Екологія: біологія взаємодії. III-06. Продукція екосистем і її вимірювання

III-06. Продукція екосистем і її вимірювання

Людина — один з багатьох видів консументів, що населяють Землю. Для її існування необхідна вироблена рослинами органічна речовина. У міру свого зростання людство раз по раз стикалося з нестачею їжі. Тепер, коли воно стало всепланетної силою, виникає закономірне питання: а скільки всього органічної речовини, потенційно придатної для вживання людиною, утворюється на нашій планеті?

У 1964-1974 рр. у всьому світі проводився узгоджений збір даних про продуктивність екосистем і факторах, які впливають на неї, що проходив в рамках Міжнародної біологічної програми ООН. Дотепер ці результати — основа наших знань про природні багатства, якими володіє Земля. Спочатку потрібно визначити основні поняття, що використовуються для вивчення продуктивності екосистем.

Біомаса — сумарна маса всіх організмів всієї спільноти або окремої популяції, яка вимірюється в одиницях сирої або сухої маси на одиницю площі або об'єму середовища. До складу біомаси входять тіла організмів цілком, навіть якщо деякі їх частини мертві, як наприклад, деревина. Сукупність мертвих частин живих організмів становить некромасу, мертву масу в складі організмів (зверніть увагу на етимологічний парадокс: некромаса є частиною біомаси!). Частка некромаси особливо велика в лісі.

Продукція – кількість відтвореної біомаси на одиницю площі (або об'єму) в одиницю часу (а також сама ця біомаса). Виділяють первинну продукцію — кількість органічної речовини, виробленої автотрофами (продуцентами), а також вторинну продукцію — продукцію гетеротрофів (консументів і редуцентів).

Розроблено різноманітні способи вимірювання продуктивності екосистем. Оскільки утворення і руйнування органічної речовини тісно пов'язане з газообміном (при утворенні органічної речовини в ході найбільш поширених форм фотосинтезу відбувається поглинання вуглекислоти та виділення кисню), вимірюючи вміст цих газів, можна оцінити продукцію!

Зміст якого газу краще вимірювати: кисню чи вуглекислоти?

Для водних і наземних екосистем відповідь буде різною. Річ у тім, що точніше можна виміряти зміни кількості того газу, якого в даних умовах менше. В повітрі відносно багато кисню і небагато вуглекислоти, тому продукцію наземних екосистем заведено оцінювати по CO₂. У воді ситуація зворотна: вуглекислий газ в ній розчиняється дуже добре, а кисню часто бракує. Тому продуктивність водних екосистем визначають, вимірюючи зміни концентрації кисню. Як це роблять? Ви краще зрозумієте основний принцип, якщо спробуєте здогадатися про суть одного з найпростіших методів — методу темних і світлих бутлів.

З борту човна у світлий час доби на певну глибину опускають вантаж, до якого прикріплена пара бутлів: один прозорий, а інший темний, непрозорий. За допомогою особливого пристрою з цих бутлів на певній глибині висмикуються пробки. Бутлі заповнюються водою, характерною для цієї глибини, разом з фітопланктонними та зоопланктонними організмами, які містяться у цій воді. Крім того, пробу цієї води підіймають на поверхню і визначають в ній вміст кисню. Позначимо початкову концентрацію кисню як C₀. Заповнені водою темний і світлий бутель на якийсь час (наприклад, на 1 годину) залишають на глибині, а потім підіймають на поверхню і тут же визначають в них концентрацію кисню. Так отримують ще дві величини: C_b — концентрацію кисню в темному бутлі після витримування на глибині протягом стандартного часу і C_w — концентрацію кисню у світлому бутлі після такого ж витримування.

Завдання. Вкажіть, як, знаючи C₀, C_b і C_w, визначити інтенсивність дихання і продукції планктонної спільноти. Щоб вам легше було знайти відповідь на це питання, задумайтеся, чому різниця у вмісті кисню між темним і світлим бутлями з'являється тільки у світлий час доби.

Описаний тут метод визначення продуктивності екосистем далеко не єдиний. Багато методів вимірювання продуктивності ґрунтуються на використанні «мічених» атомів (радіоактивних ізотопів поширених біогенів).

Хлорофіловий метод заснований на тому, що на одну молекулу хлорофілу припадає приблизно постійна кількість первинної продукції. З певної території збирають усю біомасу, з неї витягують хлорофіл і вимірюють його кількість. Можна оцінити продуктивність тієї чи іншої території, навіть вимірявши із супутника спектральний склад відбитого нею світла, яке впало на неї! Річ у тім, що хлорофіл характеризується добре відомим спектром поглинання, і за різницею світла, яке прийшло в екосистему і пішло з неї, можна виміряти, яка частина випромінювання була поглинена хлорофілом.