פרודוקטיביות ביולוגית של המערכת האקולוגית

2024 מְחַבֵּר: Henry Conors | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-02-12 07:19

כל שנה, אנשים מכלים את המשאבים של כדור הארץ יותר ויותר. אין זה מפתיע שלאחרונה הפכה לחשיבות רבה להערכה של כמה משאבים ביו-צנוזה מסוימת יכולה לספק. כיום, לפריון המערכת האקולוגית חשיבות מכרעת בבחירת דרך ניהול, שכן כדאיות כלכלית של העבודה תלויה ישירות בכמות הייצור שניתן להשיג.

להלן השאלות העיקריות שעומדות בפני מדענים היום:

• כמה אנרגיה סולארית זמינה וכמה נטמעת על ידי צמחים, איך היא נמדדת?
• אילו סוגי מערכות אקולוגיות הן היצרניות ביותר ומייצרות את הייצור העיקרי ביותר?
• אילו גורמים מגבילים את הייצור הראשוני באופן מקומי וגלובלי?
• מהי היעילות שבה צמחים ממירים אנרגיה?
• מהם ההבדלים בין יעילותהטמעה, ייצור נקי יותר ויעילות סביבתית?
• איך מערכות אקולוגיות שונות בכמות הביומסה או בנפח האורגניזמים האוטוטרופיים?
• כמה אנרגיה זמינה לאנשים וכמה אנחנו משתמשים?

ננסה לענות עליהם לפחות חלקית במסגרת מאמר זה. ראשית, נעסוק במושגים הבסיסיים. אז, התפוקה של מערכת אקולוגית היא תהליך הצטברות של חומר אורגני בנפח מסוים. אילו אורגניזמים אחראים לעבודה זו?

אוטוטרופים והטרוטרופים

אנו יודעים שחלק מהאורגניזמים מסוגלים לסנתז מולקולות אורגניות ממבשרים אנאורגניים. הם נקראים אוטוטרופים, שפירושו "האכלה עצמית". למעשה, התפוקה של מערכות אקולוגיות תלויה בפעילותן. אוטוטרופים מכונים גם יצרנים ראשוניים. אורגניזמים המסוגלים לייצר מולקולות אורגניות מורכבות מחומרים אנאורגניים פשוטים (מים, CO2) שייכים לרוב למעמד הצמחים, אך לחלק מהחיידקים יש את אותה יכולת. התהליך שבו הם מסנתזים חומרים אורגניים נקרא סינתזה פוטוכימית. כפי שהשם מרמז, פוטוסינתזה דורשת אור שמש.

כדאי להזכיר גם את המסלול המכונה כימוסינתזה. כמה אוטוטרופים, בעיקר חיידקים מיוחדים, יכולים להמיר חומרים מזינים אנאורגניים לתרכובות אורגניות ללא גישה לאור השמש. ישנן מספר קבוצות של כימוסינתזהחיידקים בים ובמים מתוקים, והם נפוצים במיוחד בסביבות עם תכולה גבוהה של מימן גופרתי או גופרית. כמו צמחים נושאי כלורופיל ואורגניזמים אחרים המסוגלים לסינתזה פוטוכימית, אורגניזמים כימוסינתטיים הם אוטוטרופים. עם זאת, התפוקה של המערכת האקולוגית היא דווקא פעילות של צמחייה, שכן היא זו שאחראית להצטברות של יותר מ-90% מהחומר האורגני. כימוסינתזה משחקת תפקיד קטן יותר באופן לא פרופורציונלי בכך.

בינתיים, אורגניזמים רבים יכולים לקבל את האנרגיה הדרושה להם רק על ידי אכילת אורגניזמים אחרים. הם נקראים הטרוטרופים. באופן עקרוני, אלה כוללים את כל אותם הצמחים (הם גם "אוכלים" חומרים אורגניים מוכנים), בעלי חיים, חיידקים, פטריות ומיקרואורגניזמים. הטרוטרופים נקראים גם "צרכנים".

תפקיד הצמחים

ככלל, המילה "פרודוקטיביות" במקרה זה מתייחסת ליכולת של צמחים לאגור כמות מסוימת של חומר אורגני. וזה לא מפתיע, שכן רק אורגניזמים צמחיים יכולים להמיר חומרים אנאורגניים לאורגניים. בלעדיהם, החיים עצמם על הפלנטה שלנו יהיו בלתי אפשריים, ולכן התפוקה של המערכת האקולוגית נחשבת מעמדה זו. באופן כללי, השאלה פשוטה ביותר: אז כמה חומר אורגני יכולים צמחים לאחסן?

איזה ביוקנוזות הן היעילות ביותר?

