Πώς μπορούμε να αναπαραστήσουμε επιστημονικά τα δεδομένα που έχουμε από το παρόν;

Οι επιστήμονες, αφού συλλέξουν, αναλύσουν και επεξεργαστούν τα δεδομένα τους, δεν σταματούν εκεί. Το επόμενο βήμα είναι να τα αναπαραστήσουν επιστημονικά, δηλαδή να τα παρουσιάσουν με έναν τρόπο που κάνει τα κρυμμένα μοτίβα ορατά με μια ματιά. Ο πιο συνηθισμένος τρόπος είναι η δημιουργία μοντέλων. 🔬

Τι είναι ένα επιστημονικό μοντέλο;

Ένα μοντέλο δεν είναι η ίδια η φύση — είναι μια «απλοποιημένη εικόνα» της. Αφήνει επίτηδες έξω λεπτομέρειες που δεν χρειάζονται, ώστε να ξεχωρίσει καθαρά αυτό που μελετάται.

Το τροφικό πλέγμα είναι ακριβώς ένα τέτοιο μοντέλο: ένα μοντέλο των τροφικών σχέσεων ενός οικοσυστήματος. Δεν δείχνει τα χρώματα, τα μεγέθη ή τη συμπεριφορά των οργανισμών· δείχνει μόνο ποιος τρώει ποιον. Αυτό ακριβώς είναι η δύναμή του.

Το τροφικό πλέγμα των μεσογειακών θαμνώνων 🌿

Στο οικοσύστημα των μεσογειακών θαμνώνων που μελετάται, δεκαπέντε είδη οργανισμών συνδέονται μεταξύ τους με τροφικές σχέσεις. Τα φυτά (λατζιά, τρεμιθιά, στερατζιά, αντρουκλιά, ασπροσπαλαθκιά, σπατζιά, λιβανίτης) τρώγονται από φυτοφάγα ζώα (λαγός, πράσινη ακρίδα, γυφτοπεταλούδα). Τα φυτοφάγα με τη σειρά τους τρώγονται από σαρκοφάγα (τρυπομάζης, σκαλιφούρτα, φάσσα), ενώ στην κορυφή βρίσκονται οι κορυφαίοι θηρευτές (διπλοσιάχινο, αλεπού).

Όταν πολλές τροφικές αλυσίδες διασταυρώνονται και μπλέκονται μεταξύ τους, σχηματίζεται το τροφικό πλέγμα. Αυτό αποδίδει καλύτερα την πραγματικότητα, γιατί στη φύση ένας οργανισμός σπάνια τρώει ένα μόνο είδος τροφής.

Τα τροφικά επίπεδα 🪜

Το κριτήριο με βάση το οποίο καθορίζονται τα τροφικά επίπεδα σε ένα οικοσύστημα είναι ο τρόπος με τον οποίο ο οργανισμός εξασφαλίζει την τροφή (και άρα την ενέργεια) του — δηλαδή η θέση του στην τροφική αλυσίδα, το «πόσα βήματα» απέχει από τους παραγωγούς.

Στο οικοσύστημα των μεσογειακών θαμνώνων διακρίνονται τέσσερα (4) τροφικά επίπεδα:

Οι φυτικοί οργανισμοί αντιστοιχούν πάντα στους παραγωγούς, γιατί είναι οι μόνοι που δεσμεύουν την ηλιακή ενέργεια με τη φωτοσύνθεση και τη μετατρέπουν σε χημική ενέργεια τροφής:

Όλοι οι υπόλοιποι οργανισμοί είναι καταναλωτές: δεν παράγουν τροφή, την παίρνουν τρώγοντας άλλους οργανισμούς.

Ανταγωνισμός μέσα στο τροφικό πλέγμα ⚔️

Το τροφικό πλέγμα αποκαλύπτει και κάτι που δεν φαίνεται με γυμνό μάτι: τον ανταγωνισμό μεταξύ ειδών.

Όταν δύο οργανισμοί βρίσκονται στο ίδιο τροφικό επίπεδο και τρέφονται με την ίδια λεία, τότε ανταγωνίζονται μεταξύ τους. Χαρακτηριστικό παράδειγμα στους μεσογειακούς θαμνώνες: ο τρυπομάζης και η σκαλιφούρτα είναι και οι δύο σαρκοφάγα πουλιά και κυνηγούν και οι δύο έντομα, όπως τη γυφτοπεταλούδα και την πράσινη ακρίδα. Ανταγωνίζονται δηλαδή για την ίδια πηγή τροφής, η οποία είναι περιορισμένη. Ανταγωνισμός εμφανίζεται και ανάμεσα στα φυτά, τα οποία διεκδικούν φως, νερό και θρεπτικά συστατικά του εδάφους.

