Ενεργειακή ροή (Οικοσύστημα): Ορισμός, Διαδικασία & Παραδείγματα

Ενα οικοσύστημα ορίζεται ως μια κοινότητα διαφόρων οργανισμών που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και το περιβάλλον τους σε μια συγκεκριμένη περιοχή. Αντιπροσωπεύει όλες τις αλληλεπιδράσεις και τις σχέσεις μεταξύ των δύο βιοτικός (ζουν) και αβιοτικός (μη ζωντανοί) παράγοντες.

Η ενέργεια είναι αυτό που ωθεί το οικοσύστημα να ευδοκιμήσει. Και ενώ όλα η ύλη διατηρείται σε ένα οικοσύστημα, ενέργεια ρέει μέσω ενός οικοσυστήματος, που σημαίνει ότι δεν διατηρείται. Η ενέργεια εισέρχεται σε όλα τα οικοσυστήματα ως ηλιακό φως και χάνεται σταδιακά καθώς η θερμότητα επιστρέφει στο περιβάλλον.

Ωστόσο, πριν η ενέργεια ρέει έξω από το οικοσύστημα ως θερμότητα, ρέει μεταξύ οργανισμών σε μια διαδικασία που ονομάζεται ροή ενέργειας. Αυτή η ροή ενέργειας προέρχεται από τον ήλιο και στη συνέχεια πηγαίνει από τον οργανισμό στον οργανισμό που είναι η βάση όλων των αλληλεπιδράσεων και των σχέσεων μέσα σε ένα οικοσύστημα.

Ο ορισμός της ενεργειακής ροής είναι η μεταφορά ενέργειας από τον ήλιο και σε κάθε επόμενο επίπεδο της τροφικής αλυσίδας σε ένα περιβάλλον.

Κάθε επίπεδο ροής ενέργειας στο τροφική αλυσίδα σε ένα οικοσύστημα ορίζεται από ένα τροφικό επίπεδο, το οποίο αναφέρεται στη θέση που καταλαμβάνει ένας συγκεκριμένος οργανισμός ή ομάδα οργανισμών στην τροφική αλυσίδα. Η αρχή της αλυσίδας, η οποία θα ήταν στο κάτω μέρος της ενεργειακής πυραμίδας, είναι η πρώτα τροφικό επίπεδο. Το πρώτο τροφικό επίπεδο περιλαμβάνει παραγωγούς και αυτότροπα που μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε χρησιμοποιήσιμη χημική ενέργεια μέσω της φωτοσύνθεσης.

Το επόμενο επίπεδο στην τροφική αλυσίδα / ενεργειακή πυραμίδα θα θεωρηθεί το δεύτερο τροφικό επίπεδο, το οποίο συνήθως καταλαμβάνεται από έναν τύπο πρωτογενούς καταναλωτή, όπως ένα φυτοφάγο που τρώει φυτά ή φύκια. Κάθε επόμενο βήμα στην τροφική αλυσίδα ισοδυναμεί με ένα νέο τροφικό επίπεδο.

Εκτός από τα τροφικά επίπεδα, υπάρχουν μερικοί ακόμη όροι που πρέπει να γνωρίζετε για να κατανοήσετε τη ροή ενέργειας.

Βιομάζα:Βιομάζα είναι οργανικό υλικό ή οργανική ύλη. Η βιομάζα είναι το φυσικό οργανικό υλικό στο οποίο αποθηκεύεται η ενέργεια, όπως η μάζα που αποτελείται από φυτά και ζώα.

Παραγωγικότητα: Η παραγωγικότητα είναι ο ρυθμός με τον οποίο η ενέργεια ενσωματώνεται στα σώματα των οργανισμών ως βιομάζα. Μπορείτε να ορίσετε την παραγωγικότητα για οποιοδήποτε και όλα τα τροφικά επίπεδα. Για παράδειγμα, πρωταρχικός παραγωγικότητα είναι η παραγωγικότητα των πρωτογενών παραγωγών σε ένα οικοσύστημα.

Ακαθάριστη πρωτογενής παραγωγικότητα (GPP): Το GPP είναι ο ρυθμός με τον οποίο η ενέργεια από τον ήλιο συλλαμβάνεται σε μόρια γλυκόζης. Μετρά ουσιαστικά πόση συνολική χημική ενέργεια παράγεται από πρωτογενείς παραγωγούς σε ένα οικοσύστημα.

