معلومة

46.2: تدفق الطاقة من خلال النظم البيئية - علم الأحياء

46.2: تدفق الطاقة من خلال النظم البيئية - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

46.2: تدفق الطاقة عبر النظم البيئية

46.2: تدفق الطاقة من خلال النظم البيئية - علم الأحياء

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • صف كيف تكتسب الكائنات الحية الطاقة في شبكة الغذاء وفي سلاسل الغذاء المرتبطة بها
  • اشرح كيف تؤثر كفاءة عمليات نقل الطاقة بين المستويات الغذائية على بنية النظام البيئي وديناميكياته
  • ناقش المستويات الغذائية وكيفية استخدام الأهرامات البيئية لنمذجتها

تتطلب جميع الكائنات الحية الطاقة بشكل أو بآخر. الطاقة مطلوبة من قبل معظم المسارات الأيضية المعقدة (غالبًا في شكل أدينوسين ثلاثي الفوسفات ، ATP) ، خاصة تلك المسؤولة عن بناء جزيئات كبيرة من مركبات أصغر ، والحياة نفسها هي عملية مدفوعة بالطاقة. لن تكون الكائنات الحية قادرة على تجميع الجزيئات الكبيرة (البروتينات ، والدهون ، والأحماض النووية ، والكربوهيدرات المعقدة) من وحداتها الفرعية الأحادية دون مدخلات طاقة ثابتة.

من المهم أن نفهم كيف تكتسب الكائنات الحية الطاقة وكيف يتم تمرير هذه الطاقة من كائن حي إلى آخر من خلال شبكات الغذاء وسلاسل الغذاء المكونة لها. توضح شبكات الغذاء كيف تتدفق الطاقة بشكل مباشر عبر النظم البيئية ، بما في ذلك مدى كفاءة الكائنات الحية في اكتسابها واستخدامها ومقدار ما تبقى للاستخدام من قبل الكائنات الحية الأخرى في شبكة الغذاء.

كيف تكتسب الكائنات الحية الطاقة في شبكة الغذاء

يتم الحصول على الطاقة عن طريق الكائنات الحية بثلاث طرق: التمثيل الضوئي ، والتركيب الكيميائي ، واستهلاك وهضم الكائنات الحية الأخرى أو الكائنات الحية سابقًا عن طريق الكائنات غيرية التغذية.

يتم تجميع كائنات التمثيل الضوئي والتركيب الكيميائي في فئة تعرف باسم autotrophs: الكائنات الحية القادرة على تصنيع طعامها (بشكل أكثر تحديدًا ، قادرة على استخدام الكربون غير العضوي كمصدر للكربون). تستخدم autotrophs التمثيل الضوئي (phototrophs) ضوء الشمس كمصدر للطاقة ، في حين تستخدم autotrophs التخليقية الكيميائية (chemoautotrophs) جزيئات غير عضوية كمصدر للطاقة. تعد Autotrophs ضرورية لجميع الأنظمة البيئية. بدون هذه الكائنات ، لن تكون الطاقة متاحة للكائنات الحية الأخرى ولن تكون الحياة نفسها ممكنة.

تعمل العناصر الغذائية الضوئية ، مثل النباتات والطحالب والبكتيريا الضوئية ، كمصدر للطاقة لمعظم النظم البيئية في العالم. غالبًا ما يتم وصف هذه النظم البيئية برعي شبكات الغذاء. تسخر Photoautotrophs الطاقة الشمسية للشمس عن طريق تحويلها إلى طاقة كيميائية في شكل ATP (و NADP). تُستخدم الطاقة المخزنة في ATP لتجميع الجزيئات العضوية المعقدة ، مثل الجلوكوز.

Chemoautotrophs هي في الأساس بكتيريا توجد في النظم البيئية النادرة حيث لا يتوفر ضوء الشمس ، مثل تلك المرتبطة بالكهوف المظلمة أو الفتحات الحرارية المائية في قاع المحيط ((الشكل)). تستخدم العديد من المغذيات الكيميائية في الفتحات الحرارية المائية كبريتيد الهيدروجين (H2S) ، والذي يتم إطلاقه من الفتحات كمصدر للطاقة الكيميائية. يسمح هذا للمواد الكيميائية الكيميائية بتجميع الجزيئات العضوية المعقدة ، مثل الجلوكوز ، من أجل طاقتها الخاصة ، وبالتالي توفير الطاقة لبقية النظام البيئي.

شكل 1. يمكن رؤية الجمبري السباح ، وعدد قليل من الكركند القرفصاء ، ومئات من بلح البحر في فتحة تهوية حرارية في قاع المحيط. نظرًا لعدم اختراق أي ضوء للشمس إلى هذا العمق ، فإن النظام البيئي مدعوم من بكتيريا التغذية الكيميائية والمواد العضوية التي تغرق من سطح المحيط. التقطت هذه الصورة في عام 2006 في بركان NW Eifuku المغمور قبالة سواحل اليابان من قبل الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA). تقع قمة هذا البركان شديد النشاط على عمق 1535 مترًا تحت السطح.

الإنتاجية ضمن المستويات الغذائية

يمكن تعريف الإنتاجية داخل النظام البيئي على أنها النسبة المئوية للطاقة التي تدخل النظام البيئي المدمج في الكتلة الحيوية في مستوى غذائي معين. الكتلة الحيوية هي الكتلة الكلية ، في وحدة المساحة وقت القياس ، للكائنات الحية أو التي كانت حية سابقًا ضمن المستوى الغذائي. تحتوي النظم البيئية على كميات مميزة من الكتلة الحيوية في كل مستوى غذائي. على سبيل المثال ، في النظام البيئي للقناة الإنجليزية ، يمثل المنتجون الأساسيون كتلة حيوية تبلغ 4 جم / م 2 (جرام لكل متر مربع) ، بينما يُظهر المستهلكون الأساسيون كتلة حيوية تبلغ 21 جم / م 2.

تعد إنتاجية المنتجين الأساسيين مهمة بشكل خاص في أي نظام بيئي لأن هذه الكائنات الحية تجلب الطاقة للكائنات الحية الأخرى عن طريق التغذية الضوئية أو التغذية الكيميائية. يُطلق على المعدل الذي يدمج به المنتجون الأوليون في عملية التمثيل الضوئي الطاقة من الشمس إجمالي الإنتاجية الأولية. يظهر مثال للإنتاجية الأولية الإجمالية في مخطط المقصورة لتدفق الطاقة داخل النظام البيئي المائي Silver Springs كما هو موضح ((الشكل)). في هذا النظام البيئي ، تبين أن إجمالي الطاقة المتراكمة من قبل المنتجين الأساسيين (إجمالي الإنتاجية الأولية) يبلغ 20810 كيلو كالوري / م 2 / سنة.

نظرًا لأن جميع الكائنات الحية تحتاج إلى استخدام بعض هذه الطاقة لوظائفها الخاصة (مثل التنفس وفقدان الحرارة الأيضي الناتج) غالبًا ما يشير العلماء إلى صافي الإنتاجية الأولية للنظام البيئي. صافي الإنتاجية الأولية هي الطاقة التي تبقى في المنتجين الأساسيين بعد حساب تنفس الكائنات الحية وفقدان الحرارة. ثم يتم توفير صافي الإنتاجية للمستهلكين الأساسيين على المستوى الغذائي التالي. في مثالنا Silver Springs ، تم استخدام 13،187 من 20،810 kcal / m 2 / year للتنفس أو تم فقدها كحرارة ، مما ترك 7،633 كيلو كالوري / م 2 / عام من الطاقة للاستخدام من قبل المستهلكين الأساسيين.

الكفاءة البيئية: نقل الطاقة بين المستويات الغذائية

كما هو موضح في ((الشكل)) ، مع تدفق الطاقة من المنتجين الأساسيين عبر المستويات الغذائية المختلفة ، يفقد النظام البيئي كميات كبيرة من الطاقة. السبب الرئيسي لهذه الخسارة هو القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، والذي ينص على أنه كلما تم تحويل الطاقة من شكل إلى آخر ، هناك ميل نحو الفوضى (الانتروبيا) في النظام. في الأنظمة البيولوجية ، تأخذ هذه الطاقة شكل الحرارة الأيضية ، والتي تُفقد عندما تستهلك الكائنات الحية كائنات أخرى. في مثال النظام البيئي Silver Springs ((الشكل)) ، نرى أن المستهلكين الأساسيين أنتجوا 1103 كيلو كالوري / م 2 / سنة من 7618 كيلو كالوري / م 2 / سنة من الطاقة المتاحة لهم من المنتجين الأساسيين. يُطلق على قياس كفاءة نقل الطاقة بين مستويين غذائيين متتاليين كفاءة نقل المستوى الغذائي (TLTE) ويتم تحديده بواسطة الصيغة:

في سيلفر سبرينغز ، كانت TLTE بين المستويين الغذائيين الأولين حوالي 14.8 بالمائة. عادة ما يكون انخفاض كفاءة نقل الطاقة بين المستويات الغذائية هو العامل الرئيسي الذي يحد من طول السلاسل الغذائية التي لوحظت في شبكة الغذاء. الحقيقة هي أنه بعد أربعة إلى ستة عمليات نقل للطاقة ، لا يتبقى طاقة كافية لدعم مستوى غذائي آخر. في مثال بحيرة أونتاريو الموضح في ((الشكل)) ، حدثت ثلاثة عمليات نقل للطاقة فقط بين المنتج الأساسي (الطحالب الخضراء) والمستهلك الرئيسي (سمك السلمون من طراز شينوك).

لدى علماء البيئة العديد من الطرق المختلفة لقياس عمليات نقل الطاقة داخل النظم البيئية. تعتمد صعوبة القياس على مدى تعقيد النظام البيئي ومدى وصول العلماء لمراقبة النظام البيئي. وبعبارة أخرى ، فإن دراسة بعض النظم البيئية أكثر صعوبة من غيرها ، وفي بعض الأحيان يجب تقدير كمية عمليات نقل الطاقة.

