Производительность (экология)
| Часть серии о |
| Биология |
|---|
 |
В экологии термин продуктивность относится к скорости образования биомассы в экосистеме , обычно выражаемой в единицах массы на объем (единицу поверхности) в единицу времени, например, в граммах на квадратный метр в день (гм). −2 д −1 ). Единица массы может относиться к сухому веществу или к массе образовавшегося углерода . Продуктивность автотрофов , например растений , называется первичной продуктивностью , а продуктивность гетеротрофов , например животных , — вторичной продуктивностью . [1]
На продуктивность экосистемы влияет широкий спектр факторов, включая наличие питательных веществ, температуру и наличие воды. Понимание экологической продуктивности имеет жизненно важное значение, поскольку оно дает представление о том, как функционируют экосистемы и в какой степени они могут поддерживать жизнь. [2]
Первичное производство
[ редактировать ]Первичное производство — это синтез органического материала из неорганических молекул. В первичном производстве в большинстве экосистем преобладает процесс фотосинтеза , при котором организмы синтезируют органические молекулы из солнечного света , H 2 O и CO 2 . [3] Первичная водная продуктивность относится к производству органических веществ, таких как фитопланктон, водные растения и водоросли, в водных экосистемах, которые включают океаны, озера и реки. Первичная продуктивность суши относится к производству органического вещества, которое происходит в наземных экосистемах, таких как леса, луга и водно-болотные угодья.
Первичное производство делится на чистое первичное производство (NPP) и валовое первичное производство (GPP). Валовое первичное производство измеряет весь углерод, ассимилированный в органические молекулы первичными производителями. [4] Чистое первичное производство измеряет количество органических молекул первичными производителями. Чистая первичная продукция также измеряет количество углерода, ассимилированного в органические молекулы первичными продуцентами, но не включает органические молекулы, которые затем снова расщепляются этими организмами для биологических процессов, таких как клеточное дыхание . [5] Формула, используемая для расчета ЧПП: чистая первичная продукция = валовая первичная продукция - дыхание.
Первичные производители
[ редактировать ]Фотоавтотрофы
[ редактировать ]
Организмы, которые полагаются на энергию света для фиксации углерода и, таким образом, участвуют в первичном производстве, называются фотоавтотрофами . [6]
Фотоавтотрофы существуют на всем древе жизни. Известно, что многие бактериальные таксоны являются фотоавтотрофными, например цианобактерии. [7] и некоторые Pseudomonadota (ранее протеобактерии). [8] Эукариотические организмы получили способность участвовать в фотосинтезе за счет развития пластид, возникших в результате эндосимбиотических отношений. [9] Археопластиды , в состав которых входят красные , зеленые водоросли и растения, развили хлоропласты, возникшие в результате древних эндосимбиотических отношений с альфапротеобактериями . [10] Продуктивность растений, хотя они и являются фотоавтотрофами, также зависит от таких факторов, как соленость и абиотические стрессоры окружающей среды. [11] Остальные эукариотические фотоавтотрофные организмы относятся к кладе SAR (включая Stramenopila , Alveolata и Rhizaria ). Организмы клады SAR, развившие пластиды, сделали это посредством вторичных или третичных эндосимбиотических отношений с зелеными и/или красными водорослями. [12] Клада SAR включает в себя множество водных и морских первичных продуцентов, таких как водоросли , диатомовые водоросли и динофлагелляты . [12]
Литоавтотрофы
[ редактировать ]
Другой процесс первичной продукции — литоавтотрофия . Литоавтотрофы используют восстановленные химические соединения, такие как газообразный водород , сероводород , метан или ионы железа , для фиксации углерода и участия в первичном производстве. Литоавтотрофные организмы являются прокариотами и представлены представителями как бактериального, так и архейного доменов. [13] Литоавтотрофия — единственная форма первичной продукции, возможная в экосистемах без света, таких как подземных вод , экосистемы [14] гидротермальные жерловые экосистемы, [15] почвенные экосистемы , [16] и пещерные экосистемы. [17]
Вторичное производство
