Ecosystem
Ecosystems are controlled by both external and internal factors. Czynniki zewnętrzne, zwane również czynnikami stanu, kontrolują ogólną strukturę ekosystemu i sposób, w jaki rzeczy działają w nim, ale nie są same w sobie pod wpływem ekosystemu. Najważniejszym z nich jest klimat. Klimat determinuje biom, w którym osadzony jest ekosystem. Wzory opadów i temperatury sezonowe wpływają na fotosyntezę, a tym samym określają ilość wody i energii dostępnej dla ekosystemu.
Materiał macierzysty określa charakter gleby w ekosystemie i wpływa na dostarczanie składników mineralnych. Topografia kontroluje również procesy ekosystemowe, wpływając na takie rzeczy, jak mikroklimat, rozwój gleby i przepływ wody przez system. Na przykład ekosystemy mogą być zupełnie inne, jeśli znajdują się w małej depresji na krajobrazie, w porównaniu do ekosystemów obecnych na sąsiednim stromym zboczu.
inne czynniki zewnętrzne, które odgrywają ważną rolę w funkcjonowaniu ekosystemu, to czas i potencjalna fauna i Flora. Podobnie zbiór organizmów, które potencjalnie mogą być obecne na danym obszarze, może również znacząco wpływać na ekosystemy. Ekosystemy w podobnych środowiskach, które znajdują się w różnych częściach świata, mogą w końcu robić rzeczy zupełnie inaczej, tylko dlatego, że mają różne baseny gatunków obecnych. Wprowadzenie gatunków nierodzimych może spowodować znaczne zmiany w funkcjonowaniu ekosystemu.
w przeciwieństwie do czynników zewnętrznych, czynniki wewnętrzne w ekosystemach nie tylko kontrolują procesy ekosystemowe, ale są również przez nie kontrolowane. W związku z tym często podlegają pętli sprzężenia zwrotnego. Podczas gdy zasoby wejściowe są na ogół kontrolowane przez procesy zewnętrzne, takie jak klimat i materiał macierzysty, dostępność tych zasobów w ekosystemie jest kontrolowana przez czynniki wewnętrzne, takie jak rozkład, konkurencja korzeniowa lub cieniowanie. Inne czynniki, takie jak zaburzenia, sukcesja lub rodzaje występujących gatunków, są również czynnikami wewnętrznymi.
produkcja pierwotna
produkcja pierwotna to produkcja materii organicznej z nieorganicznych źródeł węgla. Dzieje się to głównie poprzez fotosyntezę. Energia wbudowana w ten proces wspiera życie na ziemi, podczas gdy węgiel stanowi znaczną część materii organicznej w żywej i martwej biomasie, węglu glebowym i paliwach kopalnych. Napędza również cykl węglowy, który wpływa na globalny klimat poprzez efekt cieplarniany.
w procesie fotosyntezy rośliny wychwytują energię ze światła i wykorzystują ją do łączenia dwutlenku węgla i wody w celu produkcji węglowodanów i tlenu. Fotosynteza przeprowadzana przez wszystkie rośliny w ekosystemie nazywana jest produkcją pierwotną brutto (GPP). Około połowa GPP jest zużywana w oddychaniu roślin. Pozostała część, ta część GPP, która nie jest zużywana przez oddychanie, jest znana jako produkcja pierwotna netto (NPP). Całkowita fotosynteza jest ograniczona przez szereg czynników środowiskowych. Obejmują one ilość dostępnego światła, ilość powierzchni liści, którą roślina musi wychwycić (zacienienie przez inne rośliny jest głównym ograniczeniem fotosyntezy), szybkość dostarczania dwutlenku węgla do chloroplastów w celu wsparcia fotosyntezy, dostępność wody i dostępność odpowiednich temperatur do przeprowadzenia fotosyntezy.
przepływ energii
energia i węgiel wchodzą do ekosystemów poprzez fotosyntezę, są włączane do żywej tkanki, przenoszone do innych organizmów, które żywią się żywą i martwą materią roślinną, a ostatecznie uwalniane przez oddychanie.
węgiel i energia wbudowane w tkanki roślinne (produkcja pierwotna netto) są albo zużywane przez zwierzęta, gdy roślina żyje, albo pozostają niezjedzone, gdy tkanka roślinna umiera i staje się detrytusem. W ekosystemach lądowych około 90% pierwotnej produkcji netto jest rozkładane przez rozkładających. Pozostała część jest albo spożywana przez zwierzęta, gdy są jeszcze żywe i wchodzi do roślinnego systemu troficznego, albo jest spożywana po śmierci i wchodzi do systemu troficznego opartego na detrytusie.
w systemach wodnych udział biomasy roślinnej spożywanej przez roślinożerców jest znacznie higher.In systemy troficzne organizmy fotosyntetyczne są głównymi producentami. Organizmy, które konsumują ich tkanki, nazywane są konsumentami pierwotnymi lub producentami wtórnymi-roślinożercami. Organizmy żywiące się drobnoustrojami (bakteriami i grzybami) nazywane są drobnoustrojami. Zwierzęta żywiące się konsumentami pierwotnymi-mięsożercami – są konsumentami wtórnymi. Każdy z nich stanowi poziom troficzny.
