EKOSISTEMA
Kadangi mes visi - zmones, gyvūnai, augalai ir kitos gyvybės formos esame Zemės planetos gyventojai, tai natūralu pasidomėti kaip sudaryta si planeta, kur yra gyvybei egzistuoti tinkama aplinka?
|
Biosferos vieta Zemėje |
Zemės planeta daugeliu poziūrių yra unikali. Skirtingai nuo kitų Saulės sistemos planetų, Zemėje yra vandens, ją gaubia atmosfera, joje gausu gyvųjų organizmų. Vanduo priklauso hidrosferai, kuri uzima tris ketvirčius zemės pavirsiaus. Viską įsildantys saulės spinduliai įsuka ir vandens ciklą. Vandenį garina vandenynai, jūros, ezerai, upės ir visi gyvieji organizmai. Taip vanduo patenka į atmosferą. Ten vanduo kondensuojasi ir iskrinta kaip lietus. Vandenynai ir jūros svelnina temperatūros svyravimus Zemėje; aplinkos temperatūrai kylant, didelę dalį silumos sugeria vandenynai ir jūros, o aplinkos temperatūrai krintant, jie is lėto grązina silumą į atmosferą. Temperatūra Zemėje visada islieka tinkama gyvybei egzistuoti. |
Atmosfera gaubia Zemės pavirsių mazdaug 16 km sluoksniu ties pusiauju ir 8 km -ties asigaliais. Troposfera - tai apatinė ir tankiausia atmosferos dalis, kur susitelkę 70-90% atmosferos masės, t 20220b114u ame tarpe 21% deguonies, besąlygiskai svarbaus visai organizmų gyvybinei veiklai palaikyti. Aukstieji atmosferos sluoksniai (stratosfera, mezosfera, termosfera) siekia iki 1000 km, tačiau čia yra mazas atmosferos tankis, dideli temperatūrų svyravimai ir milziniskas kosminių jėgų poveikis. Atmosferos cheminė sudėtis yra tokia: O2 - 21%, CO2 - 0,03%, N2 - 78%, Argono - 0,93% ir labai mazi kiekiai neono, helio, metano, kriptono, vandenilio. Aukstesniame atmosferos sluoksnyje stratosferoje is deguonies susidaro ozonas (prie molekulinio O2 prisijungia atominis O = O3 ). Ozono sluoksnis sugeria daug ultravioletinių saulės spindulių ir saugo zemę nuo kenksmingos radiacijos lyg skydas, taip sudarydamas Zemėje gyvybei tinkamas sąlygas.
Litosfera vadinamas visas uolinis Zemės kevalas, apimantis plutą virsutinę mantiją iki 70-75 km po vandenynais ir 100-200 km po zemynais. Dėl vėjo, vandens ir temperatūrų kaitos ir geocheminių-geofizinių procesų uolienos dūla. Tokiu būdu atpalaiduojamos mineralinės medziagos reikalingos augalų ir kitų organizmų augimui. Augalams apmirus, dirvos pavirsiuje pasilieka negyvoji augalinė biomasė, kuri, dalyvaujant įvairiems organizmams ir mikroorganizmams, puvimo procesuose virsta humusu. Organinės medziagos suskaidomos iki neorganinių (mineralinių) junginių ir medziagų, kurios vėl dalyvauja fotosintezėje.
Ta atmosferos, hidrosferos ir litosferos dalis, kurioje egzistuoja gyvybė yra vadinama biosfera. Gyvųjų organizmų ir jų aplinkos sąveikos padeda biosferai islikti tinkama gyvybei egzistuoti. Zmogaus veikla gali pakeisti gyvųjų organizmų ir jų aplinkos sąveikas taip, kad organizmų gausumas ir įvairovė gali sumazėti. Todėl labai svarbu suprasti kaip funkcionuoja biosfera, t.y. kaip veikia gamta, kas palaiko jos gyvybingumą bei kokia jos struktūra ir organizacija.
