Dinamika troficzna morza: cztery poziomy, jedno pętle powrotnego utlenienia

Po dwóch gatunkach

Równania Lotka-Volterry, zapisane niezależnie przez Alfreda Lotka i Wito Volterrę w latach dwudziestych XX wieku, opisują najstarszą historię ekologii: populacja ofiar rośnie eksponencjalnie aż do chwili, gdy populacja predatorów zaczyna ją pożerać. Predatory potem głodną, gdy ofiara stać się rzadka, i cykl powtarza się w nieskończoność, z ustalonem okresem i amplitudą ustawionym na podstawie warunków początkowych. Ta obrazowa sytuacja dwóch gatunków jest elegancka, ale prawdziwa ocean ma więcej niż dwa aktorzy, które się na niego wkładają.

Ta symulacja rozszerza pomysł na cztery poziomy troficzne: fitoplankton na podstawie przekształca zrzedzione substancje chemiczne i światło słoneczne w biomasy, zooplancton grzebi fitoplankton, małe i średnie ryby jedzą zooplancton, a gatunki apskrajne — myślimy o thonie lub sokiach — jedzą ryb. Każdy poziom jest łączony z tym powyżej i poniżej przez termin predacji w oparciu o masę, dokładnie tak jak klasyczne równania Lotka-Volterry, tylko napisane cztery razy zamiast dwa.

Równania, poziom po poziomie

Szybkość wzrostu każdego gatunku jest sumą tego, co otrzymuje z jadalnych zasobów na poziomie niższym, i tego, co straci do bycia jedzeniem dla gatunków na poziomie wyższych, dodatkowo do własnej naturalnej śmiertelności. W skrócie dla fitoplanktonu P, zooplanctonu Z, ryb F i zwierząt apskrajnych A, z zasobami nutrymentalnymi N:

dN/dt = -uptake(N,P) + recycling(P,Z,F,A) dP/dt = uptake(N,P) - graze(P,Z) - deathP*P dZ/dt = eff1*graze(P,Z) - predate(Z,F) - deathZ*Z dF/dt = eff2*predate(Z,F) - predate(F,A) - deathF*F dA/dt = eff3*predate(F,A) - deathA*A Termi efektywności eff1, eff2 i eff3 są zawsze poniżej 1 — w rzeczywistych sieciach społeczności morskich zwykle około 10% — ponieważ większość energii pochłanianej na każdym poziomie strata jest metabolizmem i ruchem, a nie przekształcanie się w nowe biomasy. To ekologiczna przyczyna, dlaczego populacje zwierząt apskrajnych są zawsze niewielkie w porównaniu do fitoplanktonu na podstawie: strata energii wynosi około rzędu wielkości przy każdym transferze troficzny, co znane jest jako reguła dziesięcioprocentowa i widoczne jako piramida ekologiczna.

dN/dt = -uptake(N,P) + recycling(P,Z,F,A)
dP/dt =  uptake(N,P)  - graze(P,Z)      - deathP*P
dZ/dt =  eff1*graze(P,Z)  - predate(Z,F) - deathZ*Z
dF/dt =  eff2*predate(Z,F) - predate(F,A) - deathF*F
dA/dt =  eff3*predate(F,A) - deathA*A

Zamykanie pętli: recykling substancji troficznych

Czystała łańcuch zjadaczy-podzjadaczy jest otwartą systemem — biomasa, która umiera, po prostu zniknie z modelu, a w końcu cała sieć zagłodzi się. W rzeczywistych oceanach to nie dzieje się tak, ponieważ śmierć i wydzielenia na każdym poziomie wracają do wody substancje troficzne — azot, fosfor, żelazko — z powrotem, gdzie fitoplannty mogą je ponownie podbić. Termina recykling w równaniu substancji troficznych sumuje część naturalnej śmierci i strat metabolizmu na każdym poziomie i wrzuca ją z powrotem do N, zamykając pętlę i pozwalając całemu systemowi osiągnąć długotrwałą oscylację lub stabilne równowagę zamiast upadku.

Kontrola od dołu versus od góry

Cztery poziomy sieci pozwalają zobaczyć dwa bardzo różne sposoby regulacji ekosystemu. W kontroli od dołu, zapas składników chemicznych ustawia granicę: więcej N powoduje rosnącego morskiego mikroalg, które przekazują się na każdym poziomie. W kontroli od góry, drapieżniki górne ograniczają ryby, co zwalnia zooplankton przed predacją, a ten z kolei nadmiernie grzebi morskie mikroalg — to nawiązanie powstające w formie zwolennika troficznej. Usunięcie drapieżników górnych (jak to robi przyspieszone rybołówstwo w rzeczywistych morzach) może zmienić system z kontroli od góry na kontrolę od dołu, a przejście to widoczne w modelu jako zmiana, która poziom ma największe oscylacje populacji.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Interactive Marine Food Web Dynamics i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.