Sekwencja konsumpcji—od roślin do roślinożerców, do mięsożerców—tworzy łańcuch pokarmowy. Rzeczywiste systemy są znacznie bardziej złożone niż to-organizmy na ogół żywią się więcej niż jedną formą pokarmu i mogą karmić się na więcej niż jednym poziomie troficznym. Mięsożercy mogą chwytać niektóre ofiary, które są częścią systemu troficznego opartego na roślinach, a inne, które są częścią systemu troficznego opartego na detrytusie (ptak, który żywi się zarówno roślinożernymi konikami polnymi, jak i dżdżownicami, które spożywają detrytus). Prawdziwe systemy, z tymi wszystkimi zawiłościami, tworzą sieci pokarmowe, a nie łańcuchy pokarmowe. Łańcuch żywnościowy składa się zwykle z pięciu poziomów konsumpcji, którymi są producenci, konsumenci pierwotni, konsumenci wtórni, konsumenci trzeciorzędni i konsumenci rozkładowi.
rozkład
węgiel i składniki odżywcze w martwej materii organicznej są rozkładane przez grupę procesów znanych jako rozkład. Uwalnia to składniki odżywcze, które można następnie ponownie wykorzystać do produkcji roślinnej i mikrobiologicznej, i zwraca dwutlenek węgla do atmosfery (lub wody), gdzie można go wykorzystać do fotosyntezy. W przypadku braku rozkładu Martwa materia organiczna gromadzi się w ekosystemie, a składniki odżywcze i atmosferyczny dwutlenek węgla ulegają wyczerpaniu. Około 90% naziemnej produkcji pierwotnej netto przechodzi bezpośrednio z Zakładu do zakładu rozkładu.
procesy rozkładu można podzielić na trzy kategorie—wymywanie, rozdrobnienie i chemiczną zmianę martwego materiału. Gdy woda przemieszcza się przez martwą materię organiczną, rozpuszcza się i przenosi ze sobą rozpuszczalne w wodzie składniki. Są one następnie pobierane przez organizmy w glebie, reagują z glebą mineralną lub są transportowane poza granice ekosystemu (i są uważane za utracone). Nowo zrzucone liście i nowo martwe zwierzęta mają wysokie stężenie rozpuszczalnych w wodzie składników i zawierają cukry, aminokwasy i składniki mineralne. Wymywanie jest ważniejsze w środowiskach wilgotnych i znacznie mniej ważne w suchych.
procesy fragmentacji rozbijają Materiał organiczny na mniejsze kawałki, odsłaniając nowe powierzchnie do kolonizacji przez drobnoustroje. Świeżo zrzucona ściółka liści może być niedostępna ze względu na zewnętrzną warstwę naskórka lub kory, a zawartość komórek jest chroniona przez ścianę komórkową. Nowo martwe zwierzęta mogą być przykryte egzoszkieletem. Procesy fragmentacji, które przebijają się przez te warstwy ochronne, przyspieszają tempo rozkładu drobnoustrojów. Zwierzęta fragmentują detrytus podczas polowania na pokarm, podobnie jak przejście przez jelita. Cykle zamrażania i rozmrażania oraz cykle zwilżania i suszenia również fragmentują martwy materiał.
chemiczna zmiana martwej materii organicznej jest osiągana głównie poprzez działanie bakterii i grzybów. Grzybicze strzępki wytwarzają enzymy, które mogą przebić się przez twarde zewnętrzne struktury otaczające martwy materiał roślinny. Produkują również enzymy rozkładające ligninę, co umożliwia im dostęp zarówno do zawartości komórek, jak i azotu w ligninie. Grzyby mogą przenosić węgiel i azot przez swoje sieci hiphalowe, a zatem, w przeciwieństwie do bakterii, nie są zależne wyłącznie od lokalnie dostępnych zasobów.
