Ekosysteemi ja miten se liittyy kestävään kehitykseen

Tällä oppitunnilla saamme vastauksia seuraaviin kysymyksiin:

• Mikä on ekosysteemi ja miten länsimaat voivat tutkia sellaista?
• Onko maapallo avoin vai suljettu systeemi energian ja alkuaineiden suhteen?
• Miten määrittelemme ”biogeokemialliset kierrot” ja miten ne ovat tärkeitä ekosysteemeille?
• Mitkä ovat tärkeimmät ekosysteemien toimintaa ohjaavat tekijät?
• Mitkä ovat tärkeimmät tekijät, jotka ovat vastuussa ekosysteemien välisistä eroista eri puolilla maailmaa?

20.10.2017

Formaatti tulostusta varten

Esittely

Edellisillä luennoilla olemme tutustuneet maapalloon ja sen ympäristöön ja oppineet planeetan elämän monimuotoisuudesta ja lajien välisistä ekologisista vuorovaikutuksista. Nyt yhdistämme nämä kaksi peruskomponenttia ja pohdimme, miten ympäristö ja elämä ovat vuorovaikutuksessa ”ekosysteemeissä”. Sitä ennen meidän on kuitenkin palattava aiheeseen, joka esiteltiin aivan oppitunnin alussa, eli kestävyyteen ja siihen, miten tarkastelemme sitä systeemitieteen näkökulmasta.

Kestävyys ja systeemitiede – Tunnin alussa käytetty esimerkki kestävyydestä oli ajatella, että annan kaikille dollarin joka kerta, kun tulette tunnille. Kysymys oli: Onko se kestävää? Luennolla sovimme, että tuohon kysymykseen vastaamiseksi tarvitaan lisää tietoa. Meidän piti esimerkiksi tietää, kuinka paljon minulla on rahaa eli rahan ”varasto” (esim. jos luokassa olisi 100 oppilasta ja minulla olisi 100 dollarin varasto, tämä toimisi kerran…). Entä jos käytän rahaa muihin asioihin, kuten ruokaan? Mikä on pankkitililläni olevan rahan ”panos” tai uusiutumisnopeus tai ”kiertoaika” verrattuna siihen, kuinka nopeasti kulutan rahaa? Entä jos luokkakoko kasvaa, koska luokan suosio kasvaa? Heti näemme, että kyseessä on ”järjestelmä”, jossa on tasapainopiste, joka riippuu monista muista ”järjestelmän” osista. Tämän ongelman ratkaiseminen on esimerkki ”systeemiajattelusta”, ja meidän on opittava soveltamaan sitä tieteeseen ja kestävyysongelmiin.

Tieteellisiä käsitteitä sovellettuna ekosysteemeihin ja kestävyyteen.

Tämän yksinkertaisen esimerkin läpikäyminen havainnollistaa, miten monimutkaiseksi kestävyyskysymys voi muodostua. Huomaamme kuitenkin myös, että kaikissa tällaisissa ongelmissa on yhteinen joukko keskeisiä tieteellisiä käsitteitä ja periaatteita, joita opimme ymmärtämään tällä kurssilla – näihin käsitteisiin kuuluvat seuraavat (myöhemmin annetaan tarkempia esimerkkejä):

Varasto = materiaalin määrä ”altaassa”, kuten öljyn määrä maassa tai kasvihuonekaasujen määrä ilmakehässä. ”Standing” viittaa määrään nykyhetkellä (kuten mikä on metsässä juuri nyt seisovien puiden kanta).

Massatase = kysymyksen esittäminen ”täsmäävätkö luvut?”. Jos tarvitsen 100 dollaria joka tunnilla oppilaille jaettavaksi, mutta minulla on vain 1 dollari, massatase on pielessä. Voimme myös käyttää massataseyhtälöä määrittääksemme, miten systeemi muuttuu ajan mittaan (teemme tämän myöhemmällä luennolla ilmakehän lämpöä sitovien kaasujen kohdalla).

Ainevirtausnopeus = systeemin materiaalin sisään- tai ulostulo, kuten öljyn määrä, jonka pumppaamme maasta vuosittain, tai kasvihuonekaasujen määrä, jonka pumppaamme vuosittain ilmakehään polttamalla fossiilisia polttoaineita.

