Ekosystemet och hur det relaterar till hållbarhet

”Jag vill bada i jorden för att växa från gräset jag älskar;
Om du vill ha mig igen, leta efter mig under dina stövelsulor.”
– Walt Whitman

I den här lektionen får vi svar på följande frågor:

• Vad är ett ekosystem och hur kan väst studera ett?
• Är jorden ett öppet eller slutet system med avseende på energi och grundämnen?
• Hur definierar vi ”biogeokemiska kretslopp” och hur viktiga är de för ekosystemen?
• Vilka är de viktigaste faktorerna som påverkar ekosystemens funktion?
• Vilka är de viktigaste faktorerna som är ansvariga för skillnaderna mellan ekosystem runt om i världen?

10/20/2017

Format för utskrift

Introduktion

I de tidigare föreläsningarna har vi lärt oss om jorden och dess miljö, och vi har lärt oss om mångfalden av liv på planeten och om ekologiska interaktioner mellan arter. Nu ska vi kombinera dessa två grundläggande komponenter och överväga hur miljön och livet samverkar i ”ekosystem”. Men innan dess ska vi återvända till ett ämne som introducerades redan i början av lektionen, nämligen hållbarhet och hur vi ser på det i termer av systemvetenskap.

Hållbarhet och systemvetenskap – Det exempel på hållbarhet som användes i början av lektionen var att tänka på att jag ger alla en dollar varje gång man kommer till lektionen. Frågan var: Är det hållbart? Under föreläsningen kom vi överens om att det behövs mer information för att besvara den frågan. Vi behövde till exempel veta hur mycket pengar jag har, eller ”lagret” av pengar (t.ex. om det fanns 100 elever i klassen och jag hade ett lager på 100 dollar skulle detta fungera en gång…). Vad händer om jag spenderar pengar på andra saker, till exempel mat? Vad är ”insatsen” eller förnyelsehastigheten eller ”omsättningstiden” för pengar på mitt bankkonto, jämfört med hur snabbt jag förbrukar pengar? Vad händer om klasstorleken ökar eftersom klassens popularitet ökar? Vi ser genast att detta är ett ”system” som har en balanspunkt som är beroende av många andra delar av ”systemet”. Att lösa detta problem är ett exempel på ”systemtänkande”, och vi måste lära oss att tillämpa detta inom vetenskapen och på hållbarhetsproblem.

Vetenskapliga begrepp, tillämpade på ekosystem och hållbarhet.

Att arbeta med detta enkla exempel illustrerar hur komplex frågan om hållbarhet kan bli. Vad vi dock också upptäcker är att det i alla sådana problem finns en gemensam uppsättning viktiga vetenskapliga begrepp och principer som vi kommer att lära oss att förstå i den här kursen – dessa begrepp omfattar följande (det kommer att ges mer specifika exempel senare):

Standing Stock = mängden material i en ”pool”, t.ex. mängden olja i marken eller växthusgaser i atmosfären. ”Stående” avser mängden vid den aktuella tidpunkten (t.ex. hur många träd som står i skogen just nu).

Massbalans = att ställa frågan ”stämmer siffrorna?”. Om jag behöver 100 dollar per klass för att ge till eleverna, men bara har 1 dollar, är massbalansen fel. Vi kan också använda en massbalansekvation för att fastställa hur ett system förändras över tiden (vi kommer att göra detta i en senare föreläsning för värmelagrande gaser i atmosfären).

Materialflödeshastighet = inmatning eller utmatning av material från ett system, t.ex. mängden olja som vi pumpar upp ur marken varje år eller mängden växthusgaser som vi pumpar ut i atmosfären varje år genom att förbränna fossila bränslen.

Residenstid = det stående lagret dividerat med flödeshastigheten, vilket ger den genomsnittliga tid som material tillbringade med att cirkulera i en bassäng – till exempel är residenstiden för metan i atmosfären cirka 10 år.