למרבה הפלא, אבל ביוקנוזות מעשה ידי אדם רחוקות מלהיות היצרניות ביותר. ג'ונגלים, ביצות, סלבה של נהרות טרופיים גדולים בהקשר זהנמצאים רחוק קדימה. בנוסף, הביוקנוזים הללו הם שמנטרלים כמות עצומה של חומרים רעילים, אשר, שוב, נכנסים לטבע כתוצאה מפעילות אנושית, וגם מייצרים יותר מ-70% מהחמצן הכלול באטמוספירה של הפלנטה שלנו. אגב, ספרי לימוד רבים עדיין קובעים שהאוקיינוסים של כדור הארץ הם "סל הלחם" היצרני ביותר. באופן מוזר, אבל ההצהרה הזו רחוקה מאוד מהאמת.

Ocean Paradox

האם אתה יודע למה מושווה הפריון הביולוגי של המערכות האקולוגיות של הימים והאוקיינוסים? עם חצי מדבריות! נפחים גדולים של ביומסה מוסברים על ידי העובדה שמרחבי מים הם שתופסים את רוב פני כדור הארץ. כך שהשימוש החזוי שוב ושוב בים כמקור עיקרי של חומרים מזינים עבור האנושות כולה בשנים הקרובות הוא בקושי אפשרי, מכיוון שההיתכנות הכלכלית של זה נמוכה ביותר. עם זאת, התפוקה הנמוכה של מערכת אקולוגית מסוג זה אינה גורעת בשום אופן מחשיבותם של האוקיינוסים לחיי כל היצורים החיים, ולכן יש להגן עליהם בזהירות רבה ככל האפשר.

שומרי איכות הסביבה מודרניים אומרים שהאפשרויות של קרקע חקלאית רחוקות מלהיות מוצו, ובעתיד נוכל לקבל מהם יבול שופע יותר. תקוות מיוחדות תולים בשדות האורז, שיכולים לייצר כמות עצומה של חומר אורגני יקר ערך בשל המאפיינים הייחודיים שלהם.

מידע בסיסי על הפרודוקטיביות של מערכות ביולוגיות

פרודוקטיביות כללית של המערכת האקולוגיתנקבע על פי קצב הפוטוסינתזה והצטברות של חומרים אורגניים בביוצנוזה מסוימת. מסת החומר האורגני שנוצרת ליחידת זמן נקראת ייצור ראשוני. זה יכול להתבטא בשתי דרכים: או בג'ול, או במסה היבשה של צמחים. ייצור גולמי הוא נפחו שנוצר על ידי אורגניזמים צמחיים ביחידת זמן מסוימת, בקצב קבוע של תהליך הפוטוסינתזה. יש לזכור שחלק מחומר זה יעבור לפעילות החיונית של הצמחים עצמם. החומר האורגני שנותר הוא התפוקה העיקרית נטו של המערכת האקולוגית. היא זו שהולכת להאכיל הטרוטרופים, שכוללים אותך ואותי.

האם יש "גבול עליון" לייצור ראשוני?

בקיצור, כן. בואו נסתכל במהירות עד כמה יעיל תהליך הפוטוסינתזה באופן עקרוני. נזכיר כי עוצמת קרינת השמש המגיעה לפני כדור הארץ תלויה מאוד במיקום: החזרת האנרגיה המקסימלית אופיינית לאזורי המשווה. הוא יורד באופן אקספוננציאלי ככל שהוא מתקרב לקטבים. כמחצית מאנרגיית השמש משתקפת על ידי קרח, שלג, אוקיינוסים או מדבריות, ונספגת על ידי גזים באטמוספירה. לדוגמה, שכבת האוזון של האטמוספירה סופגת כמעט את כל הקרינה האולטרה סגולה! רק מחצית מהאור שפוגע בעלים של צמחים משמש בתגובת הפוטוסינתזה. אז התפוקה הביולוגית של מערכות אקולוגיות היא תוצאה של המרת חלק לא משמעותי מאנרגיית השמש!

מה זה ייצור משני?

בהתאם לכך, מוצרים משניים נקראיםהצמיחה של צרכנים (כלומר, צרכנים) לתקופה מסוימת של זמן. מובן שהתפוקה של המערכת האקולוגית תלויה בהם במידה פחותה הרבה יותר, אבל הביומסה הזו היא שמשחקת את התפקיד החשוב ביותר בחיי האדם. יש לציין כי חומרים אורגניים משניים מחושבים בנפרד בכל רמה טרופית. לפיכך, סוגי הפריון של המערכת האקולוגית מחולקים לשני סוגים: ראשוני ומשני.

יחס של ייצור ראשוני ומשני

כפי שאפשר לנחש, היחס בין הביומסה לסך מסת הצמח נמוך יחסית. אפילו בג'ונגל ובביצות, נתון זה רק לעתים רחוקות עולה על 6.5%. ככל שיש יותר צמחים עשבוניים בקהילה, כך קצב הצטברות החומר האורגני גבוה יותר והפער גדול יותר.