Pysyvyysaika = pysyvä varasto jaettuna virtausnopeudella, jolloin saadaan keskimääräinen aika, jonka aineet viettivät kiertäen altaassa – esimerkiksi metaanin viipymäaika ilmakehässä on noin 10 vuotta.

Negatiiviset ja positiiviset takaisinkytkennät = negatiivisilla takaisinkytkennöillä on taipumus hidastaa prosessia, kun taas positiivisilla takaisinkytkennöillä on taipumus nopeuttaa prosessia. Esimerkiksi lämpenevässä maailmassa jääpeitteet sulavat, mikä vähentää maapallon albedoa, pidättää enemmän auringon lämpöenergiaa, ja tämä kiihdyttää lämpenemistä, mikä puolestaan sulattaa lisää jääpeitteitä – tämä on positiivinen palaute.

Mikä on ekosysteemi?

Ekosysteemi koostuu jossakin paikassa esiintyvästä biologisesta yhteisöstä sekä fysikaalisista ja kemiallisista tekijöistä, jotka muodostavat sen elottoman eli abioottisen ympäristön. Ekosysteemeistä on monia esimerkkejä — lampi, metsä, suistoalue, niitty. Rajat eivät ole millään objektiivisella tavalla kiinteitä, vaikka joskus ne tuntuvatkin ilmeisiltä, kuten pienen lammen rantaviivan kohdalla. Yleensä ekosysteemin rajat valitaan käytännön syistä, jotka liittyvät kyseisen tutkimuksen tavoitteisiin.

Ekosysteemien tutkiminen koostuu pääasiassa sellaisten tiettyjen prosessien tutkimisesta, jotka yhdistävät elävät eli bioottiset osat elottomiin eli abioottisiin osiin. Kaksi tärkeintä prosessia, joita ekosysteemitutkijat tutkivat, ovat energian muuntuminen ja biogeokemiallinen kierto. Kuten aiemmin opimme, ekologia määritellään yleisesti eliöiden vuorovaikutukseksi keskenään ja ympäristön kanssa, jossa ne esiintyvät. Ekologiaa voidaan tutkia yksilön, populaation, yhteisön ja ekosysteemin tasolla.

Yksilöitä koskevissa tutkimuksissa keskitytään useimmiten fysiologiaan, lisääntymiseen, kehitykseen tai käyttäytymiseen, ja populaatioita koskevissa tutkimuksissa keskitytään yleensä tiettyjen lajien elinympäristö- ja resurssitarpeisiin, niiden ryhmäkäyttäytymiseen, populaation kasvuun ja siihen, mikä rajoittaa niiden runsautta tai aiheuttaa niiden sukupuuttoa. Yhteisöjä koskevissa tutkimuksissa tutkitaan, miten monien lajien populaatiot ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, kuten saalistajien ja niiden saaliseläinten tai kilpailijoiden kanssa, joilla on yhteisiä tarpeita tai resursseja.

Ekosysteemiekologiassa yhdistämme kaiken tämän yhteen ja pyrimme mahdollisuuksien mukaan ymmärtämään, miten systeemi toimii kokonaisuutena. Tämä tarkoittaa sitä, että sen sijaan, että olisimme pääasiassa huolissamme yksittäisistä lajeista, pyrimme keskittymään järjestelmän tärkeimpiin toiminnallisiin näkökohtiin. Näihin toiminnallisiin näkökohtiin kuuluvat esimerkiksi fotosynteesin tuottaman energian määrä, se, miten energia tai materiaalit kulkevat ravintoketjun monissa vaiheissa, tai se, mikä ohjaa materiaalien hajoamisnopeutta tai sitä, miten nopeasti ravinteet (joita tarvitaan uuden orgaanisen aineksen tuottamiseen) kierrätetään järjestelmässä.

Ekosysteemin osatOlet jo perehtynyt ekosysteemin osiin. Tämän kurssin ja yleistiedon perusteella sinulla on myös perustiedot kasvien ja eläinten monimuotoisuudesta sekä siitä, miten kasvit ja eläimet sekä mikrobit saavat vettä, ravinteita ja ravintoa. Voimme selventää ekosysteemin osia listaamalla ne otsikoiden ”abioottiset” ja ”bioottiset” alle.

Tämä komponentti- ja ympäristötekijäjoukko on tärkeä melkeinpä kaikkialle, kaikissa ekosysteemeissä.

