✨Dòng năng lượng (sinh thái học)

Dòng năng lượng là dòng năng lượng truyền qua các sinh vật sống trong hệ sinh thái. Mọi sinh vật sống đều tham gia chuỗi thức ăn, theo vai trò trong chuỗi mà được phân loại thành sinh vật sản xuất, sinh vật tiêu thụ và sinh vật phân giải. Mỗi mắt xích hay mỗi loài trong chuỗi thức ăn là một bậc dinh dưỡng. Động lực học dinh dưỡng liên quan đến nhiệt động lực học vì nó liên quan đến vận chuyển và biến đổi năng lượng (có nguồn gốc bên ngoài hệ sinh thái, chủ yếu là từ mặt trời thông qua bức xạ Mặt Trời) và giữa các sinh vật. Bắt đầu bằng quang hợp, nước (màu xanh lam) và carbon dioxide (màu trắng) từ không khí được hấp thụ bằng năng lượng mặt trời (màu vàng) và được chuyển hóa thành năng lượng thực vật (màu xanh lá cây). 100×10¹⁵ gam carbon/năm được các sinh vật quang hợp cố định, tương đương với 4×10¹⁸ kJ/năm = 4×10²¹ J/năm năng lượng tự do. Hô hấp tế bào là phản ứng ngược, trong đó năng lượng của thực vật được lấy vào, còn carbon dioxide và nước được thải ra. Từ đó carbon dioxide và nước có thể được tái chế trở lại thực vật.]] Bước đầu tiên trong quá trình truyền năng lượng trong hệ sinh thái là quang hợp, trong đó nước và carbon dioxide từ không khí được hấp thụ dưới ánh sáng mặt trời, rồi được chuyển đổi thành oxy và glucose. Hiệu suất sinh thái thấp (10%) chủ yếu do sinh vật hô hấp và năng lượng bị mất dưới dạng nhiệt. Sinh vật sản xuất rất quan trọng vì chúng chuyển đổi năng lượng từ Mặt Trời thành dạng năng lượng hóa học có thể dự trữ và sử dụng là ATP, glucose Quá trình này (được gọi là hóa tổng hợp) thường xảy ra sâu trong đại dương tại những miệng phun thủy nhiệt có sẵn nhiệt độ và các hóa chất như hydro, hydro sulfide và metan. Chỉ 1% năng lượng Mặt Trời đi vào sinh vật sản xuất, phần còn lại phản xạ ra vũ trụ hoặc tán xạ ở khí quyển và mặt đất. Nhìn chung, 60% năng lượng đi vào cơ thể sinh vật sản xuất được dùng cho hô hấp của chính sinh vật ấy. Sinh vật tiêu thụ thứ cấp có thể rất khác nhau về hiệu suất tiêu thụ. Hiệu quả của năng lượng truyền cho sinh vật tiêu thụ được ước tính là khoảng 10%.

Sản xuất thứ cấp trong môi trường trên cạn

Sinh vật tiêu thụ thường có thức ăn ở nhiều bậc dinh dưỡng. Hiệu suất đồng hóa thức ăn được thể hiện bằng lượng thức ăn mà sinh vật tiêu thụ đã ăn, mức độ mà sinh vật tiêu thụ đồng hóa được và mức độ chất thải ra ngoài như phân hoặc nước tiểu. Một phần lớn năng lượng (60 - 70%) hấp thu được từ thức ăn được sinh vật sử dụng để hô hấp, một phần năng lượng khác sẽ chuyển sang sinh khối trong cơ thể sinh vật tiêu thụ.

