Τι συμβαίνει με τους οργανισμούς που πεθαίνουν σε ένα οικοσύστημα;

Μέχρι τώρα η μελέτη των οικοσυστημάτων επικεντρώθηκε στους βιοτικούς και αβιοτικούς παράγοντες, στη μεθοδολογία καταγραφής τους, στην επεξεργασία των οικολογικών δεδομένων και στην αναπαράστασή τους με τροφικές αλυσίδες, τροφικά πλέγματα και οικολογικές πυραμίδες. Μένει όμως ένα ερώτημα που δεν έχει απαντηθεί: 🍂 τι απογίνεται το σώμα ενός οργανισμού όταν πεθάνει;

Κάθε μέρα σε ένα οικοσύστημα πέφτουν φύλλα, ξεραίνονται κλαδιά, πεθαίνουν έντομα, πουλιά και ζώα, αποβάλλονται κόπρανα και ούρα. Αν όλα αυτά απλώς συσσωρεύονταν, το δάσος θα είχε θαφτεί εδώ και αιώνες κάτω από ένα τεράστιο στρώμα νεκρής ύλης. Στην πραγματικότητα όμως το έδαφος του δάσους παραμένει σχετικά καθαρό. Κάτι, λοιπόν, «εξαφανίζει» τη νεκρή οργανική ύλη.

Το πείραμα των δικτυωτών φακέλων 🔬

Για να διερευνηθεί το ερώτημα αυτό, οι μαθητές οργανώνουν ένα απλό αλλά πολύ διδακτικό πείραμα πεδίου.

Η αρχική υπόθεση

Πριν από κάθε πείραμα διατυπώνεται μια αρχική υπόθεση. Εδώ η υπόθεση που ελέγχεται είναι ότι η νεκρή οργανική ύλη διασπάται μέσα στο έδαφος και εξαφανίζεται σταδιακά, ενώ τα υλικά που δεν προέρχονται από ζωντανούς οργανισμούς παραμένουν αναλλοίωτα.

Η διάταξη του πειράματος

Κατασκευάζονται πέντε φάκελοι από πλαστικό δίχτυ, ώστε το νερό, ο αέρας και οι μικροί οργανισμοί του εδάφους να μπορούν να μπαινοβγαίνουν ελεύθερα, αλλά το περιεχόμενο να μη χάνεται. Μέσα σε καθέναν τοποθετείται ένα διαφορετικό υλικό:

Οι φάκελοι σφραγίζονται, σημαδεύονται με τα γράμματα Α–Ε και θάβονται στην αυλή του σχολείου σε βάθος 15 cm. Μετά από τρεις εβδομάδες ξεθάβονται και εξετάζονται.

Οι παράγοντες του πειράματος

Ένα σωστά σχεδιασμένο πείραμα ελέγχει μόνο έναν παράγοντα τη φορά:

• Παράγοντες που κρατούνται σταθεροί: το βάθος ταφής (15 cm), ο χρόνος παραμονής στο έδαφος (3 εβδομάδες), το είδος του εδάφους και η τοποθεσία, το μέγεθος των κομματιών, το υλικό των δικτυωτών φακέλων.
• Παράγοντας που αλλάζει (ανεξάρτητη μεταβλητή): το είδος του υλικού μέσα σε κάθε φάκελο.
• Παράγοντας που μετριέται (εξαρτημένη μεταβλητή): ο βαθμός φθοράς/διάσπασης κάθε υλικού μετά από τρεις εβδομάδες.

Τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα

Συμπέρασμα: Τα υλικά που προέρχονται από ζωντανούς οργανισμούς (μήλο, ψωμί, φύλλο, χαρτί) διασπώνται μέσα στο έδαφος, με διαφορετική ταχύτητα το καθένα, ενώ το πλαστικό παραμένει αναλλοίωτο. Άρα η αρχική υπόθεση επιβεβαιώνεται. Η νεκρή οργανική ύλη δεν εξαφανίζεται από μόνη της: κάποιοι οργανισμοί τη διασπούν, ενώ τα συνθετικά υλικά αντιστέκονται σε αυτή τη διαδικασία.

