Βιολογική παραγωγικότητα οικοσυστήματος

2024 Συγγραφέας: Henry Conors | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-02-12 05:53

Κάθε χρόνο, οι άνθρωποι εξαντλούν τους πόρους του πλανήτη όλο και περισσότερο. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι πρόσφατα η αξιολόγηση του πόσους πόρους μπορεί να προσφέρει μια συγκεκριμένη βιοκένωση έχει αποκτήσει μεγάλη σημασία. Σήμερα, η παραγωγικότητα του οικοσυστήματος έχει καθοριστική σημασία κατά την επιλογή τρόπου διαχείρισης, καθώς η οικονομική σκοπιμότητα της εργασίας εξαρτάται άμεσα από την ποσότητα παραγωγής που μπορεί να επιτευχθεί.

Εδώ είναι τα κύρια ερωτήματα που αντιμετωπίζουν οι επιστήμονες σήμερα:

• Πόση ηλιακή ενέργεια είναι διαθέσιμη και πόση αφομοιώνεται από τα φυτά, πώς μετριέται;
• Ποιοι τύποι οικοσυστημάτων είναι οι πιο παραγωγικοί και παράγουν την πιο πρωτογενή παραγωγή;
• Ποιοι παράγοντες περιορίζουν την πρωτογενή παραγωγή σε τοπικό και παγκόσμιο επίπεδο;
• Ποια είναι η απόδοση με την οποία τα φυτά μετατρέπουν την ενέργεια;
• Ποιες είναι οι διαφορές μεταξύ της αποτελεσματικότηταςαφομοίωση, καθαρότερη παραγωγή και περιβαλλοντική αποτελεσματικότητα;
• Πώς διαφέρουν τα οικοσυστήματα ως προς την ποσότητα βιομάζας ή τον όγκο των αυτότροφων οργανισμών;
• Πόση ενέργεια είναι διαθέσιμη στους ανθρώπους και πόσο χρησιμοποιούμε;

Θα προσπαθήσουμε να τους απαντήσουμε τουλάχιστον εν μέρει στο πλαίσιο αυτού του άρθρου. Αρχικά, ας ασχοληθούμε με τις βασικές έννοιες. Άρα, η παραγωγικότητα ενός οικοσυστήματος είναι η διαδικασία συσσώρευσης οργανικής ύλης σε συγκεκριμένο όγκο. Ποιοι οργανισμοί είναι υπεύθυνοι για αυτό το έργο;

Αυτότροφα και ετερότροφα

Γνωρίζουμε ότι ορισμένοι οργανισμοί είναι ικανοί να συνθέτουν οργανικά μόρια από ανόργανες πρόδρομες ουσίες. Ονομάζονται αυτότροφοι, που σημαίνει «αυτοτρέφονται». Στην πραγματικότητα, η παραγωγικότητα των οικοσυστημάτων εξαρτάται από τις δραστηριότητές τους. Οι αυτότροφοι αναφέρονται επίσης ως πρωτογενείς παραγωγοί. Οι οργανισμοί που είναι σε θέση να παράγουν πολύπλοκα οργανικά μόρια από απλές ανόργανες ουσίες (νερό, CO2) ανήκουν συνήθως στην κατηγορία των φυτών, αλλά ορισμένα βακτήρια έχουν την ίδια ικανότητα. Η διαδικασία με την οποία συνθέτουν οργανικές ουσίες ονομάζεται φωτοχημική σύνθεση. Όπως υποδηλώνει το όνομα, η φωτοσύνθεση απαιτεί ηλιακό φως.

