Biosfääri läbiv energiavoog. Ökopüramiid

Sissejuhatus

Selles peatükis õpime, millised on ainete ja energia liikumise seaduspärasused toiduahelas. Sarnaselt toitainetele liiguvad toiduahelates ka saasteained.
Noore merikotka lugu
Üks perekond leidis metsast haige kotka. Noor merikotkas oli nälginud, suled kohati murdunud. Et kahjustatud suled ei lase linnul lennata ega toitu hankida, siis seletab see linnu üldist nõrkust ja kriitilist seisukorda. Loomaarst diagnoosis merikotkal pliimürgituse.
Plii satub looduskeskkonda jahi- ja kalameeste vahendusel. Raskemetallist põhjustatud mürgistus tekitab lindudel tajuhäireid, sulgede katkemist jms, mis võib lõpuks viia hukkumiseni.
Lisaks raibetest toituvatele kotkastele on plii ohuks ka veekogu põhjast toitu otsivatele lindudele, kes neelavad pliihaavleid toiduotsimise käigus. Kõige rohkem mõjutab see parte, hanesid ja luiki ning omakorda neist toituvaid loomi. Populaarsetes linnujahi kohtades võib pliihaavlite hulk veekogu põhjas olla väga suur- ekspertide hinnangul võib ühe küti poolt keskkonda tulistatud pliihaavlite kogus ulatuda kuni kolme kilogrammini päevas. Tagajärjena leitakse igal aastal kas surnud või haigeid linde, kes on saanud mürgituse pliihaavleid neelates või saastunud ulukiliha süües. Eelmainitu tõttu on tänaseks päevaks Euroopas arutamisel pliihaavlite keelustamine ja pliivaba laskemoona kasutuselevõtt.
Meie kõnealune merikotkas sai pärast mitmekuist ravi vabaduses olla vaid ühe kuu, sai siis uuesti pliimürgituse ja suri mõni päev hiljem.
Varemõpitust teame, et kotkas on toiduahela tipus asuv tipptarbija. Ärgem unustagem, et sageli on tipptarbijaks inimene ise.

Õpieesmärgid

Selle peatüki lõpuks:
teate,

• miks on biosfääri läbiv energiavoog Maal eksisteeriva elu aluseks;
• millised on Maa biosfääris aine ja energia liikumise üldised seaduspärasused;
• mis on ökoloogiline püramiid;

oskate

• lahendada ökoloogilise püramiidi reeglite ülesandeid;
• koostada ja analüüsida biosfääri läbiva energiavoo muutuste skemaatilisi jooniseid.

Biosfäär kui Maa suurim ökosüsteem

Biosfäär on Maad ümbritsev elusloodust sisaldav kiht, mille moodustavad muld-, vee- ja õhkkeskkond ehk teisiti nimetatult lito-, pedo- ja hüdrosfäär ning atmosfääri alumised kihid (joonis 4.2.6.1.). Biosfääri vertikaalne ulatus on umbes 40 km.
Biosfäär:
1. Atmosfäär:
Atmosfäär on Maad ümbritsev õhukiht, mis ulatub 1000-1200 km kõrgusele. Õhku leidub mullas, vees ja see liigub Maa kohal. Atmosfäär sisaldab hapnikku, lämmastikku, süsihappegaasi, veeauru jpm. 20-50 km kõrgusel asub osoonikiht, mis kaitseb Maa elustikku lühilainelise UV kiirguse eest
2. Litosfäär:
Litosfäär on maakoore väline kivimiline kiht. Selle ülemine osa –
2.1 Pedosfäär:
pedosfäär - pakub elupaika mullaelustikule: seentele, mikroobidele, taimedele ja loomadele. Organismid toodavad mulla orgaanilist osa, mineraalne osa pärineb litosfääri sügavamatest kihtidest. Litosfääri paksus on 50-200 kilomeetrit
3. Hüdrosfäär:
Hüdrosfäär koosneb keemiliselt sidumata veest. Hüdrosfääri moodustavad jõed, järved, ookeanid, põhja- ja pinnavesi, liustike, soode ning atmosfääri vesi jm. Hüdrosfäär katab Maa pinda väga erineva paksuse kihina ja näiteks kõrbes ei ole seda vahel üldse.
4. Ökosfäär:
Ökosfäär on Maa ökosüsteemide kogum.
4.1. Sotsiosfäär:

Vahel räägitakse ka sotsiosfäärist, mille moodustab see osa biosfäärist, mida asustavad inimesed koos nende tegevusest tuleneva mõjuga.

Aineringe ja energiavoog

Kordame varemõpitut:
Organismid vajavad toitu a) energia saamiseks ja b) organismile omaste ühendite (biomolekulide) sünteesiks.
Järgnevalt tuletame varemõpitust meelde, 

• kuidas toitained ökosüsteemis liiguvad ja kust tuleb selleks energia; 
• mis on aineringe ja energiavoog.