Καθαρή πρωτογενής παραγωγικότητα (NPP): Το NPP μετρά επίσης πόση χημική ενέργεια παράγεται από πρωτογενείς παραγωγούς, αλλά λαμβάνει επίσης υπόψη την απώλεια ενέργειας λόγω μεταβολικών αναγκών από τους ίδιους τους παραγωγούς. Έτσι, το NPP είναι ο ρυθμός με τον οποίο η ενέργεια από τον ήλιο συλλαμβάνεται και αποθηκεύεται ως ύλη βιομάζας και είναι ίση με την ποσότητα διαθέσιμης ενέργειας για τους άλλους οργανισμούς του οικοσυστήματος. Το NPP είναι πάντα χαμηλότερο ποσό από το GPP.

Το NPP διαφέρει ανάλογα με το οικοσύστημα. Εξαρτάται από μεταβλητές όπως:

• Διαθέσιμο φως του ήλιου.
• Θρεπτικά συστατικά στο οικοσύστημα.
• Ποιότητα εδάφους.
• Θερμοκρασία.
• Υγρασία.
• CO₂ επίπεδα.
  

Η ενέργεια εισέρχεται στα οικοσυστήματα ως ηλιακό φως και μετατρέπεται σε χρησιμοποιήσιμη χημική ενέργεια από παραγωγούς όπως φυτά εδάφους, φύκια και φωτοσυνθετικά βακτήρια. Μόλις αυτή η ενέργεια εισέλθει στο οικοσύστημα μέσω της φωτοσύνθεσης και μετατραπεί σε βιομάζα από αυτούς τους παραγωγούς, η ενέργεια ρέει μέσω της τροφικής αλυσίδας όταν οι οργανισμοί τρώνε άλλους οργανισμούς.

Το γρασίδι χρησιμοποιεί τη φωτοσύνθεση, το σκαθάρι τρώει χόρτο, το πουλί τρώει σκαθάρι και ούτω καθεξής.

Καθώς ανεβαίνετε τα τροφικά επίπεδα και συνεχίζετε κατά μήκος της τροφικής αλυσίδας, η ενεργειακή ροή δεν είναι 100% αποτελεσματική. Μόνο περίπου το 10 τοις εκατό της διαθέσιμης ενέργειας το κάνει από το ένα τροφικό επίπεδο στο επόμενο τροφικό επίπεδο, ή από τον ένα οργανισμό στον άλλο. Η υπόλοιπη διαθέσιμη ενέργεια (περίπου το 90% αυτής της ενέργειας) χάνεται ως θερμότητα.

Η καθαρή παραγωγικότητα κάθε επιπέδου μειώνεται κατά 10, καθώς ανεβαίνετε σε κάθε τροφικό επίπεδο.

Γιατί αυτή η μεταφορά δεν είναι 100% αποτελεσματική; Υπάρχουν τρεις κύριοι λόγοι:

1. Δεν καταναλώνονται όλοι οι οργανισμοί από κάθε τροφικό επίπεδο: Σκεφτείτε το έτσι: η καθαρή πρωτογενής παραγωγικότητα αντιστοιχεί σε όλη τη διαθέσιμη ενέργεια για τους οργανισμούς σε ένα οικοσύστημα που παρέχεται από τους παραγωγούς για αυτούς τους οργανισμούς σε υψηλότερα τροφικά επίπεδα. Για να έχει όλη αυτή η ενέργεια να ρέει από αυτό το επίπεδο στο επόμενο, αυτό σημαίνει ότι όλοι αυτοί οι παραγωγοί θα πρέπει να καταναλωθούν. Κάθε λεπίδα χόρτου, κάθε μικροσκοπικό κομμάτι άλγης, κάθε φύλλο, κάθε λουλούδι και ούτω καθεξής. Αυτό δεν συμβαίνει, πράγμα που σημαίνει ότι μέρος αυτής της ενέργειας δεν ρέει από αυτό το επίπεδο στα υψηλότερα τροφικά επίπεδα.