Ποιοι είναι οι «αόρατοι εργάτες»; 🦠

Οι οργανισμοί που ευθύνονται για τις αλλαγές είναι οι αποικοδομητές. Ορισμένοι από αυτούς εντοπίζονται με γυμνό μάτι, όπως τα σκαθάρια, το μαύρο σκαθάρι, τα μυρμήγκια, οι τερμίτες, οι γεωσκώληκες (σκουλήκια της γης) και οι μύκητες με τις χαρακτηριστικές μούχλες τους.

Οι περισσότεροι όμως και οι σημαντικότεροι είναι αόρατοι: πρόκειται για μικροσκοπικούς μύκητες και κυρίως βακτήρια που ζουν κατά εκατομμύρια σε κάθε γραμμάριο χώματος. Το γεγονός ότι στο πείραμα δεν φαίνονται δεν σημαίνει ότι δεν υπάρχουν — η μούχλα στο ψωμί και η δυσάρεστη οσμή του μήλου είναι ακριβώς τα «ίχνη» της δράσης τους.

Η αποικοδόμηση

Αποικοδόμηση είναι η λειτουργία κατά την οποία η νεκρή οργανική ύλη των οργανισμών διασπάται σε απλές ανόργανες ουσίες, όπως διοξείδιο του άνθρακα, νερό και ανόργανα θρεπτικά άλατα (π.χ. ενώσεις αζώτου και φωσφόρου).

Οι ουσίες αυτές επιστρέφουν στο έδαφος, στο νερό και στην ατμόσφαιρα και ξαναγίνονται διαθέσιμες στους παραγωγούς, οι οποίες τις χρησιμοποιούν για να φτιάξουν νέα οργανική ύλη μέσω της φωτοσύνθεσης. Έτσι κλείνει ο κύκλος της ύλης.

Γιατί είναι απαραίτητη;

Εδώ κρύβεται η βαθύτερη ιδέα του κεφαλαίου. Η Γη τροφοδοτείται συνεχώς με ενέργεια από τον ήλιο — αυτή δεν τελειώνει ποτέ. Η ποσότητα όμως των θρεπτικών συστατικών (άνθρακας, άζωτο, φώσφορος, νερό) πάνω στον πλανήτη είναι συγκεκριμένη και πεπερασμένη· καινούριο άζωτο ή φώσφορος δεν έρχεται από πουθενά.

Επομένως, χωρίς την αποικοδόμηση τα θρεπτικά συστατικά θα έμεναν «κλειδωμένα» μέσα στα σώματα των νεκρών οργανισμών. Χάρη στην ανακύκλωση που κάνουν οι αποικοδομητές, τα ίδια άτομα χρησιμοποιούνται από τους οργανισμούς απεριόριστες φορές. Γι' αυτό ακριβώς η αποικοδόμηση είναι απαραίτητη για τη συνέχιση της ύπαρξης των οικοσυστημάτων.

Σε ποιο τροφικό επίπεδο ανήκουν;

Οι αποικοδομητές δεν κατατάσσονται σε κανένα από τα γνωστά τροφικά επίπεδα (παραγωγοί, φυτοφάγοι, σαρκοφάγοι, κορυφαίοι θηρευτές). Ο λόγος είναι ότι τρέφονται με νεκρή οργανική ύλη από όλα τα επίπεδα ταυτόχρονα: από νεκρά φυτά, νεκρούς φυτοφάγους, νεκρούς σαρκοφάγους, ακόμη και από νεκρούς κορυφαίους θηρευτές, καθώς και από τα κόπρανα και τα ούρα όλων. Δεν ανήκουν σε μια συγκεκριμένη «σκάλα» της πυραμίδας — τη διαπερνούν ολόκληρη.

