Първична продуктивност в екосистемите

В това видео ще говорим за енергията, в частност, енергията, която ми трябва за живот, която трябва на всички ни за живот. Енергията, която използваш да мислиш, която използвам за това видео. Може би вече се досещаш откъде идва тази енергия. Повърхността на планетата е обляна със светлинна енергия от Слънцето и може да знаеш, че някои организми могат да използват тази светлинна енергия и да я съхраняват като химична енергия. Има много видове, но тези, които виждаме най-често, са растенията. Нека си представим едно растение. То използва тази светлинна енергия заедно с вода, обикновено от почвата, през корените си, и въглероден диоксид от въздуха. Използва тази светлинна енергия, за да фиксира въглерода, за да се изгради. Съхранява енергията в тъканите си и ако разградим тези тъкани, тя може да се освободи в различни форми. Докато растението прави това – може би знаеш, че това са т.нар. първични продуценти или автотрофи – в този процес се освобождава молекулярен кислород. Ако трябва да опиша това с езика на химията, бихме описали процеса на фотосинтеза като реакция на СО2 от въздуха, заедно с вода от почвата, и с помощта на светлинна енергия, обикновено от Слънцето, се получават тъканите на растението, които съхраняват химична енергия в органична форма, предимно като глюкоза, чиято формула е С6Н12О6. Знам какво си мислиш – растенията не са сладки. Е, ако вземеш верижни захари, получаваш въглехидрати и ги адаптираш малко, ще получиш скорбяла и целулоза, от които са изградени растенията. Има някои вариации в химичната структура, но принципно така се съхранява енергията – в тъканите на растенията. В процеса се освобождава и молекулярен кислород. Това е процесът на фотосинтеза. Ако разгледаш думата фотосинтеза и какво означава, фото се отнася до светлината, а синтеза до изграждането, синтезирането на нещо. При фотосинтезата се използва светлина, за да протече тази реакция, за да фиксираш въглерода, да съхраниш енергия. Може да си кажеш, че това е хубаво, че съхраняваме енергията така, но как я използваме. Това е нещо, които всички правим, което живите системи трябва да правят, и това е дишането. Можеш да предположиш как изглежда химичната реакция, съответстваща на процеса на дишане. В началото е съхранената енергия във вид на глюкоза (С6Н12О6), в присъствието на кислород. Ние дишаме постоянно, затова ни трябва кислород – и се отделя въглероден диоксид, затова издишваме повече СО2. Също така се отделя и вода, и се отделя – и това е главното – отделя се клетъчна енергия. В други видеа по биология ще говорим за това как тази форма на съхраняване на енергия се преобразува в други форми и как после се използва от различни клетъчни органели и клетки за живот и репродукция, в много случаи и за движение. Интересен въпрос е как измерваме количествено протичането на фотосинтезата, каква е първичната продуктивност. Един начин да подходим към този въпрос е – определяме една екосистема и вземаме дадена площ от повърхността на тази екосистема, може да е наземна, може да е водна. А после казваме – за тази площ, за даден период от време, често година, колко от неща растат? Това са нещата, които растат, и очевидно би изглеждало, че колкото повече неща растат, толкова повече фотосинтеза има. И начинът да измерим колко расте е чрез грамове биомаса – като биомасата всъщност е масата на биологичните неща, които растат в тази област и обикновено изваждаме водата, за да получим подходящи измервания – или можем да преобразуваме това в калории, обикновено се измерва в килокалории. И когато видиш калории на храната, това, което повечето приемаме за калории, всъщност са килокалории, когато мислим за тях научно. Знам какво си мислиш – чакай, маса и килокалории, това са просто мерки за количество енергия. Може да се преминава между тези различни мерни единици, понеже обикновено грам от определен вид биомаса ще има определено количество енергия, не енергия, която задължително животните могат да използват или която ние можем да използваме, но има енергия. Когато говорим за тази първична продуктивност, може да си мислиш – нямат ли нужда растенията да използват част от енергията, която произвеждат, за техните собствени биологични процеси? И отговорът е, че те наистина се нуждаят от нея. Това е вероятно най-важната причина те да фотосинтезират – понеже трябва да дишат, за да растат и метаболизират, и да живеят, и да се възпроизвеждат. Когато видиш колко е било произведено в дадена област в дадена година, това е сумарната първична продуктивност. А това представлява колко фотосинтеза са извършили минус колко са дишали. Ако разглеждаме фотосинтезата като брутна първична продуктивност, това е общото количество фотосинтеза, а после извадиш количеството химична или клетъчна енергия, нужна за дишане на растенията, това ще ти даде сумарната първична продуктивност. И, както споменах, за да си го представим по-добре, ако вземеш много продуктивна екосистема, например дъждовната гора, която имам тук, такава много продуктивна екосистема, ако вземеш, средно, квадратен метър от тази гора, тук се произвеждат на година около 2000 грама биомаса. Тук бихме казали, че сумарната първична продуктивност на тази дъждовна гора, която виждаш тук, ще е приблизително 2000 грама на квадратен метър на година и ако искаш да го изразиш в килокалории, просто трябва да се запиташ колко килокалории е всеки грам и зависи от типа биомаса, но да кажем, че имаме 4 килокалории на грам биомаса. Тогава можем да кажем, че тази сумарна първична продуктивност е равна на 2000 грама на квадратен метър на година по 4 килокалории на грам, грамовете се съкращават и после умножаваш 4 по 2000. Това ще е 8000 килокалории на квадратен метър на година. Това е сумарната първична продуктивност, понеже не включва енергията за дишане на растенията. Как може да се изчисли брутната първична продуктивност? Няма да можеш директно, но можеш да я пресметнеш, като определиш скоростта на дишане. Ако вземеш някои растения от екосистемата и ги сложиш в тъмна стая без светлина, и видиш колко кислород поглъщат или трябва да използват, това ти дава представа за процеса на дишането им. И има начини да използваш съотношението между кислорода и въглерода, за да оцениш количествено процеса на дишане. А после, ако знаеш сумарната първична продуктивност и скоростта на дишане, можеш да изчислиш брутната първична продуктивност. Но ще приключим тук, понеже това са полезни измервания. Много е полезно да мислим откъде идва енергията, която ни позволява да живеем, но е полезно и за еколозите да мислят колко продуктивна е една екосистема или какво я прави повече или по-малко продуктивна. И както ще видим, тези стойности тук са характерни за системи с висока сумарна първична продуктивност. Ако бяхме в пустинна екосистема, тази стойност може да е няколко стотин, а не около 8000.