ძირითადი მასალა
კურსი: დამამთავრებელი კლასების ბიოლოგია > თემა 9
გაკვეთილი 5: ტროფიკული დონეებიენერგიის ნაკადი და პირველადი პროდუქტიულობა
საკვანძო საკითხები
- პირველადი პროდუცენტები — როგორც წესი, მცენარეები და ფოტოსინთეზის უნარის მქონენი — კვებით ქსელებში ენერგიის „შესასვლელს“ წარმოადგენენ.
- პროდუქტიულობა არის ის ტემპი, რომლითაც ენერგია ბიომასის სახით ემატება ჯგუფის — მაგალითად, პირველადი პროდუცენტების — შემადგენელი ორგანიზმების სხეულებს.
- მთლიანი პროდუქტიულობა არის ენერგიის შთანთქმის მთლიანი ტემპი. წმინდა პროდუქტიულობა უფრო დაბალია და იგი არ მოიცავს იმ ენერგიას, რომელსაც ორგანიზმები იყენებენ სუნთქვასა თუ მეტაბოლიზმში.
- ტროფიკულობის დონეებს შორის ენერგიის გადაცემა არაეფექტიანია. ერთი დონის წმინდა პროდუქტიულობის მხოლოდ 10% რჩება წმინდა პროდუქტიულობად შემდეგ დონეზე.
- ეკოლოგიური პირამიდები არის ენერგიის ნაკადის, ბიომასის დაგროვებისა და ტროფიკულობის განსხვავებულ დონეებზე მყოფი ინდივიდების რაოდენობის ვიზუალური გამოსახულება.
შესავალი
ოდესმე გიფიქრიათ, რა მოხდებოდა, დედამიწაზე არსებული ყველა მცენარე — და ფოტოსინთეზის უნარის მქონე ყველა სხვა ორგანიზმი, მაგალითად, წყალმცენარე და ბაქტერია — რომ გამქრალიყო?
ნუ, როგორც მინიმუმ, ჩვენი მშვენიერი პლანეტა ცარიელი და მოსაწყენი გახდებოდა. აგრეთვე დავკარგავდით ჟანგბადის ძირითად წყაროს (ჰო, აი, იმ მნიშვნელოვანი რაღაცის, რითიც ვსუნთქავთ და მეტაბოლიზმს ვახორციელებთ). ნახშირორჟანგი აღარ გაიწმინდებოდა ჰაერიდან და — ვინაიდან იგი სითბოს იჭერს — დედამიწა, სავარაუდოდ, მალევე გახურდებოდა. და, რაც, ალბათ, ყველაზე პრობლემურია, დედამიწაზე მცხოვრები ყველა არსება საბოლოოდ ამოწურავდა საკვებ რესურსებს და დაიღუპებოდა.
რატომ მოხდებოდა ასე? თითქმის ყველა ეკოსისტემაში ფოტოსინთეზის უნარის მქონე ორგანიზმები წარმოადგენს ენერგიის „შესასვლელს“ კვებით ქსელებში — ქსელებში იმ ორგანიზმებისა, რომლებიც ერთიმეორით იკვებებიან. თუკი ფოტოსინთეზის უნარის მქონე ორგანიზმებს გავაქრობთ, ენერგიის ნაკადი შეწყდება და სხვა ორგანიზმები მალევე დარჩებიან საკვების გარეშე. ამგვარად, ფოტოსინთეზის უნარის მქონე ორგანიზმები სინათლის მიმღები ყველა ეკოსისტემის ფუნდამენტს წარმოადგენენ.
პროდუცენტები ენერგიის „შესასვლელს“ წარმოადგენენ
მცენარეები, წყალმცენარეები და ფოტოსინთეზური ბაქტერიები პროდუცენტები არიან. პროდუცენტები არიან ავტოტროფები, ანუ „თვითმკვებავი“ ორგანიზმები, რომლებიც თვითონ წარმოქმნიან საკუთარ ორგანულ მოლეკულებს ნახშირორჟანგიდან. ფოტოავტოტროფები, მაგალითად, მცენარეები, მზის სინათლის ენერგიას იყენებენ ნახშირორჟანგიდან შაქრების წარმოსაქმნელად. ეს ენერგია ინახება ქიმიურ ბმებში მოლეკულებისა, რომლებიც მცენარეებში საწვავისა და საშენი მასალის სახით გამოიყენებიან.