wskaźniki rozkładu różnią się w poszczególnych ekosystemach. Tempo rozkładu jest regulowane przez trzy zestawy czynników-środowisko fizyczne (temperatura, wilgotność i właściwości gleby), ilość i jakość martwego materiału dostępnego dla rozkładających się oraz charakter samej społeczności mikrobiologicznej. Temperatura kontroluje szybkość oddychania drobnoustrojów; im wyższa temperatura, tym szybciej następuje rozkład drobnoustrojów. Wpływa również na wilgotność gleby, co spowalnia rozwój drobnoustrojów i zmniejsza wymywanie. Cykle zamrażania i rozmrażania wpływają również na rozkład-temperatury zamarzania zabijają mikroorganizmy glebowe, co pozwala na wymywanie, które odgrywa ważniejszą rolę w przemieszczaniu składników odżywczych. Może to być szczególnie ważne, gdy wiosną gleba rozmarza się, tworząc impuls składników odżywczych, które stają się dostępne.
wskaźniki rozkładu są niskie w bardzo mokrych lub bardzo suchych warunkach. Wskaźniki rozkładu są najwyższe w wilgotnych, wilgotnych warunkach z odpowiednim poziomem tlenu. Gleby wilgotne mają tendencję do niedoboru tlenu (jest to szczególnie prawdziwe na terenach podmokłych), co spowalnia rozwój drobnoustrojów. Na suchych glebach rozkład również spowalnia, ale bakterie nadal rosną (choć wolniej) nawet po tym, jak gleby stają się zbyt suche, aby wspierać wzrost roślin.
rozkład składników odżywczych
ekosystemy stale wymieniają energię i węgiel z szerszym środowiskiem. Składniki mineralne, z drugiej strony, są najczęściej cyklicznie tam iz powrotem między roślinami, zwierzętami, drobnoustrojami i glebą. Większość azotu wchodzi do ekosystemów poprzez biologiczne wiązanie azotu, jest odkładana przez opady, kurz, gazy lub jest stosowana jako nawóz.
ponieważ większość ekosystemów lądowych jest ograniczona do azotu, cykle azotowe są ważną kontrolą produkcji ekosystemów.
do czasów współczesnych wiązanie azotu było głównym źródłem azotu dla ekosystemów. Bakterie zawierające azot żyją symbiotycznie z roślinami lub żyją swobodnie w glebie. Koszt energii jest wysoki w przypadku roślin, które wspierają symbionty ustalające azot – aż 25% produkcji pierwotnej brutto, gdy mierzy się ją w kontrolowanych warunkach. Wielu członków rodziny roślin strączkowych wspiera symbionty zawierające azot. Niektóre cyjanobakterie są również zdolne do wiązania azotu. Są to fototrofy, które przeprowadzają fotosyntezę. Podobnie jak inne bakterie utrwalające azot, mogą być wolnożyjące lub mieć symbiotyczne relacje z roślinami. Inne źródła azotu to odkładanie się kwasu wytwarzane przez spalanie paliw kopalnych, Gaz amoniakalny, który odparowuje z pól rolniczych, na których zastosowano nawozy, oraz pył. Antropogeniczne źródła azotu stanowią około 80% wszystkich strumieni azotu w ekosystemach.
Kiedy tkanki roślinne są zrzucane lub zjadane, azot w tych tkankach staje się Dostępny dla zwierząt i drobnoustrojów. Rozkład mikrobiologiczny uwalnia związki azotu z martwej materii organicznej w glebie, gdzie rośliny, grzyby i bakterie konkurują o nią. Niektóre bakterie glebowe wykorzystują organiczne związki zawierające azot jako źródło węgla i uwalniają jony amonowe do gleby. Proces ten jest znany jako mineralizacji azotu. Inne przekształcają Amon w azotyny i jony azotanowe, proces znany jako Nitryfikacja. Tlenek azotu i podtlenek azotu są również wytwarzane podczas nitryfikacji. W Warunkach bogatych w azot i ubogich w tlen azotany i azotyny są przekształcane w gaz azotowy, proces znany jako Denitryfikacja.
Inne ważne składniki odżywcze to fosfor, siarka, wapń, potas, magnez i mangan. Fosfor wchodzi do ekosystemów poprzez wietrzenie. W miarę starzenia się ekosystemów podaż ta maleje, co sprawia, że ograniczanie fosforu jest bardziej powszechne w starszych krajobrazach (zwłaszcza w tropikach). Wapń i siarka są również wytwarzane przez wietrzenie, ale odkładanie się kwasu jest ważnym źródłem siarki w wielu ekosystemach. Chociaż magnez i mangan są wytwarzane przez wietrzenie, wymiana między materią organiczną gleby i żywymi komórkami stanowi znaczną część przepływów ekosystemowych. Potas odbywa się głównie między żywymi komórkami a materią organiczną gleby.
