Energetica ecosistemelor
Prin ecosisteme energetice , ne referim la toate acele procese care implică un transfer de energie într-unul sau mai multe sisteme ecologice. Toate organismele interacționează cu mediul fizic; un flux de energie este introdus în acesta, care definește și guvernează componenta biotică și abiotică din sistem [1] . Radiația solară care ajunge la suprafața pământului este sursa primară de energie care susține toate sistemele ecologice și fluxul de energie trebuie înțeles ca un transfer de energie care transformă energia luminii în biomasă și își continuă drumul de-a lungul rețelelor alimentare ale unui ecosistem.
Energia înțeleasă ca un flux
Radiația solară este sursa de energie care susține viața pe Pământ; fără ea nu ar putea exista. La nivel cibernetic, Pământul poate fi înțeles ca un sistem închis, compus la rândul său dintr-un număr mare de subsisteme (inclusiv diversele ecosisteme), traversate de un flux unidirecțional de energie .
Radiația care reușește să traverseze biosfera este o formă de energie de înaltă calitate, disponibilă și utilizată de organismele vii, astfel încât acestea să își poată îndeplini funcțiile biologice. Energia solară încălzește atmosfera, susține ciclurile biogeochimice, generează vânturi și oferă sursa primară pentru activitatea fotosintetică a plantelor. Debitul de ieșire este dispersat în mediul înconjurător sub formă de energie de calitate scăzută, în general sub formă de căldură dispersată în moleculele de aer și apă cu temperatură scăzută și, în cele din urmă, revine în spațiu ca radiație infraroșie.
Din punct de vedere funcțional, organismele unei comunități nu sunt considerate ca indivizi, ci ca unități (sau compartimente) care primesc, acumulează energie și o transformă prin rețeaua trofică. În timpul proceselor de transformare, o parte din această energie este disipată prin activitățile metabolice ale corpului, producția de căldură și excreția. Numai fluxul neîntrerupt de energie care vine de la Soare permite funcționarea tuturor compartimentelor care alcătuiesc ecosistemul.
Energia solară radiantă este formată dintr-un spectru de radiații electromagnetice la diferite frecvențe. Radiația solară care ajunge la suprafața pământului este alcătuită dintr-o componentă, lumina vizibilă și două componente nevizibile, ultraviolete și infraroșii . Deși fluxul total de radiații permite viața să existe pentru toate organismele, lumina directă a soarelui este importantă pentru productivitatea și ciclul nutrienților din ecosistem. Stratul autotrofic superior, care este compus din organisme vegetale care au clorofilă, primesc în fiecare zi suficientă radiație solară pentru a declanșa procese fotosintetice.
Energie și sisteme
Un sistem poate fi definit ca „un set de părți care interacționează” [2] , a căror funcționare ecologică răspunde legilor termodinamice privind transferul de energie și / sau materie prin diferitele sisteme (eco). Există în principal 3 tipuri de sisteme:
- Sistem deschis. Schimbă energie și materie cu exteriorul și cu sistemele înconjurătoare. Toate organismele vii pot fi considerate sisteme deschise. Ecosistemele sunt, de asemenea, sisteme deschise.
- Sistem închis. Schimbă energie, dar nu contează cu exteriorul și cu sistemele înconjurătoare. Planeta Pământ poate fi considerată un exemplu de sistem închis. Schimbă energie, deoarece principala energie de intrare este energia radiantă de la Soare, în timp ce ieșirea este radiația infraroșie. Se poate spune în mod rezonabil că Pământul nu schimbă materia, deoarece cantitatea de masă de origine extraterestră (cum ar fi meteoriții) este neglijabilă.
- Sistem izolat. Nu schimbă nici energie, nici materie cu exteriorul (și cu sistemele înconjurătoare). Universul este singurul exemplu de sistem închis cunoscut până acum.