Aineringe ja energiavoog

Kordame varemõpitut:
Organismid vajavad toitu a) energia saamiseks ja b) organismile omaste ühendite (biomolekulide) sünteesiks.
Järgnevalt tuletame varemõpitust meelde, 

• kuidas toitained ökosüsteemis liiguvad ja kust tuleb selleks energia; 
• mis on aineringe ja energiavoog.

Aineringe

Joonis 4.2.6.2. Toitained püsivad molekulidena pidevalt aineringes. Aineringet hoiab töös päikeseenergia.

Tootjatel (rohelistel taimedel, vetikatel ja fotosünteesivatel bakteritel) on võime päikeseenergia toimel, kasutades süsihappegaasi, vett ja mineraalseid ühendeid, toota orgaanilist ainet, st üles ehitada oma keha. Tootjad on toiduks taimtoidulistele tarbijatele, keda omakorda söövad lihatoidulised tarbijad. Nii taimed kui loomad saavad pärast surma roaks lagundajatele, kes muudavad surnud orgaanilise aine lihtsamateks ühenditeks. Selliseid lihtsamaid ühendeid saavad taimed jälle fotosünteesil kasutada. Niisugust toitainete liikumist elus- ja eluta looduse vahel nimetatakse aineringeks (joonis 4.2.6.2). Sel moel püsivad toitained molekulidena aineringes ja neid saab põhimõtteliselt lõputult taaskasutada. Aineringe käigushoidmiseks vajalik energia tuleb tootjate vahendusel päikeselt. 

Toiduahela lülid moodustavad troofilised tasemed

Täitke lüngad. 

Esimese troofilise taseme moodustavad tootjad, kes toodavad . Tootjateks on rohelised taimed, vetikad ja fotosünteesivad bakterid. Nad fotosünteesivad päikesevalguses orgaanilisi aineid, kasutades selleks , vett ja mineraalseid ühendeid. Taimedele on olulised põhielemendid nagu lämmastik, fosfor, kaltsium, kaalium, magneesium jt, mida nad saavad juurtega .
Teisel troofilisel tasemel on , kes kasutavad toiduks teisi elusorganisme, st valmis orgaanilist ainet. Tarbijad jaotatakse vastavalt toiduobjektile: rohusööjad,   ja kiskjad.
Lagundajad tarbivad kõigi eelnevate tasemete surnud  ainet, muutes need taas mineraalseteks ühenditeks. Tekkinud lihtsamaid ühendeid on  võimalik uuesti kasutada.

Energiavoog

Joonis 4.2.6.3.  Päikeseenergia liigub taimede kaudu kõigile teistele troofilistele tasemetele

Maa ökosüsteemid saavad energiat päikesekiirgusena. Päikeseenergia liigub taimede kaudu kõigile teistele, erinevatel troofilistel tasemetel asuvatele elusolenditele. Osa päikeselt saadud energiast omastatakse organismide poolt, teine osa energiast hajub soojusena õhku. Seega hajub igast aineringe lülist soojust atmosfääri ja fotosünteesivad organismid toovad energiat pidevalt aineringesse juurde (joonis 4.2.6.3.).
Kokkuvõtteks
Eelnevalt nägime, kuidas päikese kiirgusenergia muundub taimede kloroplastides keemiliste sidemete energiaks. Seega - energiat ei teki ega kao, vaid muundub ühest vormist teise.

Energia ülekandumine ühelt troofiliselt tasemelt teisele

Aine- ja energiaringed näitavad eluta ja eluslooduse kõige üldisemaid seoseid Maal.
Aineringe näitab, kuidas eluta ainest tekib orgaaniline aine ja kuidas seda ökosüsteemi peamiste organismirühmade poolt kasutatakse.
Energiaringe näitab, kuidas elusorganismid seovad ja kasutavad päikeselt saadud energiat.
Kuna iga energiaülekande juures muutub osa energiast soojuseks ja hajub õhku, siis toiduvõrguga seoses tuleneb siit kaks järeldust:

• Aineringesse peab kogu aeg lisanduma uut päikeseenergiat, sest osa fotosünteesist saadud energiast kaob toiduvõrgust soojusena. On üldteada tõde, et võimatu on luua igiliikurit, seesama kehtib ka ökosüsteemi kohta!
• Kuna iga samm toiduahelas toob kaasa soojuskao, siis iga toiduahela järgmisel tasemel on saadaval aina vähem energiat.

Ökoloogid kinnitavad, et üleminekul ühelt lülilt teisele salvestub organismidesse ligikaudu 10% energiast ja ülejäänud 90% hajub õhku. Igas järgmises tasemes talletub omakorda 10% eelmise troofilise taseme energiahulgast. Sel põhjusel ei saa saakloomi olla vähem, kui neist toituvaid röövloomi. Teiseks, toiduahel ei saa olla lõpmatult pikk, sest tootjate poolt vahendatud energia saab ahelas otsa - seetõttu ei ole ka toiduahelas tavaliselt rohkem kui 4-5 lüli.