Θα πρέπει επίσης να αναφέρουμε την οδό γνωστή ως χημειοσύνθεση. Ορισμένα αυτότροφα, κυρίως εξειδικευμένα βακτήρια, μπορούν να μετατρέψουν τα ανόργανα θρεπτικά συστατικά σε οργανικές ενώσεις χωρίς πρόσβαση στο ηλιακό φως. Υπάρχουν διάφορες ομάδες χημειοσυνθετικώνβακτήρια στη θάλασσα και στο γλυκό νερό, και είναι ιδιαίτερα κοινά σε περιβάλλοντα με υψηλή περιεκτικότητα σε υδρόθειο ή θείο. Όπως τα φυτά που φέρουν χλωροφύλλη και άλλοι οργανισμοί ικανοί για φωτοχημική σύνθεση, οι χημειοσυνθετικοί οργανισμοί είναι αυτότροφοι. Ωστόσο, η παραγωγικότητα του οικοσυστήματος είναι μάλλον η δραστηριότητα της βλάστησης, καθώς είναι αυτή που είναι υπεύθυνη για τη συσσώρευση άνω του 90% της οργανικής ύλης. Η χημειοσύνθεση παίζει δυσανάλογα μικρότερο ρόλο σε αυτό.

Εν τω μεταξύ, πολλοί οργανισμοί μπορούν να πάρουν την ενέργεια που χρειάζονται μόνο τρώγοντας άλλους οργανισμούς. Ονομάζονται ετερότροφα. Κατ' αρχήν, αυτά περιλαμβάνουν όλα τα ίδια φυτά («τρώνε» επίσης έτοιμη οργανική ύλη), ζώα, μικρόβια, μύκητες και μικροοργανισμούς. Τα ετερότροφα ονομάζονται επίσης «καταναλωτές».

Ο ρόλος των φυτών

Κατά κανόνα, η λέξη «παραγωγικότητα» σε αυτή την περίπτωση αναφέρεται στην ικανότητα των φυτών να αποθηκεύουν μια ορισμένη ποσότητα οργανικής ύλης. Και αυτό δεν προκαλεί έκπληξη, αφού μόνο οι φυτικοί οργανισμοί μπορούν να μετατρέψουν ανόργανες ουσίες σε οργανικές. Χωρίς αυτά, η ίδια η ζωή στον πλανήτη μας θα ήταν αδύνατη, και ως εκ τούτου η παραγωγικότητα του οικοσυστήματος εξετάζεται από αυτή τη θέση. Γενικά, το ερώτημα είναι εξαιρετικά απλό: πόση οργανική ύλη μπορούν να αποθηκεύσουν τα φυτά;

Ποιες βιοκενώσεις είναι οι πιο παραγωγικές;

Περίεργα, αλλά οι ανθρωπογενείς βιοκαινώσεις απέχουν πολύ από το να είναι οι πιο παραγωγικές. Ζούγκλες, βάλτοι, σέλβα μεγάλων τροπικών ποταμών από αυτή την άποψηείναι πολύ μπροστά. Επιπλέον, είναι αυτές οι βιοκαινώσεις που εξουδετερώνουν μια τεράστια ποσότητα τοξικών ουσιών, οι οποίες, πάλι, εισέρχονται στη φύση ως αποτέλεσμα της ανθρώπινης δραστηριότητας και επίσης παράγουν περισσότερο από το 70% του οξυγόνου που περιέχεται στην ατμόσφαιρα του πλανήτη μας. Παρεμπιπτόντως, πολλά σχολικά βιβλία αναφέρουν ακόμη ότι οι ωκεανοί της Γης είναι το πιο παραγωγικό «καλάθι ψωμιού». Αρκετά περίεργα, αλλά αυτή η δήλωση απέχει πολύ από την αλήθεια.