|
Ekosistemos struktūra ir organizacija |
Mus supančioje aplinkoje mes galime isskirti visą eilę ekosistemų, t.y. miskai, pievos, dirbami laukai, upės, ezerai, tvenkiniai. Ekosistemas sudaro gyvieji organizmai ir negyvoji aplinka. Ekosistema - tai sausumos arba vandens dalis, kurioje gyvena įvairūs augalai, gyvūnai bei mikroorganizmai, t.y. - organizmų visuma, kurie su abiotine aplinka sudaro vieningą kompleksą ir kuriame nuolat vyksta medziagų ir energijos apykaita. Ekosistemos apibrėzimą 1935 m. pasiūlė anglų ekologas A.Tenslis. Jis ekosistemas laikė pagrindiniais gamtiniais vienetais, kuriuose galima suvokti ir issiaiskinti organizmų tarpusavio rysių giluminę esmę. Tačiau siuos rysius nagrinėjant, negalima organizmų atitraukti nuo fizinės-cheminės aplinkos, su kuria jie sudaro tam tikrą sistemą. Taigi, ekosistemas sudaro gyvieji organizmai (biocenozė arba biotinė ekosistemos dalis) ir negyvoji aplinka, kurioje jie gyvena (abiotinė dalis arba biotopas). Ekosistemos biotinė ir abiotinė dalys yra neatsiejamai susijusios daugybe santykių ir rysių. |
Nesvarbu, kad nesunku atskirti gyvąją gamtą nuo negyvosios, tačiau jos neegzistuoja atskirai. Kuo jos skiriasi viena nuo kitos? Visos gyvybės formos turi eilę savybių skirtingų nuo negyvosios gamtos. Dauginimasis ir judėjimas - tai dvi akivaizdzios organizmų savybės, nors augalų judėjimas isreikstas labai silpnai, o kristalai, priklausantys negyvajai aplinkai, gali augti, ką būtų galima priskirti dauginimuisi, tačiau organizmų dauginimosi metu perduodama genetinė informacija. Be to, organizmai į pasikeitusią aplinką reaguoja atsakomosiomis reakcijomis, ir jei sėkmingai, tai prisitaiko prie pakitusios aplinkos. Taip pat gyvoms būtybėms būdinga tam tikra struktūra, o jos palaikymui ir gyvybinių funkcijų vykdymui reikalinga energija ir maisto medziagos.
Taigi visoms gyvoms būtybėms, visiems organizmams esminę svarbą turi energija. Bet ji reiksminga ne tik jų egzistencijai, mes negalime įsivaizduoti jokio darbo, jokio vyksmo, jokios praktinės veiklos, kuriai nereikėtų energijos, ji reikalinga net mąstymo procesui. Bet kas yra energija? Į sį klausimą sunku atsakyti taip, kad būtų aisku ir suprantama kiekvienam. Pradėkime nuo to, kad energija - tai abstrakti sąvoka, pasiūlyta fizikų tam, kad būtų galima pabandyti vienodais terminais paaiskinti skirtingus reiskinius, susijusius su temperatūra ir darbu. Siuo metu energijos terminas tapo vienu svarbiausiu gamtos moksluose. Saulė yra svarbiausias ir geriausias pasaulyje energijos saltinis visiems Zemės planetos gyventojams. Ir jis yra tik 8 minutės kelio nuo mūsų. Saulės spindulių sviesos energija patekusi į bet kurią ekosistemą yra transformuojama į organizmams prieinamą formą ir sunaudojama gyvybiniams poreikiams patenkinti. Vartojant energiją, ji sunaudojama įvairiems darbams atlikti arba įvairių energetinių virsmų metu tam tikra dalis energijos, virtusi siluma sugrįzta į atmosferą.
Nors kiekviena ekosistema yra skirtinga ir unikali, tačiau bet kurioje ekosistemoje galima isskirti tokias pat organizmų funkcines grupes, kurios atlieka analogiskus darbus (11 pav.).
11 pav. Energijos ir maisto medziagų apytakos ekosistemose supaprastintas modelis. Reikia atkreipti dėmesį į tai, kad energijos srautas vienakryptis ir neciklinis, o maisto medziagų apytaka ciklinė (pagal Kormondy, 1992).
