stringtranslate.com

Производительность (экология)

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 (г -2 сут -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] Производительность обычно делится на две категории: первичная и вторичная производительность.

Основное производство

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

Фотоавтотрофы

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 посредством развития пластид , полученных 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 из 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

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 первичного производства, возможная в экосистемах без света, таких как экосистемы подземных вод , [14] экосистемы гидротермальных жерл , [15] почвенные экосистемы , [16] и пещерные экосистемы. [17]

Вторичное производство

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. Вторичная продукция иногда определяется как включающая только потребление первичных производителей травоядными консументами [18] (под третичной продукцией подразумеваются плотоядные консументы) [19] , но чаще всего ее определяют как включающую всю генерацию биомассы гетеротрофами. [1]

К организмам, ответственным за вторичное производство, относятся животные, протисты , грибы и многие бактерии. [ нужна цитата ]

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, следует ли выделять когорты , можно ли предполагать линейную смертность и является ли рост населения экспоненциальным. [ нужна цитата ]

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

Ниже приводится список экосистем в порядке убывания продуктивности. [ нужна цитата ]

Взаимосвязь видового разнообразия и продуктивности

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, посвященным взаимосвязи между разнообразием растений и функционированием экосистем, продуктивность увеличивается по мере увеличения видового разнообразия. [25] Одной из причин этого является то, 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] Исследование пастбищных экосистем в Европе, проведенное в 1999 году, например, 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

Антропогенная деятельность (деятельность человека) повлияла на продуктивность и биомассу ряда 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]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ аб 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.
  2. ^ Агентство по охране окружающей среды США, ORD (01 ноября 2017 г.). «Экологическое состояние». www.epa.gov . Проверено 27 апреля 2023 г.
  3. ^ 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. 
  4. ↑ Вудвелл, Джордж (1 августа 2015 г.). «Первичная продукция в наземных экосистемах». Американский зоолог . 8 :19–30. дои : 10.1093/icb/8.1.19 .
  5. ^ 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. 
  6. ^ 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. 
  7. ^ 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. 
  8. ^ 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. 
  9. ^ Маргулис, Л. (1968-09-06). «Эволюционные критерии таллофитов: радикальная альтернатива». Наука . 161 (3845): 1020–1022. Бибкод : 1968Sci...161.1020M. дои : 10.1126/science.161.3845.1020. PMID  17812802. S2CID  21929905.
  10. ^ 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.
  11. ^ 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. ПМЦ 8072474 . ПМИД  33912198. 
  12. ^ аб 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 . PMID  29512175. S2CID  3731086.
  13. ^ 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 CO2 в экосистемах подземных вод карбонатных / кремнеобломочных пород». Архея . 2017 : 1–13. дои : 10.1155/2017/2136287 . ПМЦ 5485487 . ПМИД  28694737. 
  14. ^ Гриблер, К.; Людерс, Т. (2009). «Микробное биоразнообразие в экосистемах подземных вод». Пресноводная биология . 54 (4): 649–677. дои : 10.1111/j.1365-2427.2008.02013.x .
  15. ^ 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 .
  16. ^ Дрейк, Хенрик; Иварссон, Магнус (01 января 2018 г.). «Роль анаэробных грибов в фундаментальных биогеохимических циклах глубокой биосферы». Обзоры грибковой биологии . 32 (1): 20–25. дои : 10.1016/j.fbr.2017.10.001. S2CID  89881167.
  17. ^ Галасси, депутат парламента Дианы; Фиаска, Барбара; Ди Лоренцо, Тициана; Монтанари, Алессандро; Порфирио, Сильвано; 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. дои : 10.1007/s10452-016-9599-7. S2CID  41641625.
  18. ^ «Определение термина: «Вторичное производство»» . Глоссарий. Таблица . ФишБаза . Проверено 3 декабря 2009 г.
  19. ^ «Определение термина: «Третичное производство»» . Глоссарий. Таблица . ФишБаза . Проверено 3 декабря 2009 г.
  20. ^ Аллен, КР (1951). «Ручей Хорокиви: исследование популяции форели». Бюллетень рыболовства Морского департамента Новой Зеландии . 10 :1–238.
  21. ^ 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. дои : 10.1007/s10021-005-0036-3. ISSN  1432-9840. S2CID  5890190.
  22. ^ «Поток энергии: первичное производство». www.globalchange.umich.edu . Проверено 28 апреля 2023 г.
  23. ^ Рандерсон, Дж. Т.; 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.
  24. ^ Брун, Филипп; Циммерманн, Никлаус Э.; Грэм, Кэтрин Х.; Лавернь, Себастьен; Пеллиссье, Лоик; Мюнкемюллер, Тамара; Тюллер, Вильфрид (12 декабря 2019 г.). «Взаимосвязь производительности 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. 
  25. ^ Аб 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 : 2005PNAS..102..695V. дои : 10.1073/pnas.0407524102 . ISSN  0027-8424. ПМК 545547 . ПМИД  15640357. 
  26. ^ 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.
  27. ^ Фрейзер, Лаучлан 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. doi : 10.1126/science.aab3916. hdl : 11336/22771 . ISSN  0036-8075. JSTOR  24748582. PMID  26185249. S2CID  11207678.
  28. ^ 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.
  29. ^ 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. 
  30. ^ 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. 
  31. ^ 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 пастбищ». Экологические письма . 25 (4): 754–765. дои : 10.1111/ele.13946. hdl : 1874/419064 . ISSN  1461-023X. PMID  34957674. S2CID  245517664.
  32. ^ Конли, Дэниел Дж.; Паерл, Ханс В.; Ховарт, Роберт В.; Бош, Дональд Ф.; Зейтцингер, 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. PMID  19229022. S2CID  28502866.