Spiegare il flusso di energia nellecosistema

Flusso di energia attraverso le catene alimentari nell'energetica ecologica

Per altri usi, vedi Flusso di energia.

Il flusso di energia è il flusso di energia attraverso gli esseri viventi all'interno di un ecosistema. ^[1] Tutti gli organismi viventi possono essere organizzati in produttori e consumatori, e tali produttori e consumatori possono essere ulteriormente organizzati in una catena alimentare. ^{[2] [3]} Ciascuno dei livelli all'interno della catena alimentare è un livello trofico. ^[1] Al fine di mostrare in modo più efficiente la quantità di organismi ad ogni livello trofico, queste catene alimentari vengono poi organizzate in piramidi trofiche. ^[1] Le frecce nella catena alimentare mostrano che il flusso di energia è unidirezionale, con la punta di una freccia che indica la direzione del flusso di energia; L'energia viene persa sotto forma di calore ad ogni passo Lungo la strada. ^{[2] [3]}

Il flusso unidirezionale di energia e la successiva perdita di energia mentre viaggia lungo la rete alimentare sono modelli nel flusso di energia che sono governati dalla termodinamica, che è la teoria dello scambio di energia tra i sistemi. ^{[4] [5] La} dinamica trofica si riferisce alla termodinamica perché si occupa del trasferimento e della trasformazione dell'energia (originata esternamente dal sole attraverso la radiazione solare) in e tra gli organismi. ^[1]

Il primo passo

nell'energetica è la

fotosintesi, in cui l'acqua e l'anidride carbonica dell'aria vengono assorbiti con l'energia del sole e convertiti in ossigeno e glucosio. ^[7] La respirazione cellulare è la reazione inversa, in cui l'ossigeno e lo zucchero vengono assorbiti e rilasciano energia così come sono riconvertito in anidride carbonica e acqua. L'anidride carbonica e l'acqua prodotte dalla respirazione possono essere riciclate nelle piante.

La perdita di energia può essere misurata sia in base all'efficienza (quanta energia arriva al livello successivo) sia in base alla biomassa (quantità di materiale vivente esistente a quei livelli in un determinato momento, misurata in base alle colture in piedi). ^[1] Di tutta la produttività primaria netta a livello trofico del produttore, in generale solo il 10% passa al livello successivo, i consumatori primari, quindi solo il 10% di quel 10% passa al livello trofico successivo, e così via su per la piramide alimentare. ^[1] L'efficienza ecologica può variare dal 5% al 20% a seconda di quanto sia efficiente o inefficiente l'ecosistema. ^{[8] [1]} Questa diminuzione dell'efficienza si verifica perché gli organismi hanno bisogno di eseguire la respirazione cellulare per sopravvivere e l'energia viene persa sotto forma di calore quando la respirazione cellulare è Eseguita. ^[1] Questo è anche il motivo per cui ci sono meno consumatori terziari che produttori. ^[1]

Articolo

principale: Produzione

primaria

Un produttore è qualsiasi organismo che esegue la fotosintesi. ^[9] I produttori sono importanti perché convertono l'energia dal sole in una forma chimica immagazzinabile e utilizzabile di energia, glucosio, ^[1] così come l'ossigeno. I produttori stessi possono utilizzare l'energia immagazzinata nel glucosio per eseguire la respirazione cellulare. Oppure, se il produttore viene consumato da erbivori nel livello trofico successivo, parte dell'energia viene trasferita lungo la piramide. ^[1] Il glucosio immagazzinato all'interno dei produttori funge da alimento per i consumatori, e quindi è solo attraverso i produttori che i consumatori sono in grado di accedere all'energia del sole. ^{[1] [7]} Alcuni Esempi di produttori primari sono alghe, muschi e altre piante come erbe, alberi e arbusti. ^[1]

I batteri chemiosintetici eseguono un processo simile alla fotosintesi, ma invece dell'energia del sole usano l'energia immagazzinata in sostanze chimiche come l'idrogeno solforato. ^{[10] [11]} Questo processo, noto come chemiosintesi, di solito avviene nelle profondità dell'oceano in bocche idrotermali che producono calore e sostanze chimiche come idrogeno, idrogeno solforato e metano. ^[10] I batteri chemiosintetici possono utilizzare l'energia nei legami dell'idrogeno solforato e dell'ossigeno per convertire l'anidride carbonica in glucosio, rilasciando acqua e zolfo nel processo. ^[11] Gli organismi che consumano i batteri chemiosintetici possono assorbire il glucosio e utilizzare l'ossigeno per eseguire la respirazione cellulare, in modo simile ai produttori che consumano erbivori.