Negativa och positiva återkopplingar = negativa återkopplingar tenderar att sakta ner en process, medan positiva återkopplingar tenderar att påskynda en process. Till exempel kommer isarna att smälta i en uppvärmd värld, vilket minskar jordens albedo, vi behåller mer av solens värmeenergi och detta påskyndar uppvärmningen som i sin tur smälter fler isar – detta är en positiv återkoppling.

Vad är ett ekosystem?

Ett ekosystem består av det biologiska samhälle som förekommer på en viss plats och de fysiska och kemiska faktorer som utgör dess icke-levande eller abiotiska miljö. Det finns många exempel på ekosystem – en damm, en skog, en flodmynning, en gräsmark. Gränserna är inte fastställda på något objektivt sätt, även om de ibland verkar uppenbara, som i fallet med strandlinjen i en liten damm. Vanligtvis väljs gränserna för ett ekosystem av praktiska skäl som har att göra med målen för den särskilda studien.

Studien av ekosystem består huvudsakligen av studiet av vissa processer som förbinder de levande, eller biotiska, komponenterna med de icke-levande, eller abiotiska, komponenterna. De två huvudprocesser som ekosystemforskare studerar är energiomvandlingar och biogeokemiska kretslopp. Som vi lärde oss tidigare definieras ekologi i allmänhet som organismernas samspel med varandra och med den miljö där de förekommer. Vi kan studera ekologi på individ-, populations-, samhälls- och ekosystemnivå.

Studier av individer handlar oftast om fysiologi, reproduktion, utveckling eller beteende, och studier av populationer fokuserar vanligen på livsmiljöer och resursbehov hos särskilda arter, deras gruppbeteenden, populationstillväxt och vad som begränsar deras förekomst eller orsakar utrotning. Studier av samhällen undersöker hur populationer av många arter interagerar med varandra, t.ex. rovdjur och deras byten, eller konkurrenter som har gemensamma behov eller resurser.

I ekosystemekologin sammanställer vi allt detta och försöker, i den mån vi kan, förstå hur systemet fungerar som en helhet. Detta innebär att vi i stället för att främst oroa oss för vissa arter försöker vi fokusera på viktiga funktionella aspekter av systemet. Dessa funktionella aspekter omfattar sådant som mängden energi som produceras av fotosyntesen, hur energi eller material flödar längs de många stegen i en näringskedja, eller vad som styr nedbrytningshastigheten för material eller hastigheten med vilken näringsämnen (som krävs för att producera nytt organiskt material) återvinns i systemet.

Ett ekosystems beståndsdelarDu är redan bekant med delarna i ett ekosystem. Från den här kursen och från allmän kunskap har du också en grundläggande förståelse för mångfalden av växter och djur, och hur växter och djur och mikrober får vatten, näringsämnen och föda. Vi kan förtydliga delarna i ett ekosystem genom att räkna upp dem under rubrikerna ”abiotisk” och ”biotisk”.

ABIOTISKA KOMPONENTER	BIOTISKA KOMPONENTER
Soleljus	Primärproducenter
Temperatur	Härbivorer
Nedfall	Carnivorer
Vatten eller fukt	Omnivorer
Bjord eller vattenkemi (t.ex.g., P, NO3, NH4)	Detritivorer
och så vidare	och så vidare
Alla dessa varierar över tid och rum

I det stora hela är denna uppsättning komponenter och miljöfaktorer viktiga nästan överallt, i alla ekosystem.

I vanliga fall innehåller biologiska samhällen de ”funktionella grupperingar” som visas ovan. En funktionell grupp är en biologisk kategori som består av organismer som huvudsakligen utför samma typ av funktion i systemet; till exempel utgör alla fotosyntetiska växter eller primärproducenter en funktionell grupp. Medlemskap i den funktionella gruppen beror inte så mycket på vilka de faktiska aktörerna (arterna) råkar vara, utan bara på vilken funktion de utför i ekosystemet.

Ökosystemens processer

Den här figuren med växterna, zebran, lejonet och så vidare illustrerar de två huvudtankarna om hur ekosystemen fungerar: ekosystemen har energiflöden och ekosystemen återvinner material. Dessa två processer är sammankopplade, men de är inte helt likadana (se figur 1).

Figur 1. Energiflöden och materialcykler.