funkcje i bioróżnorodność
bioróżnorodność odgrywa ważną rolę w funkcjonowaniu ekosystemu. Powodem tego jest to, że procesy ekosystemowe są napędzane przez liczbę gatunków w ekosystemie, dokładną naturę każdego pojedynczego gatunku i względną obfitość organizmów w obrębie tych gatunków. Procesy ekosystemowe są szerokimi uogólnieniami, które faktycznie zachodzą poprzez działania poszczególnych organizmów. Natura organizmów—gatunków, grup funkcjonalnych i poziomów troficznych, do których należą-decyduje o rodzaju działań, jakie te osobniki są w stanie wykonywać I O względnej skuteczności, z jaką to czynią.
teoria ekologiczna sugeruje, że aby współistnieć, gatunki muszą mieć pewien poziom ograniczającego podobieństwa—muszą się różnić od siebie w jakiś fundamentalny sposób, w przeciwnym razie jeden gatunek konkurencyjnie wykluczyłby drugi. Mimo to skumulowany wpływ dodatkowych gatunków w ekosystemie nie jest liniowy—dodatkowe gatunki mogą na przykład zwiększać retencję azotu, ale poza pewnym poziomem bogactwa gatunków, dodatkowe gatunki mogą mieć niewielki efekt addytywny.
dodanie (lub utrata) gatunków, które są ekologicznie podobne do tych, które już występują w ekosystemie, ma zwykle niewielki wpływ na funkcjonowanie ekosystemu. Z drugiej strony, ekologicznie różne gatunki mają znacznie większy wpływ. Podobnie dominujące gatunki mają duży wpływ na funkcjonowanie ekosystemu, podczas gdy rzadkie gatunki mają niewielki wpływ. Gatunki Keystone mają zwykle wpływ na funkcjonowanie ekosystemu, który jest nieproporcjonalny do ich liczebności w ekosystemie. Podobnie, inżynierem ekosystemu jest każdy organizm, który tworzy, znacząco modyfikuje, utrzymuje lub niszczy siedlisko.
dynamika
ekosystemy są dynamicznymi jednostkami. Podlegają one okresowym zaburzeniom i są w trakcie odzyskiwania po pewnych zakłóceniach z przeszłości. Gdy występuje perturbacja, ekosystem reaguje oddalając się od swojego stanu początkowego. Tendencja ekosystemu do utrzymywania się blisko jego stanu równowagi, pomimo tego zaburzenia, jest określana jako jego odporność. Z drugiej strony szybkość, z jaką wraca do stanu początkowego po zakłóceniu, nazywana jest jego odpornością. Czas odgrywa rolę w rozwoju gleby z nagich skał i odzyskiwaniu społeczności z zakłóceń.
z roku na rok ekosystemy doświadczają zmienności w swoich środowiskach biotycznych i abiotycznych. Susza, zimniejsza niż zwykle zima i epidemia szkodników to krótkotrwała zmienność warunków środowiskowych. Populacje zwierząt różnią się z roku na rok, gromadząc się w okresach bogatych w zasoby i niszcząc, gdy przekraczają zapasy żywności. Zmiany te polegają na zmianach tempa rozkładu produkcji pierwotnej netto i innych procesów ekosystemowych. Długofalowe zmiany kształtują również procesy ekosystemowe-lasy Wschodniej Ameryki Północnej nadal wykazują ślady uprawy, które ustały 200 lat temu, podczas gdy produkcja metanu w jeziorach wschodniosyberyjskich jest kontrolowana przez materię organiczną, która nagromadziła się podczas plejstocenu.
zaburzenia odgrywają również ważną rolę w procesach ekologicznych. F. Stuart Chapin i współautorzy definiują zaburzenia jako „stosunkowo dyskretne wydarzenie w czasie i przestrzeni, które zmienia strukturę populacji, społeczności i ekosystemów i powoduje zmiany w dostępności zasobów lub środowisku fizycznym”. Może to obejmować spadki drzew i wybuchy owadów, huragany i pożary, a także erupcje wulkanów. Takie zaburzenia mogą powodować duże zmiany w populacjach roślin, zwierząt i mikrobów, a także zawartość materii organicznej w glebie. Po zaburzeniu następuje sukcesja, ” kierunkowa zmiana w strukturze i funkcjonowaniu ekosystemu wynikająca z biotycznych zmian podaży zasobów.”
częstotliwość i nasilenie zaburzeń determinują sposób, w jaki wpływają one na funkcjonowanie ekosystemu. Poważne zakłócenia, takie jak erupcja wulkanu lub postęp lodowca i odwrót, pozostawiają gleby, w których brakuje roślin, zwierząt lub materii organicznej. Ekosystemy, które doświadczają takich zaburzeń, przechodzą sukcesję pierwotną. Mniej poważne zakłócenia, takie jak pożary lasów, huragany lub uprawy, powodują sukcesję wtórną i szybszą regenerację. Poważniejsze i częstsze zaburzenia powodują dłuższe czasy rekonwalescencji.
Leave a Reply