[ редактировать ]Вторичная продукция — это образование биомассы гетеротрофных ( потребительских ) организмов в системе. Это обусловлено переносом органического материала между трофическими уровнями и представляет собой количество новых тканей, созданных в результате использования ассимилированной пищи. Вторичное производство иногда определяется как включающее только потребление первичных производителей травоядными потребителями. [18] (третичное производство относится к плотоядным потребителям), [19] но чаще всего его определяют как включающее все образование биомассы гетеротрофами. [1]
К организмам, ответственным за вторичное производство, относятся животные, протисты , грибы и многие бактерии. [ нужна ссылка ]
Вторичную продукцию можно оценить с помощью ряда различных методов, включая суммирование приращений, суммирование удалений, метод мгновенного роста и метод кривой Аллена. [20] Выбор между этими методами будет зависеть от предположений каждого из них и исследуемой экосистемы. Например, когорты следует ли выделять , можно ли предполагать линейную смертность и является ли рост населения экспоненциальным. [ нужна ссылка ]
Чистая продукция экосистемы определяется как разница между валовой первичной продукцией (ВПП) и дыханием экосистемы. [21] Формула для расчета чистой продукции экосистемы: NEP = GPP – дыхание (автотрофами) – дыхание (гетеротрофами). [22] Ключевое различие между NPP и NEP заключается в том, что NPP фокусируется в первую очередь на автотрофном производстве, тогда как NEP включает вклад других аспектов экосистемы в общий углеродный баланс. [23]
Производительность
[ редактировать ]Ниже приводится список экосистем в порядке убывания продуктивности. [ нужна ссылка ]
| Продюсер | Продуктивность биомассы (гС/м²/год) |
| Болота и топи | 2,500 |
| Коралловые рифы | 2,000 |
| Водорослевые заросли | 2,000 |
| Устья рек | 1,800 |
| Умеренные леса | 1,250 |
| Возделываемые земли | 650 |
| Тундра | 140 |
| Открытый океан | 125 |
Взаимосвязь видового разнообразия и продуктивности
[ редактировать ]Связь между продуктивностью растений и биоразнообразием является важной темой в экологии, хотя на протяжении десятилетий она остается спорной. Как продуктивность, так и видовое разнообразие ограничиваются другими переменными, такими как климат, тип экосистемы и интенсивность землепользования. [24] Согласно некоторым исследованиям взаимосвязи между разнообразием растений и функционированием экосистем, продуктивность увеличивается по мере увеличения видового разнообразия. [25] Одна из причин этого заключается в том, что вероятность обнаружения высокопродуктивных видов увеличивается по мере увеличения количества видов, изначально присутствующих в экосистеме. [25] [26]
Другие исследователи полагают, что связь между видовым разнообразием и продуктивностью внутри экосистемы унимодальна. [27] Например, исследование пастбищных экосистем в Европе, проведенное в 1999 году, показало, что увеличение видового разнообразия первоначально увеличивало продуктивность, но постепенно стабилизировалось на промежуточных уровнях разнообразия. [28] Совсем недавно метаанализ 44 исследований различных типов экосистем показал, что взаимодействие между разнообразием и производством было унимодальным во всех исследованиях, кроме одного. [29]
Человеческое взаимодействие
[ редактировать ]Антропогенная деятельность (деятельность человека) повлияла на продуктивность и биомассу некоторых экосистем. Примеры этой деятельности включают изменение среды обитания, потребление пресной воды, увеличение количества питательных веществ за счет удобрений и многие другие. [30] Увеличение количества питательных веществ может стимулировать цветение водорослей в водоемах, увеличивая первичную продукцию, но делая экосистему менее стабильной. [31] Это повысит вторичное производство и окажет трофический каскадный эффект по всей пищевой цепи, что в конечном итоге повысит общую продуктивность экосистемы. [32]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Аллаби, Майкл, изд. (2006) [1994]. Экологический словарь (Третье изд.). Оксфорд, Великобритания: Издательство Оксфордского университета . ISBN 978-0-19-860905-6 . Проверено 3 декабря 2009 г.
- ^ Агентство по охране окружающей среды США, ORD (1 ноября 2017 г.). «Экологическое состояние» . www.epa.gov . Проверено 27 апреля 2023 г.