تعتبر المعلمات الأخرى مهمة في توصيف تدفق الطاقة داخل النظام البيئي. تسمح كفاءة الإنتاج الصافية (NPE) لعلماء البيئة بتحديد مدى كفاءة الكائنات ذات المستوى الغذائي المعين في دمج الطاقة التي تتلقاها في الكتلة الحيوية التي يتم حسابها باستخدام الصيغة التالية:

صافي إنتاجية المستهلك هو محتوى الطاقة المتاح للكائنات الحية من المستوى الغذائي التالي. الاستيعاب هو الكتلة الحيوية (محتوى الطاقة المتولد لكل وحدة مساحة) للمستوى الغذائي الحالي بعد حساب الطاقة المفقودة بسبب عدم اكتمال تناول الطعام ، والطاقة المستخدمة في التنفس ، والطاقة المفقودة كنفايات. يشير الابتلاع غير الكامل إلى حقيقة أن بعض المستهلكين يأكلون جزءًا فقط من طعامهم. على سبيل المثال ، عندما يقتل أسد ظباء ، فإنه يأكل كل شيء ما عدا الجلد والعظام. يفتقد الأسد إلى نخاع العظام الغني بالطاقة داخل العظم ، لذلك لا يستفيد الأسد من جميع السعرات الحرارية التي يمكن أن توفرها فريسته.

وبالتالي ، يقيس NPE مدى كفاءة استخدام كل مستوى غذائي ودمج الطاقة من طعامه في الكتلة الحيوية لتغذية المستوى الغذائي التالي. بشكل عام ، تستخدم الحيوانات ذوات الدم البارد (ectotherms) ، مثل اللافقاريات والأسماك والبرمائيات والزواحف ، قدرًا أقل من الطاقة التي تحصل عليها للتنفس والحرارة مقارنة بالحيوانات ذوات الدم الحار (endotherms) ، مثل الطيور والثدييات. الحرارة الزائدة المتولدة في ماصات الحرارة ، على الرغم من أنها ميزة من حيث نشاط هذه الكائنات في البيئات الباردة ، إلا أنها تعتبر عيبًا رئيسيًا من حيث NPE. لذلك ، يجب أن تأكل العديد من المواد الصلبة للحرارة أكثر من ectotherms للحصول على الطاقة التي يحتاجونها للبقاء على قيد الحياة. بشكل عام ، يكون NPE الخاص بـ ectotherms أعلى بترتيب حجم (10x) أعلى من endotherms. على سبيل المثال ، تم قياس NPE لأوراق أكل اليرقة بنسبة 18 بالمائة ، في حين أن NPE للسنجاب الذي يأكل الجوز قد يكون منخفضًا مثل 1.6 بالمائة.

إن عدم كفاءة استخدام الطاقة من قبل الحيوانات ذوات الدم الحار له آثار واسعة على الإمدادات الغذائية في العالم. من المقبول على نطاق واسع أن صناعة اللحوم تستخدم كميات كبيرة من المحاصيل لإطعام الماشية ، ونظرًا لانخفاض NPE ، يتم فقد الكثير من الطاقة من علف الحيوانات. على سبيل المثال ، يكلف إنتاج 1000 سعر حراري غذائي (كيلو كالوري) من الذرة أو فول الصويا حوالي 0.01 ، ولكن ما يقرب من 0.19 لإنتاج عدد مماثل من السعرات الحرارية التي تربى الماشية لاستهلاك لحوم البقر. محتوى الطاقة نفسه من حليب الماشية مكلف أيضًا ، بحوالي 0.16 لكل 1000 كيلو كالوري. يرجع الكثير من هذا الاختلاف إلى انخفاض NPE للماشية. وبالتالي ، كانت هناك حركة متنامية في جميع أنحاء العالم للترويج لاستهلاك الأطعمة غير اللحوم وغير الألبان بحيث يتم إهدار طاقة أقل لتغذية الحيوانات لصناعة اللحوم.

نمذجة تدفق الطاقة للنظم البيئية: الأهرامات البيئية

يمكن تصور بنية النظم البيئية باستخدام الأهرامات البيئية ، والتي تم وصفها لأول مرة من خلال الدراسات الرائدة لتشارلز إلتون في عشرينيات القرن الماضي. تظهر الأهرامات البيئية الكميات النسبية للمعلمات المختلفة (مثل عدد الكائنات الحية والطاقة والكتلة الحيوية) عبر المستويات الغذائية.

يمكن أن تكون أهرامات الأرقام إما مستقيمة أو مقلوبة ، اعتمادًا على النظام البيئي. كما هو مبين في (الشكل) ، تحتوي الأراضي العشبية النموذجية خلال الصيف على قاعدة من العديد من النباتات ، وتقل أعداد الكائنات الحية في كل مستوى غذائي. ومع ذلك ، خلال فصل الصيف في الغابة المعتدلة ، تتكون قاعدة الهرم من عدد قليل من الأشجار مقارنة بعدد المستهلكين الأساسيين ، ومعظمهم من الحشرات. نظرًا لأن الأشجار كبيرة ، فإنها تتمتع بقدرة كبيرة على التمثيل الضوئي ، وتهيمن على النباتات الأخرى في هذا النظام البيئي للحصول على ضوء الشمس. حتى في أعداد أقل ، لا يزال المنتجون الأساسيون في الغابات قادرين على دعم المستويات الغذائية الأخرى.

هناك طريقة أخرى لتصور بنية النظام الإيكولوجي وهي استخدام أهرامات الكتلة الحيوية. يقيس هذا الهرم كمية الطاقة المحولة إلى أنسجة حية على المستويات الغذائية المختلفة. باستخدام مثال النظام البيئي Silver Springs ، تُظهر هذه البيانات هرم الكتلة الحيوية المستقيم ((الشكل)) ، بينما يتم عكس الهرم من مثال القناة الإنجليزية. تشكل النباتات (المنتجون الأساسيون) في نظام سيلفر سبرينغز البيئي نسبة كبيرة من الكتلة الحيوية الموجودة هناك. ومع ذلك ، فإن العوالق النباتية في مثال القناة الإنجليزية تشكل كتلة حيوية أقل من المستهلكين الأساسيين ، العوالق الحيوانية. كما هو الحال مع أهرامات الأرقام المقلوبة ، فإن هذا الهرم المقلوب لا يرجع إلى نقص الإنتاجية من المنتجين الأساسيين ، ولكنه ناتج عن معدل دوران مرتفع للعوالق النباتية. يتم استهلاك العوالق النباتية بسرعة من قبل المستهلكين الأساسيين ، وبالتالي تقليل الكتلة الحيوية في أي وقت معين. ومع ذلك ، تتكاثر العوالق النباتية بسرعة ، وبالتالي فهي قادرة على دعم بقية النظام البيئي.

يمكن أيضًا استخدام نمذجة النظام البيئي الهرمي لإظهار تدفق الطاقة عبر المستويات الغذائية. لاحظ أن هذه الأرقام هي نفسها تلك المستخدمة في مخطط حجرة تدفق الطاقة في ((الشكل)). دائمًا ما تكون أهرامات الطاقة منتصبة ، ولا يمكن دعم نظام بيئي بدون إنتاجية أولية كافية. جميع أنواع الأهرامات البيئية مفيدة في توصيف بنية النظام البيئي. ومع ذلك ، في دراسة تدفق الطاقة عبر النظام البيئي ، فإن أهرامات الطاقة هي النماذج الأكثر اتساقًا وتمثيلًا لهيكل النظام البيئي ((الشكل)).

اتصال فني

الشكل 2. تصور الأهرامات البيئية (أ) الكتلة الحيوية ، (ب) عدد الكائنات الحية ، و (ج) الطاقة في كل مستوى غذائي.

قد تكون الأهرامات التي تصور عدد الكائنات الحية أو الكتلة الحيوية مقلوبة أو منتصبة أو حتى على شكل ماسي. ومع ذلك ، فإن أهرامات الطاقة دائمًا ما تكون منتصبة. لماذا ا؟

قد تكون أهرامات الكائنات مقلوبة أو على شكل ماسي لأن كائنًا كبيرًا ، مثل الشجرة ، يمكنه تحمل العديد من الكائنات الحية الأصغر. وبالمثل ، يمكن أن تحافظ الكتلة الحيوية المنخفضة من الكائنات الحية على كتلة حيوية أكبر في المستوى الغذائي التالي لأن الكائنات الحية تتكاثر بسرعة وبالتالي توفر التغذية المستمرة. ومع ذلك ، يجب أن تكون أهرامات الطاقة دائمًا مستقيمة بسبب قوانين الديناميكا الحرارية. ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية على أنه لا يمكن إنشاء أو تدمير الطاقة وبالتالي ، يجب أن يكتسب كل مستوى غذائي الطاقة من المستوى الغذائي أدناه. ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أنه أثناء نقل الطاقة ، يتم دائمًا فقدان بعض الطاقة كحرارة ، وبالتالي ، تتوفر طاقة أقل في كل مستوى غذائي أعلى.

عواقب شبكات الغذاء: التكبير البيولوجي

يعد التضخم الأحيائي أحد أهم النتائج البيئية لديناميات النظام الإيكولوجي. التضخم الأحيائي هو زيادة تركيز المواد السامة الثابتة في الكائنات الحية على كل مستوى غذائي ، من المنتجين الأساسيين إلى المستهلكين الرئيسيين. ثبت أن العديد من المواد تتراكم بيولوجياً ، بما في ذلك مبيدات الآفات دichloroدإيفينيلرRichloroethane (DDT) ، الذي تم وصفه في الستينيات الأكثر مبيعًا ، الربيع الصامتبقلم راشيل كارسون. كان الـ دي.دي.تي مبيد آفات شائع الاستخدام قبل أن تصبح أخطاره معروفة. في بعض النظم البيئية المائية ، استهلكت الكائنات الحية من كل مستوى تغذوي العديد من الكائنات الحية من المستوى الأدنى ، مما تسبب في زيادة مادة الـ دي.دي.تي في الطيور (المستهلكين الرئيسيين) التي أكلت الأسماك. وهكذا تراكمت على الطيور كميات كافية من مادة الـ دي.دي.تي لتسبب هشاشة قشر بيضها. أدى هذا التأثير إلى زيادة تكسر البيض أثناء التعشيش وتبين أن له تأثيرات ضارة على مجموعات الطيور هذه. تم حظر استخدام الـ دي.دي.تي في الولايات المتحدة في السبعينيات.

المواد الأخرى التي تتضخم بيولوجيًا هي مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور (PCBs) ، والتي كانت تستخدم في سوائل المبردات في الولايات المتحدة حتى تم حظر استخدامها في عام 1979 ، والمعادن الثقيلة ، مثل الزئبق والرصاص والكادميوم. تمت دراسة هذه المواد بشكل أفضل في النظم الإيكولوجية المائية ، حيث تتراكم أنواع الأسماك على مستويات غذائية مختلفة المواد السامة التي يتم جلبها من خلال النظام البيئي من قبل المنتجين الأساسيين. كما هو موضح في دراسة أجرتها الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA) في خليج ساجينو ببحيرة هورون ((الشكل)) ، زادت تركيزات ثنائي الفينيل متعدد الكلور من المنتجين الأساسيين للنظام البيئي (العوالق النباتية) من خلال المستويات الغذائية المختلفة لأنواع الأسماك. يحتوي المستهلك الرئيسي (العين رمادية فاتحة اللون) على أكثر من أربعة أضعاف كمية مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور مقارنة بالعوالق النباتية. أيضًا ، استنادًا إلى نتائج دراسات أخرى ، قد تحتوي الطيور التي تأكل هذه الأسماك على مستويات ثنائي الفينيل متعدد الكلور على الأقل مرتبة واحدة من حيث الحجم أعلى من تلك الموجودة في أسماك البحيرة.

