Energiamuutokset ekosysteemeissä

Kasvit vastaanottavat auringon energiaa ja käyttävät sitä epäorgaanisten yhdisteiden muuntamiseen rikkaiksi orgaanisiksi yhdisteiksi. Erityisesti ne muuttavat auringonvalon ja hiilidioksidin glukoosiksi ja hapeksi. Siksi ekosysteemin biologinen toiminta vaatii aurinkoa.

Vastaanotettu aurinkoenergia muuttuu ekosysteemeissä energiamuunnokseksi kemialliseksi energiaksi, joka sitoutuu glukoosimuodossa potentiaalisena energiana fotosynteesin aikana. Tämä energia virtaa sitten koko ekosysteemissä ravintoketjun ja kutsutun prosessin läpi energian virtaus.

Fotosynteesi merkitsee ekosysteemin energiakonversioketjun alkua, mikä näkyy monissa elintarvikeketjun esimerkeissä. Monet eläimet syövät fotosynteesituotteista, kuten esimerkiksi silloin, kun vuohet syövät pensaita, madot syövät ruohoa ja rotat syövät jyviä. Kun eläimet ruokkivat näitä kasvituotteita, ruokaenergia ja orgaaniset yhdisteet siirtyvät kasveista eläimille.

Useimmat ekosysteemien ruokaketjuesimerkit osoittavat myös, että eläimet, jotka syövät tuottajia, ovat muut eläimet syövät, siirtäen edelleen energiaa ja orgaanisia yhdisteitä yhdestä eläimestä toinen. Joitakin ekosysteemiesimerkkejä tästä ovat, kun ihmiset syövät lampaita, kun linnut syövät matoja ja kun leijonat syövät seeproja. Tämä energianmuutosketju yhdestä lajista toiseen voi jatkua useita syklejä, mutta se lopulta loppuu, kun kuolleet eläimet hajoavat ja siitä tulee ravintoa sienille, bakteereille ja muille hajottajat.

Sienet ja bakteerit ovat esimerkkejä hajottajat ekosysteemien energianmuutoksessa. Ne ovat vastuussa monimutkaisten orgaanisten yhdisteiden hajottamisesta yksinkertaisiksi ravinteiksi. Hajottajat ovat tärkeitä ekosysteemissä, koska ne hajottavat kuolleita materiaaleja, jotka sisältävät edelleen energialähteitä. Hajottajaorganismeja on erityyppisiä, jotka ovat vastuussa yksinkertaisempien ravintoaineiden palauttamisesta kasvien käyttämään maaperään - ja siten energianmuutosjakso jatkuu.

Alkutuottajien keräämä energia siirtyy ravintoketjun kautta eri trofisten tasojen kautta ns. Ilmiössä energian virtaus. Energiavirta kulkee alkutuottajilta alkukuluttajille toissijaisille kuluttajille ja lopulta hajottajille. Vain noin 10 prosenttia käytettävissä olevasta energiasta siirtyy trofisesta tasosta seuraavalle.

Ekosysteemi- ja ruokaketjuesimerkit ekosysteemeissä osoittavat tämän käsitteen hieman helpommaksi.

Esimerkiksi metsäekosysteemissä puut ja ruohot muuttavat aurinkoenergian kemialliseksi energiaksi. Tämä energia virtaa ekosysteemin ensisijaisiin kuluttajiin, kuten hyönteisiin ja kasvinsyöjiin, kuten peuroihin. Toissijaiset kuluttajat, kuten ketut, sudet ja linnut, syövät ja saavat energiaa näistä organismeista. Kun jokin näistä organismeista kuolee, sienet, matot ja muut hajottajat hajottavat ne saadakseen energiaa ja ravinteita.

Energian virtaus ravintoketjun läpi tapahtuu kahden ekosysteemiin sovellettavan termodynamiikan lain seurauksena.

Ensimmäisessä termodynamiikan laissa todetaan, että prosessit, joihin liittyy energian muunnos, eivät tapahdu spontaanisti, ellei tapahtuu energian hajoamista ei-satunnaisesta muodosta satunnaiseksi. Tämä laki vaatii, että ekosysteemissä jokaiseen energiansiirtoon tulee liittyä energian hajauttaminen hengitykseen tai käyttämättömään lämpöön. Yksinkertaisesti sanottuna: energiansiirto trofisten tasojen välillä johtaa myös energian menetykseen lämmön kautta.

Toinen termodynamiikan laki on energiansäästölaki, jonka mukaan energia voidaan muuntaa yhdestä lähteestä toiseen, mutta sitä ei luoda eikä tuhota. Jos ekosysteemin sisäinen energia (E) lisääntyy tai vähenee, työ (W) tehdään ja lämpö (Q) muuttuu.