Οργάνωση και λειτουργίες του οικοσυστήματος – Ο ρόλος της ενέργειας 🔬
Γιατί κάθε οργανισμός χρειάζεται ενέργεια
Κάθε οργανωμένο σύστημα –ένα σπίτι, ένα αυτοκίνητο, ένα κύτταρο, ένας οργανισμός ή ολόκληρο ένα οικοσύστημα– χρειάζεται ενέργεια για να διατηρείται και να λειτουργεί σωστά. Όσο πιο πολύπλοκο είναι ένα σύστημα, τόσο μεγαλύτερες είναι και οι ενεργειακές του απαιτήσεις. Όλοι οι οργανισμοί καλύπτουν τις ενεργειακές τους ανάγκες διασπώντας τις θρεπτικές ουσίες της τροφής τους. Το ερώτημα που προκύπτει είναι με ποιους τρόπους οι διάφοροι οργανισμοί ενός οικοσυστήματος εξασφαλίζουν αυτή την τροφή.
Αυτότροφοι και ετερότροφοι οργανισμοί
Σε ένα οικοσύστημα υπάρχουν οργανισμοί που παράγουν μόνοι τους την τροφή τους, αξιοποιώντας απλά υλικά και ενέργεια που βρίσκουν στο άβιο περιβάλλον τους. Αυτοί ονομάζονται αυτότροφοι οργανισμοί. Μετατρέπουν ανόργανες χημικές ουσίες, όπως το διοξείδιο του άνθρακα της ατμόσφαιρας και το νερό, σε οργανικές ενώσεις, όπως η γλυκόζη· από τη διάσπαση αυτών των οργανικών ενώσεων εξασφαλίζουν στη συνέχεια την απαραίτητη ενέργεια.
Οργανισμοί όπως τα χερσαία και τα υδρόβια φυτά, καθώς και οι οργανισμοί του φυτοπλαγκτού στα υδάτινα οικοσυστήματα, έχουν τη δυνατότητα να φωτοσυνθέτουν, δηλαδή να συνθέτουν οργανικές ενώσεις αξιοποιώντας την ηλιακή ενέργεια. Αυτοί οι οργανισμοί χαρακτηρίζονται ως παραγωγοί. Η φωτοσύνθεση μπορεί να περιγραφεί απλά με τη χημική εξίσωση:
διοξείδιο του άνθρακα + νερό → γλυκόζη + οξυγόνο
Οι παραγωγοί διασπούν ένα μέρος των οργανικών ενώσεων που οι ίδιοι συνθέτουν, μέσω της κυτταρικής αναπνοής, και έτσι εξασφαλίζουν ενέργεια για την κάλυψη των άμεσων αναγκών τους. Όσες οργανικές ενώσεις δεν διασπαστούν αποθηκεύονται για μελλοντική χρήση. Αυτά τα αποθέματα θα αξιοποιηθούν, άμεσα ή έμμεσα, από άλλους οργανισμούς του οικοσυστήματος, τους ετερότροφους.
Οι ετερότροφοι οργανισμοί, όπως τα ζώα και οι μύκητες, δεν διαθέτουν την ικανότητα να φωτοσυνθέτουν ούτε να μετατρέπουν την ανόργανη ύλη σε οργανική. Διακρίνονται σε καταναλωτές και αποικοδομητές.
Οι δύο όροι δεν είναι απόλυτα ταυτόσημοι στη διατύπωση του βιβλίου: «αυτότροφος» είναι ο γενικός χαρακτηρισμός για κάθε οργανισμό που παράγει μόνος του την τροφή του, ενώ «παραγωγός» είναι ο ρόλος που αποκτά μέσα στο οικοσύστημα ένας αυτότροφος οργανισμός που φωτοσυνθέτει (φυτά, φυτοπλαγκτό). Στην πράξη, στα οικοσυστήματα που μελετάμε, οι δύο όροι περιγράφουν τους ίδιους οργανισμούς.
Καταναλωτές: τάξεις με βάση την τροφική προτίμηση
Οι καταναλωτές τρέφονται με άλλους οργανισμούς του οικοσυστήματος και κατατάσσονται σε τάξεις ανάλογα με τις βασικές τροφικές τους προτιμήσεις.
- Τα φυτοφάγα ζώα, όπως η αγελάδα, το πρόβατο, ο λαγός και οι οργανισμοί του ζωοπλαγκτού στα υδάτινα οικοσυστήματα, τρέφονται άμεσα με παραγωγούς και χαρακτηρίζονται ως καταναλωτές 1ης τάξης.
- Τα σαρκοφάγα ζώα που τρέφονται με φυτοφάγα, όπως ο λύκος, το φίδι και οι σαρδέλες, ονομάζονται καταναλωτές 2ης τάξης.
- Τα σαρκοφάγα που τρέφονται με καταναλωτές 2ης τάξης, όπως ο αετός και ο βακαλάος, ανήκουν στους καταναλωτές 3ης τάξης, και ούτω καθεξής.