الشكل 3. يوضح هذا الرسم البياني تركيزات ثنائي الفينيل متعدد الكلور الموجودة في المستويات الغذائية المختلفة في النظام البيئي لخليج ساجينو في بحيرة هورون. تعكس الأرقام الموجودة على المحور السيني التخصيب بنظائر النيتروجين الثقيلة (15N) ، وهي علامة لزيادة المستوى الغذائي. لاحظ أن الأسماك في المستويات الغذائية الأعلى تتراكم فيها مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور أكثر من تلك الموجودة في المستويات الغذائية المنخفضة. (الائتمان: باتريشيا فان هوف ، NOAA ، GLERL)

وقد أثيرت مخاوف أخرى بسبب تراكم المعادن الثقيلة ، مثل الزئبق والكادميوم ، في أنواع معينة من المأكولات البحرية. توصي وكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA) النساء الحوامل والأطفال الصغار بعدم تناول أي سمك أبو سيف أو سمك القرش أو سمك الماكريل أو سمك القرميد بسبب محتواها العالي من الزئبق. ينصح هؤلاء الأفراد بتناول الأسماك منخفضة الزئبق: السلمون ، البلطي ، الجمبري ، بولوك ، وسمك السلور. يعد التضخم الأحيائي مثالًا جيدًا على كيفية تأثير ديناميكيات النظام البيئي على حياتنا اليومية ، حتى أنها تؤثر على الطعام الذي نأكله.

ملخص القسم

تكتسب الكائنات الحية في النظام البيئي الطاقة بعدة طرق ، والتي يتم نقلها بين المستويات الغذائية حيث تتدفق الطاقة من أسفل إلى أعلى شبكة الغذاء ، مع فقدان الطاقة في كل عملية نقل. تعد كفاءة هذه التحويلات مهمة لفهم السلوكيات المختلفة وعادات الأكل للحيوانات ذوات الدم الحار مقابل الحيوانات ذوات الدم البارد. من الأفضل القيام بنمذجة طاقة النظام البيئي باستخدام أهرامات الطاقة البيئية ، على الرغم من أن الأهرامات البيئية الأخرى توفر معلومات حيوية أخرى حول بنية النظام البيئي.

اتصالات فنية

(الشكل) قد تكون الأهرامات التي تصور عدد الكائنات الحية أو الكتلة الحيوية مقلوبة أو منتصبة أو حتى على شكل ماسي. ومع ذلك ، فإن أهرامات الطاقة دائمًا ما تكون منتصبة. لماذا ا؟

(الشكل) قد تكون أهرامات الكائنات مقلوبة أو على شكل ماسي لأن كائنًا كبيرًا ، مثل الشجرة ، يمكنه تحمل العديد من الكائنات الحية الأصغر. وبالمثل ، يمكن أن تحافظ الكتلة الحيوية المنخفضة من الكائنات الحية على كتلة حيوية أكبر في المستوى الغذائي التالي لأن الكائنات الحية تتكاثر بسرعة وبالتالي توفر التغذية المستمرة. ومع ذلك ، يجب أن تكون أهرامات الطاقة دائمًا مستقيمة بسبب قوانين الديناميكا الحرارية. ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية على أنه لا يمكن إنشاء أو تدمير الطاقة وبالتالي ، يجب أن يكتسب كل مستوى غذائي الطاقة من المستوى الغذائي أدناه. ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أنه أثناء نقل الطاقة ، يتم دائمًا فقدان بعض الطاقة كحرارة ، وبالتالي ، تتوفر طاقة أقل في كل مستوى غذائي أعلى.

راجع الأسئلة

يسمى وزن الكائنات الحية في نظام بيئي في وقت معين:


تدفق الطاقة من خلال النظم البيئية

تتطلب جميع الكائنات الحية الطاقة بشكل أو بآخر. الطاقة مطلوبة من قبل معظم المسارات الأيضية المعقدة (غالبًا في شكل أدينوسين ثلاثي الفوسفات ، ATP) ، خاصة تلك المسؤولة عن بناء جزيئات كبيرة من مركبات أصغر ، والحياة نفسها هي عملية مدفوعة بالطاقة. لن تكون الكائنات الحية قادرة على تجميع الجزيئات الكبيرة (البروتينات ، والدهون ، والأحماض النووية ، والكربوهيدرات المعقدة) من وحداتها الفرعية الأحادية دون مدخلات طاقة ثابتة.

من المهم أن نفهم كيف تكتسب الكائنات الحية الطاقة وكيف يتم تمرير هذه الطاقة من كائن حي إلى آخر من خلال شبكات الغذاء وسلاسل الغذاء المكونة لها. توضح شبكات الغذاء كيف تتدفق الطاقة بشكل مباشر عبر النظم البيئية ، بما في ذلك مدى كفاءة الكائنات الحية في اكتسابها واستخدامها ومقدار ما تبقى للاستخدام من قبل الكائنات الحية الأخرى في شبكة الغذاء.

كيف تكتسب الكائنات الحية الطاقة في شبكة الغذاء

طاقة يتم الحصول عليها عن طريق الكائنات الحية من خلال ثلاث طرق: التمثيل الضوئي ، والتركيب الكيميائي ، واستهلاك وهضم الكائنات الحية الأخرى أو الكائنات الحية سابقًا بواسطة الكائنات غيرية التغذية.

البناء الضوئي و التخليق الكيميائي يتم تجميع الكائنات الحية في فئة تعرف باسم التغذية الذاتية: الكائنات الحية القادرة على تصنيع طعامها (بشكل أكثر تحديدًا ، قادرة على استخدام الكربون غير العضوي كمصدر للكربون). ذاتية التغذية الضوئية (فوتوتروفس) استخدام ضوء الشمس كمصدر للطاقة ، في حين أن autotrophs التخليق الكيميائي (كيميائية) استخدام الجزيئات غير العضوية كمصدر للطاقة. تعد Autotrophs ضرورية لجميع الأنظمة البيئية. بدون هذه الكائنات ، لن تكون الطاقة متاحة للكائنات الحية الأخرى ولن تكون الحياة نفسها ممكنة.

تعمل العناصر الغذائية الضوئية ، مثل النباتات والطحالب والبكتيريا الضوئية ، كمصدر للطاقة لمعظم النظم البيئية في العالم. غالبًا ما يتم وصف هذه النظم البيئية برعي شبكات الغذاء. تسخر Photoautotrophs الطاقة الشمسية للشمس عن طريق تحويلها إلى طاقة كيميائية في شكل ATP (و NADP). تُستخدم الطاقة المخزنة في ATP لتجميع الجزيئات العضوية المعقدة ، مثل الجلوكوز.

Chemoautotrophs هي في الأساس بكتيريا توجد في النظم البيئية النادرة حيث لا يتوفر ضوء الشمس ، مثل تلك المرتبطة بالكهوف المظلمة أو الفتحات الحرارية المائية في قاع المحيط (الشكل 1). تستخدم العديد من المغذيات الكيميائية في الفتحات الحرارية المائية كبريتيد الهيدروجين (H2S) ، والذي يتم إطلاقه من الفتحات كمصدر للطاقة الكيميائية. يسمح هذا للمواد الكيميائية الكيميائية بتجميع الجزيئات العضوية المعقدة ، مثل الجلوكوز ، من أجل طاقتها الخاصة ، وبالتالي توفير الطاقة لبقية النظام البيئي.

الشكل 1: يمكن رؤية الجمبري السباح ، وعدد قليل من الكركند القرفصاء ، ومئات من بلح البحر في فتحة تهوية حرارية في قاع المحيط. نظرًا لعدم اختراق أي ضوء للشمس إلى هذا العمق ، فإن النظام البيئي مدعوم من بكتيريا التغذية الكيميائية والمواد العضوية التي تغرق من سطح المحيط. التقطت هذه الصورة في عام 2006 في بركان NW Eifuku المغمور قبالة سواحل اليابان من قبل الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA). تقع قمة هذا البركان شديد النشاط على عمق 1535 مترًا تحت السطح. (الائتمان: NOAA. & # 8220Chemoautotrophs & # 8221 بواسطة OpenStax مرخص بموجب CC BY 4.0)

الإنتاجية ضمن المستويات الغذائية

إنتاجية داخل النظام البيئي يمكن تعريفه على أنه النسبة المئوية للطاقة التي تدخل النظام البيئي المدمج في الكتلة الحيوية في مستوى غذائي معين. الكتلة الحيوية هي الكتلة الكلية ، في وحدة مساحة وقت القياس ، للكائنات الحية أو الكائنات الحية سابقًا ضمن المستوى الغذائي. تحتوي النظم البيئية على كميات مميزة من الكتلة الحيوية في كل مستوى غذائي. على سبيل المثال ، في النظام البيئي للقناة الإنجليزية ، يمثل المنتجون الأساسيون كتلة حيوية تبلغ 4 جم / م 2 (جرام لكل متر مربع) ، بينما يُظهر المستهلكون الأساسيون كتلة حيوية تبلغ 21 جم / م 2.

تعد إنتاجية المنتجين الأساسيين مهمة بشكل خاص في أي نظام بيئي لأن هذه الكائنات الحية تجلب الطاقة للكائنات الحية الأخرى عن طريق التغذية الضوئية أو التغذية الكيميائية. يُطلق على المعدل الذي يدمج به المنتجون الأوليون لعملية التمثيل الضوئي الطاقة من الشمس الإنتاجية الأولية الإجمالية. يظهر مثال للإنتاجية الأولية الإجمالية في الرسم البياني للمقصورة لتدفق الطاقة داخل النظام البيئي المائي Silver Springs كما هو موضح (الشكل 2). في هذا النظام البيئي ، تبين أن إجمالي الطاقة المتراكمة من قبل المنتجين الأساسيين (إجمالي الإنتاجية الأولية) يبلغ 20810 كيلو كالوري / م 2 / سنة.