Energin kommer in i det biologiska systemet i form av ljusenergi, eller fotoner, som omvandlas till kemisk energi i organiska molekyler genom cellulära processer, inklusive fotosyntes och andning, och slutligen omvandlas till värmeenergi. Denna energi går förlorad, vilket innebär att den försvinner till systemet som värme. När den väl är förlorad kan den inte återvinnas. Utan den kontinuerliga tillförseln av solenergi skulle biologiska system snabbt stänga av sig själva. Jorden är alltså ett öppet system med avseende på energi.

Elementar som kol, kväve och fosfor kommer in i levande organismer på olika sätt. Växter får element från den omgivande atmosfären, vattnet eller jorden. Djur kan också få element direkt från den fysiska miljön, men vanligtvis får de dessa främst som en följd av att de äter andra organismer.Dessa material omvandlas biokemiskt i organismernas kroppar, men förr eller senare, på grund av utsöndring eller nedbrytning, återgår de till ett oorganiskt tillstånd (det vill säga oorganiskt material som kol, kväve och fosfor, i stället för att dessa element är bundna i organiskt material). Ofta fullbordar bakterier denna process genom den process som kallas nedbrytning eller mineralisering (se nästa föreläsning om mikrober).

Under nedbrytningen förstörs eller förloras inte dessa material, så jorden är ett slutet system med avseende på grundämnen (med undantag för en meteorit som kommer in i systemet då och då…). Elementen cyklas oändligt mellan sina biotiska och abiotiska tillstånd inom ekosystemen. De grundämnen vars tillförsel tenderar att begränsa den biologiska aktiviteten kallas näringsämnen.

Energiomvandling

Energiomvandlingarna i ett ekosystem börjar först med tillförsel av energi från solen. Energin från solen fångas upp genom fotosyntesen. Koldioxid kombineras med väte (som härrör från uppdelningen av vattenmolekyler) för att producera kolhydrater (kortnamn ”CHO”). Energin lagras i adenosintrifosfatets (ATP) energibindningar (se föreläsning om fotosyntes).

Profeten Jesaja sa att ”allt kött är gräs”, vilket gav honom titeln som den förste ekologen, eftersom praktiskt taget all energi som organismerna har tillgång till härstammar från växter. Eftersom det är det första steget i produktionen av energi för levande varelser kallas det för primärproduktion (klicka här för en grundbok om fotosyntes). Växtätare får sin energi genom att äta växter eller växtprodukter, köttätare äter växtätare och detritivorer äter våra avföring och kadaver.

Figur 2 visar en enkel näringskedja där energin från solen, som fångas upp av växternas fotosyntes, går från trofisk nivå till trofisk nivå via näringskedjan. En trofinivå består av organismer som lever på samma sätt, dvs. de är alla primärproducenter (växter), primärkonsumenter (växtätare) eller sekundärkonsumenter (köttätare).Död vävnad och avfallsprodukter produceras på alla nivåer. Ätare, detritivorer och nedbrytare står tillsammans för användningen av allt sådant ”avfall” – konsumenter av kadaver och nedfallna löv kan vara andra djur, t.ex. kråkor och skalbaggar, men i slutändan är det mikroberna som avslutar nedbrytningen. Det är inte förvånande att mängden primärproduktion varierar mycket från plats till plats, på grund av skillnader i mängden solstrålning och tillgången på näringsämnen och vatten.

Av skäl som vi kommer att utforska mer ingående i kommande föreläsningar är energiöverföringen genom näringskedjan ineffektiv. Detta innebär att det finns mindre energi tillgänglig på växtätarnivå än på primärproducentnivå, mindre energi på köttätarnivå och så vidare. Resultatet är en energipyramid, med viktiga implikationer för förståelsen av hur mycket liv som kan finnas.

När vi tänker på näringskedjor föreställer vi oss vanligtvis gröna växter, växtätare och så vidare. Dessa kallas för betande näringskedjor, eftersom levande växter konsumeras direkt. Under många omständigheter är den huvudsakliga energitillförseln inte gröna växter utan dött organiskt material. Exempel på detta är skogsbotten eller en skogsbäck i ett skogsområde, ett saltkärr och naturligtvis havsbotten i mycket djupa områden där allt solljus är släckt 1000 meter ovanför. I kommande föreläsningar kommer vi att återkomma till dessa viktiga frågor om energiflöde.