ორგანულ მოლეკულებში შენახული ენერგია ეკოსისტემაში მყოფ სხვა ორგანიზმებს გადაეცემათ, როდესაც ისინი მცენარეებს ჭამენ ან ჭამენ სხვა ისეთ ორგანიზმებს, რომლებმაც უკვე შეჭამეს მცენარეები. ამგვარად, ეკოსისტემის ყველა კონსუმენტი — ანუ ჰეტეროტროფი, „სხვათამჭამელი“ ორგანიზმი — ენერგიას იღებს ეკოსისტემის პროდუცენტებისგან. კონსუმენტები მოიცავენ ბალახისმჭამელებს, ხორცისმჭამელებსა და რედუცენტებს.
თუკი მცენარეებს ან ეკოსისტემის სხვა პროდუცენტებს გავაქრობთ, აღარ დარჩება გზა იმისა, რომ ენერგიამ კვებით ქსელში შეაღწიოს, და ეკოლოგიური თანასაზოგადოება ჩამოინგრევა. ასე იმიტომ მოხდება, რომ ენერგია არ გადამუშავდება: ნაცვლად ამისა, იგი სითბოს სახით იფანტება ეკოსისტემის შიგნით გადაცემის დროს და მუდმივად საჭიროებს შევსებას.
ვინაიდან პროდუცენტები ამარაგებენ ეკოსისტემის ყველა სხვა ორგანიზმს, მათი სიჭარბე, ბიომასა — იგივე მშრალი წონა — და ენერგიის შთანთქმის სიჩქარე საკვანძო ასპექტებია იმის გასაგებად, თუ როგორ მოძრაობს ენერგია ეკოსისტემაში და რა ტიპისა თუ რაოდენობის ორგანიზმების უზრუნველყოფა შეუძლია მას.
პირველადი პროდუქტიულობა
ეკოლოგიაში პროდუქტიულობა არის ტემპი იმისა, თუ როგორ ემატება ენერგია ბიომასის სახით ორგანიზმთა სხეულებს. ბიომასა არის რაოდენობა მატერიისა (მასალის, ნივთიერებების), რომელიც ინახება ჯგუფში შემავალი ორგანიზმების სხეულებში. პროდუქტიულობა განისაზღვრება ტროფიკულობის ნებისმიერი დონისა თუ სხვა ჯგუფისთვის და იგი შეიძლება, გამოისახოს ან ენერგიის, ან ბიომასის ერთეულებში. არსებობს პროდუქტიულობის ორი ძირითადი ტიპი: მთლიანი და წმინდა.
განსხვავების უკეთ დასანახად, მოდით, განვიხილოთ პირველადი პროდუქტიულობა — ეკოსისტემის პირველადი პროდუცენტების პროდუქტიულობა.
- მთლიანი პირველადი პროდუქტიულობა, ანუ მპპ, არის ის ტემპი, რომლითაც ფოტოსინთეზის დროს შაქრის მოლეკულებში შთაინთქმება მზის ენერგია — დროის ერთ ერთეულში ფართობის ერთ ერთეულზე შთანთქმული ენერგია. პროდუცენტები, მაგალითად მცენარეები, ენერგიის ნაწილს იყენებენ მეტაბოლიზმისა და უჯრედული სუნთქვისთვის, ნაწილს კი ზრდისთვის, ქსოვილების ასაგებად.
- წმინდა პირველადი პროდუქტიულობა, ანუ წპპ, არის მთლიან პირველად პროდუქტიულობას მინუს ენერგიის დაკარგვის ტემპი (ენერგიის ის ნაწილი, რომელიც მეტაბოლიზმსა და არსებობისთვის საჭირო სხვა პროცესებს ხმარდება). სხვაგვარად რომ ვთქვათ, ეს არის ის ოდენობა, რომლითაც ენერგია ბიომასის სახით ინახება მცენარეებსა თუ სხვა პირველად პროდუცენტებში და ხელმისაწვდომი ხდება ეკოსისტემის კონსუმენტებისთვის.
