szekundér produktivitás: heterotrofikus szervezetek által termelt új biomassza

Átírás

1 Az energia útja/sorsa a közösségekben szekundér produktivitás: heterotrofikus szervezetek által termelt új biomassza ezek (baktériumok, gombák, állatok) nem képesek egyszerű molekulákból a nekik szükséges komplex, energiadús vegyületeket előállítani ezért növényeket vagy más állatokat esznek

2 növények (primér producerek): első trofikus szint primér fogyasztók: második trofikus szint szekundér fogyasztók (húsevők): harmadik trofikus szint, stb... - mivel szekundér produkció a primértől függ, a kettő között lineáris összefüggést várunk

3 és valóban:

4 vízben és szárazföldön egyaránt: herbivorok szekundér produktivitása egy nagyságrenddel kisebb mint az alapul szolgáló primér produktivitás piramis-szerű rendszer, ahol a növények produktivitása széles alap, primér fogyasztók produktivitása ennél jóval kisebb és még kisebb a szekundér fogyasztóké

5 akkor is piramis ha biomasszában fejezzük ki Elton (1927) közösségek eme architekturális sajátosságának első felismerője később: Lindemann (1942) bővítette

6 több kivétel is van: - fa alapú táplálékláncokban számbelileg (de nem biomasszában) több herbivor esik egységnyi felületre mint lágyszárúak esetében - fitoplankton produkción alapuló láncok: kis számú, rövid életidejű, de nagyon produktív algasejtek, amelyek hosszabb életidejű, de biomasszában nagyobb zooplanktont tartanak el

7 Hová tűnik el az energia? 1. nem minden növényi biomasszát esznek meg élő állapotban a herbivorok 2. a megevett növényi (vagy húsevők esetében állati) biomassza nem asszimilálódik és épül be teljesen a fogyasztó biomasszájába 3. az energia nem konvertálódik mind biomasszába, egyrésze elvész légzési hő formájában, mert: (i) egyetlen energia-átalakítás sem 100%-os hatékonyságú, felhasználatlan random hőként elvész egy része (ii) az állatok eleve végeznek más munkát is ami energiaigényes és újra hő formájában vész el

8 A három energia-út

9 minden egyes J energia végül megtalálja előbb-utóbb az útját kifelé és elillan mint légzési hő. Ezzel szemben: molekulák és ionok folytonosan bent maradhatnak a körforgásban

10 nem élő szerves anyagban tárolt energia végül teljesen metabolizálódik és minden energia elvész mint légzési hő kivételek: - az anyag kikerül a helyi környezetből és másutt metabolizálódik - helyi abiotikus tényezők nem kedveznek a lebontóknak és csak részben metabolizált nagy energiatartalmú anyagok maradnak hátra (pl. olaj, szén, tőzeg)

11 3 transzfer kategória az energiaáramlás mintázatainak prediktálásához: Fogyasztási hatékonyság CE (Consumption Efficiency) Asszimilációs hatékonyság AE (Assimilation Efficiency) Produkciós hatékonyság PE (Production Efficiency)

12 Fogyasztási hatékonyság CE (Consumption Efficiency) CE = I P n n szavakban: egy szinten elérhető össz-produktivitás (P n-1 ) és az egy szinttel feljebb elfogyasztott (megemésztett) produktivitás (I n ) aránya

13 növényevők esetében eléggé alacsony okok: - növényi szövetekben sok a tartószövet - herbivorok denzitása alacsony (főleg természetes ellenségek hatására) mikroszkopikus növények fogyasztóinak nagyobb a sűrűsége, és többet is esznek átlagos fogyasztási hatékonyságok: erdő: 5% füves területek: 25% fitoplankton: 50% húsevők fogyasztási hatékonysága - csak spekulációk...

14 Asszimilációs hatékonyság AE (Assimilation Efficiency) AE = A n 100 I n szavakban: a bélcsatornába bekerült étel energiájának egy trofikus szinten (I n ) és a bélcsatorna falain keresztül felszívódott energia aránya (A n ). Az A n felhasználható aztán növekedésre ill. munkavégzésre - fennmaradó rész elvész mint ürülék és bekerül a lebontó rendszerbe

15 mikroorganizmusok: nehéz leírni, nincs bélcsatornájuk, külső emésztésük van és sejthártyán keresztül szívják fel így AE ~ 100% AE: alacsony herbivorok, detritivrok és mikrobivorok: 20-50% magas húsevők: 80% körül

16 általában az állatoknak gyenge eszközeik vannak az élő és holt növényi anyag feldolgozására mert: (i) növényi fizikai és kémiai védekezés (ii) komplex kémiai struktúrák magas aránya (cellulóz, lignin), amit igen keservesen lehet lebontani szimbiotikus bélflóra, ami ebben segít