Πώς συνδέονται οι πληθυσμοί μέσα από τις τροφικές αλυσίδες 🔗

Τα τροφικά επίπεδα δεν είναι ανεξάρτητα μεταξύ τους — το ένα «σέρνει» το άλλο. Μέσα στη βιοκοινότητα των μεσογειακών θαμνώνων, όταν ο πληθυσμός των λατζιών είναι μεγάλος, τότε και η γυφτοπεταλούδα (της οποίας οι προνύμφες τρέφονται με τα φύλλα της λατζιάς) έχει αρκετή τροφή. Πολλαπλασιάζεται με επιτυχία και ο πληθυσμός της γίνεται μεγαλύτερος.

Μέσω των τροφικών αλυσίδων οι οργανισμοί παίρνουν την απαραίτητη ενέργεια και τα απαραίτητα δομικά υλικά που χρειάζονται οι ίδιοι για να επιβιώσουν, να μεγαλώσουν και να αναπαραχθούν. Επομένως η τύχη ενός πληθυσμού είναι δεμένη με την τύχη των πληθυσμών που βρίσκονται δίπλα του στο πλέγμα.

Οι οικολογικές πυραμίδες 🔺

Το τροφικό πλέγμα δείχνει ποιος τρώει ποιον, αλλά δεν δείχνει πόσοι είναι. Για να αναπαρασταθούν οι ποσοτικές σχέσεις μεταξύ των τροφικών επιπέδων, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν ένα δεύτερο μοντέλο: την οικολογική πυραμίδα.

Αυτό είναι το κλειδί για να «διαβάζεται» σωστά μια πυραμίδα: όσο μεγαλύτερο το ορθογώνιο, τόσο μεγαλύτερο το μέγεθος του επιπέδου. Τα επίπεδα τοποθετούνται πάντα από κάτω προς τα πάνω: παραγωγοί στη βάση, φυτοφάγοι από πάνω, μετά οι σαρκοφάγοι και στην κορυφή οι κορυφαίοι θηρευτές.

Από τη δειγματοληψία στους αριθμούς 🔢

Στην περιοχή μελέτης, έκτασης $1000\ m^2$, έγιναν τέσσερις δειγματοληπτικές επιφάνειες (Δ.Ε.) των $50\ m^2$ η καθεμιά. Επειδή $1000 \div 50 = 20$, στην περιοχή μελέτης «χωρούν» 20 τέτοιες δειγματοληπτικές επιφάνειες. Ο πληθυσμός κάθε είδους υπολογίζεται ως εξής:

Αθροίζοντας τους πληθυσμούς όλων των ειδών κάθε τροφικού επιπέδου, προκύπτει η συνολική εικόνα του οικοσυστήματος σήμερα και το 1893 (τα δεδομένα του Θεόφραστου Διογένους από την ίδια ακριβώς περιοχή):

Για παράδειγμα, σήμερα οι παραγωγοί δίνουν $0 + 20 + 20 + 20 + 100 + 60 + 400 = 620$ άτομα, ενώ το 1893 έδιναν $220 + 60 + 40 + 40 + 115 + 35 + 340 = 850$ άτομα.

Οικολογική πυραμίδα αριθμού οργανισμών (πληθυσμού)

Οι πυραμίδες που κατασκευάζονται από τους παραπάνω αριθμούς ονομάζονται σωστά οικολογικές πυραμίδες αριθμού οργανισμών (πληθυσμού), γιατί το μέγεθος κάθε ορθογωνίου εκφράζει πόσα άτομα υπάρχουν σε κάθε τροφικό επίπεδο — όχι το βάρος τους ούτε την ενέργειά τους.

Τι παρατηρείται στην πυραμίδα του 1893; Όσο ανεβαίνει κανείς σε ανώτερα τροφικά επίπεδα, ο αριθμός των ατόμων μειώνεται σταθερά (850 → 140 → 120 → 10). Έτσι σχηματίζεται το κανονικό σχήμα πυραμίδας: φαρδιά βάση, στενή κορυφή.

Γιατί συμβαίνει αυτό; Επειδή από το ένα τροφικό επίπεδο στο επόμενο περνάει μόνο ένα μικρό μέρος της ενέργειας (περίπου το $10\%$). Με τόσο λίγη διαθέσιμη ενέργεια, το ανώτερο επίπεδο μπορεί να συντηρήσει πολύ λιγότερα άτομα. Χρειάζονται πάρα πολλά φυτά για να θρέψουν λίγους φυτοφάγους, και πάρα πολλοί φυτοφάγοι για να θρέψουν λίγους σαρκοφάγους.

Βιομάζα και οικολογική πυραμίδα βιομάζας ⚖️

Ακριβώς επειδή το «μέτρημα κεφαλιών» μπορεί να παραπλανήσει, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν συχνά ένα δικαιότερο μέτρο: τη βιομάζα.

Το νερό αφαιρείται γιατί δεν προσφέρει ούτε ενέργεια ούτε οργανική ύλη — αν δεν αφαιρούνταν, ένα ζουμερό φρούτο θα φαινόταν «πλουσιότερο» από έναν ξηρό σπόρο, κάτι που δεν ισχύει.