2. Δεν μπορεί να μεταφερθεί όλη η ενέργεια από το ένα επίπεδο στο άλλο: Ο δεύτερος λόγος για τον οποίο η ροή ενέργειας είναι ανεπαρκής είναι επειδή κάποια ενέργεια είναι ανίκανη να μεταφερθεί και, επομένως, χάνεται. Για παράδειγμα, οι άνθρωποι δεν μπορούν να αφομοιώσουν την κυτταρίνη. Παρόλο που αυτή η κυτταρίνη περιέχει ενέργεια, οι άνθρωποι δεν μπορούν να την αφομοιώσουν και να πάρουν ενέργεια από αυτήν, και χάνεται ως "απόβλητο" (π.χ. κοπράνων).

Αυτό ισχύει για όλους τους οργανισμούς: υπάρχουν ορισμένα κύτταρα και τεμάχια ύλης που δεν μπορούν να αφομοιώσουν που θα εκκρίνονται ως απόβλητα / θα χαθούν ως θερμότητα. Έτσι, ακόμη και αν η διαθέσιμη ενέργεια που έχει ένα κομμάτι τροφής είναι μία ποσότητα, είναι αδύνατο για έναν οργανισμό που τον τρώει να λαμβάνει κάθε μονάδα διαθέσιμης ενέργειας μέσα σε αυτό το φαγητό. Μέρος αυτής της ενέργειας θα χαθεί πάντα.

3. Ο μεταβολισμός χρησιμοποιεί ενέργεια: Τέλος, οι οργανισμοί καταναλώνουν ενέργεια για μεταβολικές διεργασίες όπως η κυτταρική αναπνοή. Αυτή η ενέργεια εξαντλείται και δεν μπορεί στη συνέχεια να μεταφερθεί στο επόμενο τροφικό επίπεδο.

Η ροή ενέργειας μπορεί να περιγραφεί μέσω των τροφικών αλυσίδων ως η μεταφορά ενέργειας από τον ένα οργανισμό στον άλλο, ξεκινώντας από τους παραγωγούς και ανεβαίνοντας την αλυσίδα καθώς οι οργανισμοί καταναλώνονται ο ένας από τον άλλο. Ένας άλλος τρόπος για να εμφανιστεί αυτός ο τύπος αλυσίδας ή απλά για να εμφανιστούν τα τροφικά επίπεδα είναι μέσω των πυραμίδων τροφίμων / ενέργειας.

Επειδή η ροή ενέργειας είναι αναποτελεσματική, το χαμηλότερο επίπεδο της τροφικής αλυσίδας είναι σχεδόν πάντα το μεγαλύτερο από την άποψη τόσο της ενέργειας όσο και της βιομάζας. Γι 'αυτό εμφανίζεται στη βάση της πυραμίδας. αυτό είναι το επίπεδο που είναι το μεγαλύτερο. Καθώς ανεβαίνετε κάθε τροφικό επίπεδο ή κάθε επίπεδο της τροφικής πυραμίδας, τόσο η ενέργεια όσο και η βιομάζα μειώνονται, γι 'αυτό τα επίπεδα περιορίζονται σε αριθμό και στενά οπτικά καθώς ανεβαίνετε την πυραμίδα.

Σκεφτείτε το με αυτόν τον τρόπο: Χάνετε το 90 τοις εκατό της διαθέσιμης ποσότητας ενέργειας καθώς ανεβαίνετε σε κάθε επίπεδο. Μόνο το 10 τοις εκατό της ενέργειας ρέει κατά μήκος, το οποίο δεν μπορεί να υποστηρίξει τόσους οργανισμούς όσο το προηγούμενο επίπεδο. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τόσο λιγότερη ενέργεια όσο και λιγότερη βιομάζα σε κάθε επίπεδο.

Αυτό εξηγεί γιατί υπάρχει συνήθως μεγαλύτερος αριθμός οργανισμών χαμηλότερος στην τροφική αλυσίδα (όπως γρασίδι, έντομα και μικρά ψάρια, για παράδειγμα) και πολύ μικρότερο αριθμό οργανισμών στην κορυφή της τροφικής αλυσίδας (για παράδειγμα αρκούδες, φάλαινες και λιοντάρια).