Ocean Paradox

Ξέρετε με τι συγκρίνεται η βιολογική παραγωγικότητα των οικοσυστημάτων των θαλασσών και των ωκεανών; Με ημιερήμους! Οι μεγάλοι όγκοι βιομάζας εξηγούνται από το γεγονός ότι είναι υδάτινες εκτάσεις που καταλαμβάνουν το μεγαλύτερο μέρος της επιφάνειας του πλανήτη. Έτσι, η επανειλημμένα προβλεπόμενη χρήση των θαλασσών ως κύριας πηγής θρεπτικών συστατικών για όλη την ανθρωπότητα τα επόμενα χρόνια είναι σχεδόν αδύνατη, αφού η οικονομική σκοπιμότητα είναι εξαιρετικά χαμηλή. Ωστόσο, η χαμηλή παραγωγικότητα αυτού του τύπου οικοσυστήματος δεν μειώνει σε καμία περίπτωση τη σημασία των ωκεανών για τη ζωή όλων των ζωντανών όντων, επομένως πρέπει να προστατεύονται όσο το δυνατόν πιο προσεκτικά.

Οι σύγχρονοι περιβαλλοντολόγοι λένε ότι οι δυνατότητες της γεωργικής γης κάθε άλλο παρά έχουν εξαντληθεί και στο μέλλον θα μπορούμε να έχουμε περισσότερες άφθονες σοδειές από αυτές. Ιδιαίτερες ελπίδες εναποτίθενται στους ορυζώνες, οι οποίοι μπορούν να παράγουν τεράστια ποσότητα πολύτιμης οργανικής ύλης λόγω των μοναδικών χαρακτηριστικών τους.

Βασικές πληροφορίες για την παραγωγικότητα των βιολογικών συστημάτων

Συνολική παραγωγικότητα του οικοσυστήματοςκαθορίζεται από το ρυθμό φωτοσύνθεσης και συσσώρευσης οργανικών ουσιών σε μια συγκεκριμένη βιοκένωση. Η μάζα της οργανικής ύλης που δημιουργείται ανά μονάδα χρόνου ονομάζεται πρωτογενής παραγωγή. Μπορεί να εκφραστεί με δύο τρόπους: είτε σε Joules, είτε στην ξηρή μάζα των φυτών. Η ακαθάριστη παραγωγή είναι ο όγκος της που δημιουργείται από φυτικούς οργανισμούς σε μια συγκεκριμένη μονάδα χρόνου, με σταθερό ρυθμό της διαδικασίας της φωτοσύνθεσης. Θα πρέπει να θυμόμαστε ότι μέρος αυτής της ουσίας θα πάει στη ζωτική δραστηριότητα των ίδιων των φυτών. Η εναπομείνασα οργανική ύλη είναι η καθαρή πρωτογενής παραγωγικότητα του οικοσυστήματος. Είναι αυτή που πηγαίνει να ταΐσει ετερότροφους, που περιλαμβάνουν εσάς και εμένα.

Υπάρχει "ανώτατο όριο" στην πρωτογενή παραγωγή;

Εν ολίγοις, ναι. Ας ρίξουμε μια γρήγορη ματιά στο πόσο αποτελεσματική είναι καταρχήν η διαδικασία της φωτοσύνθεσης. Θυμηθείτε ότι η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της γης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θέση: η μέγιστη απόδοση ενέργειας είναι χαρακτηριστική των ισημερινών ζωνών. Μειώνεται εκθετικά καθώς πλησιάζει τους πόλους. Περίπου η μισή ηλιακή ενέργεια αντανακλάται από πάγο, χιόνι, ωκεανούς ή ερήμους και απορροφάται από τα αέρια της ατμόσφαιρας. Για παράδειγμα, το στρώμα του όζοντος της ατμόσφαιρας απορροφά σχεδόν όλη την υπεριώδη ακτινοβολία! Μόνο το μισό από το φως που χτυπά τα φύλλα των φυτών χρησιμοποιείται στην αντίδραση φωτοσύνθεσης. Έτσι, η βιολογική παραγωγικότητα των οικοσυστημάτων είναι το αποτέλεσμα της μετατροπής ενός ασήμαντου μέρους της ενέργειας του ήλιου!

