🔺

Ροή Ενέργειας: Τροφικές Αλυσίδες & Πυραμίδες

Τροφική αλυσίδα, τροφικό πλέγμα, τροφικά επίπεδα, πυραμίδες ενέργειας, βιομάζας, πληθυσμού, κανόνας του 10%

Γιατί με νοιάζει;

Ένα χωράφι με σιτάρι μπορεί να θρέψει περίπου 10.000 ανθρώπους. Αν το κάνεις βοσκότοπο και τρως το κρέας των ζώων, θρέφει μόνο περίπου 1.000. Πού «χάθηκαν» οι άλλοι 9.000; Η απάντηση κρύβεται σε έναν από τους πιο χρήσιμους κανόνες της Οικολογίας: τον κανόνα του 10%.

Ποιοτικές και ποσοτικές τροφικές σχέσεις

Οι τροφικές σχέσεις είναι ποιοτικές (ποιος τρώει ποιον) και ποσοτικές (πόση ποσότητα τρώει).

Οι ποιοτικές απεικονίζονται με τροφικές αλυσίδες και τροφικά πλέγματα.
Οι ποσοτικές με τροφικές πυραμίδες.

Τροφικές αλυσίδες και πλέγματα

Τροφική αλυσίδα: σχέσεις καταναλισκόμενου–καταναλωτή, όπου τα βέλη δείχνουν τη ροή ενέργειας (π.χ. λουλούδι → πεταλούδα → βάτραχος → φίδι).

Στην πραγματικότητα οι σχέσεις είναι πιο πολύπλοκες (τα φίδια τρώνε και ποντίκια, τις πεταλούδες τρώνε και πουλιά). Το δίκτυο που απεικονίζει το σύνολο των τροφικών σχέσεων ενός οικοσυστήματος είναι το τροφικό πλέγμα· οι τροφικές αλυσίδες είναι μέρη του.

Από ένα πλέγμα προβλέπουμε συνέπειες: αν ραντίσουμε με εντομοκτόνο, μειώνονται τα έντομα → οι εντομοφάγοι (δρυοκολάπτες, βάτραχοι) μεταναστεύουν ή μειώνονται → τα κοτσύφια τρώνε μόνο σαλιγκάρια, που λιγοστεύουν → τα ποώδη φυτά αυξάνονται → φίδια και κουκουβάγια μειώνονται κ.ο.κ.

Τροφικές πυραμίδες και τροφικά επίπεδα

Μια τροφική πυραμίδα αποτελείται από τροφικά επίπεδα (επάλληλα ορθογώνια)· σε καθένα ανήκουν οι οργανισμοί που απέχουν τον ίδιο αριθμό βημάτων από τον ήλιο:

1ο τροφικό επίπεδο (βάση): παραγωγοί,
2ο: καταναλωτές 1ης τάξης,
3ο: καταναλωτές 2ης τάξης κ.ο.κ.

Ανάλογα με το τι απεικονίζει: πυραμίδα ενέργειας, βιομάζας (ξηρή μάζα οργανισμών ανά μονάδα επιφάνειας) ή πληθυσμού. Το εμβαδόν κάθε ορθογωνίου είναι ανάλογο με το μέγεθος της μεταβλητής.

Ο κανόνας του 10%

Μόνο το 10% περίπου της ενέργειας ενός τροφικού επιπέδου περνά στο επόμενο· το 90% χάνεται, γιατί:

μέρος της χημικής ενέργειας μετατρέπεται με την κυτταρική αναπνοή σε μη αξιοποιήσιμες μορφές (θερμότητα),
δεν τρώγονται όλοι οι οργανισμοί,
ορισμένοι οργανισμοί πεθαίνουν,
μέρος της οργανικής ύλης αποβάλλεται με τα κόπρανα, που αποικοδομούνται.

Η ίδια πτωτική τάση (~90%) εμφανίζεται και στις πυραμίδες βιομάζας.

$E_{\nu+1} \approx 0{,}1 \cdot E_{\nu} \qquad E_{\nu} \approx E_1 \cdot (0{,}1)^{\nu - 1}$

Γρήγορος έλεγχος

Ποιο τροφικό επίπεδο καταλαμβάνουν οι καταναλωτές δεύτερης τάξης;