Energijos srautas srūva is Saulės, suteikdamas Zemės planetai sviesą, silumą ir garantuodamas aprūpinimą energija. Tačiau sviesos bangų energiją gali absorbuoti ir asimiliuoti tik augalai. Augalai zaliuose lapuose esančio pigmento chlorofilo dėka saulės energiją naudoja organinių junginių sintezei, is kurių sudaryti augalų lapai, sakos, stiebai, saknys, ziedai ir vaisiai. Augalai is oro ima anglies dioksidą, is dirvos - vandenį ir, vykdydami fotosintezę, gamina angliavandenius (gliukozę/ cukrus). Tokiu būdu augalai sviesos energiją paverčia į cheminę energiją ir vėliau sią energiją naudoja savo augimui, vystymuisi ir dauginimuisi. Todėl augalai yra autotrofai, nes patys pasigamina sau maistą. Tuo pačiu augalai yra energetinė medziaga, kurią gyvūnai - augalėdziai naudoja kaip maistą. Visi gyvūnai, mintantys augalėdziais (plėsrūnai), energiją taip pat gauna is maisto. Taigi augalai ne tik sau, bet ir kitiems organizmams gamina maistą bei sudaro gamintojų funkcinę grupę ekosistemoje, kuri turi ekologinį terminą - producentai. Tiek augalėdziai, tiek plėsrūnai, tiek parazitai atlieka vartotojų vaidmenį. Sie vartotojai yra gyvėdziai (biofagai) ir sudaro konsumentų funkcinę grupę ekosistemoje. Kiekvienas organizmas turi gyvenimo pradzią ir pabaigą. Jeigu jis nebuvo suėstas gyvas, tai yra suvartojamas negyvas. Sį darbą atlieka reducentai arba skaidytojai. Negyvi organizmai (augalai ir gyvūnai) yra vertingas maistas tiek energetiniu, tiek maisto medziagų atzvilgiu. Reducentai, maitindamiesi negyvais organizmais, ne tik patenkina savo gyvybinius poreikius, bet ir atlieka labai svarbų darbą ekosistemos medziagų apykaitoje. Skaidytojai suskaido negyvą organinę medziagą, suvartodami visą joje esančią energiją savo gyvybinėms reikmėms ir mineralizuoja ją iki neorganinių medziagų ir junginių, kurie tokiu pavidalu yra vėl tinkami pakartotinam naudojimui fotosintezės procese. Dėka skaidytojų veiklos maisto medziagos ekosistemoje cirkuliuoja tam tikrais ciklais. Skirtingai nuo producentų, konsumentai ir reducentai yra heterotrofai. Sios trys organizmų grupės - gamintojai, gyvėdziai ir skaidytojai daznai vadinamos gyvosios gamtos karalijomis. Neziūrint didelės organizmų įvairovės gamtoje, kiekvienoje konkrečioje ekosistemoje mes rasime sias tris organizmų funkcines grupes, kadangi tik dėka sių trijų grupių suderintos veiklos galima ekosistemų egzistencija ir vystymasis. Taigi dėka jų funkcionuoja ekosistemos, taip jos veikia. Ir sioje gamtos tvarkoje ekologai mato gamtos harmoniją. Gamtoje sios trys funkcinės karalystės bendradarbiauja, nes neįmanoma jų veikla be sąveikos viena su kita.
|
Ekosistemos energetinė sistema |
Energijos apytaka ekosistemoje vadinama energijos srautu. Augalų asimiliuotos energijos kelias vienakryptis. Energija sunaudojama įvairiems organizmų isoriniams ir vidiniams darbams bei didelė energijos dalis issisklaido į aplinką silumos forma, kurios niekas negali vėl panaudoti kokiam nors darbui atlikti. Energijos srautas ekosistemos bendrijoje vyksta dėl mitybos proceso per mitybines grandines. Organizmai yra susiję vieni su kitais, t.y. vieni minta kitais, todėl mitybos grandines sudaro rysių tarp ėdamų ir ėdančių (arba tarp maisto ir jo vartotojų) seka. Per siuos rysius vyksta energijos ir maisto medziagų apytaka ekosistemoje, nes ėdantieji arba vartotojai, ėsdami maistą, t.y. vartodami energetinę medziagą, is jos savo egzistencijai ir produkcijos gamybai gauna ir energiją, ir būtinas organizmui statybines medziagas (N, C, H, O, kitas mineralines medziagas, mikroelementus ir vitaminus). Mitybos grandinės būna dviejų tipų - gyvėdzių grandinės ir skaidymo (detritinės) grandinės (12 pav.). |
12 pav. Gyvėdzių (a) ir detritinė (b) grandinės (pagal Sylvia S. Mader, 1999 ir Lekevičius, 1991)
Gyvėdzių grandinėms būdinga tai, kad jos prasideda augalais, t.y.gamintojais ir baigiasi dazniausiai parazitais ir ligų sukėlėjais. Skaidymo grandinės prasideda negyva organine medziaga, o baigiasi neorganiniais (mineraliniais ) junginiais. Reikia atkreipti dėmesį, kad dalyvaujantys skaidymo grandinėje neėda vienas kito kaip gyvėdziai. Skaidymo grandinėje dalyvauja įvairūs reducentai, kurie minta negyva medziaga. Tai, kas vienam skaidytojui atlieka, kitam skaidytojui - skanėstas. Jie taip ir dirba, perduodami skaidomą medziagą tarsi konvejeriu vis naujam ir naujam "specialistui", kurių kiekvienas, skaidydamas negyvą organinę medziagą, paima savo dalį energijos ir taip padeda kitam, laukiančiam savo eilės, nes jam pateikiamas maistas jau yra is dalies "sukramtytas ar apvirskintas". Gamtinėse, natūraliose ekosistemose susiklosto sudėtingi mitybos rysiai, nes daugelis gyvūnų minta įvairiu maistu, kai kurie ir augaliniu, ir gyvūniniu. Pvz.: pauksčiai, burundukai ir pelės minta vaisiais ir sėklomis, o taip pat ir įvairiais viksrais. Visi sie gyvėdziai yra visaėdziai (įvairiaėdziai) ir tuo pačiu metu yra daugelio plėsrūnų maistas. Tokiu būdu susidaro sudėtingas gyvėdzių mitybinis tinklas, sudarytas is daugelio tarpusavyje susipynusių mitybinių grandinių. Analogiskai yra ir su detritiniu (skaidymo) tinklu. Skaidytojai taip pat gali būti įvairiaėdziai. Be to zuvę skaidytojai gali tapti maistu kitiems detritaėdziams. Sliekai yra detritaėdziai, tačiau jais minta ant zemės gyvenantys plėsrūnai. Taip susipina detritinis ir gyvėdzių mitybiniai tinklai.