Τι είναι η δευτερογενής παραγωγή;

Αντίστοιχα, ονομάζονται δευτερογενή προϊόνταη ανάπτυξη των καταναλωτών (δηλαδή των καταναλωτών) για ορισμένο χρονικό διάστημα. Φυσικά, η παραγωγικότητα του οικοσυστήματος εξαρτάται από αυτά σε πολύ μικρότερο βαθμό, αλλά αυτή η βιομάζα είναι που παίζει τον σημαντικότερο ρόλο στη ζωή του ανθρώπου. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι τα δευτερεύοντα οργανικά υπολογίζονται χωριστά σε κάθε τροφικό επίπεδο. Έτσι, οι τύποι παραγωγικότητας του οικοσυστήματος χωρίζονται σε δύο τύπους: πρωτογενή και δευτερογενή.

Αναλογία πρωτογενούς και δευτερογενούς παραγωγής

Όπως μπορείτε να μαντέψετε, η αναλογία βιομάζας προς τη συνολική φυτική μάζα είναι σχετικά χαμηλή. Ακόμη και στη ζούγκλα και τους βάλτους, το ποσοστό αυτό σπάνια ξεπερνά το 6,5%. Όσο περισσότερα ποώδη φυτά στην κοινότητα, τόσο υψηλότερος είναι ο ρυθμός συσσώρευσης οργανικής ύλης και τόσο μεγαλύτερη η απόκλιση.

Σχετικά με τον ρυθμό και τον όγκο σχηματισμού οργανικών ουσιών

Γενικά, ο περιοριστικός ρυθμός σχηματισμού οργανικής ύλης πρωτογενούς προέλευσης εξαρτάται πλήρως από την κατάσταση της φωτοσυνθετικής συσκευής των φυτών (PAR). Η μέγιστη τιμή της απόδοσης της φωτοσύνθεσης, η οποία επιτεύχθηκε σε εργαστηριακές συνθήκες, είναι 12% της τιμής PAR. Υπό φυσικές συνθήκες, μια τιμή 5% θεωρείται εξαιρετικά υψηλή και πρακτικά δεν εμφανίζεται. Πιστεύεται ότι στη Γη η αφομοίωση του ηλιακού φωτός δεν υπερβαίνει το 0,1%.

Διανομή πρωτογενούς παραγωγής

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η παραγωγικότητα του φυσικού οικοσυστήματος είναι εξαιρετικά άνιση σε ολόκληρο τον πλανήτη. Η συνολική μάζα όλης της οργανικής ύλης που σχηματίζεται ετησίως στιςεπιφάνεια της Γης, είναι περίπου 150-200 δισεκατομμύρια τόνους. Θυμάστε τι είπαμε για την παραγωγικότητα των ωκεανών παραπάνω; Άρα, τα 2/3 αυτής της ουσίας σχηματίζονται στην ξηρά! Απλά φανταστείτε: γιγάντιοι, απίστευτοι όγκοι της υδρόσφαιρας σχηματίζουν τρεις φορές λιγότερη οργανική ύλη από ένα μικροσκοπικό τμήμα της γης, μεγάλο μέρος της οποίας είναι έρημοι!

Περισσότερο από το 90% της συσσωρευμένης οργανικής ύλης με τη μία ή την άλλη μορφή χρησιμοποιείται ως τροφή για ετερότροφους οργανισμούς. Μόνο ένα μικρό κλάσμα της ηλιακής ενέργειας αποθηκεύεται με τη μορφή χούμου του εδάφους (καθώς και πετρελαίου και άνθρακα, που σχηματίζονται ακόμη και σήμερα). Στην επικράτεια της χώρας μας, η αύξηση της πρωτογενούς βιολογικής παραγωγής κυμαίνεται από 20 centners ανά εκτάριο (κοντά στον Αρκτικό Ωκεανό) έως περισσότερα από 200 centners ανά στρέμμα στον Καύκασο. Σε ερημικές περιοχές, αυτή η τιμή δεν υπερβαίνει τα 20 c/ha.