Ο άνθρωπος δεν έχει σταθερή θέση στην τροφική αλυσίδα: όταν τρώει φυτικές τροφές (λαχανικά, φρούτα, δημητριακά) λειτουργεί ως καταναλωτής 1ης τάξης, όταν τρώει φυτοφάγα ζώα (π.χ. βοδινό κρέας) γίνεται καταναλωτής 2ης τάξης, ενώ όταν τρώει σαρκοφάγα ζώα (π.χ. ορισμένα ψάρια που τρέφονται με άλλα ψάρια) λειτουργεί ως καταναλωτής 3ης τάξης ή ανώτερης.
Αποικοδομητές και «νεκρή» οργανική ύλη
Η «νεκρή» οργανική ύλη μπορεί να είναι τμήματα φυτών (πεσμένα φύλλα, κλαδιά, κορμοί δέντρων κ.τ.λ.) ή ζώων (τρίχες κ.τ.λ.)· μπορεί επίσης να είναι άχρηστες ουσίες της τροφής (περιττώματα) ή άχρηστα προϊόντα του μεταβολισμού των οργανισμών (διάφορες εκκρίσεις, π.χ. ιδρώτας, ούρα). Μπορεί ακόμη να είναι και ολόκληροι νεκροί οργανισμοί.
Οι αποικοδομητές είναι βακτήρια, μύκητες ή πρωτόζωα που τρέφονται με «νεκρή» οργανική ύλη και τη μετατρέπουν σε ανόργανη.
Η ροή της ενέργειας στο οικοσύστημα
Η τροφοδότηση των οικοσυστημάτων με ενέργεια είναι κρίσιμη για τη λειτουργία τους, και κύρια πηγή της είναι ο Ήλιος. Η ενέργεια εισέρχεται στο οικοσύστημα μέσω των παραγωγών, με τη φωτοσύνθεση, και «διανέμεται» στους υπόλοιπους οργανισμούς μέσα από τις τροφικές σχέσεις που αναπτύσσονται μεταξύ τους. Αυτή η πορεία χαρακτηρίζεται ως ροή ενέργειας.
Η κυτταρική αναπνοή, με την οποία ένας καταναλωτής χρησιμοποιεί μέρος της ενέργειας που εξασφαλίζει από την τροφή του για να καλύψει τις ανάγκες του, μπορεί να περιγραφεί απλά με τη χημική εξίσωση:
γλυκόζη + οξυγόνο → διοξείδιο του άνθρακα + νερό + ενέργεια
Τροφικές αλυσίδες και τροφικά πλέγματα
Οι οργανισμοί ενός οικοσυστήματος, αυτότροφοι και ετερότροφοι, συνδέονται μεταξύ τους με τροφικές σχέσεις. Ένα απλό διάγραμμα που απεικονίζει τις τροφικές σχέσεις μεταξύ συγκεκριμένων πληθυσμών ενός οικοσυστήματος ονομάζεται τροφική αλυσίδα — για παράδειγμα, σε ένα λιβάδι: ποώδη φυτά → λαγοί → αλεπούδες.
Οι τροφικές αλυσίδες όμως δεν αποτελούν πάντα πιστή απεικόνιση της πραγματικότητας, γιατί κάθε καταναλωτής μπορεί να τρέφεται με οργανισμούς που ανήκουν σε διαφορετικούς πληθυσμούς. Η αλεπού, για παράδειγμα, δεν τρώει μόνο λαγούς — μπορεί να τρώει και κότες, ανάλογα με το τι προτιμά αλλά και με το τι βρίσκει κάθε φορά. Αν καταγράψουμε τις τροφικές σχέσεις που πραγματικά αναπτύσσονται μεταξύ όλων των πληθυσμών ενός οικοσυστήματος, προκύπτει ένα πιο σύνθετο διάγραμμα που ονομάζεται τροφικό πλέγμα.
Μη θεωρείς την τροφική αλυσίδα «λάθος» και το τροφικό πλέγμα «σωστό». Η τροφική αλυσίδα είναι μια απλοποιημένη, γραμμική απεικόνιση μίας μόνο πιθανής πορείας τροφής, ενώ το τροφικό πλέγμα συνδυάζει πολλές τροφικές αλυσίδες μαζί και αποδίδει πιο πιστά την πραγματικότητα ενός οικοσυστήματος, δείχνοντας παράλληλα και μηχανισμούς ισορροπίας του.
Τα βέλη που συνδέουν τους πληθυσμούς μιας τροφικής αλυσίδας ή ενός τροφικού πλέγματος δείχνουν την πορεία της τροφής μέσα στο οικοσύστημα: τα ποώδη φυτά αποτελούν τροφή για τους λαγούς και οι λαγοί αποτελούν τροφή για τις αλεπούδες. Εφόσον η ενέργεια εξασφαλίζεται από τη διάσπαση των θρεπτικών ουσιών της τροφής, τα ίδια βέλη δηλώνουν ταυτόχρονα και τη ροή της ενέργειας μέσα στο οικοσύστημα.