Αν, λοιπόν, ένας επιστήμονας αντί να μετρήσει τον αριθμό των ατόμων ζυγίσει όλους τους οργανισμούς κάθε τροφικού επιπέδου και βρει τη βιομάζα τους, τότε η πυραμίδα που θα κατασκευάσει ονομάζεται οικολογική πυραμίδα βιομάζας.

Για παράδειγμα, αν οι υπολογισμοί του έδιναν:

τότε η πυραμίδα θα είχε στη βάση της ένα πλατύ ορθογώνιο των $10.000\ Kg$ και, ανεβαίνοντας, κάθε επόμενο ορθογώνιο θα ήταν δέκα φορές μικρότερο από το προηγούμενο, καταλήγοντας σε μια πολύ στενή κορυφή των $10\ Kg$.

Οι τρεις κατηγορίες οικολογικών πυραμίδων

Ένα τυπικό οικοσύστημα δίνει και στις τρεις περιπτώσεις την ίδια χαρακτηριστική εικόνα — μεγάλη βάση, στενή κορυφή:

Το KJ (kilojoule) είναι η μονάδα μέτρησης της ενέργειας και το Kg (κιλά) της μάζας.

• Σε μια πυραμίδα πληθυσμού παρατηρείται συνήθως μείωση του πληθυσμού από επίπεδο σε επίπεδο, προχωρώντας από τους παραγωγούς προς τους ανώτερους καταναλωτές.
• Σε μια πυραμίδα βιομάζας παρατηρείται συνήθως η ίδια μείωση από επίπεδο σε επίπεδο. Σε κάθε τροφικό επίπεδο αυτής της πυραμίδας «περνάει» το $10\%$ του αμέσως προηγούμενου τροφικού επιπέδου.
• Καθώς μειώνονται ο αριθμός των οργανισμών και η βιομάζα, μειώνεται ανάλογα και το ποσό της ενέργειας. Το μεγαλύτερο ποσό ενέργειας περιέχεται στο πρώτο τροφικό επίπεδο (παραγωγοί) και μειώνεται από τα κατώτερα προς τα ανώτερα επίπεδα. Έτσι σχηματίζεται η οικολογική πυραμίδα ενέργειας.

Ο κανόνας του 10 %: γιατί χάνεται η ενέργεια; ⚡

Το πιο σημαντικό συμπέρασμα όλης της υποενότητας είναι ο λεγόμενος κανόνας του 10 %.

Αν η ενέργεια ενός τροφικού επιπέδου είναι $E$, τότε η ενέργεια που φτάνει στο επόμενο είναι:

Πού πηγαίνει, λοιπόν, το υπόλοιπο $90\%$; Σε τέσσερις βασικές «διαρροές»:

1. Κυτταρική αναπνοή 🌬️ — Ένα μέρος της χημικής ενέργειας μετατρέπεται με την κυτταρική αναπνοή σε μη αξιοποιήσιμες μορφές ενέργειας (π.χ. θερμότητα), που διαφεύγει στο περιβάλλον:

2. Δεν τρώγονται όλοι οι οργανισμοί 🌱 — Ένα μεγάλο μέρος της βιομάζας ενός επιπέδου (π.χ. ρίζες, ξυλώδεις κορμοί) ποτέ δεν καταναλώνεται από το επόμενο επίπεδο.

3. Ορισμένοι οργανισμοί πεθαίνουν — Πεθαίνουν από γηρατειά ή ασθένειες, χωρίς να τους φάει κανείς. Η ενέργειά τους δεν περνάει στο επόμενο τροφικό επίπεδο.

4. Κόπρανα και ούρα — Ένα μέρος της οργανικής ύλης των οργανισμών αποβάλλεται με τα κόπρανα και τα ούρα, τα οποία στη συνέχεια διασπώνται.

Σύνοψη 📌

• Τα μοντέλα είναι απλοποιημένες αναπαραστάσεις που επιτρέπουν προβλέψεις και επεξηγήσεις· το τροφικό πλέγμα είναι μοντέλο των τροφικών σχέσεων.
• Οι οργανισμοί ταξινομούνται σε τροφικά επίπεδα με κριτήριο τον τρόπο εξασφάλισης της τροφής τους: παραγωγοί → φυτοφάγοι (καταναλωτές 1ης τάξης) → σαρκοφάγοι (2ης τάξης) → κορυφαίοι θηρευτές (3ης τάξης).
• Οι οικολογικές πυραμίδες αναπαριστούν τις ποσοτικές σχέσεις των τροφικών επιπέδων· το εμβαδόν κάθε ορθογωνίου είναι ανάλογο του μεγέθους του επιπέδου.
• Υπάρχουν τρεις κατηγορίες: αριθμού οργανισμών (πληθυσμού), βιομάζας και ενέργειας.
• Ο κανόνας του 10 % εξηγεί γιατί κάθε ανώτερο επίπεδο είναι μικρότερο από το προηγούμενο: το υπόλοιπο 90 % χάνεται ως θερμότητα, με τους θανάτους, με τους οργανισμούς που δεν τρώγονται και με τα απεκκρίματα.