Yleisesti biologiset yhteisöt sisältävät edellä esitetyt ”toiminnalliset ryhmittymät”. Toiminnallinen ryhmä on biologinen luokka, joka koostuu organismeista, jotka suorittavat järjestelmässä enimmäkseen samantyyppisiä tehtäviä; esimerkiksi kaikki fotosynteettiset kasvit tai alkutuottajat muodostavat toiminnallisen ryhmän. Toiminnalliseen ryhmään kuuluminen ei juurikaan riipu siitä, keitä varsinaiset toimijat (lajit)sattuvat olemaan, vaan ainoastaan siitä, mitä tehtävää ne suorittavat ekosysteemissä.

Ekosysteemien prosessit

Tämä kuva kasveineen, seeproineen, leijonineen jne. havainnollistaa kahta pääajatusta ekosysteemien toiminnasta: ekosysteemeissä on energiavirtoja ja ekosysteemeissä on materiaalien kierrätystä. Nämä kaksi prosessia liittyvät toisiinsa, mutta ne eivät ole aivan samoja (ks. kuva 1).

Energia tulee biologiseen järjestelmään valoenergiana eli fotoneina, muuntuu soluprosesseissa, kuten fotosynteesissä ja hengityksessä, kemialliseksi energiaksi orgaanisissa molekyyleissä ja muuttuu lopulta lämpöenergiaksi. Tämä energia haihtuu, mikä tarkoittaa, että se häviää järjestelmästä lämpönä; kun se on hävinnyt, sitä ei voida kierrättää. Ilman jatkuvaa aurinkoenergian syöttöä biologiset järjestelmät sammuisivat nopeasti. Maapallo on siis avoin järjestelmä energian suhteen.

Hiilen, typen tai fosforin kaltaiset alkuaineet kulkeutuvat eläviin organismeihin monin eri tavoin. Kasvit saavat alkuaineita ympäröivästä ilmakehästä, vedestä tai maaperästä. Eläimet voivat myös saada alkuaineita suoraan fyysisestä ympäristöstä, mutta yleensä ne saavat niitä pääasiassa muiden eliöiden syömisen seurauksena.Nämä aineet muuntuvat biokemiallisesti eliöiden elimistössä, mutta ennemmin tai myöhemmin ne palautuvat erittymisen tai hajoamisen seurauksena epäorgaaniseen tilaan (eli epäorgaaniseen aineeseen, kuten hiileen, typpeen ja fosforiin, sen sijaan, että nämä alkuaineet olisivat sitoutuneet orgaaniseen aineeseen). Usein bakteerit suorittavat tämän prosessin loppuun prosessilla, jota kutsutaan hajoamiseksi tai mineralisaatioksi (ks. seuraava luento mikrobeista).

Hajoamisen aikana nämä aineet eivät tuhoudu tai häviä, joten maapallo on suljettu systeemi alkuaineiden suhteen (lukuun ottamatta silloin tällöin systeemiin tunkeutuvaa meteoriittia…). Alkuaineet kiertävät loputtomasti bioottisen ja abioottisen tilansa välillä ekosysteemeissä. Niitä alkuaineita, joiden tarjonta pyrkii rajoittamaan biologista toimintaa, kutsutaan ravinteiksi.

Energian muuntuminen

Energian muuntuminen ekosysteemissä alkaa ensin auringosta tulevasta energiasta. Aurinkoenergiaa otetaan talteen fotosynteesin avulla. Hiilidioksidi yhdistyy vetyyn (joka on peräisin vesimolekyylien pilkkoutumisesta)ja tuottaa hiilihydraatteja (lyhennetty merkintä on ”CHO”). Energia varastoituu adenosiinitrifosfaatin eli ATP:n (ks. fotosynteesiä koskeva luento) korkeaenergisiin sidoksiin.

Profeetta Jesaja sanoi, että ”kaikki liha on ruohoa”, mikä toi hänelle ensimmäisen ekologin arvonimen, koska lähes kaikki eliöiden käytettävissä oleva energia on peräisin kasveista. Koska se on ensimmäinen vaihe elävien olentojen energiantuotannossa, sitä kutsutaan alkutuotannoksi (klikkaa tästä fotosynteesin alkuoppaaseen). Kasvinsyöjät saavat energiansa syömällä kasveja tai kasvituotteita, lihansyöjät syövät kasvinsyöjiä ja detritivorit syövät meidän kaikkien jätöksiä ja raatoja.