Εξαιρέσεις και δυσκολίες

Οι πυραμίδες πληθυσμού συνήθως έχουν πτωτική τάση, αλλά όταν υπάρχουν παρασιτικές σχέσεις ο πληθυσμός των ανώτερων επιπέδων γίνεται μεγαλύτερος: μια βελανιδιά με 1.000 κάμπιες, σε καθεμία 100 πρωτόζωα → ανεστραμμένη πυραμίδα πληθυσμού (1 → 1.000 → 100.000).
Η κατάταξη σε επίπεδα δεν είναι πάντα εύκολη: οργανισμοί φυτοφάγοι και σαρκοφάγοι ταυτόχρονα (άνθρωπος)· αλλαγή διατροφής ανάλογα με την εποχή (αλεπού)· ανάλογα με το στάδιο ζωής (γυρίνος φυτοφάγος, ώριμος βάτραχος εντομοφάγος).
Γι' αυτό οι κάτοικοι χωρών με υπερπληθυσμό είναι κυρίως χορτοφάγοι: τρώγοντας κρέας ο άνθρωπος περνά από καταναλωτής 1ης σε 2ης τάξης, με απώλεια ~90% της διαθέσιμης ενέργειας.

Κόλπο μνήμης

Φαντάσου ότι κάθε τροφικό επίπεδο είναι ένα ταμείο που κρατά το 90% για «έξοδα» (αναπνοή, θάνατοι, κόπρανα, ό,τι δεν φαγώθηκε) και περνά μόνο το 10% στο επόμενο. Για να βρεις την ενέργεια στο επίπεδο ν, διαίρεσε με το 10 σε κάθε σκαλί: 10.000 → 1.000 → 100 → 10.

Μέθοδος: υπολογισμοί σε τροφική πυραμίδα

Γράψε την αλυσίδα και αρίθμησε τα τροφικά επίπεδα (παραγωγοί = 1ο).
Ανεβαίνοντας ένα επίπεδο, πολλαπλασίασε με 0,1 (ενέργεια ή βιομάζα)· κατεβαίνοντας, πολλαπλασίασε με 10.
Αν δίνεται ενέργεια ανά kg, πολλαπλασίασε τη βιομάζα επί την ενέργεια ανά kg.
Για αριθμό ατόμων: συνολική βιομάζα επιπέδου ÷ μέση μάζα ατόμου.

Άσκηση: Σε μια αλυσίδα χορτάρι → ακρίδα → βάτραχος → φίδι, το χορτάρι έχει δεσμευμένη ενέργεια 50.000 kJ. Πόση ενέργεια φτάνει σε κάθε επίπεδο;

Λύση:

Χορτάρι (1ο): 50.000 kJ.
Ακρίδα (2ο): $0{,}1 \cdot 50.000 = 5.000\ \text{kJ}$ .
Βάτραχος (3ο): $0{,}1 \cdot 5.000 = 500\ \text{kJ}$ .
Φίδι (4ο): $0{,}1 \cdot 500 = 50\ \text{kJ}$ .

Άσκηση τύπου διαγωνίσματος: Σε μια λίμνη ισχύει η αλυσίδα φυτοπλαγκτόν → ζωοπλαγκτόν → ψάρια → υδρόβια πτηνά, και κάθε επίπεδο τρέφεται αποκλειστικά από το προηγούμενο. Η βιομάζα των ψαριών είναι $2 \cdot 10^4\ \text{kg}$ .

Δεδομένα: βιομάζα ψαριών (3ο επίπεδο) $= 2 \cdot 10^4\ \text{kg}$ · ενέργεια φυτοπλαγκτού $40\ \text{kJ/kg}$ · μέση μάζα πτηνού $2\ \text{kg}$ .

Ζητούμενα: (α) βιομάζα κάθε επιπέδου, (β) ενέργεια του φυτοπλαγκτού, (γ) πόσα πτηνά τρέφονται από την αλυσίδα.

Λύση:

(α) Ζωοπλαγκτόν $= 10 \cdot 2 \cdot 10^4 = 2 \cdot 10^5\ \text{kg}$ · φυτοπλαγκτόν $= 10 \cdot 2 \cdot 10^5 = 2 \cdot 10^6\ \text{kg}$ · πτηνά $= 0{,}1 \cdot 2 \cdot 10^4 = 2 \cdot 10^3\ \text{kg}$ .

(β) $2 \cdot 10^6\ \text{kg} \cdot 40\ \text{kJ/kg} = 8 \cdot 10^7\ \text{kJ}$ .

(γ) $\dfrac{2 \cdot 10^3\ \text{kg}}{2\ \text{kg}} = 1.000$ πτηνά.

Απάντηση: $2 \cdot 10^6$ , $2 \cdot 10^5$ , $2 \cdot 10^4$ , $2 \cdot 10^3\ \text{kg}$ · $8 \cdot 10^7\ \text{kJ}$ · 1.000 πτηνά.