Κατ' αρχήν, στις πέντε θερμές ηπείρους του κόσμου μας, η ένταση παραγωγής είναι πρακτικά η ίδια, σχεδόν: στη Νότια Αμερική, η βλάστηση συσσωρεύει μιάμιση φορά περισσότερη ξηρή ουσία, λόγω εξαιρετικών κλιματικών συνθηκών. Εκεί, η παραγωγικότητα των φυσικών και τεχνητών οικοσυστημάτων είναι μέγιστη.

Τι τροφοδοτεί τους ανθρώπους;

Περίπου 1,4 δισεκατομμύρια εκτάρια στην επιφάνεια του πλανήτη μας είναι φυτείες καλλιεργούμενων φυτών που μας παρέχουν τροφή. Αυτό είναι περίπου το 10% όλων των οικοσυστημάτων στον πλανήτη. Παραδόξως, αλλά μόνο τα μισά από τα προϊόντα που προκύπτουν πηγαίνουν απευθείας στην ανθρώπινη τροφή. Όλα τα άλλα χρησιμοποιούνται ως τροφή για κατοικίδια και πηγαίνουν σετις ανάγκες της βιομηχανικής παραγωγής (που δεν σχετίζονται με την παραγωγή προϊόντων διατροφής). Οι επιστήμονες κρούουν τον κώδωνα του κινδύνου εδώ και πολύ καιρό: η παραγωγικότητα και η βιομάζα των οικοσυστημάτων του πλανήτη μας δεν μπορούν να παρέχουν περισσότερο από το 50% των αναγκών της ανθρωπότητας σε πρωτεΐνη. Με απλά λόγια, ο μισός παγκόσμιος πληθυσμός ζει σε συνθήκες χρόνιας πείνας από πρωτεΐνες.

Biocenoses-recordholders

Όπως έχουμε ήδη πει, τα ισημερινά δάση χαρακτηρίζονται από την υψηλότερη παραγωγικότητα. Απλά σκεφτείτε το: περισσότεροι από 500 τόνοι ξηρής ουσίας μπορούν να πέσουν σε ένα εκτάριο μιας τέτοιας βιοκένωσης! Και αυτό απέχει πολύ από το όριο. Στη Βραζιλία, για παράδειγμα, ένα εκτάριο δάσους παράγει από 1200 έως 1500 τόνους (!) οργανικής ύλης ετησίως! Απλά σκεφτείτε: υπάρχουν έως και δύο centners οργανικής ύλης ανά τετραγωνικό μέτρο! Στην τούντρα στην ίδια περιοχή δεν σχηματίζονται περισσότεροι από 12 τόνοι και στα δάση της μεσαίας ζώνης - εντός 400 τόνων. Οι γεωργικές επιχειρήσεις σε αυτά τα μέρη χρησιμοποιούν ενεργά αυτό: την παραγωγικότητα ενός τεχνητού οικοσυστήματος με τη μορφή ζάχαρης Καλαμώνας, που μπορεί να συσσωρεύσει έως και 80 τόνους ξηρής ουσίας ανά εκτάριο, πουθενά αλλού δεν μπορεί να παράγει φυσικά τέτοιες αποδόσεις. Ωστόσο, οι όρμοι του Orinoco και του Mississippi, καθώς και ορισμένες περιοχές του Τσαντ, διαφέρουν ελάχιστα από αυτούς. Εδώ, για ένα χρόνο, τα οικοσυστήματα «δίνουν» έως και 300 τόνους ουσιών ανά εκτάριο έκτασης!

Αποτελέσματα

Έτσι, η αξιολόγηση της παραγωγικότητας θα πρέπει να πραγματοποιείται με βάση την πρωτογενή ουσία. Το γεγονός είναι ότι η δευτερογενής παραγωγή δεν υπερβαίνει το 10% αυτής της αξίας, η αξία της κυμαίνεται πολύ και επομένως μια λεπτομερής ανάλυσηαυτός ο δείκτης είναι απλά αδύνατος.