Flusso energetico (ecologia): cos’è, attraverso gli esseri viventi

Il flusso di energia è il flusso di energia attraverso gli esseri viventi all’interno di un ecosistema. Tutti gli organismi viventi possono essere organizzati in produttori e consumatori, e quei produttori e consumatori possono essere ulteriormente organizzati in una catena alimentare . Ciascuno dei livelli all’interno della catena alimentare è un livello trofico. Per mostrare in modo più efficiente la quantità di organismi a ciascun livello trofico, queste catene alimentari sono poi organizzate in piramidi trofiche. 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 il percorso.

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. 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) verso e tra gli organismi.

Una piramide alimentare e una rete alimentare di Thompsma , che mostra alcuni dei modelli più semplici in una rete alimentare.

Una rappresentazione grafica del trasferimento di energia tra strati trofici in un ecosistema.

Energetica e ciclo del carbonio

Il ciclo del carbonio di un ecosistema terrestre. A partire dalla fotosintesi , l’acqua (blu) e l’anidride carbonica (bianca) dall’aria vengono assorbite dall’energia solare (giallo) e convertite in energia vegetale (verde). 100×10 15 grammi di carbonio/anno fissati da organismi fotosintetici, che equivale a 4×10 18 kJ/anno = 4×10 21 J/anno di energia libera.  La respirazione cellulare è la reazione inversa, in cui l’energia delle piante viene assorbita e l’anidride carbonica e l’acqua vengono emesse. L’anidride carbonica e l’acqua prodotte possono essere riciclate nelle piante.

Il primo passo nell’energetica è la fotosintesi , in cui l’acqua e l’anidride carbonica dall’aria vengono assorbite con l’energia dal sole e convertite in ossigeno e glucosio. La respirazione cellulare è la reazione inversa, in cui l’ossigeno e lo zucchero vengono assorbiti e rilasciano energia mentre vengono riconvertiti 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 in base all’efficienza (quanta energia arriva al livello successivo) o alla biomassa (quanto materiale vivente esiste a quei livelli in un determinato momento, misurato dal raccolto in piedi). Di tutta la produttività primaria netta al livello trofico del produttore, in generale solo il 10% va al livello successivo, i consumatori primari, quindi solo il 10% di quel 10% va al livello trofico successivo, e così via lungo la piramide alimentare . L’efficienza ecologica può variare dal 5% al ​​20% a seconda di quanto sia efficiente o inefficiente quell’ecosistema. Questa diminuzione dell’efficienza si verifica perché gli organismi devono eseguire la respirazione cellulare per sopravvivere e l’energia viene persa sotto forma di calore quando viene eseguita la respirazione cellulare. Questo è anche il motivo per cui ci sono meno consumatori terziari che produttori.

Produzione primaria

Un produttore è qualsiasi organismo che esegue la fotosintesi. I produttori sono importanti perché convertono l’energia del sole in una forma chimica immagazzinabile e utilizzabile di energia, glucosio e ossigeno. Gli stessi produttori possono utilizzare l’energia immagazzinata nel glucosio per eseguire la respirazione cellulare. Oppure, se il produttore viene consumato dagli erbivori nel livello trofico successivo, parte dell’energia viene trasmessa su per la piramide. Il glucosio immagazzinato all’interno dei produttori funge da cibo per i consumatori, quindi è solo attraverso i produttori che i consumatori possono accedere all’energia del sole. Alcuni esempi di produttori primari sono alghe, muschi e altre piante come erbe, alberi e arbusti.

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. Questo processo, denominato chemiosintesi , di solito si verifica nelle profondità dell’oceano in corrispondenza di bocche idrotermali che producono calore e sostanze chimiche come idrogeno, idrogeno solforato e metano. 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. 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. Solo l’uno percento dell’energia solare entra nel produttore, il resto rimbalza o passa attraverso. La produttività primaria lorda è la quantità di energia effettivamente ottenuta dal produttore. Generalmente, il 60% dell’energia che entra nel produttore va alla respirazione del produttore stesso. La produttività primaria netta è la quantità che la pianta conserva dopo aver sottratto la quantità che ha utilizzato per la respirazione cellulare. 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.