Legile fizice care guvernează fluxul de energie
Energia este o cantitate fizică care măsoară capacitatea de a efectua lucrări mecanice, chimice, fizice și electrice, indiferent dacă se poate efectua efectiv. Căldura și munca nu pot fi considerate forme de energie reală, mai degrabă ca „energie în tranzit”, întrucât nu sunt posedate de un sistem. Căldura trebuie privită ca un transfer de energie de la un sistem la altul.
În termodinamică, căldura este definită ca contribuția energiei consumate ca rezultat al unei reacții chimice sau nucleare și transferată între două sisteme sau o parte a unui sistem atribuibilă funcționării sau o conversie între două tipuri diferite de energie. Această ramură a fizicii oferă două dintre cele mai importante principii naturale aplicabile tuturor sistemelor biologice sau ecologice. Din câte știm, în prezent nu există excepții sau tehnologii care pot încălca aceste legi fizice. „Orice sistem natural sau creat de om care nu se conformează acestora este condamnat să dispară” [3] .
Energia poate fi găsită în două forme diferite: potențial și cinetică. Energia potențială este cea acumulată și utilă pentru a produce un loc de muncă. Energia cinetică este tipul de energie care face o treabă pornind de la acel potențial. Munca poate fi înțeleasă în două moduri: ca o acumulare de energie și organizare sau ca o ordonare a materiei. Acumularea și eliberarea de energie sunt guvernate de cele două legi ale termodinamicii.
Prima lege a termodinamicii
Prima lege a termodinamicii, cunoscută și sub numele de legea conservării energiei, afirmă că:
„Energia nu poate fi nici creată, nici distrusă. Poate schimba forma, se poate transfera de la un corp la altul sau poate acționa asupra materiei în moduri diferite; indiferent de modul în care au loc transferurile sau transformările, nu există câștiguri sau pierderi cu privire la energia totală inițială [4] " |
Când radiația solară ajunge pe Pământ, o mică parte din aceasta (aproximativ 1% din radiația primită) este utilizată de producătorii primari pentru procesele fotosintetice. Fotosinteza clorofilei este o reacție chimică care permite producerea de substanță organică în prezența luminii.
6 CO 2 ( dioxid de carbon ) + 6 H 2 O ( apă ) + lumină → C 6 H 12 O 6 ( glucoză ) + 6 O 2 ( oxigen )
În formula menționată mai sus se află punctul central al discursului: energia solară nu numai că permite conversia dioxidului de carbon și a apei în glucoză și oxigen, ci constituie punctul fundamental al primei legi a termodinamicii. Energia solară este de fapt transformată în energie chimică.
Fotosinteza clorofilei este o reacție endotermă, adică trebuie să absoarbă energia (solară) pentru a produce glucoza necesară. Moleculele produse au mai multă energie decât reactanții inițiali. Acest surplus provine din energia solară captată de clorofila prezentă în frunze. Comparativ cu energia totală inițială, nu apar nici câștiguri, nici pierderi. Capacitatea plantelor de a efectua întotdeauna fotosinteza necesită o cantitate uriașă de energie [5] care este furnizată continuu de Soare.
Conceptul de entropie aplicat ecosistemelor
A doua lege a termodinamicii sau legea entropiei poate fi formulată în mai multe moduri, inclusiv:
« Nici un proces care implică transformări de energie nu poate avea loc spontan, fără a exista o degradare a energiei de la o formă concentrată la o formă mai dispersată. [6] " |
Calitatea energiei este întotdeauna în scădere. Când este transferat sau transformat de la o formă la alta, este degradat ireversibil într-o formă mai dezordonată. De exemplu, căldura conținută într-un obiect fierbinte va tinde întotdeauna să se disperseze, curgând către obiectul mai rece imediat adiacent.
Când lemnul este ars, o parte din energie este dispersată în mediul înconjurător sub formă de căldură, fără să se producă procesul invers. La nivelul ecosistemelor naturale, se aplică aceeași regulă: energia transferată de la un organism la altul sub formă de alimente este parțial acumulată în țesuturile vii și parțial disipată sub formă de căldură, cu o creștere consecventă a entropiei.