მცენარეები, როგორც წესი, შთანთქავენ და გარდაქმნიან დაახლოებით 1,3%-1,6%-ს მზის ენერგიისა, რომელიც დედამიწის ზედაპირამდე აღწევს, და იყენებენ შთანთქმული ენერგიის დაახლოებით მეოთხედს მეტაბოლიზმისა და არსებობისთვის საჭირო სხვა პროცესებისთვის. ამგვარად, დედამიწის ზედაპირამდე მოღწეული ენერგიის — დროისა და ფართობის ერთ ერთეულზე — დაახლოებით 1% რჩება წმინდა პირველადი პროდუქტიულობის სახით.
წმინდა პირველადი პროდუქტიულობა სხვადასხვაგვარია ეკოსისტემებში და იგი მრავალ ფაქტორზეა დამოკიდებული. ამ ფაქტორებს შორისაა მზის ენერგიის მიწოდება, ტემპერატურა და ტენიანობა, ნახშირორჟანგის დონე, საკვები ნივთიერებების ხელმისაწვდომობა და თანასაზოგადოების შიდა ინტერაქციები — მაგ., ბალახისმჭამელთა ბალახობა.
ხმელეთის ეკოსისტემებში პირველადი პროდუქტიულობის დიაპაზონებია: დაახლოებით 2,000 გ/მ
როგორ მოძრაობს ენერგია ტროფიკულობის დონეებს შორის?
ენერგია ტროფიკულობის ერთი დონიდან მეორეზე გადაიცემა, როდესაც ორგანიზმის სხეულში არსებულ ორგანულ მოლეკულებს სხვა ორგანიზმი ჭამს. მიუხედავად ამისა, ტროფიკულობის დონეებს შორის ენერგიის გადაცემა, როგორც წესი, არაეფექტიანია.
რამდენად არაეფექტიანი? საშუალოდ, ტროფიკულობის ერთი დონის — მაგ., პირველადი პროდუცენტების — ბიომასაში შენახული ენერგიის მხოლოდ 10% გადაიცემა და ინახება ტროფიკულობის შემდეგი დონის — მაგ., პირველადი კონსუმენტების — ბიომასაში. სხვაგვარად თუ ვიტყვით, წმინდა პროდუქტიულობა, როგორც წესი, ათჯერ მცირდება ტროფიკულობის ყოველ მომდევნო დონეზე.
მაგალითად, ფლორიდაში მდებარე სილვერ სპრინგსის წყლის ეკოსისტემაში წმინდა პროდუქტიულობები — ბიომასის სახით შენახული ენერგიის წილები — ტროფიკულობის დონეებისთვის შემდეგნაირი იყო:
- პირველადი პროდუცენტები, მაგალითად, მცენარეები და წყალმცენარეები: 7,618 კკალ/მ
- პირველადი კონსუმენტები, მაგალითად, ლოქორები და მწერთა ლარვები: 1,103 კკალ/მ
- მეორეული კონსუმენტები, მაგალითად, თევზები და დიდი მწერები: 111 კკალ/მ
- მესამეული კონსუმენტები, მაგალითად, დიდი თევზები და გველები: 5 კკალ/მ
გადაცემის ეფექტიანობა იცვლება დონეებს შორის და იგი ზუსტად 10% არ არის, თუმცა შეგვიძლია, რამდენიმე გამოთვლით ვიპოვოთ მისი მიახლოებითი მნიშვნელობა. მაგალითად, პირველად პროდუცენტებსა და პირველად კონსუმენტებს შორის ენერგიის გადაცემის ეფექტიანობა ასეთია:
რატომ არის ენერგიის გადაცემა არაეფექტიანი? არსებობს რამდენიმე მიზეზი. ერთ-ერთია ის, რომ ტროფიკულობის დაბალი დონის ყველა ორგანიზმი არ შეიჭმება ტროფიკულობის უფრო მაღალი დონის მქონე ორგანიზმების მიერ. კიდევ ერთი ისაა, რომ ზოგიერთი მოლეკულა იმ ორგანიზმთა სხეულებისა, რომლებსაც შეჭამენ მტაცებლები, არ არის მონელებადი და ისინი მტაცებელთა ექსკრემენტებში — განავალში — იკარგება. მკვდარი ორგანიზმები და ექსკრემენტები რედუცენტების საკვები ხდება. საბოლოოდ, ენერგიის მატარებელი იმ მოლეკულებიდან, რომლებსაც მტაცებლები მიიღებენ, ზოგიერთი, ბიომასის სახით შენახვის ნაცვლად, უჯრედული სუნთქვის დროს გამოიყენება.
