זרימת אנרגיה וחומר
כיצד אנרגיה זורמת וחומר ממוחזר דרך המערכת האקולוגית?
אנרגיה וחומר במערכת
שרשרת מזון
מהי שרשרת מזון?
שרשרת מזון מתארת מסלול אחד של העברת אנרגיה מיצור ליצור.
דוגמה: עשב ← ארנב ← שועל ← נשר
החיצים מראים את כיוון זרימת האנרגיה - מהנאכל אל האוכל.
כל חוליה נקראת דרגה תזונתית:
- דרגה 1: יצרנים (צמחים) - קולטים אנרגיית שמש
- דרגה 2: צרכן ראשוני (אוכל עשב) - ארנב
- דרגה 3: צרכן שניוני (טורף) - שועל
- דרגה 4: צרכן שלישוני (טורף עליון) - נשר
שרשראות מזון הן בדרך כלל קצרות - 4 עד 5 דרגות בלבד. מדוע? התשובה מסתתרת בכלל 10%.
רשת מזון
בטבע, רוב היצורים לא ניזונים ממקור אחד בלבד. רשת מזון היא אוסף של כל שרשראות המזון שמחוברות זו לזו במערכת אקולוגית.
מדוע רשת מזון מורכבת = מערכת יציבה?
ברשת מזון מורכבת, לכל צרכן יש כמה מקורות מזון. אם מין אחד נפגע, הצרכן יכול לעבור למין אחר. ברשת פשוטה, פגיעה במין אחד גורמת ל'אפקט דומינו' שמערער את כל המערכת.
דוגמה: אם שועל ניזון רק מארנבים ואוכלוסיית הארנבים קורסת - השועל בבעיה. אבל אם השועל ניזון גם מעכברים, ציפורים ופירות - הוא ימצא חלופות.
כלל 10%
כלל 10%: בכל מעבר מדרגה תזונתית אחת לדרגה הבאה, רק כ-10% מהאנרגיה עוברים. 90% אובדים כחום בתהליך הנשימה התאית.
לאן הולכים 90% האנרגיה שלא עוברים?
מה קורה לאנרגיה בכל דרגה?
נשימה תאית
רוב האנרגיה (כ-60-70%) משמשת לתהליכי חיים ומשתחררת כחום.
חומר לא נאכל
חלקי גוף שלא נאכלים (עצמות, שורשים) עוברים למפרקים.
הפרשה
חלק מהאנרגיה מופרשת כפסולת מטבולית (צואה, שתן).
פירמידת המזון
פירמידת מזון (פירמידת אנרגיה) ממחישה את כלל 10% באופן ויזואלי:
פירמידת אנרגיה - דוגמה
| דרגה תזונתית | תפקיד | אנרגיה (קלוריות) | דוגמה |
|---|---|---|---|
| דרגה 4 | צרכן שלישוני | 10 | נשר |
| דרגה 3 | צרכן שניוני | 100 | שועל |
| דרגה 2 | צרכן ראשוני | 1,000 | ארנב |
| דרגה 1 | יצרנים | 10,000 | עשב |
* הפירמידה רחבה בבסיס (הרבה יצרנים) וצרה בפסגה (מעט טורפים עליונים). זו הסיבה שיש הרבה יותר צמחים מטורפים.
שאלה לחשיבה
מדוע יש הרבה יותר צמחים מאוכלי עשב, ויותר אוכלי עשב מטורפים?
בגלל כלל 10%. בכל מעבר בשרשרת המזון, 90% מהאנרגיה אובדים כחום. צריך הרבה צמחים כדי לספק מספיק אנרגיה למעט אוכלי עשב, והרבה אוכלי עשב כדי לתמוך במעט טורפים. זו הסיבה שפירמידת המזון רחבה למטה (יצרנים) וצרה למעלה (טורפים עליונים).
משמעות מעשית
כלל 10% מסביר מדוע ייצור בשר דורש הרבה יותר משאבים מגידול צמחים. כדי לייצר 1 ק"ג בשר בקר, צריך כ-8-10 ק"ג מזון צמחי לפרה. מבחינה אנרגטית, יעיל הרבה יותר לאכול ישירות את הצמחים.
מחזור הפחמן
בניגוד לאנרגיה שזורמת בכיוון אחד, חומר (כמו פחמן) ממוחזר במערכת. מחזור הפחמן הוא אחד המחזורים החשובים ביותר בטבע:
מחזור הפחמן
הפחמן הוא אבן הבניין המרכזית של כל החומרים האורגניים. הוא עובר ממצב למצב במחזור מתמשך.