Produzione secondaria

La produzione secondaria è l’uso dell’energia immagazzinata negli impianti convertita dai consumatori nella propria biomassa. Diversi ecosistemi hanno diversi livelli di consumatori, tutti terminano con un massimo consumatore. La maggior parte dell’energia è immagazzinata nella materia organica delle piante e quando 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 è nella produzione primaria e finisce per essere rifiuti 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. I consumatori secondari possono variare ampiamente in quanto sono efficienti nel consumo. L’efficienza dell’energia trasferita ai consumatori è stimata intorno al 10%. Il flusso di energia attraverso i consumatori differisce negli ambienti acquatici e terrestri.

Produzione secondaria in ambienti acquatici

Gli eterotrofi contribuiscono alla produzione secondaria e dipende dalla produttività primaria e dai prodotti primari netti. La produzione secondaria è l’energia utilizzata dagli erbivori e dai decompositori e quindi dipende dalla produttività primaria. Principalmente erbivori e decompositori consumano tutto il carbonio da due principali fonti organiche negli ecosistemi acquatici , autoctoni e alloctoni. 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. Negli ecosistemi fluviali, circa il 66% dell’apporto energetico annuo può essere trasportato a valle. La quantità rimanente viene consumata e persa sotto forma di calore.

Produzione secondaria in ambienti terrestri

La produzione secondaria è spesso descritta in termini di livelli trofici, e mentre questo può essere utile per spiegare le relazioni, enfatizza eccessivamente le interazioni più rare. I consumatori spesso si nutrono a più livelli trofici. L’energia trasferita al di sopra del terzo livello trofico è relativamente poco importante. L’efficienza di assimilazione può essere espressa dalla quantità di cibo che il consumatore ha mangiato, quanto il consumatore assimila e cosa viene espulso come feci o urina. Mentre una parte dell’energia viene utilizzata per la respirazione, un’altra parte dell’energia va verso la biomassa nel consumatore. Esistono due catene alimentari principali: 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 oi decompositori che consumano l’energia autotrofa. 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 inferiore, dal 20 al 50% circa. L’energia in un sistema può essere influenzata dall’emigrazione/immigrazione animale. I movimenti degli organismi sono significativi negli ecosistemi terrestri. Il consumo energetico degli erbivori negli ecosistemi terrestri ha una gamma bassa di ~ 3-7%. Il flusso di energia è simile in molti ambienti terrestri. La fluttuazione della quantità di prodotto primario netto consumato dagli erbivori è generalmente bassa. Ciò è in netto contrasto con gli ambienti acquatici di laghi e stagni in cui i pascolatori hanno un consumo molto più elevato di circa il 33% circa. Gli ectotermi e gli endotermi hanno efficienze di assimilazione molto diverse. L’energia in un sistema può essere influenzata dall’emigrazione/immigrazione animale. I movimenti degli organismi sono significativi negli ecosistemi terrestri. Il consumo energetico degli erbivori negli ecosistemi terrestri ha una gamma bassa di ~ 3-7%. Il flusso di energia è simile in molti ambienti terrestri. La fluttuazione della quantità di prodotto primario netto consumato dagli erbivori è generalmente bassa. Ciò è in netto contrasto con gli ambienti acquatici di laghi e stagni in cui i pascolatori hanno un consumo molto più elevato di circa il 33% circa. Gli ectotermi e gli endotermi hanno efficienze di assimilazione molto diverse. L’energia in un sistema può essere influenzata dall’emigrazione/immigrazione animale. I movimenti degli organismi sono significativi negli ecosistemi terrestri. Il consumo energetico degli erbivori negli ecosistemi terrestri ha una gamma bassa di ~ 3-7%. Il flusso di energia è simile in molti ambienti terrestri. La fluttuazione della quantità di prodotto primario netto consumato dagli erbivori è generalmente bassa. Ciò è in netto contrasto con gli ambienti acquatici di laghi e stagni in cui i pascolatori hanno un consumo molto più elevato di circa il 33% circa. Gli ectotermi e gli endotermi hanno efficienze di assimilazione molto diverse. Il flusso di energia è simile in molti ambienti terrestri. La fluttuazione della quantità di prodotto primario netto consumato dagli erbivori è generalmente bassa. Ciò è in netto contrasto con gli ambienti acquatici di laghi e stagni in cui i pascolatori hanno un consumo molto più elevato di circa il 33% circa. Gli ectotermi e gli endotermi hanno efficienze di assimilazione molto diverse. Il flusso di energia è simile in molti ambienti terrestri. La fluttuazione della quantità di prodotto primario netto consumato dagli erbivori è generalmente bassa. Ciò è in netto contrasto con gli ambienti acquatici di laghi e stagni in cui i pascolatori hanno un consumo molto più elevato di circa il 33% circa. Gli ectotermi e gli endotermi hanno efficienze di assimilazione molto diverse.