« A doua lege a termodinamicii are, cred, o poziție supremă între legile naturii ... Dacă descoperiți că teoria voastră este împotriva celei de-a doua legi a termodinamicii, nu vă pot da speranță. " |
| ( Arthur Stanley Eddington [7] ) |
Aparent, sistemele biologice nu par să urmeze al doilea principiu al termodinamicii, deoarece tendința oricărui organism (de la celulă la aparatele care o compun) este de a „produce ordine”, deci de a scădea nivelul entropic, mai degrabă decât de a-l crește. Teoretic, a doua lege a termodinamicii se aplică sistemelor închise, în care nici materia, nici energia nu sunt schimbate cu mediul extern. În timp, sistemele închise tind să atingă cel mai înalt grad de entropie până când nu mai există energie disponibilă pentru a face orice fel de muncă. Sistemele vii, pe de altă parte, sunt comparabile cu sistemele deschise care schimbă atât materia, cât și energia cu mediul extern. Radiația solară asigură o sursă continuă de energie capabilă să contracareze creșterea entropiei. În acest fel, va exista întotdeauna o aprovizionare continuă de biomasă nouă de la producători, care va fi asimilată în lanțul alimentar de către consumatori.
Conceptul de energie și productivitate
Fluxul de energie care ajunge la ecosistemul terestru își începe calea de transformare cu absorbția razelor solare de către organismele autotrofe. Rata de conversie a energiei radiante în materie organică se numește producție primară (sau productivitate primară). Aceasta constituie prima fază fundamentală pentru acumularea de energie [8] . Cantitatea de clorofilă prezentă în plante și eficiența fotosintetică se corelează cu producția primară. S-a observat că cantitatea de clorofilă prezentă „pe metru pătrat” tinde să fie uniformă în diferitele comunități, mai degrabă decât într-o singură plantă. De fapt, conform cercetărilor efectuate de Gessner [9] în 1949, când sunt luate în considerare comunități intacte de plante (tinere și bătrâne) care s-au adaptat la diferite condiții de lumină, acestea se integrează și se adaptează la energia solară incidentă. Plantele adaptate la umbră (plantele sciafile) tind să aibă o concentrație mai mare de clorofilă decât plantele iubitoare de soare . Această proprietate îi permite să capteze și să transforme fotonii cât mai eficient posibil pe baza condițiilor de mediu în care se găsesc și a caracteristicilor fiziologice ale acestora. Productivitatea este împărțită în 4 etape fundamentale:
- Productivitatea primară brută
- Productivitatea primară netă
- Productivitatea netă a comunității
- Productivitate secundară
Productivitatea primară brută și netă
Productivitatea primară brută (numită și producție primară) este definită ca rata de energie care este asimilată (fixată) de organismele autotrofe [8] . Cu alte cuvinte, aceasta constă din „viteza totală a fotosintezei, inclusiv materia organică utilizată pentru respirație în perioada de măsurare” [10] . Productivitatea primară brută este, de asemenea, denumită fotosinteză totală și este abreviată folosind acronimul PPL și este măsurată în (kcal / m² / an).
Productivitatea primară netă este definită ca rata de stocare a materiei organice produse net de cea utilizată pentru respirație [10] . Productivitatea primară netă sau PPN poate fi exprimată prin următoarea expresie:
unde PPN este productivitatea primară netă, PPL este productivitatea primară brută, în timp ce R este procesul de respirație de către organismele autotrofe. Productivitatea, numită și viteză de producție, este de obicei exprimată ca o unitate de energie acumulată pe unitate de suprafață într-o anumită perioadă de timp (kcal / m² / an), cu toate acestea poate fi măsurată în unele cazuri ca greutate uscată (g / m² / an) sau ca carbon organic (C / m² / an).