Ήξερες ότι;

Ο «κανόνας του 10%» προέρχεται από την κλασική μελέτη του νεαρού Αμερικανού οικολόγου Raymond Lindeman (1942) σε μια μικρή λίμνη της Μινεσότα, όπου μέτρησε πόση ενέργεια περνά από το ένα τροφικό επίπεδο στο άλλο. Ο Lindeman πέθανε στα 27 του, λίγο πριν δημοσιευτεί η εργασία που θεμελίωσε τη μελέτη της ροής ενέργειας.

Γρήγορος έλεγχος

Πώς θα είναι η πυραμίδα πληθυσμού μιας βελανιδιάς με 1.000 κάμπιες, σε καθεμία από τις οποίες παρασιτούν 100 πρωτόζωα;

Πρόκληση

Μια έκταση με σιτάρι δίνει ενέργεια αρκετή για να τραφούν 10.000 άνθρωποι ως χορτοφάγοι. (α) Πόσοι άνθρωποι θα τρέφονταν αν το σιτάρι δινόταν πρώτα σε ζώα και οι άνθρωποι έτρωγαν μόνο το κρέας τους; (β) Αν οι μισοί άνθρωποι έτρωγαν μόνο σιτάρι και οι άλλοι μισοί μόνο κρέας (από το υπόλοιπο σιτάρι), πόσοι άνθρωποι θα τρέφονταν συνολικά, αν μοιραστεί εξίσου η έκταση;

Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση

(α) Ο άνθρωπος περνά από το 2ο στο 3ο τροφικό επίπεδο: $0{,}1 \cdot 10.000 = 1.000$ άνθρωποι.

(β) Η μισή έκταση θρέφει χορτοφάγους: $10.000 : 2 = 5.000$ . Η άλλη μισή θρέφει κρεοφάγους: $0{,}1 \cdot 5.000 = 500$ . Σύνολο $5.000 + 500 = 5.500$ άνθρωποι.

Γρήγορος έλεγχος

Ποιος από τους παρακάτω ΔΕΝ είναι λόγος απώλειας ενέργειας από ένα τροφικό επίπεδο στο επόμενο;

Συνηθισμένα λάθη

Τα βέλη δείχνουν «ποιος τρώει ποιον» ανάποδα. Δείχνουν τη ροή ενέργειας: από το καταναλισκόμενο προς τον καταναλωτή.
Τάξη καταναλωτή = τροφικό επίπεδο. Καταναλωτής ν τάξης → επίπεδο ν + 1.
Όλες οι πυραμίδες μπορεί να αναστραφούν. Ανεστραμμένη μπορεί να είναι η πυραμίδα πληθυσμού, όχι της ενέργειας.
Χάνεται το 10%. Περνά το 10%, χάνεται το 90%.

Σύνοψη — τι κρατάμε

Ποιοτικές σχέσεις: τροφική αλυσίδα (βέλη = ροή ενέργειας) και τροφικό πλέγμα (σύνολο σχέσεων).
Ποσοτικές: τροφικές πυραμίδες ενέργειας, βιομάζας, πληθυσμού· 1ο επίπεδο οι παραγωγοί.
Κανόνας 10%: $E_{\nu+1} \approx 0{,}1 \cdot E_{\nu}$ · το 90% χάνεται (αναπνοή, μη κατανάλωση, θάνατοι, κόπρανα).
Ανεστραμμένη πυραμίδα πληθυσμού σε παρασιτικές σχέσεις.
Χορτοφαγία = περισσότεροι άνθρωποι ανά έκταση.

Ποιοτικές και ποσοτικές τροφικές σχέσεις

Οι τροφικές σχέσεις είναι ποιοτικές (ποιος τρώει ποιον) και ποσοτικές (πόση ποσότητα τρώει).

Οι ποιοτικές απεικονίζονται με τροφικές αλυσίδες και τροφικά πλέγματα.

Οι ποσοτικές με τροφικές πυραμίδες.

Τροφικές αλυσίδες και πλέγματα

Τροφικές πυραμίδες και τροφικά επίπεδα

1ο τροφικό επίπεδο (βάση): παραγωγοί,

2ο: καταναλωτές 1ης τάξης,

3ο: καταναλωτές 2ης τάξης κ.ο.κ.

Ο κανόνας του 10%

Μόνο το 10% περίπου της ενέργειας ενός τροφικού επιπέδου περνά στο επόμενο· το 90% χάνεται, γιατί:

μέρος της χημικής ενέργειας μετατρέπεται με την κυτταρική αναπνοή σε μη αξιοποιήσιμες μορφές (θερμότητα),

δεν τρώγονται όλοι οι οργανισμοί,

ορισμένοι οργανισμοί πεθαίνουν,

μέρος της οργανικής ύλης αποβάλλεται με τα κόπρανα, που αποικοδομούνται.

Η ίδια πτωτική τάση (~90%) εμφανίζεται και στις πυραμίδες βιομάζας.