نظرًا لأن جميع الكائنات الحية تحتاج إلى استخدام بعض هذه الطاقة لوظائفها الخاصة (مثل التنفس وفقدان الحرارة الأيضي الناتج) غالبًا ما يشير العلماء إلى صافي الإنتاجية الأولية للنظام البيئي. صافي الإنتاجية الأولية هي الطاقة التي تبقى في المنتجين الأساسيين بعد حساب تنفس الكائنات الحية وفقدان الحرارة. ثم يتم توفير صافي الإنتاجية للمستهلكين الأساسيين على المستوى الغذائي التالي. في مثالنا Silver Spring ، تم استخدام 13187 من 20810 كيلو كالوري / م 2 / سنة للتنفس أو تم فقدها كحرارة ، مما ترك 7632 كيلو كالوري / م 2 / عام من الطاقة للاستخدام من قبل المستهلكين الأساسيين.

الكفاءة البيئية: نقل الطاقة بين المستويات الغذائية

كما هو موضح في الشكل 2 ، يتم فقدان كميات كبيرة من الطاقة من النظام البيئي من مستوى غذائي إلى المستوى التالي حيث تتدفق الطاقة من المنتجين الأساسيين عبر المستويات الغذائية المختلفة للمستهلكين والمحللين.

الشكل 2: يوضح هذا النموذج المفاهيمي تدفق الطاقة عبر نظام بيئي ربيعي في سيلفر سبرينغز ، فلوريدا. لاحظ أن الطاقة تتناقص مع كل زيادة في المستوى الغذائي. (الائتمان: "الطاقة من خلال نظام ربيع بيئي" بواسطة OpenStax مرخصة بموجب CC BY 4.0)

السبب الرئيسي لهذه الخسارة القانون الثاني للديناميكا الحرارية، والتي تنص على أنه كلما تم تحويل الطاقة من شكل إلى آخر ، يكون هناك ميل نحو الفوضى (غير قادر علي) في النظام. في الأنظمة البيولوجية ، هذا يعني فقدان قدر كبير من الطاقة كحرارة استقلابية عندما تستهلك الكائنات الحية من مستوى غذائي واحد المستوى التالي. في مثال النظام البيئي Silver Springs ، نرى أن المستهلكين الأساسيين أنتجوا 1103 كيلو كالوري / م 2 / سنة من 7618 كيلو كالوري / م 2 / سنة من الطاقة المتاحة لهم من المنتجين الأساسيين. يُطلق على قياس كفاءة نقل الطاقة بين مستويين غذائيين متتاليين اسم كفاءة نقل المستوى الغذائي (TLTE) ويتم تعريفه بواسطة الصيغة:

في سيلفر سبرينغز ، كانت TLTE بين المستويين الغذائيين الأولين حوالي 14.8 بالمائة. عادة ما يكون انخفاض كفاءة نقل الطاقة بين المستويات الغذائية هو العامل الرئيسي الذي يحد من طول السلاسل الغذائية التي لوحظت في شبكة الغذاء. الحقيقة هي أنه بعد أربعة إلى ستة عمليات نقل للطاقة ، لا يتبقى طاقة كافية لدعم مستوى غذائي آخر. في مثال بحيرة أونتاريو ، حدثت ثلاث عمليات نقل للطاقة فقط بين المنتج الأساسي (الطحالب الخضراء) والمستهلك الرئيسي (سمك السلمون شينوك).

لدى علماء البيئة العديد من الطرق المختلفة لقياس عمليات نقل الطاقة داخل النظم البيئية. بعض عمليات النقل أسهل أو أكثر صعوبة في القياس اعتمادًا على مدى تعقيد النظام البيئي ومدى وصول العلماء لمراقبة النظام البيئي. وبعبارة أخرى ، فإن دراسة بعض النظم البيئية أكثر صعوبة من غيرها ، وفي بعض الأحيان يجب تقدير كمية عمليات نقل الطاقة.

معلمة رئيسية أخرى مهمة في توصيف تدفق الطاقة داخل نظام بيئي هي صافي كفاءة الإنتاج. كفاءة الإنتاج الصافي (NPE) يسمح لعلماء البيئة بتحديد مدى كفاءة الكائنات ذات المستوى الغذائي المعين في دمج الطاقة التي تتلقاها في الكتلة الحيوية التي يتم حسابها باستخدام الصيغة التالية:

صافي إنتاجية المستهلك هو محتوى الطاقة المتاح للكائنات الحية من المستوى الغذائي التالي. الاستيعاب هي الكتلة الحيوية (محتوى الطاقة المتولد لكل وحدة مساحة) من المستوى الغذائي الحالي بعد حساب الطاقة المفقودة بسبب عدم اكتمال تناول الطعام ، والطاقة المستخدمة في التنفس ، والطاقة المفقودة كنفايات. أناابتلاع غير كامل يشير إلى حقيقة أن بعض المستهلكين يأكلون جزءًا فقط من طعامهم. على سبيل المثال ، عندما يقتل أسد ظباء ، فإنه يأكل كل شيء ما عدا الجلد والعظام. يفتقد الأسد إلى نخاع العظام الغني بالطاقة داخل العظم ، لذلك لا يستفيد الأسد من جميع السعرات الحرارية التي يمكن أن توفرها فريسته.

وبالتالي ، يقيس NPE مدى كفاءة استخدام كل مستوى غذائي ودمج الطاقة من طعامه في الكتلة الحيوية لتغذية المستوى الغذائي التالي. بشكل عام ، الحيوانات ذوات الدم البارد (ectotherms) ، مثل اللافقاريات والأسماك والبرمائيات والزواحف ، تستخدم قدرًا أقل من الطاقة التي تحصل عليها للتنفس والحرارة مقارنة بالحيوانات ذوات الدم الحار (ماصات الحرارة) ، مثل الطيور والثدييات. الحرارة الزائدة المتولدة في ماصات الحرارة ، على الرغم من أنها ميزة من حيث نشاط هذه الكائنات في البيئات الباردة ، إلا أنها تعتبر عيبًا رئيسيًا من حيث NPE. لذلك ، يجب أن تأكل العديد من المواد الصلبة للحرارة أكثر من ectotherms للحصول على الطاقة التي يحتاجونها للبقاء على قيد الحياة. بشكل عام ، يكون NPE الخاص بـ ectotherms أعلى بترتيب حجم (10x) أعلى من endotherms. على سبيل المثال ، تم قياس NPE لأوراق أكل اليرقة بنسبة 18 بالمائة ، في حين أن NPE للسنجاب الذي يأكل الجوز قد يكون منخفضًا مثل 1.6 بالمائة.

ال عدم كفاءة الطاقة استخدام الحيوانات ذوات الدم الحار له آثار واسعة على الإمدادات الغذائية في العالم. من المقبول على نطاق واسع أن صناعة اللحوم تستخدم كميات كبيرة من المحاصيل لإطعام الماشية ، ونظرًا لانخفاض NPE ، يتم فقد الكثير من الطاقة من علف الحيوانات. على سبيل المثال ، تكلف حوالي 1 لإنتاج 1000 سعر حراري غذائي (كيلو كالوري) من الذرة أو فول الصويا ، ولكن تقريبًا .19 لإنتاج عدد مماثل من السعرات الحرارية التي تربى الماشية لاستهلاك لحوم البقر. محتوى الطاقة نفسه في حليب الماشية مكلف أيضًا ، بحوالي 0.16 لكل 1000 سعرة حرارية. يرجع الكثير من هذا الاختلاف إلى انخفاض NPE للماشية. وبالتالي ، كانت هناك حركة متنامية في جميع أنحاء العالم للترويج لاستهلاك الأطعمة غير اللحوم وغير الألبان بحيث يتم إهدار طاقة أقل لتغذية الحيوانات لصناعة اللحوم.

نمذجة تدفق الطاقة للنظم البيئية: الأهرامات البيئية

يمكن تصور بنية النظم البيئية باستخدام الأهرامات البيئية ، والتي تم وصفها لأول مرة من خلال الدراسات الرائدة لتشارلز إلتون في عشرينيات القرن الماضي. الأهرامات البيئية تظهر الكميات النسبية للمعلمات المختلفة (مثل عدد الكائنات الحية والطاقة والكتلة الحيوية) عبر المستويات الغذائية.

يمكن أن تكون أهرامات الأرقام إما مستقيمة أو مقلوبة ، اعتمادًا على النظام البيئي. كما هو مبين في الشكل 3 ، تحتوي الأراضي العشبية النموذجية خلال الصيف على قاعدة للعديد من النباتات وتقل أعداد الكائنات الحية في كل مستوى غذائي. ومع ذلك ، خلال فصل الصيف في الغابة المعتدلة ، تتكون قاعدة الهرم من عدد قليل من الأشجار مقارنة بعدد المستهلكين الأساسيين ، ومعظمهم من الحشرات. نظرًا لأن الأشجار كبيرة ، فإنها تتمتع بقدرة كبيرة على التمثيل الضوئي وتهيمن على النباتات الأخرى في هذا النظام البيئي للحصول على ضوء الشمس. حتى في أعداد أقل ، لا يزال المنتجون الأساسيون في الغابات قادرين على دعم المستويات الغذائية الأخرى.

هناك طريقة أخرى لتصور بنية النظام الإيكولوجي وهي استخدام أهرامات الكتلة الحيوية. يقيس هذا الهرم كمية الطاقة المحولة إلى أنسجة حية على المستويات الغذائية المختلفة. باستخدام مثال النظام البيئي Silver Springs ، تُظهر هذه البيانات هرم الكتلة الحيوية المستقيم (الشكل 3) ، بينما يتم عكس الهرم من مثال القناة الإنجليزية. تشكل النباتات (المنتجون الأساسيون) في نظام سيلفر سبرينغز البيئي نسبة كبيرة من الكتلة الحيوية الموجودة هناك. ومع ذلك ، فإن العوالق النباتية في مثال القناة الإنجليزية تشكل كتلة حيوية أقل من المستهلكين الأساسيين ، العوالق الحيوانية. كما هو الحال مع أهرامات الأرقام المقلوبة ، فإن هذا الهرم المقلوب لا يرجع إلى نقص الإنتاجية من المنتجين الأساسيين ولكنه ناتج عن ارتفاع معدل دوران العوالق النباتية. يتم استهلاك العوالق النباتية بسرعة من قبل المستهلكين الأساسيين ، وبالتالي تقليل الكتلة الحيوية في أي وقت معين. ومع ذلك ، تتكاثر العوالق النباتية بسرعة ، وبالتالي فهي قادرة على دعم بقية النظام البيئي.