- ^ Джонсон, Мэтью П. (26 октября 2016 г.). «Фотосинтез» . Очерки по биохимии . 60 (3): 255–273. дои : 10.1042/EBC20160016 . ISSN 0071-1365 . ПМК 5264509 . ПМИД 27784776 .
- ^ Вудвелл, Джордж (1 августа 2015 г.). «Первичная продукция в наземных экосистемах» . Американский зоолог . 8 :19–30. дои : 10.1093/icb/8.1.19 .
- ^ Ю, Бо; Чен, Фанг (2 августа 2016 г.). «Глобальные факторы воздействия чистой первичной продукции в различных типах растительного покрова с 2005 по 2011 год» . СпрингерПлюс . 5 (1): 1235. doi : 10.1186/s40064-016-2910-1 . ISSN 2193-1801 . ПМК 4971002 . ПМИД 27536518 .
- ^ Сконьямиглио, Вивиана; Джарди, Мария Тереза; Заппи, Даниэле; Тулупакис, Элефтериос; Антоначчи, Амина (январь 2021 г.). «Совместные культуры фотоавтотрофов и бактерий: достижения, проблемы и приложения» . Материалы . 14 (11): 3027. Бибкод : 2021Mate...14.3027S . дои : 10.3390/ma14113027 . ISSN 1996-1944 гг . ПМЦ 8199690 . ПМИД 34199583 .
- ^ Сингх, Джей Шанкар; Кумар, Арун; Рай, Амар Н.; Сингх, Девендра П. (2016). «Цианобактерии: ценный биоресурс в сельском хозяйстве, экосистеме и экологической устойчивости» . Границы микробиологии . 7 : 529. дои : 10.3389/fmicb.2016.00529 . ISSN 1664-302X . ПМЦ 4838734 . ПМИД 27148218 .
- ^ Тан, Го-Сян; Тан, Иньцзе Дж.; Бланкеншип, Роберт Юджин (2011). «Пути метаболизма углерода у фототрофных бактерий и их более широкие эволюционные последствия» . Границы микробиологии . 2 : 165. дои : 10.3389/fmicb.2011.00165 . ПМК 3149686 . ПМИД 21866228 .
- ^ Маргулис, Л. (6 сентября 1968 г.). «Эволюционные критерии таллофитов: радикальная альтернатива». Наука . 161 (3845): 1020–1022. Бибкод : 1968Sci...161.1020M . дои : 10.1126/science.161.3845.1020 . ПМИД 17812802 . S2CID 21929905 .
- ^ Форд Дулиттл, W (1 декабря 1998 г.). «Вы то, что вы едите: храповик для переноса генов может объяснить бактериальные гены в ядерных геномах эукариот». Тенденции в генетике . 14 (8): 307–311. дои : 10.1016/S0168-9525(98)01494-2 . ПМИД 9724962 .
- ^ Харман, Гэри; Хадка, Рам; Дони, Фебри; Апхофф, Норман (2021). «Польза для здоровья и продуктивности растений от улучшения микробных симбионтов растений» . Границы в науке о растениях . 11 : 610065. doi : 10.3389/fpls.2020.610065 . ISSN 1664-462X . ПМК 8072474 . ПМИД 33912198 .
- ^ Перейти обратно: а б Гратепанш, Жан-Давид; Уокер, Лаура М.; Отт, Бриттани М.; Паим Пинто, Даниэла Л.; Делвич, Чарльз Ф.; Лейн, Кристофер Э.; Кац, Лаура А. (2018). «Микробное разнообразие в эукариотической кладе SAR: проясняя тьму между морфологией и молекулярными данными» . Биоэссе . 40 (4): e1700198. doi : 10.1002/bies.201700198 . ПМИД 29512175 . S2CID 3731086 .
- ^ Лазар, Кассандра Сара; Столл, Венке; Леманн, Роберт; Херрманн, Мартина; Шваб, Валери Ф.; Акоб, Дениз М.; Наваз, Али; Вубет, Тесфайе; Бускот, Франсуа (13 июня 2017 г.). «Архейное разнообразие и фиксаторы CO 2 в экосистемах подземных вод карбонатных/кремнисто-обломочных пород» . Архея . 2017 : 1–13. дои : 10.1155/2017/2136287 . ПМЦ 5485487 . ПМИД 28694737 .