Ακολουθεί μια γενική αλυσίδα για το πώς ρέει η ενέργεια σε ένα οικοσύστημα:

1. Η ενέργεια εισέρχεται στο οικοσύστημα μέσω του ηλιακού φωτός ηλιακή ενέργεια.
2. Πρωτογενείς παραγωγοί (δηλαδή, το πρώτο τροφικό επίπεδο) μετατρέπει την ηλιακή ενέργεια σε χημική ενέργεια μέσω της φωτοσύνθεσης. Κοινά παραδείγματα είναι τα φυτά της γης, τα φωτοσυνθετικά βακτήρια και τα φύκια. Αυτοί οι παραγωγοί είναι φωτοσυνθετικά αυτότροφα, πράγμα που σημαίνει ότι δημιουργούν τα δικά τους τρόφιμα / οργανικά μόρια με την ενέργεια του ήλιου και το διοξείδιο του άνθρακα.
3. Κάποια από αυτή τη χημική ενέργεια που δημιουργούν οι παραγωγοί είναι τότε ενσωματώθηκε στο θέμα που απαρτίζουν αυτούς τους παραγωγούς. Το υπόλοιπο χάνεται ως θερμότητα και χρησιμοποιείται στον μεταβολισμό αυτών των οργανισμών.
4. Τότε καταναλώνονται από πρωταρχικοί καταναλωτές (δηλαδή, δεύτερο τροφικό επίπεδο). Κοινά παραδείγματα είναι τα φυτοφάγα και τα παμφάγα που τρώνε φυτά. Η ενέργεια που έχει αποθηκευτεί στην ύλη αυτών των οργανισμών μεταφέρεται στο επόμενο τροφικό επίπεδο. Κάποια ενέργεια χάνεται ως θερμότητα και ως απόβλητο.
5. Το επόμενο τροφικό επίπεδο περιλαμβάνει άλλους καταναλωτές / αρπακτικά που θα τρώνε τους οργανισμούς στο δεύτερο τροφικό επίπεδο (δευτερογενείς καταναλωτές, τριτοβάθμιοι καταναλωτές και ούτω καθεξής). Με κάθε βήμα που ανεβαίνετε στην τροφική αλυσίδα, κάποια ενέργεια χάνεται.
6. Όταν οι οργανισμοί πεθαίνουν, αποσυνθέτες όπως τα σκουλήκια, τα βακτήρια και οι μύκητες διαλύουν τους νεκρούς οργανισμούς και αμφότερα ανακυκλώνουν τα θρεπτικά συστατικά στο οικοσύστημα και παίρνουν ενέργεια για τον εαυτό τους. Όπως πάντα, κάποια ενέργεια χάνεται ακόμα ως θερμότητα.

Χωρίς παραγωγούς, δεν θα υπήρχε τρόπος εισόδου οποιουδήποτε ποσού ενέργειας στο οικοσύστημα σε χρησιμοποιήσιμη μορφή. Η ενέργεια πρέπει συνεχώς να εισέρχεται στο οικοσύστημα μέσω του ηλιακού φωτός και εκείνων των πρωταρχικών παραγωγών, αλλιώς ολόκληρος ο ιστός / αλυσίδα τροφίμων στο οικοσύστημα θα καταρρεύσει και θα πάψει να υπάρχει.

Εύκρατα δασικά οικοσυστήματα είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα για την εμφάνιση του τρόπου λειτουργίας της ροής ενέργειας.

Όλα ξεκινούν με την ηλιακή ενέργεια που εισέρχεται στο οικοσύστημα. Αυτό το ηλιακό φως συν διοξείδιο του άνθρακα θα χρησιμοποιηθεί από έναν αριθμό πρωτογενών παραγωγών σε ένα δασικό περιβάλλον, όπως:

• Δέντρα (όπως σφενδάμι, δρυς, τέφρα και πεύκο).
• Χλόες.
• Αμπέλια.
• Άλγη σε λίμνες / ρέματα.