يمكن أيضًا استخدام نمذجة النظام البيئي الهرمي لإظهار تدفق الطاقة عبر المستويات الغذائية. أهرامات الطاقة مستقيمة دائمًا ، ولا يمكن دعم نظام بيئي بدون إنتاجية أولية كافية. جميع أنواع الأهرامات البيئية مفيدة في توصيف بنية النظام البيئي. ومع ذلك ، في دراسة تدفق الطاقة عبر النظام البيئي ، فإن أهرامات الطاقة هي النماذج الأكثر اتساقًا وتمثيلًا لهيكل النظام البيئي.

الشكل 3: تصور الأهرامات البيئية (أ) الكتلة الحيوية ، (ب) عدد الكائنات الحية ، و (ج) الطاقة في كل مستوى غذائي. (الائتمان: & # 8220Ecological Pyramids & # 8221 by OpenStax مرخص بموجب CC BY 4.0)

عواقب شبكات الغذاء: التكبير البيولوجي

أحد أهم النتائج البيئية لديناميات النظام البيئي هو تضخم بيولوجي. التضخم الأحيائي هو زيادة تركيز المواد السامة الثابتة في الكائنات الحية على كل مستوى غذائي ، من المنتجين الأساسيين إلى المستهلكين الرئيسيين. تم عرض العديد من المواد تتراكم بيولوجيابما في ذلك الدراسات الكلاسيكية مع المبيدات ثنائي كلورو ثنائي الفينيل ثلاثي كلورو الإيثان (دي دي تي) ، الذي تم نشره في الستينيات من أكثر الكتب مبيعًا ، الربيع الصامتبقلم راشيل كارسون. كان الـ دي.دي.تي مبيد آفات شائع الاستخدام قبل أن تصبح أخطاره معروفة. في بعض النظم البيئية المائية ، استهلكت الكائنات الحية من كل مستوى تغذوي العديد من الكائنات الحية من المستوى الأدنى ، مما تسبب في زيادة مادة الـ دي.دي.تي في الطيور (المستهلكين الرئيسيين) التي أكلت الأسماك. وهكذا تراكمت على الطيور كميات كافية من مادة الـ دي.دي.تي لتسبب هشاشة قشر بيضها. أدى هذا التأثير إلى زيادة تكسر البيض أثناء التعشيش وتبين أن له تأثيرات ضارة على مجموعات الطيور هذه. تم حظر استخدام الـ دي.دي.تي في الولايات المتحدة في السبعينيات.

المواد الأخرى التي تتضخم بيولوجيا هي ثنائي الفينيل متعدد الكلور (ثنائي الفينيل متعدد الكلور) ، التي كانت تستخدم في سوائل المبردات في الولايات المتحدة حتى تم حظر استخدامها في عام 1979 ، والمعادن الثقيلة ، مثل الزئبق والرصاص والكادميوم. تمت دراسة هذه المواد بشكل أفضل في النظم الإيكولوجية المائية ، حيث تتراكم أنواع الأسماك على مستويات غذائية مختلفة المواد السامة التي يتم جلبها من خلال النظام البيئي من قبل المنتجين الأساسيين. كما هو موضح في دراسة أجرتها الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA) في خليج ساجينو ببحيرة هورون (الشكل 4) ، زادت تركيزات ثنائي الفينيل متعدد الكلور من المنتجين الأساسيين للنظام البيئي (العوالق النباتية) من خلال المستويات الغذائية المختلفة لأنواع الأسماك. يحتوي المستهلك الرئيسي (العين رمادية فاتحة اللون) على أكثر من أربعة أضعاف كمية مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور مقارنة بالعوالق النباتية. أيضًا ، استنادًا إلى نتائج دراسات أخرى ، قد تحتوي الطيور التي تأكل هذه الأسماك على مستويات ثنائي الفينيل متعدد الكلور على الأقل مرتبة واحدة من حيث الحجم أعلى من تلك الموجودة في أسماك البحيرة.

الشكل 4: يوضح هذا الرسم البياني تركيزات ثنائي الفينيل متعدد الكلور الموجودة في المستويات الغذائية المختلفة في النظام البيئي لخليج ساجينو في بحيرة هورون. تعكس الأرقام الموجودة على المحور السيني التخصيب بنظائر النيتروجين الثقيلة (15N) ، وهي علامة لزيادة المستوى الغذائي. لاحظ أن الأسماك في المستويات الغذائية الأعلى تتراكم فيها مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور أكثر من تلك الموجودة في المستويات الغذائية المنخفضة. (الائتمان: باتريشيا فان هوف ، NOAA ، GLERL. & # 8220PCB تركيزات & # 8221 بواسطة OpenStax مرخص بموجب CC BY 4.0)

وقد أثيرت مخاوف أخرى من تراكم معادن ثقيلة، مثل الزئبق والكادميوم ، في أنواع معينة من المأكولات البحرية. توصي وكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA) النساء الحوامل والأطفال الصغار بعدم تناول أي سمك أبو سيف أو سمك القرش أو سمك الماكريل أو سمك القرميد بسبب محتواها العالي من الزئبق. ينصح هؤلاء الأفراد بتناول الأسماك منخفضة الزئبق: السلمون ، البلطي ، الجمبري ، بولوك ، وسمك السلور. يعد التضخم الأحيائي مثالًا جيدًا على كيفية تأثير ديناميكيات النظام البيئي على حياتنا اليومية ، حتى أنها تؤثر على الطعام الذي نأكله.

ملخص

تكتسب الكائنات الحية في النظام البيئي الطاقة بعدة طرق ، والتي يتم نقلها بين المستويات الغذائية حيث تتدفق الطاقة من أسفل إلى أعلى شبكة الغذاء ، مع فقدان الطاقة في كل عملية نقل. تعد كفاءة هذه التحويلات مهمة لفهم السلوكيات المختلفة وعادات الأكل للحيوانات ذوات الدم الحار مقابل الحيوانات ذوات الدم البارد. من الأفضل القيام بنمذجة طاقة النظام البيئي باستخدام أهرامات الطاقة البيئية ، على الرغم من أن الأهرامات البيئية الأخرى توفر معلومات حيوية أخرى حول بنية النظام البيئي.


249 تدفق الطاقة عبر النظم البيئية

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • صف كيف تكتسب الكائنات الحية الطاقة في شبكة الغذاء وفي سلاسل الغذاء المرتبطة بها
  • اشرح كيف تؤثر كفاءة عمليات نقل الطاقة بين المستويات الغذائية على بنية النظام البيئي وديناميكياته
  • ناقش المستويات الغذائية وكيفية استخدام الأهرامات البيئية لنمذجتها

تتطلب جميع الكائنات الحية الطاقة بشكل أو بآخر. الطاقة مطلوبة من قبل معظم المسارات الأيضية المعقدة (غالبًا في شكل أدينوسين ثلاثي الفوسفات ، ATP) ، خاصة تلك المسؤولة عن بناء جزيئات كبيرة من مركبات أصغر ، والحياة نفسها هي عملية مدفوعة بالطاقة. لن تكون الكائنات الحية قادرة على تجميع الجزيئات الكبيرة (البروتينات ، والدهون ، والأحماض النووية ، والكربوهيدرات المعقدة) من وحداتها الفرعية الأحادية دون مدخلات طاقة ثابتة.

من المهم أن نفهم كيف تكتسب الكائنات الحية الطاقة وكيف يتم تمرير هذه الطاقة من كائن حي إلى آخر من خلال شبكات الغذاء وسلاسل الغذاء المكونة لها. توضح شبكات الغذاء كيف تتدفق الطاقة بشكل مباشر عبر النظم البيئية ، بما في ذلك مدى كفاءة الكائنات الحية في اكتسابها واستخدامها ومقدار ما تبقى للاستخدام من قبل الكائنات الحية الأخرى في شبكة الغذاء.

كيف تكتسب الكائنات الحية الطاقة في شبكة الغذاء

يتم الحصول على الطاقة عن طريق الكائنات الحية بثلاث طرق: التمثيل الضوئي ، والتركيب الكيميائي ، واستهلاك وهضم الكائنات الحية الأخرى أو الكائنات الحية سابقًا عن طريق الكائنات غيرية التغذية.

يتم تجميع كائنات التمثيل الضوئي والتركيب الكيميائي في فئة تعرف باسم autotrophs: الكائنات الحية القادرة على تصنيع طعامها (بشكل أكثر تحديدًا ، قادرة على استخدام الكربون غير العضوي كمصدر للكربون). تستخدم autotrophs التمثيل الضوئي (phototrophs) ضوء الشمس كمصدر للطاقة ، في حين تستخدم autotrophs التخليقية الكيميائية (chemoautotrophs) جزيئات غير عضوية كمصدر للطاقة. تعد Autotrophs ضرورية لجميع الأنظمة البيئية. بدون هذه الكائنات ، لن تكون الطاقة متاحة للكائنات الحية الأخرى ولن تكون الحياة نفسها ممكنة.

تعمل العناصر الغذائية الضوئية ، مثل النباتات والطحالب والبكتيريا الضوئية ، كمصدر للطاقة لمعظم النظم البيئية في العالم. غالبًا ما يتم وصف هذه النظم البيئية برعي شبكات الغذاء. تسخر Photoautotrophs الطاقة الشمسية للشمس عن طريق تحويلها إلى طاقة كيميائية في شكل ATP (و NADP). تُستخدم الطاقة المخزنة في ATP لتجميع الجزيئات العضوية المعقدة ، مثل الجلوكوز.

Chemoautotrophs هي في الأساس بكتيريا توجد في النظم البيئية النادرة حيث لا يتوفر ضوء الشمس ، مثل تلك المرتبطة بالكهوف المظلمة أو الفتحات الحرارية المائية في قاع المحيط ((الشكل)). تستخدم العديد من المغذيات الكيميائية في الفتحات الحرارية المائية كبريتيد الهيدروجين (H2S) ، والذي يتم إطلاقه من الفتحات كمصدر للطاقة الكيميائية. يسمح هذا للكيميائيات بتجميع الجزيئات العضوية المعقدة ، مثل الجلوكوز ، من أجل طاقتها الخاصة ، وبالتالي توفير الطاقة لبقية النظام البيئي.

الإنتاجية ضمن المستويات الغذائية

يمكن تعريف الإنتاجية داخل النظام البيئي على أنها النسبة المئوية للطاقة التي تدخل النظام البيئي المدمج في الكتلة الحيوية في مستوى غذائي معين. الكتلة الحيوية هي الكتلة الكلية ، في وحدة المساحة وقت القياس ، للكائنات الحية أو التي كانت تعيش سابقًا ضمن المستوى الغذائي. تحتوي النظم البيئية على كميات مميزة من الكتلة الحيوية في كل مستوى غذائي. على سبيل المثال ، في النظام البيئي للقناة الإنجليزية ، يمثل المنتجون الأساسيون كتلة حيوية تبلغ 4 جم / م 2 (جرام لكل متر مربع) ، بينما يُظهر المستهلكون الأساسيون كتلة حيوية تبلغ 21 جم / م 2.