Τροφικά επίπεδα
Μπορούμε να κατατάξουμε τους πληθυσμούς ενός οικοσυστήματος σε τροφικά επίπεδα. Κάθε τροφικό επίπεδο περιλαμβάνει το σύνολο των πληθυσμών που χρησιμοποιούνται ως κύρια τροφή από τους πληθυσμούς του αμέσως επόμενου επιπέδου. Για παράδειγμα, όλα τα διαφορετικά φυτά ενός λιβαδιού κατατάσσονται σε ένα τροφικό επίπεδο, και όλοι οι φυτοφάγοι καταναλωτές (λαγοί, ποντίκια, σκουλήκια και σαλιγκάρια) στο αμέσως επόμενο.
Εφόσον πηγή της ενέργειας είναι ο Ήλιος και πηγή των θρεπτικών ουσιών οι παραγωγοί, μπορούμε να θεωρήσουμε ότι όλοι οι πληθυσμοί των παραγωγών ενός οικοσυστήματος ανήκουν στο πρώτο τροφικό επίπεδο. Στο δεύτερο τροφικό επίπεδο εντάσσονται τα φυτοφάγα ζώα (καταναλωτές 1ης τάξης), στο τρίτο οι καταναλωτές 2ης τάξης, και ούτω καθεξής.
| Τροφικό επίπεδο | Ποιοι το απαρτίζουν |
|---|---|
| 1ο | Παραγωγοί (φυτά, φυτοπλαγκτό) |
| 2ο | Καταναλωτές 1ης τάξης (φυτοφάγα) |
| 3ο | Καταναλωτές 2ης τάξης (σαρκοφάγα που τρέφονται με φυτοφάγα) |
| 4ο και άνω | Καταναλωτές 3ης τάξης και ανώτεροι |
Τροφικές πυραμίδες
Αν μετρήσουμε τον αριθμό των οργανισμών σε ένα οικοσύστημα, θα παρατηρήσουμε κατά κανόνα ότι υπάρχουν πολλά φυτά, λιγότερα φυτοφάγα ζώα και ακόμη λιγότερα σαρκοφάγα, και ούτω καθεξής. Ο αριθμός των οργανισμών δηλαδή μειώνεται καθώς προχωράμε από το κατώτερο τροφικό επίπεδο (πρώτο) προς τα ανώτερα. Έτσι σχηματίζεται μια τροφική πυραμίδα αριθμού οργανισμών ή πληθυσμού.
Με ανάλογο τρόπο, αν αφαιρέσουμε το νερό και μετρήσουμε την ξηρή μάζα, τη βιομάζα, των οργανισμών κάθε τροφικού επιπέδου, μπορούμε να κατασκευάσουμε μια τροφική πυραμίδα βιομάζας.
Καθώς μειώνεται ο αριθμός των οργανισμών και η βιομάζα, μειώνεται ανάλογα και το ποσό ενέργειας. Το μεγαλύτερο ποσό ενέργειας περιέχεται στο πρώτο τροφικό επίπεδο (παραγωγοί), και το ποσό αυτό μειώνεται από το κατώτερο προς τα ανώτερα επίπεδα. Έτσι σχηματίζεται μια τροφική πυραμίδα ενέργειας, στην οποία σε κάθε τροφικό επίπεδο «περνάει» περίπου το 10% της ενέργειας του αμέσως προηγούμενου επιπέδου.
Από το ποσό ενέργειας που περιέχεται σε ένα τροφικό επίπεδο, μόνο περίπου το 10% περνάει στο επόμενο επίπεδο — το υπόλοιπο 90% καταναλώνεται για τις ζωτικές λειτουργίες των οργανισμών (π.χ. κίνηση, ανάπτυξη) ή χάνεται ως θερμότητα κατά την κυτταρική αναπνοή. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο μια τροφική πυραμίδα σπάνια έχει περισσότερα από 4-5 τροφικά επίπεδα: δεν θα έμενε αρκετή ενέργεια για να συντηρήσει έναν ανώτερο καταναλωτή.
Οι μορφές ενέργειας που δεν αξιοποιούνται από τους οργανισμούς ενός τροφικού επιπέδου (κυρίως θερμότητα) χαρακτηρίζονται ως «ενεργειακές απώλειες». Δεν πρόκειται όμως για εξαφάνιση ενέργειας, αλλά για μετατροπή της σε μορφή που οι οργανισμοί δεν μπορούν πια να αξιοποιήσουν για τις τροφικές τους ανάγκες — γι' αυτό και η ενέργεια, σε αντίθεση με την ύλη, δεν ανακυκλώνεται μέσα στο οικοσύστημα, αλλά ρέει προς μία κατεύθυνση: από τον Ήλιο, μέσω των παραγωγών, προς τους καταναλωτές.