Slutligen, även om vi har talat om näringskedjor, är de biologiska systemens organisation i verkligheten mycket mer komplicerad än vad som kan representeras av en enkel ”kedja”. Det finns många livsmedelslänkar och kedjor i ett ekosystem, och vi kallar alla dessa länkar för en livsmedelsväv. Livsmedelsväven kan vara mycket komplicerade, där det verkar som om ”allting är kopplat till allting annat” (detta är en viktig utgångspunkt för den här föreläsningen), och det är viktigt att förstå vilka som är de viktigaste länkarna i en viss livsmedelsväv. Nästa fråga är hur vi fastställer vilka de viktiga processerna eller kopplingarna är i näringsväven eller ekosystemen. Ekosystemforskare använder flera olika verktyg, som generellt kan beskrivas under termen ”biogeokemi”.

Biogeokemi

Hur kan vi studera vilka av dessa kopplingar i en näringsväv som är viktigast? Ett uppenbart sätt är att studera energiflödet eller kretsloppet av grundämnen. Till exempel styrs kretsloppet av grundämnen delvis av organismer som lagrar eller omvandlar grundämnen och delvis av naturens kemi och geologi. Begreppet biogeokemi definieras som studiet av hur levande system (biologi) påverkar och styrs av jordens geologi och kemi. Biogeokemin omfattar således många aspekter av den abiotiska och biotiska värld som vi lever i.

Det finns flera huvudprinciper och verktyg som biogeokemister använder för att studera jordens system. De flesta av de stora miljöproblem som vi står inför i vår värld idag kan analyseras med hjälp av biogeokemiska principer och verktyg. Dessa problem omfattar global uppvärmning, surt regn, miljöförstöring och ökande växthusgaser. De principer och verktyg som vi använder kan delas in i tre huvudkomponenter: elementförhållanden, massbalans och elementcykler.

1. Elementförhållanden

I biologiska system hänvisar vi till viktiga element som ”konservativa”. Dessa element är ofta näringsämnen. Med ”konservativ” menar vi att en organism endast kan ändra mängden av dessa grundämnen i sina vävnader i liten utsträckning om den ska förbli vid god hälsa. Det är enklast att tänka på dessa konservativa element i förhållande till andra viktiga element i organismen. I friska alger har t.ex. grundämnena C, N, P och Fe följande förhållande, som kallas Redfield-förhållandet efter den oceanograf som upptäckte det. Förhållandet mellan antalet atomer av dessa grundämnen (i förhållande till 1 P-atom) är följande:

C : N : P : Fe = 106 : 16 : 1: 0,01

När vi väl känner till dessa förhållanden kan vi jämföra dem med de förhållanden som vi mäter i ett prov av alger för att avgöra om algerna har brist på något av de begränsande näringsämnena.

2. Massbalans

Ett annat viktigt verktyg som biogeokemister använder är en enkel massbalansekvation för att beskriva tillståndet i ett system. Systemet kan vara en orm, ett träd, en sjö eller hela jordklotet. Med hjälp av en massbalans kan vi avgöra om systemet håller på att förändras och hur snabbt det gör det. Ekvationen är:

NETFÖRÄNDRING = INPUT + OUTPUT +INTERNAL FÖRÄNDRING

I denna ekvation bestäms systemets nettoförändring från en tidsperiod till en annan av vad som är inputs, vad som är outputs och vad den interna förändringen i systemet var.Det exempel som gavs i klassen är försurningen av en sjö, med hänsyn till in- och utflödena och den interna förändringen av syra i sjön.

3. Elementcykling

Elementcykling beskriver var och hur snabbt elementen rör sig i ett system. Det finns två allmänna klasser av system som vi kan analysera, som nämnts ovan: slutna och öppna system.