Mùn bã là một phần lớn chất hữu cơ trong hệ sinh thái. Chất hữu cơ trong rừng ôn đới chủ yếu được hình thành từ thực vật chết, chiếm khoảng 62%. Ngoài ra, sản xuất thứ cấp ở hệ sinh thái nước chảy bị ảnh hưởng lớn bởi mùn bã rơi xuống các dòng chảy; sản xuất sinh khối của hệ động vật đáy và độ phong phú giảm thêm 47–50% nếu hệ sinh thái bị mất đi lượng mùn bã này. Các cơ chế hoạt động ở mỗi con đường điều chỉnh cấu trúc bậc dinh dưỡng và quần xã trong một hệ sinh thái với những mức độ khác nhau. Con đường kiểm soát từ dưới lên liên quan đến các cơ chế dựa trên chất lượng và tính sẵn có của tài nguyên, kiểm soát năng suất sơ cấp, dòng năng lượng và sinh khối từ bậc dinh dưỡng thấp đến các bậc dinh dưỡng cao hơn. Ví dụ, ở hệ sinh thái thủy sinh, sản xuất sơ cấp cao hơn thường được tìm thấy ở những dòng sông lớn và hồ cạn hơn là ở hồ sâu và các dòng chảy đầu nguồn nước trong. Sản xuất sơ cấp thủy sinh chủ yếu là thực vật phù du đơn bào và nhỏ, chủ yếu bao gồm chất liệu quang hợp, cung cấp nguồn hiệu quả các chất dinh dưỡng này cho động vật ăn cỏ. Trên khắp các hệ sinh thái, có một mối liên hệ nhất quán giữa sự phát triển của động vật ăn cỏ và chất lượng dinh dưỡng của sinh vật sản xuất.]] Mô hình kiểm soát từ trên xuống lên sinh vật sản xuất sơ cấp cho thấy rằng việc kiểm soát dòng năng lượng tốt nhất xảy ra khi tỷ lệ kích cỡ của sinh vật tiêu thụ tới sinh vật sản xuất sơ cấp đạt mức cao nhất. Sự phân bố kích cỡ của các sinh vật được tìm thấy trong một bậc dinh dưỡng duy nhất trong các hệ thống thủy sinh hẹp hơn nhiều so với các hệ thống trên cạn. Trên cạn, kích thước của sinh vật tiêu thụ dao động từ nhỏ hơn thực vật mà nó tiêu thụ (chẳng hạn như côn trùng) đến lớn hơn đáng kể (chẳng hạn như động vật móng guốc), trong khi ở các hệ thủy sinh, kích thước cơ thể của sinh vật tiêu dùng trong một bậc dinh dưỡng biến đổi đổi ít hơn nhiều và có mối tương quan chặt chẽ với các vị trí dinh dưỡng. Do đó, sự khác biệt về quy mô giữa sinh vật sản xuất và sinh vật tiêu thụ trong môi trường thủy sinh lớn hơn so với trên cạn, dẫn đến khả năng kiểm soát động vật ăn cỏ mạnh hơn đối với sinh vật sản xuất sơ cấp thủy sinh.

Động vật ăn cỏ có thể kiểm soát số phận của chất hữu cơ khi nó luân chuyển qua lưới thức ăn. Động vật ăn cỏ có xu hướng chọn thực vật giàu dinh dưỡng đồng thời tránh thực vật có cơ chế phòng vệ cấu trúc Giống như cấu trúc hỗ trợ, các cấu trúc phòng vệ bao gồm cellulose nghèo chất dinh dưỡng và có hàm lượng carbon cao. Tiếp cận với các nguồn thực phẩm bổ dưỡng giúp tăng cường trao đổi chất và nhu cầu năng lượng của động vật ăn cỏ, dẫn đến việc loại trừ sinh vật sản xuất sơ cấp đông hơn. Ở hệ sinh thái thủy sinh, thực vật phù du rất giàu dinh dưỡng và thường thiếu cơ chế phòng vệ. Điều này dẫn đến khả năng kiểm soát từ trên xuống lớn hơn vì chất thực vật đã tiêu thụ nhanh chóng được thải lại hệ thống dưới dạng chất thải hữu cơ không bền. Ở hệ sinh thái trên cạn, sinh vật sản xuất sơ cấp ít dinh dưỡng hơn và có nhiều khả năng chứa các cấu trúc phòng vệ. Bởi vì động vật ăn cỏ thích thực vật giàu dinh dưỡng và tránh thực vật hoặc các bộ phận của thực vật có cấu trúc phòng vệ, nên một lượng lớn thực vật không được tiêu thụ trong hệ sinh thái. Động vật ăn cỏ tránh chất thực vật chất lượng thấp có thể là do các hệ thống trên cạn thể hiện kiểm soát từ trên xuống yếu hơn so với dòng năng lượng.