Kiekvienoje gyvėdzių mitybinėje grandinėje galima isskirti eilę mitybos lygmenų, nes kiekvienas organizmas, dalyvaujantis konkrečioje mitybinėje grandinėje, priklauso tam tikram mitybos lygmeniui. Mitybos lygmenys yra labai svarbi ekologinė sąvoka, be kurios sunku paaiskinti kaip mitybos grandinėmis keliauja energija ir maisto medziagos. Mitybos lygmuo - tai visi organizmai, kurie maitinasi tam tikro lygio mitybos grandyje. Pateiktoje gyvėdzių mitybos grandinėje medziai būtų gamintojai (arba producentai) - I mitybos lygmuo, viksrai-arba pirminiai vartotojai (1 lygio konsumentai) - II mitybos lygmuo, zylės arba antriniai vartotojai (2 lygio konsumentai) - III mitybos lygmuo, vanagas arba tretiniai vartotojai (3 lygio konsumentai) - IV mitybos lygmuo. Vanago parazitai nepriskiriami penktam mitybos lygiui, nes laikantis tradicijos, paprastumo dėlei parazitai ir parazitų parazitai į mitybos lygmenų skaičių neįtraukiami. Kai dėl sudėtingų sąlygų mėsėdziui auka tampa nepasiekiama, jam tenka maitintis vaisiais ir kitomis augalų dalimis. Yra mėsėdzių kurie maitinasi ir augalėdziais, ir kitais mėsėdziais. Pvz.: pelėdos maistas gali būti ir kurmis, besimaitinantis vabzdziais, ir augalėdziai zinduoliai. Lapė maitinasi ne tik smulkiais zinduoliais ir pauksčiais, bet ir vaisiais. O tarp augalų yra besimaitinančių vabzdziais. Dėl tokios įvairios ir sudėtingos mitybos daznai būna sudėtinga organizmą priskirti vienam kuriam nors mitybos lygmeniui ir kartais trofinis lygmuo tampa abstrakčia koncepcija. Ir nors remiantis mitybos lygių struktūra lengviau suprasti energijos srautą tekantį per ekosistemą, tačiau tai pakankamai keblu dėl gyvūnų įvairiapusiskos mitybos. Ir tokiu atveju augale esanti energija gali nutekėti per augalėdį, parazitą, detritofagą.
Energijai keliaujant is vieno mitybinio lygmens į kitą, tik dalis jos pereina į aukstesnį mitybos lygmenį. Tai ta maisto raciono dalis, kuri asimiliuojama ir tampa besimaitinančiu kūnu, t.y. naudingos energijos dalis tapusi produkcija. Tryliktame paveiksle pavaizduotas augalų asimiliuotos energijos tolesnis kelias.
13 pav. Autotrofų asimiliuotos energijos kelias ekosistemoje (modifikuotas pagal Environmental science 3-th edition New-York, 1995)
Schemoje parodyta, kad be produkcijos gamybos, nemazas energijos kiekis isskiriama į aplinką silumos pavidalu kvėpavimo metu. Tai ko nesuvartojo gyvėdziai bei dėl sezoniskumo ir stichinių nelaimių tam tikras kiekis gyvūnų ir augmenijos antzeminės dalies tampa negyva organine medziaga, kuri yra maistas maitėdoms ir įvairiems skaidytojams. Sių vartotojų dėka dalis negyvos organinės medziagos yra suskaidoma iki mineralinių maisto medziagų, kurios yra vėl panaudojamos. Tačiau dėl nepalankių aplinkybių dalis negyvos organinės medziagos tampa nuosėdomis. Kai kuriose ekosistemose nuosėdų gali susidaryti labai daug, pavyzdziui, kaip durpių kaupimasis pelkėje ar uzaugantis ezeras.
Maiste esanti energija kiekviename gyvame organizme virskinimo ir medziagų apykaitos metu pasiskirsto į sekančias dalis. Tai matyti lygtyje.