Ett slutet system avser ett system där in- och utflödena är försumbara jämfört med de interna förändringarna. Exempel på sådana system är en flaska eller ett jordklot. Det finns två sätt att beskriva materialets kretslopp i detta slutna system, antingen genom att titta på rörelsens hastighet eller på rörelsens vägar.

1. Hastighet = antal cykler/tid . När hastigheten ökar ökar produktiviteten
2. Vägar – viktigt på grund av olika reaktioner som kan ske längs olika vägar

I ett öppet system finns det inflöden och utflöden samt det interna kretsloppet. Vi kan alltså beskriva rörelsehastigheterna och vägarna, precis som vi gjorde för det slutna systemet, men vi kan också definiera ett nytt begrepp som kallas uppehållstid (ett av våra vetenskapliga begrepp som vi nämnde i början av föreläsningen).Uppehållstiden anger hur länge i genomsnitt ett grundämne stannar kvar i systemet innan det lämnar det.

1. Rate
2. Pathways
3. Residence time, Rt

Rt = total mängd materia/ output rate of matter

(Observera att ”enheterna” i denna beräkning måste upphäva varandra på rätt sätt)

Kontroller av ekosystemens funktion

Nu har vi lärt oss något om hur ekosystem är uppbyggda och hur material och energi strömmar genom ekosystemen, kan vi bättre ta itu med frågan ”vad kontrollerar systemets funktion”? Det finns två dominerande teorier om kontroll av ekosystem. Enligt den första, som kallas bottom-up-kontroll, är det näringstillförseln till primärproducenterna som i slutändan styr hur ekosystemen fungerar. Om näringstillförseln ökar, sprids den resulterande ökningen i produktionen av autotrofa organismer genom näringsväven och alla andra trofiska nivåer kommer att reagera på den ökade tillgången på föda (energi och material kommer att cirkulera snabbare).

Den andra teorin, som kallas top-downcontrol, säger att predation och betning av högre trofiska nivåer på lägre trofiska nivåer i slutändan kontrollerar ekosystemets funktion. Om man till exempel har en ökning av rovdjur kommer den ökningen att resultera i färre betesdjur, och den minskade mängden betesdjur kommer i sin tur att resultera i fler primärproducenter eftersom färre av dem äts upp av betesdjuren. På så sätt ”kaskaderar” kontrollen av befolkningsantalet och den totala produktiviteten från de högsta nivåerna i näringskedjan ner till de nedre trofiska nivåerna. I tidigare föreläsningar har denna idé också introducerats och förklarats som en ”trofisk kaskad”.

Så, vilken teori är korrekt? Som ofta är fallet när det finns en tydlig dikotomi att välja mellan, ligger svaret någonstans i mitten. Det finns bevis från många ekosystemstudier som visar att Båda kontrollerna fungerar i viss utsträckning, men att ingen av kontrollerna är fullständig. Exempelvis är ”top-down”-effekten ofta mycket stark på trofiska nivåer nära de främsta rovdjuren, men kontrollen försvagas när man rör sig längre ner i näringskedjan mot primärproducenterna. På samma sätt stimulerar ”bottom-up”-effekten av tillförsel av näringsämnen vanligtvis primärproduktionen, men stimuleringen av sekundärproduktionen längre upp i näringskedjan är mindre stark eller saknas.

Det visar sig alltså att båda dessa kontroller är verksamma i alla system när som helst, och vi måste förstå den relativa betydelsen av var och en av dem för att kunna förutsäga hur ett ekosystem kommer att uppträda eller förändras under olika omständigheter, t.ex. i samband med ett förändrat klimat.

Ökosystemens geografi

Det finns många olika ekosystem: regnskogar och tundra, korallrev och dammar, gräsmarker och öknar.Klimatskillnader från plats till plats bestämmer till stor del vilka typer av ekosystem vi ser. Hur ekosystemen på jorden ser ut för oss påverkas främst av den dominerande vegetationen.