გსურთ, გაიგოთ, რა რიცხვითი მნიშვნელობები დგას ამ კონცეფციებს მიღმა?
ეკოლოგიური პირამიდები
შეგვიძლია, გამოვითვალოთ და ვნახოთ, თუ როგორ მიედინება ენერგია ეკოსისტემაში, თუმცა კარგი არ იქნებოდა ისეთი დიაგრამის ქონა, რომელშიც ინფორმაცია მარტივად დამუშავებადი სახითაა წარმოდგენილი?
ეკოლოგიური პირამიდები გვაწვდის ინტუიციურ, ვიზუალურ სურათს იმისა, თუ როგორ ხდება ეკოსისტემაში არსებული ტროფიკულობის დონეების შედარება ჩვენთვის საინტერესო ნიშნით, მაგალითად, ენერგიის ნაკადით, ბიომასით ან ორგანიზმთა რაოდენობით. მოდით, განვიხილოთ პირამიდების ეს სამი ტიპი და ვნახოთ, თუ როგორ ასახავს ისინი ეკოსისტემათა სტრუქტურასა და ფუნქციას.
ენერგეტიკული პირამიდები
ენერგეტიკული პირამიდები (ენერგიის ეკოლოგიური პირამიდები) ასახავს ენერგიის ნაკადს ტროფიკულობის დონეებს შორის. მაგალითად, ქვემოთ მოცემული პირამიდა გვიჩვენებს სილვერ სპრინგსის ეკოსისტემის ტროფიკულობის ყველა დონის მთლიან პროდუქტიულობას. ენერგეტიკული პირამიდა, როგორც წესი, გვიჩვენებს ენერგიის ნაკადის წილს ტროფიკულობის დონეებს შორის და არა - შენახული ენერგიის აბსოლუტურ რაოდენობებს. მას შეიძლება, ჰქონდეს ენერგიის ერთეულები, მაგალითად
ენერგეტიკული პირამიდები ყოველთვის ვერტიკალურია, ანუ, უფრო ვიწრო ყოველ მომდევნო დონეზე — გარდა იმ შემთხვევებისა, როდესაც ორგანიზმები ეკოსისტემაში რაიმე სხვა ადგილიდან შემოდიან. ეს კანონზომიერება ასახავს თერმოდინამიკის კანონებს, რომელთა მიხედვითაც შეუძლებელია ახალი ენერგიის წარმოქმნა და მისი რაღაც ნაწილი თითოეული გადაცემისას აუცილებლად უნდა გადავიდეს არაგამოყენებად ფორმაში — სითბოში.
ბიომასის პირამიდები
ეკოსისტემის სტრუქტურის წარმოდგენის კიდევ ერთი გზაა ბიომასის ეკოლოგიური პირამიდები. ეს პირამიდები ასახავს რაოდენობას იმ ენერგიისა, რომელიც ცოცხალ ქსოვილშია შენახული ტროფიკულობის სხვადასხვა დონეზე. ენერგეტიკული პირამიდებისგან განსხვავებით, ბიომასის პირამიდები გვიჩვენებს, თუ რა ოდენობის ბიომასაა მოცემული კონკრეტულ დონეზე, და არა — მისი დამატების ტემპს.