Kuvassa 2 on esitetty yksinkertainen ravintoketju,jossa auringosta peräisin oleva, kasvien fotosynteesin keräämä energia kulkee ravintoketjun kautta trofiatasolta trofiatasolle. Trofiataso koostuu eliöistä, jotka elävät samalla tavalla, eli ne ovat kaikki alkutuottajia (kasvit), alkukuluttajia (kasvinsyöjät) tai toissijaisia kuluttajia (lihansyöjät).Kaikilla tasoilla syntyy kuollutta kudosta ja jätteitä. Kaiken tällaisen ”jätteen” käytöstä vastaavat yhdessä haaskaeläimet, detritivorit ja hajottajat – raatojen ja pudonneiden lehtien kuluttajia voivat olla muut eläimet, kuten varikset ja kovakuoriaiset, mutta viime kädessä hajoamistyön viimeistelevät mikrobit. Ei ole yllättävää, että primäärituotannon määrä vaihtelee suuresti paikasta toiseen, mikä johtuu eroista auringon säteilyn määrässä sekä ravinteiden ja veden saatavuudessa.

Syistä, joita tarkastelemme tarkemmin seuraavilla luennoilla, energian siirtyminen ravintoketjussa on tehotonta. Tämä tarkoittaa sitä, että kasvinsyöjätasolla on käytettävissä vähemmän energiaa kuin alkutuottajatasolla, vielä vähemmän lihansyöjätasolla ja niin edelleen. Tuloksena on energiapyramidi, jolla on tärkeitä vaikutuksia sen ymmärtämiseen, kuinka paljon elämää voidaan elättää.

Yleensä kun ajattelemme ravintoketjuja, kuvittelemme vihreitä kasveja, kasvinsyöjiä ja niin edelleen. Näitä kutsutaan laiduntajien ravintoketjuiksi, koska eläviä kasveja kulutetaan suoraan. Monissa olosuhteissa pääasiallinen energianlähde eivät ole vihreät kasvit vaan kuollut orgaaninen aines. Esimerkkeinä voidaan mainita metsänpohja tai metsäpuro metsäisellä alueella, suolainen suo ja mitä ilmeisimmin merenpohja hyvin syvillä alueilla, joissa kaikki auringonvalo on tuhansia metrejä yläpuolella. Seuraavilla luennoilla palaamme näihin tärkeisiin energiavirtoihin liittyviin kysymyksiin.

Lopuksi, vaikka olemme puhuneet ravintoketjuista, todellisuudessa biologisten järjestelmien organisaatio on paljon monimutkaisempi kuin mitä yksinkertainen ”ketju” voi esittää. Ekosysteemissä on monia ravintoyhteyksiä ja -ketjuja, ja kutsumme kaikkia näitä yhteyksiä ravintoverkoksi. Ravintoverkot voivat olla hyvin monimutkaisia, jolloin näyttää siltä, että ”kaikki on yhteydessä kaikkeen muuhun” (tämä on yksi tämän luennon tärkeimmistä huomioista), ja on tärkeää ymmärtää, mitkä ovat tärkeimmät yhteydet tietyssä ravintoverkossa. Seuraava kysymys on, miten voimme määrittää, mitkä ovat tärkeitä prosesseja tai yhteyksiä ravintoverkoissa tai ekosysteemeissä? Ekosysteemitutkijat käyttävät useita erilaisia työkaluja, jotka voidaan kuvata yleisesti termillä ”biogeokemia”.

Biogeokemia

Miten voimme tutkia, mitkä yhteydet ravintoverkossa ovat tärkeimpiä? Yksi ilmeinen tapa on tutkia energiavirtaa tai alkuaineiden kiertoa. Esimerkiksi alkuaineiden kiertoa ohjaavat osittain eliöt, jotka varastoivat tai muuttavat alkuaineita, ja osittain luonnon kemia ja geologia. Termi biogeokemia määritellään tutkimukseksi siitä, miten elävät järjestelmät (biologia) vaikuttavat maapallon geologiaan ja kemiaan ja miten ne ohjaavat niitä. Siten biogeokemia käsittää monia abioottisen ja bioottisen maailman näkökohtia, joissa elämme.