تعد إنتاجية المنتجين الأساسيين مهمة بشكل خاص في أي نظام بيئي لأن هذه الكائنات الحية تجلب الطاقة للكائنات الحية الأخرى عن طريق التغذية الضوئية أو التغذية الكيميائية. يُطلق على المعدل الذي يدمج به المنتجون الأوليون في عملية التمثيل الضوئي الطاقة من الشمس إجمالي الإنتاجية الأولية. يظهر مثال للإنتاجية الأولية الإجمالية في مخطط المقصورة لتدفق الطاقة داخل النظام البيئي المائي Silver Springs كما هو موضح ((الشكل)). في هذا النظام البيئي ، تبين أن إجمالي الطاقة المتراكمة من قبل المنتجين الأساسيين (إجمالي الإنتاجية الأولية) يبلغ 20810 كيلو كالوري / م 2 / سنة.

نظرًا لأن جميع الكائنات الحية تحتاج إلى استخدام بعض هذه الطاقة لوظائفها الخاصة (مثل التنفس وفقدان الحرارة الأيضي الناتج) غالبًا ما يشير العلماء إلى صافي الإنتاجية الأولية للنظام البيئي. صافي الإنتاجية الأولية هي الطاقة التي تبقى في المنتجين الأساسيين بعد حساب تنفس الكائنات الحية وفقدان الحرارة. ثم يصبح صافي الإنتاجية متاحًا للمستهلكين الأساسيين على المستوى الغذائي التالي. في مثالنا Silver Springs ، تم استخدام 13،187 من 20،810 kcal / m 2 / year للتنفس أو تم فقدها كحرارة ، مما ترك 7،633 كيلو كالوري / م 2 / عام من الطاقة للاستخدام من قبل المستهلكين الأساسيين.

الكفاءة البيئية: نقل الطاقة بين المستويات الغذائية

كما هو موضح في ((الشكل)) ، مع تدفق الطاقة من المنتجين الأساسيين عبر المستويات الغذائية المختلفة ، يفقد النظام البيئي كميات كبيرة من الطاقة. السبب الرئيسي لهذه الخسارة هو القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، والذي ينص على أنه كلما تم تحويل الطاقة من شكل إلى آخر ، هناك ميل نحو الفوضى (الانتروبيا) في النظام. في الأنظمة البيولوجية ، تأخذ هذه الطاقة شكل الحرارة الأيضية ، والتي تُفقد عندما تستهلك الكائنات الحية كائنات أخرى. في مثال النظام البيئي Silver Springs ((الشكل)) ، نرى أن المستهلكين الأساسيين أنتجوا 1103 كيلو كالوري / م 2 / سنة من 7618 كيلو كالوري / م 2 / سنة من الطاقة المتاحة لهم من المنتجين الأساسيين. يُطلق على قياس كفاءة نقل الطاقة بين مستويين غذائيين متتاليين كفاءة نقل المستوى الغذائي (TLTE) ويتم تحديده بواسطة الصيغة:

في سيلفر سبرينغز ، كانت TLTE بين المستويين الغذائيين الأولين حوالي 14.8 بالمائة. عادة ما يكون انخفاض كفاءة نقل الطاقة بين المستويات الغذائية هو العامل الرئيسي الذي يحد من طول السلاسل الغذائية التي لوحظت في شبكة الغذاء. الحقيقة هي أنه بعد أربعة إلى ستة عمليات نقل للطاقة ، لا يتبقى طاقة كافية لدعم مستوى غذائي آخر. في مثال بحيرة أونتاريو الموضح في ((الشكل)) ، حدثت ثلاثة عمليات نقل للطاقة فقط بين المنتج الأساسي (الطحالب الخضراء) والمستهلك الرئيسي (سمك السلمون من طراز شينوك).

لدى علماء البيئة العديد من الطرق المختلفة لقياس عمليات نقل الطاقة داخل النظم البيئية. تعتمد صعوبة القياس على مدى تعقيد النظام البيئي ومدى وصول العلماء لمراقبة النظام البيئي. وبعبارة أخرى ، فإن دراسة بعض النظم البيئية أكثر صعوبة من غيرها ، وفي بعض الأحيان يجب تقدير كمية عمليات نقل الطاقة.

تعتبر المعلمات الأخرى مهمة في توصيف تدفق الطاقة داخل النظام البيئي. تسمح كفاءة الإنتاج الصافية (NPE) لعلماء البيئة بتحديد مدى كفاءة الكائنات ذات المستوى الغذائي المعين في دمج الطاقة التي تتلقاها في الكتلة الحيوية التي يتم حسابها باستخدام الصيغة التالية:

صافي إنتاجية المستهلك هو محتوى الطاقة المتاح للكائنات الحية من المستوى الغذائي التالي. الاستيعاب هو الكتلة الحيوية (محتوى الطاقة المتولد لكل وحدة مساحة) للمستوى الغذائي الحالي بعد حساب الطاقة المفقودة بسبب عدم اكتمال تناول الطعام ، والطاقة المستخدمة في التنفس ، والطاقة المفقودة كنفايات. يشير الابتلاع غير الكامل إلى حقيقة أن بعض المستهلكين يأكلون جزءًا فقط من طعامهم. على سبيل المثال ، عندما يقتل أسد ظباء ، فإنه يأكل كل شيء ما عدا الجلد والعظام. يفتقد الأسد إلى نخاع العظام الغني بالطاقة داخل العظم ، لذلك لا يستفيد الأسد من جميع السعرات الحرارية التي يمكن أن توفرها فريسته.

وبالتالي ، يقيس NPE مدى كفاءة استخدام كل مستوى غذائي ودمج الطاقة من طعامه في الكتلة الحيوية لتغذية المستوى الغذائي التالي. بشكل عام ، تستخدم الحيوانات ذوات الدم البارد (ectotherms) ، مثل اللافقاريات والأسماك والبرمائيات والزواحف ، قدرًا أقل من الطاقة التي تحصل عليها للتنفس والحرارة مقارنة بالحيوانات ذوات الدم الحار (endotherms) ، مثل الطيور والثدييات. الحرارة الزائدة المتولدة في ماصات الحرارة ، على الرغم من أنها ميزة من حيث نشاط هذه الكائنات في البيئات الباردة ، إلا أنها تعتبر عيبًا رئيسيًا من حيث NPE. لذلك ، يجب أن تأكل العديد من المواد الصلبة للحرارة أكثر من ectotherms للحصول على الطاقة التي يحتاجونها للبقاء على قيد الحياة. بشكل عام ، يكون NPE الخاص بـ ectotherms أعلى بترتيب حجم (10x) أعلى من endotherms. على سبيل المثال ، تم قياس NPE لأوراق أكل اليرقة بنسبة 18 بالمائة ، في حين أن NPE للسنجاب الذي يأكل الجوز قد يكون منخفضًا مثل 1.6 بالمائة.

إن عدم كفاءة استخدام الطاقة من قبل الحيوانات ذوات الدم الحار لها آثار واسعة على الإمدادات الغذائية في العالم. من المقبول على نطاق واسع أن صناعة اللحوم تستخدم كميات كبيرة من المحاصيل لإطعام الماشية ، ونظرًا لانخفاض NPE ، يتم فقد الكثير من الطاقة من علف الحيوانات. على سبيل المثال ، يكلف إنتاج 1000 سعر حراري غذائي (كيلو كالوري) من الذرة أو فول الصويا حوالي 0.01 يورو ، ولكن حوالي 0.19 جنيه استرليني لإنتاج عدد مماثل من السعرات الحرارية التي تربى الماشية لاستهلاك لحوم البقر. محتوى الطاقة نفسه في حليب الماشية مكلف أيضًا ، بحوالي 0.16 لكل 1000 كيلو كالوري. يرجع الكثير من هذا الاختلاف إلى انخفاض NPE للماشية. وبالتالي ، كانت هناك حركة متنامية في جميع أنحاء العالم للترويج لاستهلاك الأطعمة غير اللحوم وغير الألبان بحيث يتم إهدار طاقة أقل لتغذية الحيوانات لصناعة اللحوم.

نمذجة تدفق الطاقة للنظم البيئية: الأهرامات البيئية

يمكن تصور بنية النظم البيئية باستخدام الأهرامات البيئية ، والتي تم وصفها لأول مرة من خلال الدراسات الرائدة لتشارلز إلتون في عشرينيات القرن الماضي. تظهر الأهرامات البيئية الكميات النسبية للمعلمات المختلفة (مثل عدد الكائنات الحية والطاقة والكتلة الحيوية) عبر المستويات الغذائية.

يمكن أن تكون أهرامات الأرقام إما مستقيمة أو مقلوبة ، اعتمادًا على النظام البيئي. كما هو مبين في (الشكل) ، تحتوي الأراضي العشبية النموذجية خلال الصيف على قاعدة من العديد من النباتات ، وتقل أعداد الكائنات الحية في كل مستوى غذائي. ومع ذلك ، خلال فصل الصيف في الغابة المعتدلة ، تتكون قاعدة الهرم من عدد قليل من الأشجار مقارنة بعدد المستهلكين الأساسيين ، ومعظمهم من الحشرات. نظرًا لأن الأشجار كبيرة ، فإنها تتمتع بقدرة كبيرة على التمثيل الضوئي ، وتهيمن على النباتات الأخرى في هذا النظام البيئي للحصول على ضوء الشمس. حتى في أعداد أقل ، لا يزال المنتجون الأساسيون في الغابات قادرين على دعم المستويات الغذائية الأخرى.

