Mục lục bài họcĐang ở d01-b1
Energy Flow, Trophic Levels and Productivity
Energy moves one way; matter cycles
The single organising idea of this unit: energy flows through an ecosystem and leaves as heat, while matter cycles within it. Nearly all of that energy enters as sunlight captured by producers through photosynthesis:
$$6\mathrm{CO_2}+6\mathrm{H_2O}+\text{light}\;\longrightarrow\;\mathrm{C_6H_{12}O_6}+6\mathrm{O_2}$$Cellular respiration is the same equation run backwards, and every organism — producers included — does it.
GPP, NPP and the 10% rule
Gross primary productivity (GPP) is the total chemical energy producers fix. Net primary productivity (NPP) is what is left after the producers respire:
$$\mathrm{NPP}=\mathrm{GPP}-R_{\text{producers}}$$Only NPP is available to consumers, so NPP — usually in $\mathrm{kcal/m^2/yr}$ or $\mathrm{g\,C/m^2/yr}$ — is the currency of every energy question on the exam.
Between one trophic level and the next, roughly 10% of the energy is passed on. The other $90\%$ is lost to respiration (heat), to undigested material in faeces, and to biomass never eaten. That is why food chains rarely exceed four or five trophic levels, and why energy pyramids can never be inverted.
Năng lượng đi một chiều, vật chất quay vòng
Ý xuyên suốt cả chương: năng lượng chảy qua hệ sinh thái rồi thoát ra ngoài dưới dạng nhiệt, còn vật chất thì quay vòng bên trong. Hầu hết năng lượng vào hệ qua sinh vật sản xuất bằng quang hợp:
$$6\mathrm{CO_2}+6\mathrm{H_2O}+\text{ánh sáng}\;\longrightarrow\;\mathrm{C_6H_{12}O_6}+6\mathrm{O_2}$$Hô hấp tế bào là đúng phương trình đó chạy ngược, và mọi sinh vật đều hô hấp — cây xanh cũng vậy.
Năng suất thô, năng suất thuần và quy tắc 10%
Năng suất sơ cấp thô (GPP) là toàn bộ năng lượng hoá học mà cây cố định được. Năng suất sơ cấp thuần (NPP) là phần còn lại sau khi chính cây đã hô hấp hết phần của nó:
$$\mathrm{NPP}=\mathrm{GPP}-R_{\text{cây}}$$Chỉ NPP mới là phần bậc trên ăn được, nên NPP — thường tính bằng $\mathrm{kcal/m^2/năm}$ hoặc $\mathrm{g\,C/m^2/năm}$ — là đơn vị tiền tệ của mọi câu hỏi năng lượng trong đề thi.
Từ một bậc dinh dưỡng lên bậc kế tiếp, trung bình chỉ khoảng 10% năng lượng được chuyển tiếp. $90\%$ còn lại mất vào hô hấp (thành nhiệt), vào phần không tiêu hoá được thải ra theo phân, và vào phần sinh khối không con nào ăn tới. Đó là lý do chuỗi thức ăn hiếm khi dài quá bốn hoặc năm bậc, và là lý do tháp năng lượng không bao giờ lộn ngược được.
Một cánh đồng cỏ cố định được $\mathrm{GPP}=25\,000$ kcal/m²/năm. Cây trên đồng hô hấp hết $60\%$ lượng đó.
(a) Tính NPP. (b) Giả sử hiệu suất chuyển hoá giữa các bậc là $10\%$, tính năng lượng tới sinh vật tiêu thụ bậc 3. (c) Nếu người ta muốn nuôi một loài ăn thịt đầu bảng cần $5$ kcal/m²/năm mới tồn tại, hệ này có nuôi nổi không?
(a) Hô hấp của cây: $0{,}60\times25\,000=15\,000$ kcal/m²/năm.
$$\mathrm{NPP}=\mathrm{GPP}-R=25\,000-15\,000=10\,000\ \mathrm{kcal/m^2/năm}$$(b) Bậc trên chỉ ăn được NPP, không ăn được GPP. Đếm bậc cho đúng: sinh vật sản xuất là bậc 1, tiêu thụ bậc 1 là bậc dinh dưỡng thứ hai, nên tới tiêu thụ bậc 3 phải qua ba lần nhân $0{,}1$:
$$10\,000\times(0{,}1)^3=10\ \mathrm{kcal/m^2/năm}$$(c) Loài ăn thịt đầu bảng đứng trên tiêu thụ bậc 3, tức là tiêu thụ bậc 4:
$$10\times0{,}1=1\ \mathrm{kcal/m^2/năm}$$Chỉ có $1$ kcal/m²/năm trong khi loài đó cần $5$ — hệ không nuôi nổi một bậc dinh dưỡng thứ năm. Muốn nuôi được, quần thể đó phải kiếm ăn trên một diện tích lớn ít nhất $5$ lần, và đó chính là lý do sinh học khiến hổ hay đại bàng cần lãnh thổ rộng tới vậy.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Unit 1 — The Living World: Ecosystems gồm 14 câu trắc nghiệm và 4 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.