R = P + K + N
R - racionas arba maistas, kuris yra energetinė medziaga;
P - naudingos energijos dalis, virtusi produkcija;
K - nenaudingos energijos dalis, virtusi siluma;
N - nepanaudota arba dalinai panaudota energetinė medziaga (nesuvirskintas maistas įvairių isskyrų pavidalu).
Dabar sugrįzkim prie energijos sąvokos ir įvertinkime ekonominiu aspektu. Taigi energija - tai vienintelė, patikima valiuta ekosistemos funkcionavime. Tuomet valiutos bankas yra saulės energija, kuri grynaisiais pinigais tampa, kai saulės spindulių energiją augalai materializuoja į biomasę fotosintezės procese. Biomasė kaip energijos saltinis yra tinkamas visiems ekosistemos vartotojams, visų lygių konsumentams bei reducentams.
|
Biomasė ir produkcija |
Priklausomai nuo klimato ir kitų abiotinių sąlygų biomasė yra gaminama tam tikru greičiu. Fotosintezės proceso metu yra sukuriama pirminė produkcija. Isskiriamos bendroji ir grynoji pirminė produkcija. Bendroji pirminė produkcija (BPP) - tai Saulės energijos kiekis, asimiliuotas fotosintezės proceso metu ploto vienete per laiko vienetą, kuris paprastai isreiskiamas viename kvadratiniame metre per metus pagaminamos energijos kiekiu (kcal/m2 /m). Grynoji pirminė produkcija (GPP) - tai saulės energijos sankaupos augalinės biomasės (fitomasės) formoje ploto vienete (cm2, m2, ha) per laiko vienetą, atmetus kvėpavimo sąnaudas. Kvėpuodami augalai sunaudoja dalį pačių pagaminto maisto, t.y. bendrosios pirminės produkcijos. Kas lieka yra grynoji pirminė produkcija, kuri naudojama heterotrofų maistui ir kaupiama kaip atsargos. Grynoji pirminė produkcija isreiskiama viename kvadratiniame metre per metus pagaminamos energijos kiekiu (kcal/m2 /m). Tuomet pirminės produkcijos kiekį galima uzrasyti lygtimi |
GPP = BPP - AK
AK - autotrofų kvėpavimui sunaudojama energija arba energijos dalis, tapusi siluma.
Ekosistemos bendrijos energijos balanso pajamas ir islaidas galima pateikti sekančiai. Pajamos - tai augalų asimiliuota saulės energija bei energetinės medziagos, į ekosistemą atplukdytos vandens bei įnestos vėjo. Islaidos - tai kvėpavimo apimtis ir energijos isnesimas vėjo ir vandens dėka. Bet galutiniame rezultate per ekosistemas tekantis energijos srautas issisklaido silumos pavidalu, o maisto medziagos keliauja ratu ekosistemų viduje ir is vienos ekosistemos į kitą.
|
Termodina-mikos dėsniai |
Taip per ekosistemas teka energijos srautai, kurie paklūsta termodinamikos dėsniams. Visus energetinius virsmus ir energetinius nuostolius, kurie susidaro medziagų apykaitos metu organizmuose, o taip pat tuo pačiu metu ekosistemos energijos apytakoje paaiskina pirmasis termodinamikos dėsnis dazniausiai vadinamas Energijos dėsniu ir antrasis termodinamikos dėsnis - Entropijos. Aiskumo dėlei pirmąjį dėsnį galime vadinti energijos kiekybės dėsniu, o antrąjį - energijos kokybės. |
Pirmasis termodinamikos dėsnis sako:
- Energija negali būti sunaikinta ar sukurta arba
- Energija gali tik keisti savo formą ir vietą ar kitaip sakant
- Bendras energijos kiekis Visatoje pastovus.
Saulės energija sviesos bangų (spindulių) pavidalu pasiekia Zemės planetos pavirsių. Dalis energijos yra absorbuojama augalų, asimiliuojama bei paverčiama į cheminę organinių junginių jungčių formą. Kita dalis saulės energijos yra sugeriama zemės ar vandenų ir pakelia jų temperatūrą arba atsispindi ir sugrįzta atgal į Visatą. Energija, asimiliuota į biomasę, tampa energijos saltiniu augalų fiziologiniams procesams vykti. Gyvūnų energijos saltinis yra augalų arba gyvūnų biomasė; tai priklauso nuo jų mitybos pobūdzio. Energija sunaudojama fiziologiniams procesams, judėjimo reikmėms, o dalis jos issiskiria į aplinką silumos pavidalu. Maiste esanti energija yra potencinė, ir tik kai organizmas ją paverčia į kinetinę, energija gali būti panaudota įvairiems darbams atlikti. Tačiau keičiantis energijos formai, įvyksta energetiniai nuostoliai.