- ^ Гриблер, К.; Людерс, Т. (2009). «Микробное биоразнообразие в экосистемах подземных вод» . Пресноводная биология . 54 (4): 649–677. Бибкод : 2009FrBio..54..649G . дои : 10.1111/j.1365-2427.2008.02013.x .
- ^ Зиверт, Стефан; Ветриани, Константино (01 марта 2012 г.). «Хемоавтотрофия в глубоководных жерлах: прошлое, настоящее и будущее» . Океанография . 25 (1): 218–233. дои : 10.5670/oceanog.2012.21 . hdl : 1912/5172 .
- ^ Дрейк, Хенрик; Иварссон, Магнус (01 января 2018 г.). «Роль анаэробных грибов в фундаментальных биогеохимических циклах глубокой биосферы» . Обзоры грибковой биологии . 32 (1): 20–25. Бибкод : 2018FunBR..32...20D . дои : 10.1016/j.fbr.2017.10.001 . S2CID 89881167 .
- ^ Галасси, Диана, депутат парламента; Фиаска, Барбара; Ди Лоренцо, Тициана; Монтанари, Алессандро; Порфирий, Сильван; Фатторини, Симона (01 марта 2017 г.). «Биоразнообразие подземных вод в хемоавтотрофной пещерной экосистеме: как геохимия регулирует структуру сообщества микроракообразных». Водная экология . 51 (1): 75–90. Бибкод : 2017AqEco..51...75G . дои : 10.1007/s10452-016-9599-7 . S2CID 41641625 .
- ^ «Определение термина: «Вторичное производство» » . Глоссарий. Таблица . ФишБаза . Проверено 3 декабря 2009 г.
- ^ «Определение термина: «Третичное производство» » . Глоссарий. Таблица . ФишБаза . Проверено 3 декабря 2009 г.
- ^ Аллен, КР (1951). «Ручей Хорокиви: исследование популяции форели». Бюллетень рыболовства Морского департамента Новой Зеландии . 10 :1–238.
- ^ Ловетт, Гэри М.; Коул, Джонатан Дж.; Пейс, Майкл Л. (30 января 2006 г.). «Равно ли чистое производство экосистемы накоплению углерода в экосистеме?» . Экосистемы . 9 (1): 152–155. Бибкод : 2006Экоси...9..152Л . дои : 10.1007/s10021-005-0036-3 . ISSN 1432-9840 . S2CID 5890190 .
- ^ «Поток энергии: первичное производство» . www.globalchange.umich.edu . Проверено 28 апреля 2023 г.
- ^ Рандерсон, Джей Ти; Чапин, Ф.С.; Харден, Дж.В.; Нефф, Дж. К.; Хармон, Мэн (1 августа 2002 г.). «Чистая экосистемная продукция: комплексный показатель чистого накопления углерода экосистемами» . Экологические приложения . 12 (4): 937–947. doi : 10.1890/1051-0761(2002)012[0937:NEPACM]2.0.CO;2 . ISSN 1051-0761 . S2CID 54714382 .
- ^ Брун, Филипп; Циммерманн, Никлаус Э.; Грэм, Кэтрин Х.; Лавернь, Себастьен; Пеллиссье, Лоик; Мюнкемюллер, Тамара; Тюллер, Вильфрид (12 декабря 2019 г.). «Взаимосвязь продуктивности и биоразнообразия варьируется в зависимости от аспектов разнообразия» . Природные коммуникации . 10 (1): 5691. Бибкод : 2019NatCo..10.5691B . дои : 10.1038/s41467-019-13678-1 . ISSN 2041-1723 . ПМК 6908676 . ПМИД 31831803 .
- ^ Перейти обратно: а б ван Рейвен, Джаспер; Берендсе, Франк (18 января 2005 г.). «Отношения между разнообразием и производительностью: начальные эффекты, долгосрочные закономерности и основные механизмы» . Труды Национальной академии наук . 102 (3): 695–700. Бибкод : 2005ПНАС..102..695В . дои : 10.1073/pnas.0407524102 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 545547 . ПМИД 15640357 .