על קצב ונפח היווצרות של חומרים אורגניים

באופן כללי, קצב ההיווצרות המגביל של חומר אורגני ממקור ראשוני תלוי לחלוטין במצב המנגנון הפוטוסינתטי של הצמחים (PAR). הערך המרבי של יעילות הפוטוסינתזה, שהושג בתנאי מעבדה, הוא 12% מערך ה-PAR. בתנאים טבעיים, ערך של 5% נחשב גבוה ביותר ולמעשה אינו מתרחש. מאמינים שבכדור הארץ הטמעת אור השמש אינה עולה על 0.1%.

הפצת ייצור ראשונית

יש לציין שהתפוקה של המערכת האקולוגית הטבעית היא מאוד לא אחידה על פני כדור הארץ. המסה הכוללת של כל החומר האורגני שנוצר מדי שנה בפני כדור הארץ, הוא בערך 150-200 מיליארד טון. זוכרים מה אמרנו על התפוקה של האוקיינוסים למעלה? אז, 2/3 מהחומר הזה נוצר ביבשה! רק תארו לעצמכם: נפחים עצומים ומדהימים של ההידרוספירה יוצרים פי שלושה פחות חומר אורגני מאשר חלק זעיר של הארץ, שחלק גדול ממנו הם מדבריות!

יותר מ-90% מהחומר האורגני המצטבר בצורה כזו או אחרת משמש כמזון לאורגניזמים הטרוטרופיים. רק חלק זעיר של אנרגיית השמש מאוחסן בצורה של חומוס קרקע (כמו גם נפט ופחם, שנוצרים גם היום). על שטח ארצנו, הגידול בייצור הביולוגי הראשוני נע בין 20 סנטנרים לדונם (ליד האוקיינוס הארקטי) ליותר מ-200 סנטנרים לדונם בקווקז. באזורים מדבריים, ערך זה אינו עולה על 20 c/ha.

באופן עקרוני, בחמש היבשות החמות של עולמנו, עוצמת הייצור כמעט זהה, כמעט: בדרום אמריקה צוברת הצמחייה פי אחת וחצי יותר חומר יבש, בגלל תנאי אקלים מצוינים. שם, התפוקה של מערכות אקולוגיות טבעיות ומלאכותיות היא מקסימלית.

מה מאכיל אנשים?

כ-1.4 מיליארד הקטרים על פני הפלנטה שלנו הם מטעים של צמחים תרבותיים המספקים לנו מזון. זה בערך 10% מכלל המערכות האקולוגיות על פני כדור הארץ. באופן מוזר, אבל רק מחצית מהמוצרים המתקבלים הולכים ישירות למזון אנושי. כל השאר משמש כמזון לחיות מחמד והולךצרכי הייצור התעשייתי (לא קשור לייצור מוצרי מזון). מדענים משמיעים אזעקה כבר זמן רב: התפוקה והביומסה של המערכות האקולוגיות של הפלנטה שלנו יכולות לספק לא יותר מ-50% מהצרכים של האנושות לחלבון. במילים פשוטות, מחצית מאוכלוסיית העולם חיה בתנאים של רעב חלבון כרוני.

בעלי שיא ביוצנוז

כפי שכבר אמרנו, יערות משווניים מאופיינים בתפוקה הגבוהה ביותר. רק תחשוב על זה: יותר מ-500 טונות של חומר יבש עלולים ליפול על דונם אחד של ביוקנוזה כזו! וזה רחוק מהגבול. בברזיל, למשל, דונם אחד של יער מייצר בין 1200 ל-1500 טון (!) של חומר אורגני בשנה! רק תחשוב: יש עד שני centners של חומר אורגני למ"ר! בטונדרה באותו אזור, לא נוצרים יותר מ -12 טון, וביערות החגורה האמצעית - בתוך 400 טון. מפעלים חקלאיים באותם חלקים משתמשים בזה באופן פעיל: הפריון של מערכת אקולוגית מלאכותית בצורת סוכר שדה קני, שיכול לצבור עד 80 טון חומר יבש לדונם, בשום מקום אחר לא יכול לייצר יבולים כאלה פיזית. עם זאת, מפרצי אורינוקו ומיסיסיפי, כמו גם אזורים מסוימים בצ'אד, שונים מהם מעט. כאן, במשך שנה, מערכות אקולוגיות "מחלקות" עד 300 טון של חומרים לדונם של שטח!

תוצאות

לכן, הערכת התפוקה צריכה להתבצע על בסיס החומר העיקרי. העובדה היא שייצור משני הוא לא יותר מ 10% מערך זה, ערכו משתנה מאוד, ולכן ניתוח מפורטהמחוון הזה פשוט בלתי אפשרי.