Detritivores

I detritivori consumano materiale organico in decomposizione e sono a loro volta consumati dai carnivori. La produttività dei predatori è correlata alla produttività delle prede. Ciò conferma che la produttività primaria negli ecosistemi influisce su tutta la produttività successiva.

I detriti sono una grande porzione di materiale organico negli ecosistemi. Il materiale organico nelle foreste temperate è costituito principalmente da piante morte, circa il 62%.

In un ecosistema acquatico, la materia fogliare che cade nei corsi d’acqua si bagna e inizia a sanguinare materiale organico. Ciò accade piuttosto rapidamente e attirerà microbi e invertebrati. Le foglie possono essere scomposte in grandi pezzi chiamati materia organica particellare grossolana (CPOM). Il CPOM è rapidamente colonizzato dai microbi. Meiofaunaè estremamente importante per la produzione secondaria negli ecosistemi fluviali. 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. Man mano che le foglie si decompongono, l’azoto diminuirà poiché la cellulosa e la lignina nelle foglie sono difficili da abbattere. Così i microbi colonizzatori apportano azoto per favorire la decomposizione. La rottura delle foglie può dipendere dal contenuto iniziale di azoto, dalla stagione e dalle specie di alberi. Le specie di alberi possono variare quando le loro foglie cadono. Quindi la rottura delle foglie avviene in momenti diversi, che è chiamato un mosaico di popolazioni microbiche.

L’effetto e la diversità delle specie in un ecosistema possono essere analizzati attraverso le loro prestazioni ed efficienza. 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.

Flusso di energia attraverso gli ecosistemi

La ricerca ha dimostrato che i produttori primari fissano il carbonioa tassi simili in tutti gli ecosistemi. Una volta che il carbonio è stato introdotto in un sistema come fonte vitale di energia, i meccanismi che regolano 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 suddivisi in due percorsi principali di controllo: dall’alto verso il basso e dal basso verso l’alto. I meccanismi di azione all’interno di ciascun percorso regolano in ultima analisi la struttura del livello comunitario e trofico all’interno di un ecosistema a vari livelli. I controlli dal basso implicano meccanismi basati sulla qualità e disponibilità delle risorse, che controllano la produttività primaria e il successivo flusso di energia e biomassa verso livelli trofici superiori. I controlli dall’alto implicano meccanismi basati sul consumo da parte dei consumatori.

Ecosistemi acquatici vs terrestri

Molte variazioni nel flusso di energia si trovano all’interno di ogni tipo di ecosistema, creando una sfida nell’identificare la variazione tra i tipi di ecosistema. In senso generale, il flusso di energia è una funzione della produttività primaria con temperatura, disponibilità di acqua e disponibilità di luce. 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 corsi d’acqua limpidi. Tra gli ecosistemi terrestri, le paludi, le paludi e le foreste pluviali tropicali hanno i più alti tassi di produzione primaria, mentre la tundra e gli ecosistemi alpini hanno i più bassi. Le relazioni tra la produzione primaria e le condizioni ambientali hanno contribuito a spiegare la variazione all’interno dei tipi di ecosistema,

Dal basso verso l’alto

La forza dei controlli dal basso verso l’alto sul flusso di energia è determinata dalla qualità nutrizionale, dalle dimensioni e dai tassi di crescita dei produttori primari in un ecosistema. Il materiale fotosintetico è tipicamente ricco di azoto (N) e fosforo (P) e integra l’elevata domanda di erbivori di N e P in tutti gli ecosistemi. La produzione primaria acquatica è dominata da un piccolo fitoplancton unicellulare composto principalmente da materiale fotosintetico, che fornisce una fonte efficiente di questi nutrienti per gli erbivori. Al contrario, le piante terrestri multicellulari contengono molte grandi cellulose di supportostrutture ad alto contenuto di carbonio ma a basso valore nutritivo. A causa di questa differenza strutturale, i produttori primari acquatici hanno meno biomassa per tessuto fotosintetico immagazzinato all’interno dell’ecosistema acquatico che nelle foreste e nelle praterie degli ecosistemi terrestri. Questa bassa biomassa rispetto al materiale fotosintetico negli ecosistemi acquatici consente un tasso di ricambio più efficiente rispetto agli ecosistemi terrestri. 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.