1. פוטוסינתזה - צמחים קולטים CO2 מהאוויר ובונים ממנו חומר אורגני
2. אכילה - הפחמן עובר מצמחים לצרכנים כשהם אוכלים
3. נשימה תאית - כל היצורים (כולל צמחים!) משחררים CO2 חזרה לאוויר
4. מפרקים - מפרקים חומר מת ומשחררים CO2
5. שריפת דלקים מאובנים - משחררת CO2 שנאגר מיליוני שנים
6. אגירה - חלק מהפחמן נאגר באוקיינוסים, ביערות ובקרקע
הפחמן עובר בין האטמוספירה, היצורים החיים, הקרקע והאוקיינוסים. שריפת דלקים מאובנים מוסיפה CO2 שהיה 'נעול' מיליוני שנים, ומשבשת את האיזון הטבעי.
אנרגיה מול חומר
זרימת אנרגיה
זורמת בכיוון אחד.
מקור: השמש.
אובדת כחום בכל דרגה.
לא ממוחזרת.
נדרש זרם מתמיד מהשמש.
דוגמה: שמש ← עשב ← ארנב ← שועל ← חום
מחזור חומר
ממוחזר שוב ושוב.
עובר בין מצבים שונים.
לא אובד מהמערכת.
מפרקים סוגרים את המעגל.
אותם אטומים חוזרים ומשמשים.
דוגמה: CO2 ← צמח ← בע"ח ← מפרק ← CO2
חשוב לזכור: אנרגיה - כיוון אחד, חומר - מעגלי. זהו הבדל מהותי בהבנת המערכת האקולוגית.
שרשראות מזון ורשתות - דוגמאות מישראל
שרשראות מזון בישראל
יער ים-תיכוני
עלי אלון ← חלזון ← ציפור דרור ← בז ← נשר (מנקה גופות)
מדבר הנגב
צמחי מדבר ← חגב ← לטאה ← נחש צפע ← עיט
שונית אלמוגים, אילת
אצות ← דג פרפר ← מוריי ← כריש
אגמון החולה
צמחי מים ← חלזונות ← ציפורים נודדות ← שועל
מחזורי חומרים נוספים
מלבד מחזור הפחמן, קיימים מחזורים חשובים נוספים בטבע:
מחזור החנקן
חנקן (N2) מהווה 78% מהאטמוספירה.
חיידקים מקבעים חנקן לקרקע.
צמחים סופגים ובונים חלבונים.
בע"ח אוכלים צמחים.
מפרקים מחזירים חנקן לקרקע.
דשנים כימיים מוסיפים חנקן - עלול לגרום לזיהום.
מחזור המים
אידוי מהים ← עננים ← גשם ← נחלים ← ים.
צמחים: דיות (אידוי מעלים).
בע"ח: שתייה, הפרשה.
מים הם ממס אוניברסלי שמעביר חומרים מזינים בכל המערכת.
שאלה לחשיבה
מדוע שריפת דלקים מאובנים (נפט, פחם, גז) מגבירה את אפקט החממה?
דלקים מאובנים מכילים פחמן שנאגר מצמחים עתיקים לפני מיליוני שנים - הוא היה 'נעול' מחוץ למחזור. כששורפים אותם, הפחמן משתחרר כ-CO2 לאטמוספירה בקצב מהיר מאוד. זה מוסיף CO2 שלא היה חלק מהמחזור הפעיל, מגביר את ריכוז גזי החממה, ויותר קרינת חום נלכדת באטמוספירה.
משמעות מעשית של כלל 10%
כלל 10% מסביר תופעות חשובות בטבע ובחיי היומיום:
1. מדוע שרשראות מזון קצרות - אין מספיק אנרגיה לדרגות גבוהות.
2. מדוע יש הרבה צמחים ומעט טורפים - הפירמידה האנרגטית.
3. מדוע ייצור בשר לא יעיל - 90% מהאנרגיה אובדת.
4. מדוע הצטברות רעלים מסוכנת - מזהמים מתרכזים בטורפים.
פירמידת אנרגיה תמיד נראית כפירמידה (רחבה למטה, צרה למעלה). אבל פירמידת מספרים (כמות הפרטים בכל דרגה) יכולה להיות הפוכה!
דוגמה: עץ אלון אחד (יצרן) מפרנס אלפי חרקים (צרכנים ראשוניים). כאן יש יצרן אחד ואלפי צרכנים - הפירמידה הפוכה מבחינת מספרים. אבל מבחינת ביומסה (מסה כוללת) ואנרגיה, העץ עדיין מכיל יותר מכל החרקים יחד.
גם באוקיינוס קיימת תופעה מעניינת: פירמידת הביומסה יכולה להיות הפוכה כי הפיטופלנקטון (יצרנים) מתרבה כל כך מהר, שלמרות שביומסה שלו ברגע נתון קטנה, הוא מייצר מספיק אנרגיה לכל שאר הדרגות.