Varvet ”biom” används för att beskriva en större vegetationstyp, t.ex. tropisk regnskog, gräsmark, tundra etc., som sträcker sig över ett stort geografiskt område (figur 3). Det används aldrig för akvatiska system, t.ex. dammar eller korallrev. Det hänvisar alltid till en vegetationskategori som dominerar över en mycket stor geografisk skala, och är därmed något bredare geografiskt än ett ekosystem.

Figur 3: Utbredningen av biomes.

Vi kan använda oss av tidigare föreläsningar för att komma ihåg att temperatur- och nederbördsmönstren för en region är utmärkande.Alla platser på jorden får samma totala antal soltimmar varje år, men inte samma mängd värme. Solens strålar träffar låga breddgrader direkt men höga breddgrader snett. Denna ojämna fördelning av värme skapar inte bara temperaturskillnader, utan även globala vind- och havsströmmar som i sin tur har stor betydelse för var nederbörden inträffar. Lägg till de kylande effekterna av höjdskillnader och landmassornas inverkan på temperatur och nederbörd och vi får ett komplicerat globalt klimatmönster.

En schematisk bild av jorden visar att även om klimatet är komplicerat så är många aspekter förutsägbara (figur 4). Den höga solenergin nära ekvatorn ger nästan konstant höga temperaturer och hög avdunstning och transpiration av växter.Varm luft stiger upp, svalnar och avger sin fuktighet, vilket skapar de rätta förutsättningarna för en tropisk regnskog. Jämför den stabila temperaturen men den varierande nederbörden på en plats i Panama med den relativt konstanta nederbörden men den säsongsmässigt varierande temperaturen på en plats i New York State. Varje plats har ett diagram för nederbörd och temperatur som är typiskt för en större region.

Figur 4. Klimatmönster påverkar fördelningen av biomer.

Vi kan använda oss av växtfysiologi för att veta att vissa växter är utmärkande för vissa klimat, vilket skapar det vegetationsutseende som vi kallar biomer. Lägg märke till hur väl fördelningen av biomes är avpassad efter fördelningen av klimat (figur 5). Observera också att vissa klimat är omöjliga, åtminstone på vår planet. Hög nederbörd är inte möjlig vid låga temperaturer – det finns inte tillräckligt med solenergi för att driva vattencykeln, och det mesta vattnet är fruset och därmed biologiskt otillgängligt under hela året. Den höga tundran är lika mycket en öken som Sahara.

Figur 5. Fördelningen av biomes i förhållande till temperatur och nederbörd.

Sammanfattning

• Ökosystemen består av abiotiska (icke-levande, miljörelaterade) och biotiska komponenter, och dessa grundläggande komponenter är viktiga för nästan alla typer av ekosystem. Ekosystemekologi undersöker energiomvandlingar och biogeokemiska kretslopp i ekosystemen.
• Energi tillförs kontinuerligt till ett ekosystem i form av ljusenergi, och en del energi går förlorad vid varje överföring till en högre trofinivå. Näringsämnen å andra sidan återvinns inom ett ekosystem, och deras tillförsel begränsar normalt den biologiska aktiviteten. Energi flödar alltså, element cirkulerar.
• Energin förflyttas genom ett ekosystem via en näringsväv, som består av sammanlänkade näringskedjor. Energi fångas först upp genom fotosyntes (primärproduktion). Mängden primärproduktion avgör hur mycket energi som finns tillgänglig för högre trofiska nivåer.
• Studien av hur kemiska element cirkulerar genom ett ekosystem kallas biogeokemi. Ett biogeokemiskt kretslopp kan uttryckas som en uppsättning lager (pooler) och överföringar och kan studeras med hjälp av begreppen ”stökiometri”, ”massbalans” och ”uppehållstid”.
• Ekosystemets funktion styrs huvudsakligen av två processer, ”uppifrån och ner”- och ”nerifrån och upp”-kontroller.
• Ett biom är en större vegetationstyp som sträcker sig över ett stort område. Biomedelsfördelningen bestäms till stor del av temperatur- och nederbördsmönster på jordens yta.

Genomgång och självtest

• Genomgång av de viktigaste termerna och begreppen i den här föreläsningen.

Föreslagna läsningar:

Allt material är © the Regents of the University of Michigan, om inget annat anges.