Biogeokemisteillä on useita pääperiaatteita ja välineitä, joita he käyttävät tutkiessaan maapallon järjestelmiä. Suurinta osaa nykymaailmassa kohtaamistamme suurista ympäristöongelmista voidaan analysoida biogeokemian periaatteiden ja välineiden avulla. Näihin ongelmiin kuuluvat ilmaston lämpeneminen, happosateet, ympäristön saastuminen ja kasvihuonekaasujen lisääntyminen. Käyttämämme periaatteet ja välineet voidaan jakaa kolmeen pääkomponenttiin: alkuaineiden suhteet, massatasapaino ja alkuaineiden kierto.

1. Alkuaineiden suhteet

Biologisissa järjestelmissä kutsumme tärkeitä alkuaineita ”konservatiivisiksi”. Nämä alkuaineet ovatusein ravinteita. ”Konservatiivisella” tarkoitamme sitä, että organismi voi muuttaa vain vähän näiden alkuaineiden määrää kudoksissaan, jos se haluaa pysyä terveenä. On helpointa ajatella näitä konservatiivisia elementtejä suhteessa muihin elimistön tärkeisiin elementteihin. Esimerkiksi terveissä levissä C:n, N:n, P:n ja Fe:n alkuaineiden suhde on seuraava, jota kutsutaan Redfieldin suhteeksi sen löytäneen merentutkijan mukaan. Näiden alkuaineiden atomien lukumäärän suhde (suhteessa yhteen P-atomiin) on seuraava:

Kun tiedämme nämä suhdeluvut, voimme verrata niitä levänäytteestä mittaamiimme suhdelukuihin määrittääksemme, puuttuuko levästä jokin rajoittava ravinne.

2. Massatase

Toinen tärkeä työkalu, jota biogeokemian tutkijat käyttävät, on yksinkertainen massataseyhtälö, jolla kuvataan järjestelmän tilaa. Systeemi voi olla käärme, puu, järvi tai koko maapallo. Massatasapainon avulla voimme määrittää, muuttuuko järjestelmä ja kuinka nopeasti se muuttuu. Yhtälö on:

Tässä yhtälössä systeemin nettomuutos yhdestä ajanjaksosta toiseen määräytyy sen mukaan, mitkä ovat syötteet, mitkä ovat tuotokset ja mikä on systeemin sisäinen muutos.Luokassa annettu esimerkki on järven happamoituminen, jossa otetaan huomioon panokset ja tuotokset sekä hapon sisäinen muutos järvessä.

3. Alkuaineiden kiertokulku

Alkuaineiden kiertokulku kuvaa, missä ja kuinka nopeasti alkuaineet liikkuvat systeemissä. Kuten edellä mainittiin, on olemassa kaksi yleistä systeemiluokkaa, joita voimme analysoida: suljetut ja avoimet systeemit.

Suljetulla systeemillä tarkoitetaan systeemiä, jossa panokset ja tuotokset ovat merkityksettömän pieniä verrattuna sisäisiin muutoksiin. Esimerkkejä tällaisista järjestelmistä ovat pullo tai maapallo. Suljetussa systeemissä tapahtuvaa materiaalien kiertoa voidaan kuvata kahdella tavalla, joko tarkastelemalla liikkeen nopeutta tai liikeratoja.

1. Nopeus = syklien määrä / aika . Nopeuden kasvaessa tuottavuus kasvaa
2. Reitit – tärkeä, koska eri reaktioita voi tapahtua eri reittejä pitkin

Avoimessa systeemissä on sisään- ja ulostuloja sekä sisäistä kiertoa. Voimme siis kuvata liikkumisnopeuksia ja kulkureittejä aivan kuten suljetun systeemin kohdalla, mutta voimme myös määritellä uuden käsitteen nimeltä viipymäaika (yksi luennon alussa mainituista tieteellisistä käsitteistä).Viipymäaika ilmaisee, kuinka kauan alkuaine keskimäärin pysyy systeemissä ennen kuin se poistuu systeemistä.