- ^ Вайде, РБ; Уиллиг, MR; Штайнер, CF; Миттельбах, Г.; Гоф, Л.; Додсон, С.И.; Джудей, врач общей практики; Парментер, Р. (ноябрь 1999 г.). «Связь между продуктивностью и видовым богатством» . Ежегодный обзор экологии и систематики . 30 (1): 257–300. doi : 10.1146/annurev.ecolsys.30.1.257 . ISSN 0066-4162 .
- ^ Фрейзер, Лохлан Х.; Питер, Джейсон; Йентч, Анке; Штернберг, Марсело; Зобель, Мартин; Аскаризаде, Диана; Барта, Сандор; Байеркунляйн, Карл; Беннетт, Джонатан А.; Биттел, Алекс; Болдгив, Базарцерен; Болдрини, Ильси И.; Борк, Эдвард; Браун, Лесли; Кабидо, Марсело (2015). «Всемирные доказательства унимодальной связи между продуктивностью и видовым богатством растений» . Наука . 349 (6245): 302–305. Бибкод : 2015Sci...349..302F . дои : 10.1126/science.aab3916 . hdl : 11336/22771 . ISSN 0036-8075 . JSTOR 24748582 . ПМИД 26185249 . S2CID 11207678 .
- ^ Гектор, А.; Шмид, Б.; Байеркунляйн, К.; Кальдейра, MC; Димер, М.; Димитракопулос, PG; Финн, Дж.А.; Фрейтас, Х.; Гиллер, PS; Хорошо, Дж.; Харрис, Р.; Хёгберг, П.; Хасс-Данелл, К.; Джоши, Дж.; Юмппонен, А. (5 ноября 1999 г.). «Опыты по разнообразию и продуктивности растений на европейских лугах» . Наука . 286 (5442): 1123–1127. дои : 10.1126/science.286.5442.1123 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 10550043 .
- ^ Кардинале, Брэдли Дж.; Райт, Джастин П.; Кадотт, Марк В.; Кэрролл, Ян Т.; Гектор, Энди; Шривастава, Дайан С .; Лоро, Мишель; Вайс, Джером Дж. (13 ноября 2007 г.). «Воздействие разнообразия растений на производство биомассы со временем увеличивается из-за взаимодополняемости видов» . Труды Национальной академии наук . 104 (46): 18123–18128. Бибкод : 2007PNAS..10418123C . дои : 10.1073/pnas.0709069104 . ISSN 0027-8424 . ПМК 2084307 . ПМИД 17991772 .
- ^ Исбелл, Форест; Райх, Питер Б.; Тилман, Дэвид; Хобби, Сара Э.; Поласки, Стивен; Биндер, Сет (16 июля 2013 г.). «Обогащение питательными веществами, потеря биоразнообразия и, как следствие, снижение продуктивности экосистем» . Труды Национальной академии наук . 110 (29): 11911–11916. Бибкод : 2013PNAS..11011911I . дои : 10.1073/pnas.1310880110 . ISSN 0027-8424 . ПМК 3718098 . ПМИД 23818582 .
- ^ Кэрролл, Оливер; Батцер, Эван; Бхарат, Сиддхартх; Борер, Элизабет Т.; Кампана, София; Эш, Эллен; Отье, Янн; Олерт, Тимоти; Сиблум, Эрик В.; Адлер, Питер Б.; Баккер, Джонатан Д.; Бидерман, Лори; Бугальо, Мигель Н.; Кальдейра, Мария; Чен, Цинцин (27 декабря 2021 г.). Пенуэлас, Хосеп (ред.). «Идентичность питательных веществ изменяет дестабилизирующие эффекты эвтрофикации лугов» . Экологические письма . 25 (4): 754–765. дои : 10.1111/ele.13946 . hdl : 1874/419064 . ISSN 1461-023X . ПМИД 34957674 . S2CID 245517664 .
- ^ Конли, Дэниел Дж.; Паерл, Ханс В.; Ховарт, Роберт В.; Бош, Дональд Ф.; Зейцингер, Сибил П.; Хэвенс, Карл Э.; Ланселот, Кристиана; Ликенс, Джин Э. (20 февраля 2009 г.). «Контроль эвтрофикации: азот и фосфор» . Наука . 323 (5917): 1014–1015. дои : 10.1126/science.1167755 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 19229022 . S2CID 28502866 .