هناك طريقة أخرى لتصور بنية النظام الإيكولوجي وهي استخدام أهرامات الكتلة الحيوية. يقيس هذا الهرم كمية الطاقة المحولة إلى أنسجة حية على المستويات الغذائية المختلفة. باستخدام مثال النظام البيئي Silver Springs ، تُظهر هذه البيانات هرم الكتلة الحيوية المستقيم ((الشكل)) ، بينما يتم عكس الهرم من مثال القناة الإنجليزية. تشكل النباتات (المنتجون الأساسيون) في نظام سيلفر سبرينغز البيئي نسبة كبيرة من الكتلة الحيوية الموجودة هناك. ومع ذلك ، فإن العوالق النباتية في مثال القناة الإنجليزية تشكل كتلة حيوية أقل من المستهلكين الأساسيين ، العوالق الحيوانية. كما هو الحال مع أهرامات الأرقام المقلوبة ، فإن هذا الهرم المقلوب لا يرجع إلى نقص الإنتاجية من المنتجين الأساسيين ، ولكنه ناتج عن معدل دوران مرتفع للعوالق النباتية. يتم استهلاك العوالق النباتية بسرعة من قبل المستهلكين الأساسيين ، وبالتالي تقليل الكتلة الحيوية في أي وقت معين. ومع ذلك ، تتكاثر العوالق النباتية بسرعة ، وبالتالي فهي قادرة على دعم بقية النظام البيئي.

يمكن أيضًا استخدام نمذجة النظام البيئي الهرمي لإظهار تدفق الطاقة عبر المستويات الغذائية. لاحظ أن هذه الأرقام هي نفسها تلك المستخدمة في مخطط حجرة تدفق الطاقة في ((الشكل)). دائمًا ما تكون أهرامات الطاقة منتصبة ، ولا يمكن دعم نظام بيئي بدون إنتاجية أولية كافية. جميع أنواع الأهرامات البيئية مفيدة في توصيف بنية النظام البيئي. However, in the study of energy flow through the ecosystem, pyramids of energy are the most consistent and representative models of ecosystem structure ((Figure)).

Pyramids depicting the number of organisms or biomass may be inverted, upright, or even diamond-shaped. ومع ذلك ، فإن أهرامات الطاقة دائمًا ما تكون منتصبة. لماذا ا؟

عواقب شبكات الغذاء: التكبير البيولوجي

يعد التضخم الأحيائي أحد أهم النتائج البيئية لديناميات النظام الإيكولوجي. التضخم الأحيائي هو زيادة تركيز المواد السامة الثابتة في الكائنات الحية على كل مستوى غذائي ، من المنتجين الأساسيين إلى المستهلكين الرئيسيين. Many substances have been shown to bioaccumulate, including the pesticide دichloroدإيفينيلرrichloroethane (DDT), which was described in the 1960s bestseller, الربيع الصامتبقلم راشيل كارسون. كان الـ دي.دي.تي مبيد آفات شائع الاستخدام قبل أن تصبح أخطاره معروفة. في بعض النظم البيئية المائية ، استهلكت الكائنات الحية من كل مستوى تغذوي العديد من الكائنات الحية من المستوى الأدنى ، مما تسبب في زيادة مادة الـ دي.دي.تي في الطيور (المستهلكين الرئيسيين) التي أكلت الأسماك. وهكذا تراكمت على الطيور كميات كافية من مادة الـ دي.دي.تي لتسبب هشاشة قشر بيضها. أدى هذا التأثير إلى زيادة تكسر البيض أثناء التعشيش وتبين أن له تأثيرات ضارة على مجموعات الطيور هذه. تم حظر استخدام الـ دي.دي.تي في الولايات المتحدة في السبعينيات.

المواد الأخرى التي تتضخم بيولوجيًا هي مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور (PCBs) ، والتي كانت تستخدم في سوائل المبردات في الولايات المتحدة حتى تم حظر استخدامها في عام 1979 ، والمعادن الثقيلة ، مثل الزئبق والرصاص والكادميوم. تمت دراسة هذه المواد بشكل أفضل في النظم الإيكولوجية المائية ، حيث تتراكم أنواع الأسماك على مستويات غذائية مختلفة المواد السامة التي يتم جلبها من خلال النظام البيئي من قبل المنتجين الأساسيين. As illustrated in a study performed by the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) in the Saginaw Bay of Lake Huron ((Figure)), PCB concentrations increased from the ecosystem’s primary producers (phytoplankton) through the different trophic levels of fish species. يحتوي المستهلك الرئيسي (العين رمادية فاتحة اللون) على أكثر من أربعة أضعاف كمية مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور مقارنة بالعوالق النباتية. أيضًا ، استنادًا إلى نتائج دراسات أخرى ، قد تحتوي الطيور التي تأكل هذه الأسماك على مستويات ثنائي الفينيل متعدد الكلور على الأقل مرتبة واحدة من حيث الحجم أعلى من تلك الموجودة في أسماك البحيرة.

وقد أثيرت مخاوف أخرى بسبب تراكم المعادن الثقيلة ، مثل الزئبق والكادميوم ، في أنواع معينة من المأكولات البحرية. توصي وكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA) النساء الحوامل والأطفال الصغار بعدم تناول أي سمك أبو سيف أو سمك القرش أو سمك الماكريل أو سمك القرميد بسبب محتواها العالي من الزئبق. ينصح هؤلاء الأفراد بتناول الأسماك منخفضة الزئبق: السلمون ، البلطي ، الجمبري ، بولوك ، وسمك السلور. يعد التضخم الأحيائي مثالًا جيدًا على كيفية تأثير ديناميكيات النظام البيئي على حياتنا اليومية ، حتى أنها تؤثر على الطعام الذي نأكله.

ملخص القسم

Organisms in an ecosystem acquire energy in a variety of ways, which is transferred between trophic levels as the energy flows from the bottom to the top of the food web, with energy being lost at each transfer. The efficiency of these transfers is important for understanding the different behaviors and eating habits of warm-blooded versus cold-blooded animals. Modeling of ecosystem energy is best done with ecological pyramids of energy, although other ecological pyramids provide other vital information about ecosystem structure.

أسئلة الاتصال المرئي

(Figure) Pyramids depicting the number of organisms or biomass may be inverted, upright, or even diamond-shaped. ومع ذلك ، فإن أهرامات الطاقة دائمًا ما تكون منتصبة. لماذا ا؟

(Figure) Pyramids of organisms may be inverted or diamond-shaped because a large organism, such as a tree, can sustain many smaller organisms. وبالمثل ، يمكن أن تحافظ الكتلة الحيوية المنخفضة من الكائنات الحية على كتلة حيوية أكبر في المستوى الغذائي التالي لأن الكائنات الحية تتكاثر بسرعة وبالتالي توفر التغذية المستمرة. ومع ذلك ، يجب أن تكون أهرامات الطاقة دائمًا مستقيمة بسبب قوانين الديناميكا الحرارية. ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية على أنه لا يمكن إنشاء أو تدمير الطاقة وبالتالي ، يجب أن يكتسب كل مستوى غذائي الطاقة من المستوى الغذائي أدناه. ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أنه أثناء نقل الطاقة ، يتم دائمًا فقدان بعض الطاقة كحرارة ، وبالتالي ، تتوفر طاقة أقل في كل مستوى غذائي أعلى.

راجع الأسئلة

The weight of living organisms in an ecosystem at a particular point in time is called:

Which term describes the process whereby toxic substances increase along trophic levels of an ecosystem?

Organisms that can make their own food using inorganic molecules are called:

In the English Channel ecosystem, the number of primary producers is smaller than the number of primary consumers because________.

  1. the apex consumers have a low turnover rate
  2. the primary producers have a low turnover rate
  3. the primary producers have a high turnover rate
  4. the primary consumers have a high turnover rate

What law of chemistry determines how much energy can be transferred when it is converted from one form to another?

  1. the first law of thermodynamics
  2. the second law of thermodynamics
  3. the conservation of matter
  4. the conservation of energy

The mussels that live at the NW Eifuku volcano are examples of _______.

أسئلة التفكير النقدي

Compare the three types of ecological pyramids and how well they describe ecosystem structure. Identify which ones can be inverted and give an example of an inverted pyramid for each.

Pyramids of numbers display the number of individual organisms on each trophic level. These pyramids can be either upright or inverted, depending on the number of the organisms. Pyramids of biomass display the weight of organisms at each level. Inverted pyramids of biomass can occur when the primary producer has a high turnover rate. Pyramids of energy are usually upright and are the best representation of energy flow and ecosystem structure.

How does the amount of food a warm-blooded animal (endotherm) eats relate to its net production efficiency (NPE)?

NPE measures the rate at which one trophic level can use and make biomass from what it attained in the previous level, taking into account respiration, defecation, and heat loss. Endotherms have high metabolism and generate a lot of body heat. Although this gives them advantages in their activity level in colder temperatures, these organisms are 10 times less efficient at harnessing the energy from the food they eat compared with cold-blooded animals, and thus have to eat more and more often.

A study uses an inverted pyramid to demonstrate the relationship between sharks, their aquatic prey, and phytoplankton in an ocean region. What type of pyramid must be used? What does this convey to readers about predation in the area?

An inverted ecological pyramid describing the relationship between the three groups must be a biomass pyramid. This model suggests that the area is subject to heavy predation, with the prey species feeding heavily on the phytoplankton, and in turn being consumed by the sharks.

Describe what a pyramid of numbers would like if an ecologist models the relationship between bird parasites, blue jays, and oak trees in a hectare. Does this match the energy flow pyramid?

In this ecological model, the oak trees (producers) would be at the bottom, the blue jays would be in the middle level (primary consumer of acorns), and the parasites would be at the top level (secondary consumer). However, the pyramid would be inverted since each bird could support several parasites, and each tree could support several birds. This pyramid would appear to be the opposite of the energy flow pyramid.

قائمة المصطلحات


الكفاءة البيئية: نقل الطاقة بين المستويات الغذائية

As illustrated in , large amounts of energy are lost from the ecosystem from one trophic level to the next level as energy flows from the primary producers through the various trophic levels of consumers and decomposers. السبب الرئيسي لهذه الخسارة هو القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، والذي ينص على أنه كلما تم تحويل الطاقة من شكل إلى آخر ، هناك ميل نحو الفوضى (الانتروبيا) في النظام. في الأنظمة البيولوجية ، هذا يعني فقدان قدر كبير من الطاقة كحرارة استقلابية عندما تستهلك الكائنات الحية من مستوى غذائي واحد المستوى التالي. In the Silver Springs ecosystem example (), we see that the primary consumers produced 1103 kcal/m 2 /yr from the 7618 kcal/m 2 /yr of energy available to them from the primary producers. يُطلق على قياس كفاءة نقل الطاقة بين مستويين غذائيين متتاليين كفاءة نقل المستوى الغذائي (TLTE) ويتم تحديده بواسطة الصيغة:

TLTE = production at present trophic level production at previous trophic level × 100

في سيلفر سبرينغز ، كانت TLTE بين المستويين الغذائيين الأولين حوالي 14.8 بالمائة. عادة ما يكون انخفاض كفاءة نقل الطاقة بين المستويات الغذائية هو العامل الرئيسي الذي يحد من طول السلاسل الغذائية التي لوحظت في شبكة الغذاء. الحقيقة هي أنه بعد أربعة إلى ستة عمليات نقل للطاقة ، لا يتبقى طاقة كافية لدعم مستوى غذائي آخر. In the Lake Ontario example shown in , only three energy transfers occurred between the primary producer, (green algae), and the apex consumer (Chinook salmon).