Τι συνθήκες χρειάζονται;

Για να δράσουν αποτελεσματικά οι αποικοδομητές χρειάζονται:

• 💧 Υγρασία — τα ένζυμά τους λειτουργούν μόνο σε υδατικό περιβάλλον.
• 🌡️ Ζέστη (κατάλληλη θερμοκρασία) — στο κρύο οι λειτουργίες τους επιβραδύνονται δραστικά.
• 💨 Αέρα (οξυγόνο) — οι περισσότεροι χρειάζονται οξυγόνο για την κυτταρική τους αναπνοή.
• 🍎 Και φυσικά τροφή, δηλαδή τη νεκρή οργανική ύλη.

Αυτό εξηγεί γιατί τα τρόφιμα διατηρούνται στο ψυγείο (κρύο = αργή δράση μικροοργανισμών) και γιατί τα αποξηραμένα τρόφιμα δεν χαλούν εύκολα (έλλειψη υγρασίας).

Η ενέργεια ρέει, η ύλη ανακυκλώνεται ⚡

Το δεύτερο μεγάλο θέμα της υποενότητας είναι η ροή της ενέργειας μέσα στο οικοσύστημα. Οι επιστήμονες αναπαριστούν το οικοσύστημα ως μια πυραμίδα τροφικών επιπέδων (παραγωγοί → φυτοφάγοι → σαρκοφάγοι → κορυφαίοι θηρευτές), με τους αποικοδομητές στο πλάι να συνδέονται με όλα τα επίπεδα. Δύο διαφορετικά είδη βελών περνούν μέσα από αυτό το σχήμα και το καθένα λέει μια διαφορετική ιστορία.

Η πρωταρχική πηγή ενέργειας

Η πρωταρχική πηγή ενέργειας κάθε οικοσυστήματος είναι ο ήλιος ☀️, και η μορφή της είναι φωτεινή ενέργεια (ηλιακή ακτινοβολία).

Οι παραγωγοί (τα φυτά και άλλοι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί) την αξιοποιούν με τη λειτουργία της φωτοσύνθεσης: μετατρέπουν τη φωτεινή ενέργεια σε χημική ενέργεια, αποθηκευμένη μέσα στα μόρια της γλυκόζης που παράγουν.

Αυτή η χημική ενέργεια είναι που στη συνέχεια ταξιδεύει από τροφικό επίπεδο σε τροφικό επίπεδο κάθε φορά που ένας οργανισμός τρώει έναν άλλον.

Η ενέργεια που χάνεται

Τα βέλη που ξεκινούν από κάθε τροφικό επίπεδο και κατευθύνονται προς τα έξω παριστάνουν την ενέργεια που χάνεται ως θερμότητα μέσω της κυτταρικής αναπνοής. Κάθε οργανισμός, για να ζήσει, να κινηθεί, να αναπτυχθεί και να αναπαραχθεί, «καίει» τη γλυκόζη του:

Μεγάλο μέρος αυτής της ενέργειας μετατρέπεται σε θερμότητα, η οποία διαφεύγει στο περιβάλλον και δεν μπορεί να ξαναχρησιμοποιηθεί από κανέναν οργανισμό. Μαζί απελευθερώνονται στο περιβάλλον διοξείδιο του άνθρακα ($CO_2$) και νερό ($H_2O$).

Σε ένα τέτοιο σχήμα τα βέλη αυτά γίνονται όλο και μικρότερα καθώς ανεβαίνουμε τα τροφικά επίπεδα. Αυτό συμβαίνει επειδή σε κάθε επίπεδο φτάνει όλο και λιγότερη ενέργεια: μόνο περίπου το 10% της ενέργειας ενός τροφικού επιπέδου περνάει στο επόμενο, ενώ το υπόλοιπο 90% χάνεται. Άρα οι κορυφαίοι θηρευτές, που έχουν στη διάθεσή τους πολύ λίγη ενέργεια, χάνουν και πολύ λίγη ως θερμότητα σε απόλυτο μέγεθος.