Distribuția energiei în lanțurile și rețelele alimentare
Dreapta: Exemplu de rețea alimentară formată din plante, erbivore și carnivore care ilustrează relația dintre lanțul trofic și transformarea fluxului de energie, care este dispersată și degradată într-o formă de energie de calitate scăzută care trece printr-un punct la următorul din lantul. Abrevieri: I = intrare, A = asimilare, R = respirație, NU = neutilizat, P = producție, B = biomasă. [11]
Radiația solară care intră în sistemul terestru joacă un rol fundamental la nivel trofic pentru toate organismele vii. Fluxul continuu de energie garantează o aprovizionare constantă cu materie primă utilă pentru supraviețuirea lanțurilor alimentare existente și a rețelelor trofice care constituie interconectarea acestora. Lanțurile alimentare terestre sunt împărțite în 2 tipuri de bază:
- lanț alimentar de pășunat : începe cu plantele verzi, continuă cu pășunatul erbivorelor care se hrănesc prin consumul de celule vii și țesuturi vegetale, până la carnivore care se hrănesc cu alte animale (erbivore sau alți carnivori).
- lanț alimentar de detritus : începe cu materia organică moartă, continuă cu microorganismele până la detritivori și se termină cu prădătorii lor respectivi.
Urmând lanțul de pășunat, fluxul de energie urmează o cale tipică: energia solară este fixată de organisme autotrofe, numite producători primari. Toate organismele vegetale, cum ar fi plantele verzi, care sunt capabile să efectueze fotosinteza, se încadrează în clasificarea producătorilor primari. Consumatorii primari, cum ar fi ierbivorele, sunt capabili să asimileze o mare parte din energia stocată de plante (aproximativ 10% din energia totală ingerată) prin procesele de digestie. Biomasa ingerată este transformată în energie utilă pentru subzistența organismului însuși, în general sub formă de molecule de energie precum ATP (adenozin trifosfat) și utilizată pentru respirația celulară (respirația aerobă).
C 6 H 12 O 6 ( glucoză ) + 6 O 2 ( oxigen ) → 6 CO 2 ( dioxid de carbon ) + 6 H 2 O ( apă ) + energie [12]
O parte din această energie este transformată în căldură, ca efect cauzat de reacția de respirație, care este emisă de corp și pierdută. Pierderea de energie prin organism este mai pronunțată la organismele cu sânge cald, care trebuie să mănânce mai frecvent decât la animalele cu sânge rece. Energia pierdută apare și cu expulzarea alimentelor care nu sunt ingerate prin excreție sau regurgitare.
Consumatorii secundari, cum ar fi carnivorele sau omnivorele, obțin energie consumând consumatori primari (prădare). Acea energie utilizată de consumatorii primari pentru dezvoltarea lor și stocată ca rezervă este absorbită de consumatorii secundari prin procesul de digestie. La fel ca consumatorii primari, consumatorii secundari își convertesc și energia în forme mai disponibile, cum ar fi ATP. Chiar și la acest nivel trofic, o parte din energie se pierde ireversibil sub formă de căldură cauzată de respirația celulară și pentru menținerea temperaturii corpului.
Aceleași mecanisme apar și pentru nivelurile trofice ulterioare, dacă există, până la vârful lanțului trofic (sau al rețelei). Este posibil ca un lanț alimentar să fie compus din până la 5-6 niveluri trofice și nu mai mult: ceea ce nu se schimbă niciodată este pierderea de energie.
Paralel cu lanțul de pășune, urmează ceea ce se numește lanțul de detritus, format din organisme detritivore și descompunătoare. Detritivorii au sarcina de a sparge substanța organică moartă, în timp ce descompozitorii au capacitatea de a o mineraliza în elemente anorganice și apoi de a-l elibera în sol, care va fi la rândul său reutilizat de producătorii primari pentru creșterea lor, închizând ciclul materiei. .