1. Rata
2. Polut
3. Residenssiaika, Rt

Rt = aineen kokonaismäärä/ aineen ulostulonopeus

(Huomaa, että ”yksiköiden” on tässä laskennassa kumottava kunnolla)

Ekosysteemin toimintaa ohjaavat tekijät

Nyt olemme oppineet jotakin siitä, miten ekosysteemit muodostuvat ja miten aineet ja energia virtaavat ekosysteemien läpi, voimme paremmin vastata kysymykseen ”mikä ohjaa ekosysteemin toimintaa”? On olemassa kaksi vallitsevaa teoriaa ekosysteemien ohjauksesta. Ensimmäisen, niin sanotun alhaalta ylöspäin suuntautuvan ohjauksen mukaan ekosysteemien toimintaa ohjaa viime kädessä ravinteiden saanti alkutuottajille. Jos ravinteiden tarjontaa lisätään, siitä johtuva autotrofisten tuotanto lisääntyy ravintoverkossa, ja kaikki muut trofiatasot reagoivat lisääntyneeseen ravinnon saatavuuteen (energia ja materiaalit kiertävät nopeammin).

Toisen teorian, ns. top-downcontrol, mukaan ylempien trofiatasojen harjoittama alempien trofiatasojen saalistaminen ja laiduntaminen ohjaa viime kädessä ekosysteemin toimintaa. Jos esimerkiksi saalistajien määrä lisääntyy, lisääntyminen johtaa siihen, että laiduntajia on vähemmän, ja laiduntajien määrän väheneminen johtaa puolestaan siihen, että alkutuottajia on enemmän, koska laiduntajat syövät vähemmän niitä. Näin populaatioiden lukumäärän ja kokonaistuottavuuden hallinta siirtyy ravintoketjun ylimmiltä tasoilta alaspäin alemmille trofiatasoille. Aiemmilla luennoilla tämä ajatus esiteltiin ja selitettiin myös nimellä ”trofinen kaskadi”.

Kumpi teoria on siis oikea? No, kuten usein, kun valittavana on selkeä kahtiajako, vastaus on jossain keskellä. Monista ekosysteemitutkimuksista on näyttöä siitä, että KUMMATkin kontrollit toimivat jossain määrin, mutta että KUMMATKIN kontrolli ei ole täydellinen. Esimerkiksi ”ylhäältä alas” -vaikutus on usein hyvin voimakas trofiatasoilla, jotka ovat lähellä huippupetoja, mutta kontrolli heikkenee siirryttäessä ravintoketjussa alemmas kohti alkutuottajia. Vastaavasti ravinteiden lisäämisen ”alhaalta ylöspäin”-vaikutus stimuloi yleensä alkutuotantoa, mutta ravintoketjussa ylempänä olevan sekundäärituotannon stimulointi ei ole yhtä voimakasta tai sitä ei tapahdu lainkaan.

Kumpikin näistä kontrolleista toimii missä tahansa systeemissä milloin tahansa, ja meidän on ymmärrettävä kummankin kontrollin suhteellinen merkitys, jotta voimme paremmin ennustaa, miten ekosysteemi käyttäytyy tai miten se muuttuu erilaisissa oloissa, esimerkiksi muuttuvan ilmaston vallitessa.

Ekosysteemien maantiede

Ekosysteemejä on monia erilaisia: sademetsiä ja tundraa, koralliriuttoja ja lampia, niittyjä ja aavikoita.Ilmastoerot eri paikoissa määrittelevät suurelta osin sen, millaisia ekosysteemejä näemme. Siihen, millaisina maaekosysteemit näyttäytyvät meille, vaikuttaa pääasiassa vallitseva kasvillisuus.

Sanaa ”biomi” käytetään kuvaamaan suurta kasvillisuustyyppiä, kuten trooppista sademetsää, laidunmaata, tundraa jne., joka ulottuu laajalle maantieteelliselle alueelle (kuva 3). Sitä ei koskaan käytetä vesistöistä, kuten lammista tai koralliriutoista. Sillä viitataan aina kasvillisuusluokkaan, joka on hallitseva hyvin laajalla maantieteellisellä alueella ja on siten maantieteellisesti hieman laajempi kuin ekosysteemi.

Voidaan hyödyntää aiempia luentoja muistellaksemme, että lämpötila- ja sademäärämallit jollakin tietyllä maantieteellisellä alueella ovat omaleimaisia.Jokaiseen paikkaan Maapallolla osuu sama määrä auringonvalotunteja joka vuosi, mutta ei samanlaista lämpöä. Auringon säteet osuvat matalilla leveysasteilla suoraan, mutta korkeilla leveysasteilla vinosti. Tämä lämmön epätasainen jakautuminen aiheuttaa lämpötilaerojen lisäksi maailmanlaajuisia tuuli- ja merivirtauksia, jotka puolestaan vaikuttavat suuresti siihen, missä sateet esiintyvät. Kun tähän lisätään korkeuden viilentävä vaikutus ja maamassojen vaikutus lämpötilaan ja sademääriin, saadaan aikaan monimutkainen ilmaston maailmanlaajuinen malli.