Ο κανόνας του 10% με αριθμούς

Ο κανόνας αυτός γίνεται πιο κατανοητός με ένα αριθμητικό παράδειγμα. Ας υποτεθεί ότι σε ένα οικοσύστημα ο ήλιος στέλνει συνολικά $800\,000\ kJ$ ενέργειας, από τα οποία οι παραγωγοί καταφέρνουν να δεσμεύσουν με τη φωτοσύνθεση μόλις $100\,000\ kJ$.

Η ενέργεια που μεταφέρεται στους καταναλωτές 1ης τάξης (φυτοφάγους) είναι:

Και στους καταναλωτές 2ης τάξης (σαρκοφάγους) φτάνουν μόλις:

Αξίζει να παρατηρηθεί ότι ήδη από το πρώτο βήμα η απώλεια είναι τεράστια: από τα $800\,000\ kJ$ του ήλιου οι παραγωγοί αξιοποιούν μόνο τα $100\,000\ kJ$. Το υπόλοιπο ανακλάται, διαπερνά τα φύλλα ή απλώς πέφτει σε επιφάνειες όπου δεν υπάρχουν φωτοσυνθετικοί οργανισμοί.

Τα βέλη προς τους αποικοδομητές

Τα βέλη που καταλήγουν από όλα τα τροφικά επίπεδα στους αποικοδομητές παριστάνουν τη ροή της χημικής ενέργειας και της οργανικής ύλης που περιέχεται στα νεκρά σώματα, στα ξερά φύλλα, στα κόπρανα και στα ούρα των οργανισμών κάθε επιπέδου. Έτσι φαίνεται καθαρά ότι οι αποικοδομητές τροφοδοτούνται από ολόκληρη την πυραμίδα.

Παράλληλα, από τους αποικοδομητές ξεκινούν βέλη που επιστρέφουν τα ανόργανα θρεπτικά συστατικά στο έδαφος και από εκεί στους παραγωγούς, ενώ ένα ακόμη βέλος θερμότητας φεύγει και από αυτούς.

Η κρίσιμη διαφορά: ροή ή ανακύκλωση;

Γι' αυτόν ακριβώς τον λόγο οι επιστήμονες μιλούν πάντα για ροή της ενέργειας και για ανακύκλωση της ύλης. Η ενέργεια μπαίνει από τον ήλιο, περνάει μέσα από τους οργανισμούς και βγαίνει ως θερμότητα — δεν κάνει ποτέ κύκλο. Η ύλη, αντίθετα, δεν έρχεται από πουθενά και δεν πάει πουθενά: γυρίζει ξανά και ξανά μέσα στο ίδιο οικοσύστημα.

Σύνοψη των βασικών ιδεών 📌

• Η νεκρή οργανική ύλη δεν συσσωρεύεται στα οικοσυστήματα, γιατί αποικοδομείται.
• Αποικοδόμηση είναι η διάσπαση της νεκρής οργανικής ύλης σε απλές ανόργανες ουσίες.
• Την επιτελούν οι αποικοδομητές: κυρίως βακτήρια και μύκητες, καθώς και οργανισμοί όπως σκαθάρια, μυρμήγκια, τερμίτες και γεωσκώληκες.
• Το κάνουν για να τραφούν, όχι για να καθαρίσουν το περιβάλλον.
• Οι αποικοδομητές δεν ανήκουν σε κανένα τροφικό επίπεδο, γιατί τρέφονται από όλα.
• Χρειάζονται υγρασία, ζέστη, οξυγόνο και τροφή.
• Τα συνθετικά υλικά (πλαστικά) δεν αποικοδομούνται και γι' αυτό αποτελούν σοβαρό περιβαλλοντικό πρόβλημα.
• Η ενέργεια ρέει (ήλιος → οργανισμοί → θερμότητα), ενώ η ύλη ανακυκλώνεται χάρη στους αποικοδομητές.
• Μόνο το 10% περίπου της ενέργειας περνάει από ένα τροφικό επίπεδο στο επόμενο· το υπόλοιπο 90% χάνεται κυρίως ως θερμότητα. Γι' αυτό οι τροφικές αλυσίδες είναι κοντές.