Στη συνέχεια έρχονται οι κύριοι καταναλωτές. Στο εύκρατο δάσος, αυτό θα περιλαμβάνει φυτοφάγα ζώα όπως ελάφια, διάφορα φυτοφάγα έντομα, σκίουρους, σκίουροι, κουνέλια και άλλα. Αυτοί οι οργανισμοί τρώνε τους πρωτογενείς παραγωγούς και ενσωματώνουν την ενέργειά τους στο σώμα τους. Κάποια ενέργεια χάνεται ως θερμότητα και απόβλητα.

Οι δευτερογενείς και τριτογενείς καταναλωτές τρώνε έπειτα αυτούς τους άλλους οργανισμούς. Σε ένα εύκρατο δάσος, αυτό περιλαμβάνει ζώα όπως ρακούν, αρπακτικά έντομα, αλεπούδες, κογιότ, λύκους, αρκούδες και αρπακτικά πουλιά.

Όταν κάποιος από αυτούς τους οργανισμούς πεθάνει, οι αποσυνθέτες διαλύουν τα σώματα των νεκρών οργανισμών και η ενέργεια ρέει προς τους αποσυνθέτες. Σε ένα εύκρατο δάσος, αυτό θα περιλαμβάνει σκουλήκια, μύκητες και διάφορους τύπους βακτηρίων.

Η ιδέα της «ροής της ενέργειας» της πυραμίδας μπορεί να αποδειχθεί και με αυτό το παράδειγμα. Η πιο διαθέσιμη ενέργεια και βιομάζα βρίσκεται στο χαμηλότερο επίπεδο της πυραμίδας τροφίμων / ενέργειας: οι παραγωγοί με τη μορφή ανθοφόρων φυτών, χόρτων, θάμνων και άλλων. Το επίπεδο με τη λιγότερη ενέργεια / βιομάζα βρίσκεται στην κορυφή της πυραμίδας / τροφικής αλυσίδας με τη μορφή καταναλωτών υψηλού επιπέδου όπως αρκούδες και λύκοι.

Ενώ θαλάσσια οικοσυστήματα Όπως ένας κοραλλιογενής ύφαλος είναι πολύ διαφορετικός από τα χερσαία οικοσυστήματα όπως τα εύκρατα δάση, μπορείτε να δείτε πώς λειτουργεί η έννοια της ροής ενέργειας με τον ίδιο ακριβώς τρόπο.

Οι πρωτογενείς παραγωγοί σε περιβάλλον κοραλλιογενών υφάλων είναι κυρίως μικροσκοπικό πλαγκτόν, μικροσκοπικοί οργανισμοί που μοιάζουν με φυτά που βρίσκονται στο κοράλλι και επιπλέουν ελεύθερα στο νερό γύρω από την κοραλλιογενή ύφαλο. Από εκεί, διάφορα ψάρια, μαλάκια και άλλα φυτοφάγα πλάσματα, όπως οι αχινοί που ζουν στον ύφαλο, καταναλώνουν αυτούς τους παραγωγούς (κυρίως φύκια σε αυτό το οικοσύστημα) για ενέργεια.

Η ενέργεια ρέει έπειτα στο επόμενο τροφικό επίπεδο, το οποίο σε αυτό το οικοσύστημα θα ήταν μεγαλύτερα αρπακτικά ψάρια όπως οι καρχαρίες και τα barracuda μαζί με το χέλι, τα ψάρια, τις ακτίνες, τα καλαμάρια και άλλα.

Οι αποσυνθέτες υπάρχουν και στους κοραλλιογενείς υφάλους. Μερικά παραδείγματα περιλαμβάνουν:

• Αγγούρια
• Βακτηριακά είδη.
• Γαρίδα.
• Εύθραυστος αστερίας.
• Διάφορα είδη καβουριών (για παράδειγμα, το διακοσμητικό καβούρι).

Μπορείτε επίσης να δείτε την έννοια της πυραμίδας με αυτό το οικοσύστημα. Η πιο διαθέσιμη ενέργεια και βιομάζα υπάρχει στο πρώτο τροφικό επίπεδο και στο χαμηλότερο επίπεδο της τροφικής πυραμίδας: οι παραγωγοί με τη μορφή φυκών και κοραλλιών. Το επίπεδο με τη λιγότερη ενέργεια και συσσωρευμένη βιομάζα βρίσκεται στην κορυφή με τη μορφή καταναλωτών υψηλού επιπέδου όπως οι καρχαρίες.