Uno dei fattori che Controlla La produzione primaria è la quantità di energia che entra nel produttore o nei produttori, che può essere misurata utilizzando la produttività. ^{[12] [13] [1]} Solo l'uno per cento dell'energia solare entra nel produttore, il resto rimbalza o si muove attraverso. ^[13] La produttività primaria lorda è la quantità di energia che il produttore ottiene effettivamente. ^{[13] [14]} Generalmente, il 60% dell'energia che entra nel produttore va alla respirazione del produttore stesso. ^[12] La produttività primaria netta è la quantità che la pianta trattiene dopo aver sottratto la quantità che ha utilizzato per la respirazione cellulare. ^[13] Un altro fattore che controlla la produzione primaria sono i livelli di nutrienti organici/inorganici nell'acqua o nel suolo in cui vive il produttore. ^[14]

Produzione secondaria

Secondaria La produzione è l'uso dell'energia immagazzinata in impianti convertiti dai consumatori in biomassa propria. Ecosistemi diversi hanno diversi livelli di consumatori, tutti terminano con un unico consumatore principale. La maggior parte dell'energia è immagazzinata nella materia organica delle piante e, man mano che i consumatori mangiano queste piante, assorbono questa energia. Questa energia negli erbivori e negli onnivori viene poi consumata dai carnivori. C'è anche una grande quantità di energia che si trova nella produzione primaria e finisce per essere rifiuto o rifiuti, indicati come detriti. La catena alimentare detritica comprende una grande quantità di microbi, macroinvertebrati, meiofauna, funghi e batteri. Questi organismi sono consumati da onnivori e carnivori e rappresentano una grande quantità di produzione secondaria. ^[15] I consumatori secondari possono variare notevolmente in termini di efficienza nel consumo. ^[16] L'efficienza dell'energia trasferita ai consumatori è stimata intorno al 10%. ^{[16] Il} flusso di energia attraverso le utenze differisce negli ambienti acquatici e terrestri.

Negli ambienti acquatici

gli eterotrofi contribuiscono alla produzione secondaria e dipendono dalla produttività primaria e dai prodotti primari netti. ^[16] La produzione secondaria è l'energia che gli erbivori e i decompositori utilizzano e quindi dipende dalla produttività primaria. ^[16] Principalmente gli erbivori e i decompositori consumano tutto il carbonio proveniente da due principali fonti organiche negli ecosistemi acquatici, autoctono e alloctono. ^[16] Il carbonio autoctono proviene dall'interno dell'ecosistema e comprende piante acquatiche, alghe e fitoplancton. Il carbonio alloctono proveniente dall'esterno dell'ecosistema è per lo più materia organica morta proveniente dall'ecosistema terrestre che entra nell'acqua. ^[16] Negli ecosistemi fluviali, circa il 66% dell'input energetico annuale può essere lavato a valle. La quantità rimanente viene consumata e persa sotto forma di calore. ^[17]

