeka kutoka kwa wazalishaji wa msingi wa mazingira (phytoplankton) kupitia ngazi tofauti za trophic za aina za samaki. Watumiaji wa kilele (walleye) ana zaidi ya mara nne kiasi cha PCB ikilinganishwa na phytoplankton. Pia, kulingana na matokeo kutoka tafiti zingine, ndege wanaokula samaki hawa wanaweza kuwa na viwango vya PCB angalau amri moja ya ukubwa wa juu kuliko wale wanaopatikana katika samaki ziwa.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Chati hii inaonyesha viwango PCB kupatikana katika ngazi mbalimbali trophic katika mazingira Saginaw Bay ya Ziwa Huron. Hesabu kwenye mhimili wa x huonyesha utajiri na isotopu nzito za nitrojeni (¹⁵ N), ambayo ni alama ya kuongeza kiwango cha trophic. Kumbuka kwamba samaki katika ngazi ya juu trophic kujilimbikiza PCB zaidi kuliko wale katika ngazi ya chini trophic. (mikopo: Patricia Van Hoof, NOAA, GLERL)

Wasiwasi mwingine umefufuliwa na mkusanyiko wa metali nzito, kama vile zebaki na cadmium, katika aina fulani za dagaa. Shirika la Ulinzi wa Mazingira la Marekani (EPA) linapendekeza kwamba wanawake wajawazito na watoto wadogo wasitumie panga, shark, makrill ya mfalme, au tilefish kwa sababu ya maudhui yao ya juu ya zebaki. Watu hawa wanashauriwa kula samaki chini ya zebaki: lax, tilapia, shrimp, pollock, na samaki. Biomagnification ni mfano mzuri wa jinsi mienendo ya mazingira inaweza kuathiri maisha yetu ya kila siku, hata kushawishi chakula tunachokula.

Muhtasari

Viumbe katika mazingira hupata nishati kwa njia mbalimbali, ambazo huhamishiwa kati ya viwango vya trophic kama nishati inapita kutoka chini hadi juu ya mtandao wa chakula, huku nishati inapotea katika kila uhamisho. Ufanisi wa uhamisho huu ni muhimu kwa kuelewa tabia tofauti na tabia za kula za joto-damu dhidi ya wanyama wenye damu baridi. Mfano wa nishati ya mazingira ni bora kufanyika kwa piramidi za kiikolojia za nishati, ingawa piramidi nyingine za kiikolojia hutoa taarifa nyingine muhimu kuhusu muundo wa mazingira.

faharasa

usimilishaji

majani zinazotumiwa na assimilated kutoka ngazi ya awali trophic baada ya uhasibu kwa nishati waliopotea kutokana na kumeza haujakamilika ya chakula, nishati kutumika kwa ajili ya kupumua, na nishati waliopotea kama taka

biomagnification

kuongezeka kwa viwango vya vitu vinavyoendelea, vya sumu katika viumbe katika kila ngazi ya trophic, kutoka kwa wazalishaji wa msingi hadi watumiaji wa kilele

biomasi

uzito wa jumla, wakati wa kipimo, wa viumbe hai au hapo awali vilivyo hai katika eneo la kitengo ndani ya ngazi ya trophic

chemoautotroph

viumbe na uwezo wa kuunganisha chakula chake kwa kutumia nishati kutoka molekuli isokaboni

piramidi ya mazingira

(pia, Eltonian piramidi) graphical uwakilishi wa ngazi mbalimbali trophic katika mazingira kulingana na idadi ya viumbe, majani, au maudhui ya nishati

jumla ya uzalishaji wa msingi

kiwango ambacho photosynthetic wazalishaji wa msingi kuingiza nishati kutoka jua

uzalishaji wa watumiaji wavu

nishati maudhui inapatikana kwa viumbe wa ngazi ya pili trophic

uzalishaji wa msingi wa msingi

nishati iliyobaki katika wazalishaji wa msingi baada ya uhasibu kwa kupumua viumbe na kupoteza joto

ufanisi wa uzalishaji wa wavu (NPE)

kipimo cha uwezo wa ngazi ya trophic kubadili nishati inayopata kutoka ngazi ya awali ya trophic ndani ya majani

ufanisi wa uhamisho wa kiwango cha trophic (TLTE)

uhamisho wa nishati ufanisi kati ya ngazi mbili mfululizo trophic