17 - hogyan osztják el a növények a produkciót a növényi részek között? AE: magok és gyümölcsök: 60-70% levelek: 50% faanyag: 15% - állati eredetű lenyelt étel sokkal kevesebb problémát okoz a húsevőknek (és pl. a detritivor keselyűknek is)

18 Produkciós hatékonyság PE (Production Efficiency) PE = P n 100 A n szavakban: az asszimilált energiának (A n ) az a része ami beépül az új biomasszába (P n ). A maradék elvész mint légzési hő. gerinctelenek: 30-40%, keveset veszítenek és nagy része beépül ektoterm gerincesek: 10% endoterm gerincesek: 1-2%

19 Produkciós hatékonyság különböző taxonoknál: Csoport P / A % Rovarevők 0,86 Madarak 1,29 Kisemlősök 1,51 Egyéb emlős 3,14 Halak és szociális 9,77 rovarok Nem-rovar 25,0 gerinctelenek Nem szociális rovarok 40,7 Nem-rovar gerinctelenek Herbivorok 20,8 Húsevők 27,6 Detritivorok 36,2 Nem-szociális rovarok Herbivorok 38,8 Detritivorok 47,0 Húsevők 55,6

20 Trofikus szint transzfer hatékonysága TLTE (Trophic level transfer efficiency) TLTE = P P n n vagy egyszerűen CE x AE x PE Lindemann utáni időkben ezt általánosan 10% körülinek vélték - egyes ökológusok: 10% törvény

21 48 tanulmány alapján, vízi és tengeri közösségekben a trofikus szint transzfer hatékonysága:

22 Az anyag körforgása a közösségekben kémiai elemek és vegyületek hozzátartozói az életnek élő szervezetek: energiát költenek arra, hogy anyagokat vonjanak ki környezetükből, magukban tartsák és használják őket majd újra elveszítsék befolyásolják a kémiai anyagok körforgását a bioszférában

23 ökofiziológusok: egyedi szervezetek hogyan veszik fel és használják a számukra szükséges anyagokat mi (ökológusok): egy egész bióta egy földdarabon vagy vízben hogyan gyűjti össze, halmozza fel és mozgatja az anyagot az ökoszisztéma komponensek között vizsgálati egység: egész földgolyó, kontinens, egy farm, folyó vízgyűjtője, 1 m 2 ismét emberi perspektívák és léptékek

24 Az anyag sorsa a közösségekben minden élő anyagban vízből van a legtöbb a fennmaradó rész 95%-a (vagy még több): szénszármazékok, az energia akkor tűnik el végleg mikor a szénszármazékok oxidálódnak (CO 2 -á) az élő szövetekben vagy a lebontók által bár külön tárgyaljuk az energia és szén körforgását, ezek mégis igen szorosan kötődnek egymáshoz minden biológiai rendszerben

25 a szén egyszerű molekulában, CO 2 alakjában lép be a trofikus láncba aztán beépül a nettó primér produktivitásba és fogyasztásra alkalmas lesz cukor, zsír, fehérje vagy a leggyakrabban cellulóz formájában ezután ugyanazt az utat járja végig mint az energia, megeszik, kiürítik, asszimilálják és néha még be is építik a szekundér produkcióba amikor az energiában gazdag szén-kötések felbomlanak és energiát szolgáltatnak a munkavégzéshez, az energia elvész hő formájában és a szén újra kikerül az atmoszférába CO 2 alakjában. Itt ér véget kettejük szoros kapcsolata...

26 amint az energia hővé változik többet nem használható ezzel szemben a CO 2 -ban levő szén újrafelhasználható a fotoszintézisben

27 Az energia és anyag körforgása közti kapcsolat:

28 a szén és más anyagok (nitrogén, foszfor, stb.) elérhetőek a növények számára az atmoszférából vagy a vízből. Miután áthaladnak a növényen és felbomlanak a komplex C kötések ezek újra visszakerülnek az eredeti közegbe egyszerű szervetlen molekulákként energiának nincs is a szó valódi értelmében vett körforgása csak a lebontó rendszer abbéli tulajdonságát jelzi, hogy többször körbejárathatja

29 DE valójában minden J energia csak egyszer használódik fel azért van élet a Földön, mert folyamatosan kap energiát kívülről ezzel szemben a kémiai elemek (a biomassza építőkockái) csak molekula-alakjukat változtatják pl. nitrát-nitrogén fehérje-nitrogén nitrátnitrogén

30 napenergiától eltérően, a tápanyagok nem kifogyhatatlanok ha beépülnek a növényekbe, kevesebb lesz a többi számára elérhető szabad tápanyag ha a növények és a fogyasztóik nem bomlanának le, idővel eltűnne minden tápanyag és az élet is a heterotróf szervezeteknek ebben kulcsszerepük van: reciklálnak és biztosítják a produkció folyamatosságát