Negli ambienti terrestri

la produzione secondaria è spesso descritta in termini di livelli trofici e, sebbene ciò possa essere utile per spiegare le relazioni, enfatizza eccessivamente le interazioni più rare. I consumatori spesso si nutrono a più livelli trofici. ^[18] L'energia trasferita al di sopra del terzo livello trofico è relativamente poco importante. ^[18] L'efficienza di assimilazione può essere espressa dalla quantità di cibo che il consumatore ha mangiato, da quanto il consumatore assimila e da ciò che viene espulso sotto forma di feci o urina. ^[19] Mentre una parte dell'energia viene utilizzata per la respirazione, un'altra parte dell'energia va verso la biomassa del consumatore. ^[16] Esistono due principali filiere alimentari: la catena alimentare primaria è l'energia proveniente dagli autotrofi e trasmessa ai consumatori; E la seconda grande catena alimentare è quando i carnivori mangiano gli erbivori o i decompositori che consumano l'energia autotrofica. ^[16] I consumatori sono suddivisi in consumatori primari, consumatori secondari e consumatori terziari. I carnivori hanno un'assimilazione di energia molto più elevata, circa l'80%, e gli erbivori hanno un'efficienza molto più bassa, di circa il 20-50%. ^[16] L'energia in un sistema può essere influenzata dall'emigrazione/immigrazione animale. I movimenti degli organismi sono significativi negli ecosistemi terrestri. ^[17] Il consumo energetico da parte degli erbivori negli ecosistemi terrestri ha un intervallo basso di ~3-7%. ^[17] Il flusso di energia è simile in molti ambienti terrestri. La fluttuazione della quantità di prodotto primario netto consumato dagli erbivori è generalmente bassa. Questo è in grande contrasto con gli ambienti acquatici di laghi e stagni dove i pascolatori hanno un consumo molto più elevato di circa ~33%. ^[17] Gli ectotermi e gli endotermi hanno efficienze di assimilazione molto diverse. ^[16]

Detritivori

I detritivori consumano materiale organico che si sta decomponendo e sono a loro volta consumati dai carnivori. ^[16] La produttività dei predatori è correlata alla produttività delle prede. Ciò conferma che la produttività primaria negli ecosistemi influenza tutta la produttività successiva. ^[20]

I detriti sono una grande porzione di materiale organico negli ecosistemi. Il materiale organico nelle foreste temperate è costituito per lo più da piante morte, circa il 62%. ^[18]

In un ecosistema acquatico, la materia fogliare che cade nei corsi d'acqua si bagna e inizia a sanguisugare materiale organico. Questo avviene piuttosto rapidamente e attira microbi e invertebrati. Le foglie possono essere scomposte in grandi pezzi chiamati materia organica particellare grossolana (CPOM). ^[15] La CPOM è rapidamente colonizzata dai microbi. La meiofauna è estremamente importante per la produzione secondaria negli ecosistemi fluviali. ^[15] I microbi che scompongono e colonizzano questa materia fogliare sono molto importanti per i detritivori. I detritivori rendono la materia fogliare più commestibile rilasciando composti dai tessuti; Alla fine aiuta ad ammorbidirli. ^[15] Man mano che le foglie si decompongono, l'azoto diminuirà poiché la cellulosa e la lignina nelle foglie sono difficili da scomporre. Così i microbi colonizzatori apportano azoto per favorire la decomposizione. La decomposizione delle foglie può dipendere dal contenuto iniziale di azoto, dalla stagione e dalla specie di alberi. Le specie di alberi possono avere variazioni quando le foglie cadono. Pertanto, la rottura delle foglie avviene in momenti diversi, il che è chiamato mosaico di popolazioni microbiche. ^[15]

Effetto delle specie e diversità in un possono essere analizzati attraverso le loro prestazioni ed efficienza. ^[21] Inoltre, la produzione secondaria nei corsi d'acqua può essere fortemente influenzata dai detriti che cadono nei corsi d'acqua; La produzione di biomassa e abbondanza della fauna bentonica è diminuita di un ulteriore 47-50% durante uno studio sulla rimozione e l'esclusione dei rifiuti. ^[20]