Când energia trece de la un nivel trofic la altul, aproximativ 90% din energia totală disponibilă se pierde de fiecare dată, care este transformată în căldură (cea mai dispersată formă de energie) și dispersată în mediu, în conformitate cu legea a doua. termodinamica. Restul energiei care nu mai este utilizabilă provine din deșeuri de digestie. Prin urmare, consumatorii primari primesc aproximativ 10% din energia produsă de organismele autotrofe, în timp ce consumatorii secundari primesc 1% din energie, în timp ce consumatorii terțiari obțin doar 0,1%. Aceasta înseamnă că consumatorul final, cel din vârful lanțului alimentar, primește mai puțină energie decât energia obținută de la consumatorii de niveluri trofice anterioare. Acesta este motivul pentru care lanțurile trofice nu depășesc 5 sau 6 niveluri. Existența lanțurilor lungi poate duce la fluctuații mari ale populației, crescând astfel riscul de dispariție a lanțurilor superioare. Mai mult, la niveluri mari, crește nevoia de spațiu locativ.
Notă
- ^ Eugene P. Odum și Gary W. Barret, capitolul 3 , în Fundamentals of ecology , ediția a III-a, Padova, Piccin, 2006, p. 116, ISBN 978-88-299-1834-8 .
- ^ Sandro Pignatti și Bruno Trezza, Assault on the planet , Bollati Boringheri, 2000, ISBN 978-88-339-1216-5 .
- ^ Eugene P. Odum și Gary W. Barret, capitolul 3 , în Fundamentals of ecology , ediția a III-a, Padova, Piccin, 2006, p. 78, ISBN 978-88-299-1834-8 .
- ^ Thomas M. Smith și Robert Leo Smith, capitolul 21 , în Elements of Ecology , ediția a VIII-a, Milano, Pearson, 2013, p. 464, ISBN 978-88-7192-943-9 .
- ^ Nealson KH, Conrad PG,Viața: trecut, prezent și viitor , în Philos. Trans. R. Soc. Lond., B, Biol. Știință , vol. 354, nr. 1392, 1999, pp. 1923–39, DOI : 10.1098 / rstb.1999.0532 , PMC 1692713 , PMID 10670014 .
- ^ EP Odum și GW Barret, capitolul 3 , în Fundamentals of ecology , Padova, Piccin, 2007, p. 78, ISBN 978-88-299-1834-8 .
- ^ G. Tyler Miller, Jr., capitolul 3 , în Științe ale mediului , Napoli, EdiSES, 2007, p. 81, ISBN 978-88-7959-257-4 .
- ^ a b Thomas M. Smith și Robert Leo Smith, capitolul 21 , în Elements of Ecology , Milano, Pearson, 2013, ISBN 978-88-719-2943-9 .
- ^ ( DE ) F. Gessner, Der chlorophyllgehalt in see und seine photosynthetisce valenz als geophysikalisches problem. , în Schweizerische Zeitschrift für Hydrologie , 11: 378-410, 1949.
- ^ a b EP Odum și GW Barret, capitolul 3 , în Fundamentals of ecology , Padova, Piccin, 2007, p. 86, ISBN 978-88-299-1834-8 .
- ^ HT Odum, Auto-organizare, transformare și informație , în Știință , vol. 242, n. 4882, 1988, pp. 1132–1139, DOI : 10.1126 / science.242.4882.1132 , JSTOR 1702630 , PMID 17799729 .
- ^ EP Odum și GW Barret, capitolul 2 , în Fundamentals of ecology , Padova, Piccin, 2007, p. 52, ISBN 978-88-299-1834-8 .
Bibliografie
- Eugene P. Odum, Gary W. Barret. Fundamentals of ecology , ediția a III-a, Padova, Piccin, 2006, pp. 594, ISBN 978-88-299-1834-8
- G. Tyler Miller, Jr. Științele mediului , Napoli, EdiSES, 2007, 9788879592574
- Thomas M. Smith, Robert Leo Smith. Elements of ecology , ediția a VIII-a, Milano, Pearson, 2013, pp. 795, ISBN 978-88-7192-943-9 .