Antrasis termodinamikos dėsnis teigia kaip visas energija, keičiantis formai, virsta zemesnės kokybės energija. Tokiu būdu mazėja energijos kiekis, kurį galima paversti naudingu darbu. Taigi, ne visos energijos formos mums vienodai vertingos ar naudingos, jos turi skirtingas kokybes. Energijos forma yra aukstos kokybės, kai didelė dalis gali būti paversta mechanine energija ir atlikti darbą. Galima sakyti, kad energijos kokybė - tai naudingos mums energijos kiekio matas. Puikios ir aukstos kokybės energija yra sių formų: potencinė energija, kinetinė energija, elektros energija, branduolinė energija, cheminė energija, aukstų temperatūrų siluminė energija ir, savaime suprantama, saulės energija. Zemos kokybės energija, kuri negali būti paversta į mechaninę energiją ir atlikti darbo yra zemų temperatūrų (zemesnių nei 100°C) siluminė energija. Tiek technologiniuose, tiek biologiniuose procesuose dalis naudojamos energetinės medziagos yra paverčiama į nenaudingą energiją ir isskiriama silumos pavidalu į atmosferą.
Organizmo medziagų apykaitoje organinių junginių (maisto) cheminė-potencinė energija verčiama į kinetinę energiją, kuri sunaudojama organizmo fiziologiniams procesams vykti ir tuo pačiu augti ir daugintis bei įvairiems isoriniams darbams atlikti, kurie dazniausiai tiesiogiai susiję su judėjimu. Priklausomai nuo organizmo sugebėjimo efektyviai panaudoti energiją tam tikra jos dalis tampa nekokybiska silumos forma. Sią energiją apibūdina entropija (lot. en-vidus, trope - posūkis) - tai matas energijos, kuri netinkama jokiems darbams atlikti, nes tai issklaidyta siluminė energija ir yra tiesiogiai susijusi su kvėpavimo sąnaudomis. Visa tai galima palyginti su analogiskais procesais, vykstančiais masinos variklyje. Dalis cheminės energijos, esančios benzine, variklyje paverčiama kinetine energija ir gali būti panaudota. Sią energijos dalį vadiname naudinga energija. Likusioji energijos dalis neisvengiamai patenka į aplinką siluminės energijos forma, kurią mes vadiname nenaudinga energija. Kokia energijos dalis bus panaudota naudingai priklausys nuo kuro rūsies arba energijos formos bei naudojamos technologijos.
|
Ekologinė piramidė |
Kiekvienos ekosistemos energetinę sistemą galima pavaizduoti ekologinėmis piramidėmis. Jos paaiskinamos remiantis termodinamikos dėsniais. Jeigu kurios nors ekosistemos visus gyvaėdzius organizmus suskirstysime į jiems priklausančius mitybinius lygmenis ir pavaizduosime grafiskai, tai gausime piramidės formą. |
14 pav. Silver Springs (Florida) ekosistemos energijos piramidė kcal/m2 per metus (pagal Kormondy, 1992)
Tačiau kiekvienas organizmas turi biomasę ir kiekvieną organizmą galima įvertinti energetiskai. Todėl kiekvieną ekosistemą galima pavaizduoti ne tik skaičių, bet ir biomasės bei energijos piramidėmis. Maziausiai tiksli bus skaičių piramidė, nes įvairūs gyvūnai labai skiriasi energetiniu aspektu, o tiksliausia - energijos piramidė, parodanti pagrindinį energijos srauto tekėjimo ekosistemoje principą, t.y. greitą energijos mazėjimą aukstesniuose mitybos lygmenyse. Septintame paveiksle pavaizduota upės Silver Springs (Florida) ekosistemos energijos piramidė kcal/m2 per metus. Joje aiskiai matyti kaip kiekviename aukstesniame mitybiniame lygmenyje yra pernesama vis maziau energijos ir todėl kylant į virsų mitybos lygmenų produktyvumas mazėja. Visa tai susiję su patiriamais energetiniais nuostoliais, ieskant ir gaudant grobį, jį virskinant ir asimiliuojant. Is paveikslo matyti kaip aukstesnio mitybinio lygio vartotojams be perstojo mazėja energijos ir vartojimui tinkamų maisto medziagų.
