Ενεργειακοί μετασχηματισμοί στα οικοσυστήματα

Τα φυτά λαμβάνουν την ενέργεια του ήλιου και τη χρησιμοποιούν για να μετατρέψουν ανόργανες ενώσεις σε πλούσιες οργανικές ενώσεις. Συγκεκριμένα, μετατρέπουν το ηλιακό φως και το διοξείδιο του άνθρακα σε γλυκόζη και οξυγόνο. Επομένως, οι βιολογικές δραστηριότητες σε ένα οικοσύστημα απαιτούν ενέργεια από τον ήλιο.

Η ληφθείσα ηλιακή ενέργεια υφίσταται ενεργειακό μετασχηματισμό στα οικοσυστήματα σε χημική ενέργεια, η οποία δεσμεύεται σε μορφή γλυκόζης ως δυνητική ενέργεια κατά τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης. Αυτή η ενέργεια ρέει έπειτα σε όλο το οικοσύστημα μέσω της τροφικής αλυσίδας και μιας διαδικασίας που ονομάζεται ροή ενέργειας.

Φωτοσύνθεση σηματοδοτεί την αρχή μιας αλυσίδας ενεργειακών μετατροπών σε ένα οικοσύστημα, το οποίο μπορεί να φανεί σε πολλά παραδείγματα τροφικής αλυσίδας. Ορισμένα ζώα τρέφονται με προϊόντα φωτοσύνθεσης, όπως όταν οι κατσίκες τρώνε θάμνους, τα σκουλήκια τρώνε χόρτο και οι αρουραίοι τρώνε δημητριακά. Όταν τα ζώα τρέφονται με αυτά τα φυτικά προϊόντα, η τροφή και οι οργανικές ενώσεις μεταφέρονται από τα φυτά στα ζώα.

Τα περισσότερα παραδείγματα τροφικής αλυσίδας στα οικοσυστήματα θα δείξουν επίσης ότι τα ζώα που τρώνε οι παραγωγοί είναι στρίβεται από άλλα ζώα, μεταφέροντας περαιτέρω ενέργεια και οργανικές ενώσεις από ένα ζώο σε αλλο. Μερικά παραδείγματα οικοσυστημάτων αυτού είναι όταν οι άνθρωποι τρώνε πρόβατα, όταν τα πουλιά τρέφονται με σκουλήκια και όταν τα λιοντάρια τρώνε ζέβρες. Αυτή η αλυσίδα ενεργειακού μετασχηματισμού από ένα είδος σε άλλο μπορεί να συνεχιστεί για αρκετούς κύκλους, αλλά τελικά τελειώνει όταν τα νεκρά ζώα αποσυντίθενται, γίνονται διατροφή για μύκητες, βακτήρια και άλλα αποσυνθέτες.

Οι μύκητες και τα βακτήρια είναι παραδείγματα αποσυνθέτες στον ενεργειακό μετασχηματισμό στα οικοσυστήματα. Είναι υπεύθυνοι για τη διάσπαση των σύνθετων οργανικών ενώσεων σε απλά θρεπτικά συστατικά. Οι αποσυνθέτες είναι σημαντικοί στο οικοσύστημα επειδή διαλύουν τα νεκρά υλικά που εξακολουθούν να περιέχουν πηγές ενέργειας. Υπάρχουν διάφοροι τύποι οργανισμών αποσύνθεσης, οι οποίοι είναι υπεύθυνοι για την επιστροφή απλούστερων θρεπτικών συστατικών στο έδαφος που θα χρησιμοποιηθούν από τα φυτά - και έτσι ο κύκλος μετασχηματισμού ενέργειας συνεχίζεται.

Η ενέργεια που συσσωρεύεται από τους πρωτογενείς παραγωγούς μεταφέρεται μέσω της τροφικής αλυσίδας μέσω διαφορετικών τροφικών επιπέδων σε ένα φαινόμενο που ονομάζεται ροή ενέργειας. Η πορεία της ροής ενέργειας μετακινείται από πρωτογενείς παραγωγούς σε πρωτογενείς καταναλωτές σε δευτερεύοντες καταναλωτές και τέλος σε αποσυνθέτες. Μόνο περίπου το 10 τοις εκατό της διαθέσιμης ενέργειας μετακινείται από το ένα τροφικό επίπεδο στο άλλο.

Παραδείγματα οικοσυστημάτων και παραδείγματα τροφικής αλυσίδας στα οικοσυστήματα δείχνουν αυτήν την ιδέα λίγο πιο εύκολη.

Για παράδειγμα, σε ένα δασικό οικοσύστημα, τα δέντρα και οι χλόες μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε χημική ενέργεια. Αυτή η ενέργεια ρέει στους πρωτογενείς καταναλωτές του οικοσυστήματος όπως τα έντομα και τα φυτοφάγα όπως τα ελάφια. Δευτερεύοντες καταναλωτές όπως αλεπούδες, λύκοι και πουλιά τρώνε και παίρνουν ενέργεια από αυτούς τους οργανισμούς. Όταν κάποιος από αυτούς τους οργανισμούς πεθάνει, οι μύκητες, τα σκουλήκια και άλλοι αποσυνθέτες τους διαλύουν για να λάβουν ενέργεια και θρεπτικά συστατικά.

Η ροή ενέργειας μέσω μιας τροφικής αλυσίδας συμβαίνει ως αποτέλεσμα δύο νόμων θερμοδυναμικής, οι οποίοι εφαρμόζονται στο οικοσύστημα.

Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής αναφέρει ότι οι διεργασίες που περιλαμβάνουν μετασχηματισμό ενέργειας δεν θα συμβούν αυθόρμητα, εκτός εάν υπάρχει υποβάθμιση της ενέργειας από μια μη τυχαία μορφή σε μια τυχαία μορφή. Αυτός ο νόμος απαιτεί ότι σε ένα οικοσύστημα κάθε μεταφορά ενέργειας πρέπει να συνοδεύεται από διασπορά ενέργειας σε αναπνοή ή μη διαθέσιμη θερμότητα. Με απλά λόγια: η μεταφορά ενέργειας μεταξύ των τροφικών επιπέδων οδηγεί επίσης σε απώλεια ενέργειας μέσω θερμότητας.

Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής είναι ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας, ο οποίος αναφέρει ότι η ενέργεια μπορεί να μετατραπεί από τη μία πηγή στην άλλη, αλλά ούτε δημιουργείται ούτε καταστρέφεται. Εάν συμβεί αύξηση ή μείωση στην εσωτερική ενέργεια (E) ενός οικοσυστήματος, γίνεται εργασία (W) και αλλάζει η θερμότητα (Q).