31 szabad szervetlen anyagok csak a lebontó rendszerből jönnek elő újra (bár nagyon keveset a legelők is kibocsátanak) ábra hibája: nem minden lebontott tápanyagot vesznek fel újra a növények, egy részül elvész + olyan források is, amelyek nem feltétlenül élő anyag lebomlásából származnak

32 Biogeokémia és biogeokémiai ciklusok elemek előfordulása: atmoszféra: szén mint CO 2, nitrogén mint gáz N 2 litoszféra (kőzetek): kálcium mint kálcium-karbonát, kálium mint földpát hidroszféra (talajvíz, folyó, óceán): nitrogén mint oldott nitrát, foszfor mint foszfát, szén mint H 2 CO 3 itt minden szervetlen

33 élő szervezetek, élettelen és lebomló maradványok: szerves formában szén mint zsír vagy cellulóz, nitrogén mint fehérje, foszfor mint ATP ezeken belüli kémiai folyamatok és a kompartmentek közti mozgások biogeokémia

34 sok geokémiai folyamat végbemegy élet jelenléte nélkül is, pl. vulkánok ként bocsátanak az atmoszférába az élő szervezetek aktivitásuk révén viszont meglovagolhatják ezeket a geokémiai ciklusokat

35 Kis és nagy rendszerek biogeokémiája -változóidő- és térskálán vizsgálható akit egy tó vagy egy hektár erdő tápanyag felvétele, használata és leadása érdekel, az nem vizsgálja a vulkánkitörések hatását, vagy az óceánfenékre lerakódott anyagokat ha bővítjük a skálát: egy patak kémiáját alapvetően befolyásolja a környező szárazföld, ő meg a a tó vagy folyó kémiáját, amibe belefolyik. vízgyűjtő területet: természetesen meghatározott vizsgálati egység

36 a skála lehet globális is emberek rengetek kémiai anyagot használnak, ezek olyan mennyiségekben szabadulnak ki, hogy felforgathatják a biogeokémiai ciklusokat és hatással lehetnek: a természetes közösségekre, a termesztett növényekre az egész bolygó klímájára

37 Tápanyag felvételek és kibocsátások

38 Egyenletek: egyes közösségekben, egyes tápanyagokra: felvétel = kibocsátás másutt a felvétel meghaladhatja a kibocsátást és felhalmozódhat élő anyagban. Ez jellemző általában a szukcessziós folyamatokra: felvétel kibocsátás = raktározás

39 ismét másutt a kibocsátás meghaladhatja a felvételt, főleg ha valami zavarás következik be: kibocsátás felvétel = veszteség Pl. tűz, sáskajárás, emberi erdőkitermelés

40 Tápanyagok szárazföldi közösségekben Szárazföldi közösségek tápanyag felvétele alapkőzet mállása (víz fagyás-kiengedés, gyökerek) fontos forrása a Ca, Fe, Mg, P és K-nak amit aztán a gyökerek szívnak fel még fontosabbak a kémiai kioldási folyamatok pl. H 2 CO 3 reakcióba lép az ásványokkal és ionok szabadulnak fel (Ca 2+, K + ) vagy egyszerűen feloldódnak a vízben

41 Szén forrása: atmoszferikus CO 2 Nitrogén: - atmoszféra legtöbb - baktériumok és kék-zöld algák: van nitrogenáz enzimük, N-ből ammóniumiont gyártanak, amit felvehetnek a gyökerek - hüvelyes növények és éger: szimbiotikus N-fixáló baktériumok

42 Nitrogén-fixálás és felvétel: kg ha -1 év -1 Égeres 80 Eső 1-2 Hüvelyesek Trópusi lóhere 900

43 atmoszférából: - esőben - szárazon szárazeső az eső nem csak víz, hanem: - gáz-zárványok (kén- és nitrogén-oxidok) - aeroszolok: óceánból elpárolgott víz, amiben sok oldott K, Mg, kloridok és szulfátok vannak - por: tüzek, vulkánok, szélviharok (Ca, K, szulfát) ezek köré formálódnak gyakorlatilag az esőcseppek is ezen kívül: kimosott anyagok, amit az eső útközben elkap

44 az eső tápanyag koncentrációja a záporok korai szakaszában a legnagyobb hó: nem annyira hatékony köd: ionok koncentrációja magas talajba kerülnek, innen gyökerek szívják fel néha levelek felszínéről ahol száraz időszak hosszú: az atmoszférából száraz anyagokként érkeznek a tápanyagok

45 folyóvizek: ezek főleg a kibocsátásban játszanak nagyobb szerepet DE: jelentős mennyiség kirakódhat áradáskor az ártérbe

46 Emberi tevékenység atmoszféra: CO 2, N és S oxidok nőttek (fosszilis tüzelőanyagok égetése, kipufogógázak) vizek: nitrát és foszfát koncentrációk nőttek (mezőgazdaság, szennyvizek)