Ökosüsteemi troofilised tasemed moodustavad ökoloogilise püramiidi

Vastavalt eelpool öeldule võime ette kujutada järgnevat:
Selleks, et kotkas kosuks 2 kilogrammi, peaks ta ära sööma õige mitu nugist (ühest jääb kindlasti väheks)! Vastavalt ökoloogide uuringutele kulub selleks kokku umbes 20 kilo liha. Nugised on lihatoidulised metsloomad, kes toituvad väiksematest loomadest. Olgu siin näiteks toodud oravad, kokku 200 kilo liha. Oravad on taimtoidulised ja nende (nugistele söömiseks) piisavas koguses üles kasvatamiseks kulub kokku 2000 kg ehk 2 tonni taimset materjali – seemneid, pähkleid jms. Võib vaid arvata, kui palju päikeseenergiat tuli taimedel siduda, et ise kasvada ning kanda vilja rohkem kui 200 käbikuninga toitmiseks!

Ülaltoodud näide on ülimalt lihtsustatud, sest raske on üles lugeda kõiki olendeid, keda järgmine troofiline tase toiduks kasutab. Seepärast on võetud kasutusele biomassi mõiste:
biomass on teatud organismide kogumass kindlal ajahetkel mingil kindlal alal (nt ökosüsteemis).
Biomassi või energia jagunemist ökosüsteemis näidatakse ökoloogilise püramiidina, kus troofilised tasemed kujutavad püramiidi astmeid: tootjad, taimtoidulised, kiskjad (joonis 4.2.6.4.).
Energia ülekanne ühelt troofiliselt tasemelt teisele sarnaneb biomassi jaotusega toiduahelas: organismides talletatakse vaid umbes 10% toidus (eelmisel troofilisel tasemel) sisalduvast energiast. Järelikult saavad taimtoidulised salvestada ligikaudu 10% tootjate biomassi energiast ja lihatoidulised ca 10% taimtoiduliste biomassi energiast. Sellest järeldub, et biomass ja energia vähenevad ökoloogilises püramiidis kiiresti kõrgemate troofiliste tasemete suunas. Energia jaotumist iseloomustav ökoloogiline püramiid on alati ülalt kitsenev, biomassi jaotumist iseloomustava püramiidi puhul see alati nii ei ole.
Toiduahelad näitavad, millised on ökosüsteemis toitumissuhted, ökoloogiline püramiid näitab graafiliselt arvulist suhet troofiliste tasemete vahel.

Joonis 4.2.6.4.  Ökoloogiline püramiid koosneb troofilistest tasemetest.

Ökoloogilise püramiidi reegel

Eelpool öeldust tuleneb ökoloogilise püramiidi reegel:
iga järgmise troofilise taseme biomass on umbes 10% eelmise taseme biomassist
Näide:
Ühes järves elavad ahvenad tarvitasid teatud aja jooksul toiduks 500 kg veeloomi. Nende toiduks on loomhõljum, väiksemad kalad jt veeloomad. Kui palju võib suureneda ahvenatest toituvate haugide biomass? Mitu kala see võib olla?

Lahendus:

Moodustame toiduahela ülesandes nimetatud organismidest:
Veeloomad – ahvenad – haugid
Et iga järgnev lüli saab talletada oma biomassis 10% toiduks tarbitud biomassist, siis saab ahvenate biomass suureneda 10%:
500 x 10% = 500 x 0,1 = 50 kg
Eelnevaga sarnaselt saab haugide biomassis talletuda 10%:
50 kg x 10% = 50 kg x 0,1 = 5 kg
Vastus: haugide biomass suureneb maksimaalselt 5 kg.

 

Kokkuvõte

Päike on Maa energiaallikas ja tänu päikesekiirgusele käivitub valdav enamus loodusprotsessidest.
Fotosünteesijatel on võime siduda päikeseenergiat ja see liigub kõigile teistele elusolenditele aineringe troofilistel tasemetel: tootjad, taimtoidulised tarbijad, loomtoidulised tarbijad. Osa päikeselt taimede kaudu vahendatud energiast omastatakse organismide poolt, osa energiast hajub soojusena õhku. Seega on igal järgmisel troofilisel tasemel kasutada vähem energiat. Et igas järgmises tasemes talletub vaid osa eelmise taseme energiahulgast, siis võib energia või ainete liikumist ökosüsteemis kujutada püramiidina. Seega liigub energia ühelt troofiliselt tasemelt teisele üha kahaneva voona. Vahendades päikesekiirguse energiat, toovad tootjad ökosüsteemi pidevalt energiat juurde.

Mõisted

biomass
ökoloogiline püramiid