Visa tai nepriestarauja termodinamikos dėsniams, o remiasi jais. Kaip sako pirmasis termodinamikos dėsnis - ekosistemose energija is niekur neatsiranda ir niekur nepranyksta, ji tik pereina is vieno būvio į kitą. Visą energiją patenkančią į ekosistemą is saulės fotosintezės proceso metu, kurį vykdo augalai, paskui suvartoja įvairūs gyvaėdziai vartotojai ir skaidytojai, galima apskaičiuoti remiantis energijos balanso lentele. Antrasis termodinamikos dėsnis paaiskina kodėl ekosistemos energijos piramidėje maisto pavidalu energijos apimtis mazėja kylant mitybos lygmeniui. Tyrimais nustatyta, kad per vartotojų mitybą ir asimiliaciją į aukstesnį mitybos lygmenį patenka tik apie 10% energijos. Kur pradingsta maiste esanti didzioji energijos dalis? To lygmens vartotojai metabolizmo vyksmui ir produkcijos gamybai (augimui ir dauginimuisi) naudoja maiste esančią energiją, tačiau dėl energijos virsmų didzioji energijos dalis su iskvepiamu oru yra grązinama į aplinką silumos formoje, o tai ir lemia (apsprendzia ) naudingos energijos zymų sumazėjimą aukstesniame mitybos lygmenyje.
|
Ekologinis efektyvu-mas |
Pasiaiskinsime detaliau, kokius energetinius nuostolius patiria įvairūs organizmai skirtinguose mitybiniuose lygmenyse? Augalai nuo 30 iki 70% asimiliuotos saulės energijos sunaudoja patys savo gyvavimui ir fotosintezės proceso vykdymui. Augalėdziai ir plėsrūnai dėl aktyvaus gyvenimo būdo savo egzistencijai sunaudoja dar daugiau energijos, o tuo pačiu dar didesnis suvirskinto ir asimiliuoto maisto kiekis virsta silumos sąnaudomis per kvėpavimo procesą. Vidutiniskai is gamintojų (I mitybinio lygmens) augalėdziams (II mitybinis lygmuo) pereina tik 10% maiste esančios energijos, is augalėdzių plėsrūnams - apie 15%. Į aukstesnį mitybinį lygmenį pernesamos energijos kiekis, isreikstas procentais, vadinamas ekologiniu efektyvumu ir apskaičiuojamas pagal formulę: |
Konsumento produkcija
Ek. Efektyvumas =
Aukos produkcija
Taigi, ekologinės piramidės virsūnėje, t.y. plėsrūnų mitybos lygmenyje, energijos pakanka tik labai mazam skaičiui plėsrūnų. Visa tai primena seną anglų patarlę apie vienisą tigrą ant kalvos virsūnės, kuri byloja, kad "du tigrai ant vienos kalvos netelpa".
Kadangi energijos pernesimas į aukstesnį lygmenį tiesiogiai susijęs su mityba, detaliau panagrinėsiu kaip įvairūs organizmai patiria skirtingus energetinius nuostolius įsisavinant maistą. Tai priklauso nuo maisto kokybės ir kilmės. Gyvulinės kilmės maistas virskinamas lengviau, nei augalinės kilmės maistas. Plėsrūnai asimiliuoja nuo 60 iki 90% suvartoto maisto. Tačiau plėsrūnai, mintantys vabzdziais, nesugeba suvirskinti chitinizuoto skeleto ir dėl to jų maisto įsisavinimas apribojamas. Augalinio maisto įsisavinimą apsprendzia celiuliozės ir kitų nesuvirskinamų medziagų kiekis. Stiebai ir saknys pagrinde sudaryti is celiuliozės ir lignino, todėl jais mintantys vabzdziai labai lėtai auga. Lapai yra vertingesnis maistas (jie turi 2-4% baltymų), tačiau vertingiausios yra sėklos, nes jos turi visas reikalingas augimui medziagas. Pusies sėklose yra 50% aliejų 30% baltymų, 5% cukrų. Mitybinio lygmens produktyvumui turi įtaką organizmų judrumas. Augalai savo egzistencijai suvartoja zymiai maziau energijos nei gyvūnai. Tai galima paaiskinti tuo, kad augalai nejuda ir jiems nereikia eikvoti energijos pastoviai kūno temperatūrai palaikyti.
Taigi gyvūnų, t.y. vartotojų, pernesamos energijos kiekis į sekantį mitybinį lygmenį arba sukuriama produkcija priklausys ir nuo vartojamo maisto vertės, ir nuo gyvūnų judrumo, o taip pat nuo jų fiziologinių ypatybių. Pauksčiams daug energijos reikia skraidymui bei kūno temperatūros palaikymui ir jie tik apie 1% asimiliuotos energijos sunaudoja augimui, t.y. produkcijos gamybai. Tuo tarpu smulkūs zinduoliai, tokie kaip pelės, augimui sunaudoja iki 6%, o stambūs raguočiai, taip pat ir zmogus - iki 11% asimiliuotos energijos. Saltakraujai, ypatingai vandens saltakraujai, augimui sunaudoja iki 75% asimiliuotos energijos. Taigi,energijos srautas is vieno mitybinio lygmens į kitą yra sudarytas is visumos energijos srautų, susijusių su įvairių rūsių maitinimusi, fiziologinėmis ir elgesio ypatybėmis.