لدى علماء البيئة العديد من الطرق المختلفة لقياس عمليات نقل الطاقة داخل النظم البيئية. بعض عمليات النقل أسهل أو أكثر صعوبة في القياس اعتمادًا على مدى تعقيد النظام البيئي ومدى وصول العلماء لمراقبة النظام البيئي. وبعبارة أخرى ، فإن دراسة بعض النظم البيئية أكثر صعوبة من غيرها ، وفي بعض الأحيان يجب تقدير كمية عمليات نقل الطاقة.

معلمة رئيسية أخرى مهمة في توصيف تدفق الطاقة داخل نظام بيئي هي صافي كفاءة الإنتاج. Net production efficiency (NPE) allows ecologists to quantify how efficiently organisms of a particular trophic level incorporate the energy they receive into biomass it is calculated using the following formula:

NPE = net consumer productivity assimilation × 100

Net consumer productivity is the energy content available to the organisms of the next trophic level. Assimilation is the biomass (energy content generated per unit area) of the present trophic level after accounting for the energy lost due to incomplete ingestion of food, energy used for respiration, and energy lost as waste. يشير الابتلاع غير الكامل إلى حقيقة أن بعض المستهلكين يأكلون جزءًا فقط من طعامهم. على سبيل المثال ، عندما يقتل أسد ظباء ، فإنه يأكل كل شيء ما عدا الجلد والعظام. يفتقد الأسد إلى نخاع العظام الغني بالطاقة داخل العظم ، لذلك لا يستفيد الأسد من جميع السعرات الحرارية التي يمكن أن توفرها فريسته.

وبالتالي ، يقيس NPE مدى كفاءة استخدام كل مستوى غذائي ودمج الطاقة من طعامه في الكتلة الحيوية لتغذية المستوى الغذائي التالي. بشكل عام ، تستخدم الحيوانات ذوات الدم البارد (ectotherms) ، مثل اللافقاريات والأسماك والبرمائيات والزواحف ، قدرًا أقل من الطاقة التي تحصل عليها للتنفس والحرارة مقارنة بالحيوانات ذوات الدم الحار (endotherms) ، مثل الطيور والثدييات. الحرارة الزائدة المتولدة في ماصات الحرارة ، على الرغم من أنها ميزة من حيث نشاط هذه الكائنات في البيئات الباردة ، إلا أنها تعتبر عيبًا رئيسيًا من حيث NPE. لذلك ، يجب أن تأكل العديد من المواد الصلبة للحرارة أكثر من ectotherms للحصول على الطاقة التي يحتاجونها للبقاء على قيد الحياة. بشكل عام ، يكون NPE الخاص بـ ectotherms أعلى بترتيب حجم (10x) أعلى من endotherms. على سبيل المثال ، تم قياس NPE لأوراق أكل اليرقة بنسبة 18 بالمائة ، في حين أن NPE للسنجاب الذي يأكل الجوز قد يكون منخفضًا مثل 1.6 بالمائة.

إن عدم كفاءة استخدام الطاقة من قبل الحيوانات ذوات الدم الحار له آثار واسعة على إمدادات الغذاء في العالم. من المقبول على نطاق واسع أن صناعة اللحوم تستخدم كميات كبيرة من المحاصيل لإطعام الماشية ، ونظرًا لانخفاض NPE ، يتم فقد الكثير من الطاقة من علف الحيوانات. For example, it costs about 1¢ to produce 1000 dietary calories (kcal) of corn or soybeans, but approximately

اتصال فني

Ecological pyramids depict the (a) biomass, (b) number of organisms, and (c) energy in each trophic level.

Pyramids depicting the number of organisms or biomass may be inverted, upright, or even diamond-shaped. ومع ذلك ، فإن أهرامات الطاقة دائمًا ما تكون منتصبة. لماذا ا؟

.19 لإنتاج عدد مماثل من السعرات الحرارية تربية الماشية لاستهلاك لحوم البقر. محتوى الطاقة نفسه في حليب الماشية مكلف أيضًا تقريبًا

ملخص القسم

Organisms in an ecosystem acquire energy in a variety of ways, which is transferred between trophic levels as the energy flows from the bottom to the top of the food web, with energy being lost at each transfer. The efficiency of these transfers is important for understanding the different behaviors and eating habits of warm-blooded versus cold-blooded animals. Modeling of ecosystem energy is best done with ecological pyramids of energy, although other ecological pyramids provide other vital information about ecosystem structure.

.16 لكل 1000 سعرة حرارية. يرجع الكثير من هذا الاختلاف إلى انخفاض NPE للماشية. وبالتالي ، كانت هناك حركة متنامية في جميع أنحاء العالم للترويج لاستهلاك الأطعمة غير اللحوم وغير الألبان بحيث يتم إهدار طاقة أقل لتغذية الحيوانات لصناعة اللحوم.


Modeling Ecosystems Energy Flow: Ecological Pyramids

The structure of ecosystems can be visualized with ecological pyramids, which were first described by the pioneering studies of Charles Elton in the 1920s. Ecological pyramids show the relative amounts of various parameters (such as number of organisms, energy, and biomass) across trophic levels.

Pyramids of numbers can be either upright or inverted, depending on the ecosystem. As shown in [link], typical grassland during the summer has a base of many plants and the numbers of organisms decrease at each trophic level. However, during the summer in a temperate forest, the base of the pyramid consists of few trees compared with the number of primary consumers, mostly insects. Because trees are large, they have great photosynthetic capability, and dominate other plants in this ecosystem to obtain sunlight. Even in smaller numbers, primary producers in forests are still capable of supporting other trophic levels.

Another way to visualize ecosystem structure is with pyramids of biomass. This pyramid measures the amount of energy converted into living tissue at the different trophic levels. Using the Silver Springs ecosystem example, this data exhibits an upright biomass pyramid ([link]), whereas the pyramid from the English Channel example is inverted. The plants (primary producers) of the Silver Springs ecosystem make up a large percentage of the biomass found there. However, the phytoplankton in the English Channel example make up less biomass than the primary consumers, the zooplankton. As with inverted pyramids of numbers, this inverted pyramid is not due to a lack of productivity from the primary producers, but results from the high turnover rate of the phytoplankton. The phytoplankton are consumed rapidly by the primary consumers, thus, minimizing their biomass at any particular point in time. However, phytoplankton reproduce quickly, thus they are able to support the rest of the ecosystem.

Pyramid ecosystem modeling can also be used to show energy flow through the trophic levels. Notice that these numbers are the same as those used in the energy flow compartment diagram in [link]. Pyramids of energy are always upright, and an ecosystem without sufficient primary productivity cannot be supported. All types of ecological pyramids are useful for characterizing ecosystem structure. However, in the study of energy flow through the ecosystem, pyramids of energy are the most consistent and representative models of ecosystem structure ([link]).


Pyramids depicting the number of organisms or biomass may be inverted, upright, or even diamond-shaped. ومع ذلك ، فإن أهرامات الطاقة دائمًا ما تكون منتصبة. لماذا ا؟


46.2: Energy Flow through Ecosystems - Biology

An ecosystem consists of a community of living organisms interacting with each other and the environment. The source of energy that fuels most ecosystems is the Sun. Plants use the Sun's energy to produce food in a process called photosynthesis. Organisms that use energy from the Sun or energy stored in chemical compounds to produce their own nutrients are called autotrophs. They are also called producers because most other organisms depend on autotrophs for nutrients and energy. Heterotrophic organisms that cannot make their own food may obtain nutrients by eating other organisms. A heterotroph that feeds only on plants is called an herbivore. Herbivores are also called first order heterotrophs. Carnivores that feed on herbivores are called second order heterotrophs. Carnivores that feed on other carnivores are called third order heterotrophs. A food chain is a simple model of how energy and matter move through an ecosystem.

Each level of production and consumption in a food chain is a trophic level. The autotrophs form the first trophic level, first order heterotrophs (herbivores) constitute the second trophic level, second order heterotrophs the third trophic level, and third order heterotrophs are layered on top.

In the pyramid of energy, the energy moves in only one direction and decreases at each succeeding trophic level. The total energy transfer from one trophic level to the next is, in general, only about ten percent or less. This is called the energy conversion efficiency. Organisms fail to capture and eat all the food available at the trophic level below them. The food consumers ingest is used to metabolize and build body tissues. Some food is given off as waste. The energy lost at each trophic level enters the environment as heat.

A pyramid of biomass expresses the weight of living material at each trophic level. Biomass is calculated by finding the average weight of each species at that trophic level and multiplying the weight by the estimated number of organisms in each population. In terrestrial ecosystems, biomass decreases as the trophic level increases. In contrast to terrestrial ecosystems, freshwater and marine ecosystems have less primary producer biomass than biomass present at higher trophic levels, leading to an inverted biomass pyramid. This is because algae and phytoplankton have a shorter lifespan, are more edible than terrestrial plants, and are more rapidly grazed. Their biomass does not accumulate.

In this exploration, you will study and analyze five simplified model ecosystems: a deciduous forest, a hot desert, a freshwater lake, grassland, and an Antarctic ocean shore. Many more plant and animal species would be involved in a real-world ecosystem. The field notes for each model ecosystem present a profile of the plant and animal inventory for each ecosystem.

إجراء
1. Select the icon next to the animals' and plants' names from the Field Notes tablet and drag and drop them to the appropriate trophic level in the ecosystem pyramid.

2. Click the Check button when all the names have been placed in the ecosystem pyramid to verify the accuracy of animal and plant assignments to the appropriate trophic level. For each accurate placement, the names of the animals are replaced with pictures and the number of each kind of animal is displayed beneath it.

3. Click the Pyramid of Energy button to display numbers indicating amounts of energy.

4. Click the Pyramid of Numbers button to display numbers indicating numbers of plants and animals.

5. Analyze this data by calculating the conversion efficiency for each trophic level for each of the five ecosystems and record the results in the Data Table. The energy conversion efficiency is calculated by dividing the energy at the higher trophic level by the energy at the lower level to obtain a ratio. Enter the value as a decimal number.

6. When all the data are recorded in the Data Table and analyzed, answer the Journal Questions.


شاهد الفيديو: الجزء التاني م درس مصادر الطاقه (كانون الثاني 2023).