Ulteriori fattori che incidono sulla produzione primaria includono gli input di N e P, che si verificano in misura maggiore negli ecosistemi acquatici. Questi nutrienti sono importanti per stimolare la crescita delle piantee, quando passa a livelli trofici più elevati, stimola la biomassa dei consumatori e il tasso di crescita. Se uno di questi nutrienti scarseggia, può limitare la produzione primaria complessiva. All’interno dei laghi, P tende ad essere il nutriente limitante maggiore mentre sia N che P limitano la produzione primaria nei fiumi. A causa di questi effetti limitanti, gli apporti di nutrienti possono potenzialmente alleviare i limiti sulla produzione primaria netta di un ecosistema acquatico. Il materiale alloctono lavato in un ecosistema acquatico introduce N e P così come energia sotto forma di molecole di carbonio che vengono prontamente assorbite dai produttori primari. Maggiori input e maggiori concentrazioni di nutrienti supportano maggiori tassi di produzione primaria netta, che a sua volta supporta una maggiore produzione secondaria.

Dall’alto al basso

I meccanismi dall’alto verso il basso esercitano un maggiore controllo sui produttori primari acquatici a causa del ruolo dei consumatori all’interno di una rete trofica acquatica. Tra i consumatori, gli erbivori possono mediare gli impatti delle cascate trofiche collegando il flusso di energia dai produttori primari ai predatori a livelli trofici più elevati. In tutti gli ecosistemi, esiste un’associazione coerente tra la crescita degli erbivori e la qualità nutrizionale del produttore. Tuttavia, negli ecosistemi acquatici, i produttori primari vengono consumati dagli erbivori a una velocità quattro volte maggiore rispetto agli ecosistemi terrestri. Sebbene questo argomento sia molto dibattuto, i ricercatori hanno attribuito la distinzione nel controllo degli erbivori a diverse teorie, tra cui i rapporti tra produttore e consumatore e la selettività degli erbivori.

Una rete alimentare d’acqua dolce che mostra le differenze dimensionali tra ogni livello trofico. I produttori primari tendono ad essere piccole cellule algali. Gli erbivori tendono ad essere piccoli macroinvertebrati. I predatori tendono ad essere pesci più grandi.

La modellazione dei controlli dall’alto verso il basso sui produttori primari suggerisce che il massimo controllo sul flusso di energia si verifica quando il rapporto dimensionale tra consumatore e produttore primario è il più alto. La distribuzione delle dimensioni degli organismi trovati all’interno di un singolo livello trofico nei sistemi acquatici è molto più ristretta di quella dei sistemi terrestri. 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 corporea del consumatore all’interno di un livello trofico varia molto meno ed è fortemente correlata con il livello trofico. posizione. Di conseguenza, la differenza di dimensioni tra produttori e consumatori è costantemente maggiore negli ambienti acquatici che sulla terraferma, con conseguente controllo più forte degli erbivori sui produttori primari acquatici.

Gli erbivori possono potenzialmente controllare il destino della materia organica mentre viene fatta circolare attraverso la rete alimentare. Gli erbivori tendono a selezionare piante nutrienti evitando le piante con meccanismi di difesa strutturali . Come le strutture di supporto, le strutture di difesa sono composte da cellulosa povera di nutrienti e ad alto contenuto di carbonio. L’accesso a fonti di cibo nutriente migliora il metabolismo degli erbivori e il fabbisogno energetico, portando a una maggiore rimozione dei produttori primari. Negli ecosistemi acquatici, il fitoplancton è altamente nutriente e generalmente manca di meccanismi di difesa. 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. Negli ecosistemi terrestri, i produttori primari sono meno densi dal punto di vista nutrizionale e hanno maggiori probabilità di contenere strutture di difesa. Poiché gli erbivori preferiscono piante nutrizionalmente dense ed evitano piante o parti di piante con strutture di difesa, una quantità maggiore di materia vegetale viene lasciata non consumata all’interno dell’ecosistema. L’evitamento da parte degli erbivori della materia vegetale di bassa qualità potrebbe essere il motivo per cui i sistemi terrestri mostrano un controllo dall’alto verso il basso più debole sul flusso di energia.


https://en.wikipedia.org/wiki/Energy_flow_(ecology)

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