La

ricerca ha dimostrato che i produttori primari fissano il carbonio a tassi simili tra gli ecosistemi. ^[14] Una volta che il carbonio è stato introdotto in un sistema come fonte di energia praticabile, i meccanismi che governano il flusso di energia verso livelli trofici più elevati variano tra gli ecosistemi. Tra gli ecosistemi acquatici e terrestri, sono stati identificati modelli che possono spiegare questa variazione e sono stati divisi in due principali vie di controllo: top-down e bottom-up. ^{[22] [23]} I meccanismi che agiscono all'interno di ciascun percorso regolano in ultima analisi la struttura a livello comunitario e trofico all'interno di un ecosistema a vari livelli. ^[24] I controlli dal basso verso l'alto coinvolgono meccanismi basati sulla qualità e sulla disponibilità delle risorse, che controllano la produttività primaria e il conseguente flusso di energia e biomassa a livelli trofici più elevati. ^[23] I controlli dall'alto verso il basso coinvolgono meccanismi basati sul consumo da parte dei consumatori. ^{[24] [23]} Questi meccanismi controllano la velocità di trasferimento di energia da un livello trofico all'altro quando erbivori o predatori si nutrono di livelli trofici più bassi. ^[22]

Ecosistemi acquatici vs ecosistemi terrestri

All'interno di ogni tipo di ecosistema si riscontrano molte variazioni nel flusso di energia, creando una sfida nell'identificare le variazioni tra i tipi di ecosistema. In senso generale, il flusso di energia è un funzione della produttività primaria con temperatura, disponibilità di acqua e disponibilità di luce. ^[25] Ad esempio, tra gli ecosistemi acquatici, i tassi di produzione più elevati si trovano solitamente nei grandi fiumi e nei laghi poco profondi rispetto ai laghi profondi e ai limpidi corsi d'acqua. ^[25] Tra gli ecosistemi terrestri, le paludi, le paludi e le foreste pluviali tropicali hanno i tassi di produzione primaria più elevati, mentre gli ecosistemi della tundra e alpini hanno i più bassi. ^[25] Le relazioni tra la produzione primaria e le condizioni ambientali hanno contribuito a spiegare la variazione all'interno dei tipi di ecosistemi, consentendo agli ecologi di dimostrare che l'energia scorre in modo più efficiente attraverso gli ecosistemi acquatici rispetto agli ecosistemi terrestri a causa dei vari controlli dal basso verso l'alto e dall'alto verso il basso in atto. ^[23]

Bottom-up

Si determina la forza dei controlli bottom-up sul flusso di energia dalla qualità nutrizionale, dalle dimensioni e dai tassi di crescita dei produttori primari in un ecosistema. ^{[14] [22] Il} materiale fotosintetico è tipicamente ricco di azoto (N) e fosforo (P) e integra l'elevata domanda di N e P da parte degli erbivori in tutti gli ecosistemi. ^[26] La produzione primaria acquatica è dominata dal piccolo fitoplancton unicellulare composto per lo più da materiale fotosintetico, che fornisce una fonte efficiente di questi nutrienti per gli erbivori. ^[22] Al contrario, le piante terrestri pluricellulari contengono molte grandi strutture di cellulosa di supporto ad alto tenore di carbonio ma a basso valore nutritivo. ^[22] A causa di questa differenza strutturale, i produttori primari acquatici hanno meno biomassa per tessuto fotosintetico immagazzinato all'interno dell'ecosistema acquatico rispetto alle foreste e alle praterie degli ecosistemi terrestri. ^[22] Questa bassa biomassa Rispetto al materiale fotosintetico negli ecosistemi acquatici consente un tasso di turnover più efficiente rispetto agli ecosistemi terrestri. ^[22] Poiché il fitoplancton viene consumato dagli erbivori, i loro tassi di crescita e riproduzione migliorati sostituiscono sufficientemente la biomassa persa e, insieme alla loro qualità densa di nutrienti, supportano una maggiore produzione secondaria. ^[22]