|
"0" mitybinis lygmuo |
Augalai ir gyvūnai, kurie nebuvo suvartoti augalėdzių ir plėsrūnų, galų gale zūva. Be to kiekvienas organizmas turi gyvenimo pradzią ir pabaigą. Netekę gyvybės, organizmai tampa negyva organine medziaga, kuri tiek energijos , tiek maisto medziagų atzvilgiu yra pilnavertis maistas. Sio maisto vartotojai, kaip jau issiaiskinome anksčiau, vadinami reducentais, destruktoriais arba lietuviskai skaidytojais ir jie visi priskiriami O (nuliniam) arba detritiniam mitybos lygmeniui. Sio lygmens vartotojai palaiko savo egzistenciją, maitindamiesi negyvu organiniu maistu, o kartu atlieka milziniską darbą, sią negyvą organinę medziagą suskaidydami iki neorganinių elementų ir junginių, t.y. atlieka mineralizaciją. Todėl sis detritinis mitybos lygmuo yra labai svarbus kiekvienoje ekosistemoje ir visoje Biosferoje. Jei nebūtų tokios specializacijos organizmų, tai pasaulis uzdustų nuo susikaupusių atliekų. Ypatingai didelė sių organizmų reiksmė yra vartojant pirminę grynąją produkciją. Augalai gamina labai didelį kiekį atraminių, sunkiai virskinamų audinių, kurie yra stiebuose, ypač aukstuose. Juos skaidytojai gali suvartoti tik po apmirimo, kaip ir zolę bei nukritusius lapus. Viso to rezultate daugiau kaip 90% grynos pirminės misko produkcijos suvartoja skaidytojai ir tik apie 10% augalėdziai. Gausybė faktų liudija, kad daugelio ekosistemų energijos srautų detritinė grandinė yra daug svarbesnė uz augalėdzių grandinę. Tuo tarpu vandens ekosistemose skaidytojų vaidmuo gali būti daug mazesnis, nes grynos pirminės produkcijos (fitoplanktono) gali būti suvartojama iki 90-95%. Detritiniam mitybos lygmeniui priklauso labai įvairių grupių organizmai, besiskiriantys savo mityba. Grifų, krabų ir kitų maitėdų maistas, dar neseniai buvęs gyvas, daznai mazai kuo skiriasi nuo plėsrūnų sugauto maisto. Tačiau bakterijos, grybai ir kai kurie bestuburiai yra specializavęsi tam tikrų atliekų skaidymui. |
Didziausią negyvos organinės medziagos dalį sudaro augalų nuokritos ir jų skaidymas vyksta trim būdais:
Tirpias mineralines medziagas isplauna vanduo;
Lapais ir kitomis apmirusiomis augalų dalimis minta įvairūs stambūs bestuburiai: simtakojai, sliekai, vėdarėliai ir kt.;
Galutinai organinius junginius mineralizuoja, t.y. suskaido iki neorganinių medziagų, įvairios bakterijos ir grybai.
Negyvos organinės medziagos mineralizacijos trukmė priklausys nuo nuokritų pobūdzio (spygliai labai lėtai ardomi, o lapai greičiau) ir nuo aplinkos sąlygų (sparčiausiai skaidymo procesas vyksta, esant pakankamai drėgmės ir aukstesnei temperatūrai). Todėl paklotėje sukauptos energijos pernesimo laikas skiriasi priklausomai nuo geografinės platumos ir augalijos tipo: tropikuose - 3 mėn., o kalnų spygliuočių miskuose - 100 metų.
KLAUSIMAI SAVARANKISKAM DARBUI.
Pateikite biosferos apibrėzimą ir pasakykite, kur ji yra geosferiniu aspektu.
Pateikite ekosistemos apibrėzimą. Kokios dalys sudaro kiekvieną ekosistemą?
Kokiomis savybėmis skiriasi gyvoji gamta nuo negyvosios gamtos?
Kas yra biocenozė ir biotopas?
Kokias tris organizmų funkcines grupes galima isskirti kiekvienoje ekosistemoje?
Kokie organizmai priklauso autotrofams ir heterotrofams ir kuo jie skiriasi energetiniu aspektu?
Kaip į maisto medziagų apytakos ratą įtraukiamos ir abiotinė, ir biotinė ekosistemos dalys?
Kaip suprantate mitybos grandinės ir mitybos tinklų sąvokas?
Kuo skiriasi biofagų ir skaidytojų mitybinės grandinės?
Koks esminis skirtumas tarp energijos apytakos ir maisto medziagų apytakos ekosistemoje?
Kuriame mitybos lygmenyje yra sukuriama didziausia biomasė?
Argumentuokite skaidytojų svarbą sausumos ekosistemose.
|