Kaavamainen kuva maapallosta osoittaa, että vaikka ilmasto on monimutkainen, monet seikat ovat ennustettavissa (kuva 4). Lähelle päiväntasaajaa osuva korkea aurinkoenergia takaa lähes jatkuvasti korkeat lämpötilat ja suuren haihtumisen ja kasvien transpiraation.Lämmin ilma nousee ylös, jäähtyy ja menettää kosteuttaan, mikä luo juuri trooppisen sademetsän olosuhteet. Verratkaa Panaman alueen vakaata lämpötilaa mutta vaihtelevaa sademäärää New Yorkin osavaltiossa sijaitsevan alueen suhteellisen tasaiseen sademäärään mutta kausittain vaihtelevaan lämpötilaan. Jokaisella paikkakunnalla on laajemmalle alueelle tyypillinen sade-lämpötilakuvaaja.

Voidaan hyödyntää kasvifysiologiaa, jotta tiedetään, että tietyt kasvit ovat ominaista tietyille ilmastoille, mikä luo kasvillisuusilmiön, jota kutsumme biomeiksi. Huomaa, miten hyvin biomien jakauma vastaa ilmaston jakaumaa (kuva 5). Huomaa myös, että jotkin ilmastot ovat mahdottomia ainakin meidän planeetallamme. Suuret sademäärät eivät ole mahdollisia alhaisissa lämpötiloissa – aurinkoenergia ei riitä veden kiertokulun pyörittämiseen, ja suurin osa vedestä on jäätynyttä ja siten biologisesti käyttökelvotonta koko vuoden ajan. Korkea tundra on yhtä lailla aavikko kuin Sahara.

Yhteenveto

• Ekosysteemit koostuvat abioottisista (elottomista, ympäristökomponenteista) ja bioottisista komponenteista, ja nämä peruskomponentit ovat tärkeitä lähes kaikille ekosysteemityypeille. Ekosysteemiekologia tarkastelee energian muuntumista ja biogeokemiallista kierrätystä ekosysteemeissä.
• Energiaa syötetään jatkuvasti ekosysteemiin valoenergian muodossa, ja osa energiasta häviää jokaisessa siirrossa ylemmälle trofiatasolle. Ravinteet sitä vastoin kierrätetään ekosysteemissä, ja niiden saanti rajoittaa yleensä biologista toimintaa. Eli ”energia virtaa, alkuaineet kiertävät”.
• Energia liikkuu ekosysteemissä ravintoverkon kautta, joka koostuu toisiinsa liittyvistä ravintoketjuista. Energia otetaan ensin talteen fotosynteesillä (alkutuotanto). Alkutuotannon määrä määrittää korkeampien trofiatasojen käytettävissä olevan energian määrän.
• Tutkimusta siitä, miten kemialliset alkuaineet kiertävät ekosysteemissä, kutsutaan biogeokemiaksi. Biogeokemiallinen kierto voidaan ilmaista varastojen (poolien) ja siirtojen kokonaisuutena, ja sitä voidaan tutkia ”stoikiometrian”, ”massatasapainon” ja ”viipymäajan” käsitteiden avulla.
• Ekosysteemin toimintaa ohjataan pääasiassa kahdella prosessilla, ylhäältä alaspäin ja alhaalta ylöspäin suuntautuvalla ohjauksella.
• Bioomilla tarkoitetaan suurta kasvillisuustyyppiä, joka ulottuu laajalle alueelle. Biomien levinneisyys määräytyy suurelta osin lämpötilan ja sademäärän mukaan maapallon pinnalla.

Kertaus ja itsetesti

• Kertaus tämän luennon keskeisistä termeistä ja käsitteistä.

Suositeltava lukemisto:

Kaikki aineistot © Michiganin yliopiston rehtorit, ellei toisin mainita.

Kaikki aineistot © Michiganin yliopisto ellei toisin mainita.