Ulteriori fattori che incidono sulla produzione primaria includono gli input di N e P, che si verificano in misura maggiore negli ecosistemi acquatici. ^[22] Questi nutrienti sono importanti per stimolare la crescita delle piante e, quando vengono passati a livelli trofici più elevati, stimolano la biomassa dei consumatori e il tasso di crescita. ^{[23] [25]} Se uno di questi nutrienti scarseggia, può limitare la produzione primaria complessiva. ^[15] All'interno dei laghi, P tende ad essere il nutriente limitante maggiore, mentre sia N che P limitano la produzione primaria nei fiumi. ^[23] A causa di questi effetti limitanti, gli input di nutrienti possono potenzialmente alleviare le limitazioni alla produzione primaria netta di un ecosistema acquatico. ^[24] Il materiale alloctono immesso in un ecosistema acquatico introduce N e P, nonché energia sotto forma di molecole di carbonio che vengono prontamente assorbite dai produttori primari. ^[15] Maggiori input e maggiori concentrazioni di nutrienti supportano maggiori tassi di produzione primaria netta, che a sua volta supporta una maggiore produzione secondaria. ^[26]

I meccanismi top-down

top-down esercitano un maggiore controllo sui produttori primari acquatici a causa del numero di consumatori all'interno di una rete alimentare acquatica. ^[24] Tra i consumatori, gli erbivori possono mediare gli impatti delle cascate trofiche colmando il flusso di energia dai produttori primari ai predatori in livelli trofici più elevati. ^[27] In tutti gli ecosistemi, esiste un'associazione coerente tra la crescita degli erbivori e la qualità nutrizionale del produttore. ^[26] Tuttavia, negli ecosistemi acquatici, i produttori primari vengono consumati dagli erbivori a un tasso quattro volte superiore a quello degli ecosistemi terrestri. ^[22] Sebbene questo argomento sia molto dibattuto, i ricercatori hanno attribuito la distinzione nel controllo degli erbivori a diverse teorie, tra cui il rapporto tra le dimensioni del produttore e del consumatore e la selettività degli erbivori. ^[7]

La modellazione dei controlli top-down sui produttori primari suggerisce che il massimo controllo sul flusso di energia si verifica quando il rapporto tra consumatore e produttore primario è il più alto. ^[29] La distribuzione dimensionale degli organismi che si trovano all'interno di un singolo livello trofico nei sistemi acquatici è molto più stretta di quella dei sistemi terrestri. ^[22] Sulla terraferma, la dimensione del consumatore varia da più piccola della pianta che consuma, come un insetto, a significativamente più grande, come un ungulato, mentre nei sistemi acquatici, la dimensione del corpo del consumatore all'interno di un livello trofico varia molto meno ed è fortemente correlata con la posizione trofica. ^[22] Di conseguenza, la differenza di dimensioni tra produttori e consumatori è costantemente maggiore negli ambienti acquatici che sulla terraferma, con conseguente maggiore controllo degli erbivori sui produttori primari acquatici. ^[22]

Gli erbivori possono potenzialmente controllare il destino della materia organica mentre viene ciclica attraverso la rete alimentare. ^[27] Gli erbivori tendono a selezionare piante nutrienti evitando piante con meccanismi di difesa strutturale. ^[22] Come le strutture di supporto, le strutture di difesa sono composte da cellulosa povera di nutrienti e ad alto tenore di carbonio. ^[27] Accesso a nutrienti Le fonti alimentari migliorano il metabolismo degli erbivori e le richieste di energia, portando a una maggiore rimozione dei produttori primari. ^[14] Negli ecosistemi acquatici, il fitoplancton è altamente nutriente e generalmente manca di meccanismi di difesa. ^[27] Ciò si traduce in un maggiore controllo dall'alto verso il basso perché la materia vegetale consumata viene rapidamente rilasciata nel sistema come rifiuto organico labile. ^{[15] [27]} Negli ecosistemi terrestri, i produttori primari sono meno densi dal punto di vista nutrizionale e hanno maggiori probabilità di contenere strutture di difesa. ^[22] Poiché gli erbivori preferiscono piante nutrizionalmente dense ed evitano piante o parti di piante con strutture di difesa, una maggiore quantità di materia vegetale non viene consumata all'interno dell'ecosistema. ^[27] L'evitamento da parte degli erbivori di materia vegetale di bassa qualità può essere il motivo per cui i sistemi terrestri mostrano un controllo dall'alto verso il basso più debole sul flusso di energia. ^[22]

Vedi anche

Riferimenti

Ulteriori letture