ქვემოთ, მარცხნივ, მოცემულია სილვერ სპრინგსის ეკოსისტემის ბიომასის პირამიდა. ეს პირამიდა, ბიომასის პირამიდების დიდი ნაწილის მსგავსად, ვერტიკალურია. მიუხედავად ამისა, მარჯვნივ ნაჩვენები ბიომასის პირამიდა — ლა-მანშის სრუტის ზღვის ეკოსისტემის პირამიდა — თავდაყირაა, ანუ ამოტრიალებულია.
ამოტრიალებული პირამიდის ასეთი ფორმა, სავარაუდოდ, განპირობებულია ფიტოპლანქტონების ბრუნვადობის სწრაფი ტემპით. მათ სწრაფადვე ჭამენ პირველადი კონსუმენტები — ზოოპლანქტონები — ამიტომ მათი ბიომასა დროის ნებისმიერ მომენტში ძალიან მცირეა. მიუხედავად ამისა, ისინი იმდენად სწრაფად მრავლდებიან, რომ, მდგრადი მდგომარეობის ბიომასის სიმცირის მიუხედავად, მათ მაღალი პირველადი პროდუქტიულობა აქვთ, რომელსაც ბევრი ზოოპლანქტონის უზრუნველყოფა შეუძლია.
პირამიდების რაოდენობა
რიცხვთა პირამიდები (რიცხვთა ეკოლოგიური პირამიდები) გვიჩვენებს ტროფიკულობის თითოეულ დონეზე მყოფი ინდივიდების რაოდენობას. ისინი ზოგჯერ ვერტიკალურია, ზოგჯერ ამოტრიალებული, ზოგჯერ, სულაც, არათანაბრად გადანაწილებული, რაც ეკოსისტემაზეა დამოკიდებული.
როგორც ქვემოთ მოცემულ დიაგრამაზეა ნაჩვენები, ტიპურ ბალახნარს ზაფხულში აქვს მრავალი მცენარისგან შემდგარი ფუძე, ტროფიკულობის მაღალ დონეებზე კი ორგანიზმთა რაოდენობა იკლებს. მიუხედავად ამისა, ზაფხულში ზომიერ ტყეში პირამიდის ფუძე შედგება ცოტა მცენარისგან, უმეტესწილად ხეებისგან, რომლებსაც გაცილებით ჯაბნიან რიცხობრივად პირველადი კონსუმენტები, უმეტესწილად მწერები. ხეებს, რიცხოვნობის სიმცირის მიუხედავად, მაინც შეუძლიათ ტროფიკულობის სხვა დონეების უზრუნველყოფა, რადგან ხეთა ცალკეული ინდივიდები საკმაოდ დიდი ზომისანი არიან.
შეჯამება
პირველადი პროდუცენტები, რომლებიც, როგორც წესი, მცენარეები და ფოტოსინთეზის უნარის მქონე სხვა ორგანიზმები არიან, კვებით ქსელებში ენერგიის „შესასვლელს“ წარმოადგენენ.
პროდუქტიულობა არის ის ტემპი, რომლითაც ენერგია ბიომასის სახით ემატება ჯგუფის, მაგალითად, პირველადი პროდუცენტების, შემადგენელი ორგანიზმების სხეულებს. მთლიანი პროდუქტიულობა არის ენერგიის შთანთქმის მთლიანი ტემპი. წმინდა პროდუქტიულობა უფრო დაბალია: იგი არის მთლიან პროდუქტიულობას მინუს ის ენერგია, რომელსაც ორგანიზმები იყენებენ სუნთქვასა თუ მეტაბოლიზმში, ანუ, იგი წარმოადგენს რაოდენობას იმ ენერგიისა, რომელიც ბიომასის სახითაა შენახული.
ტროფიკულობის დონეებს შორის ენერგიის გადაცემა არაეფექტიანია. ერთი დონის წმინდა პროდუქტიულობის მხოლოდ 10% რჩება წმინდა პროდუქტიულობად შემდეგ დონეზე.
ეკოლოგიური პირამიდები არის ენერგიის ნაკადის, ბიომასის დაგროვებისა და ტროფიკულობის განსხვავებულ დონეებზე მყოფი ინდივიდების რაოდენობის ვიზუალური გამოსახულება.
გსურთ, შეუერთდეთ დისკუსიას?
პოსტები ჯერ არ არის.