Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Экологическая стехиометрия (более широко называемая биологической стехиометрией ) рассматривает, как баланс энергии и элементов влияет на живые системы. Подобно химической стехиометрии , экологическая стехиометрия основана на ограничениях баланса массы, поскольку они применяются к организмам и их взаимодействиям в экосистемах . [1] В частности, как влияет баланс энергии и элементов и как на этот баланс влияют организмы и их взаимодействия. Концепции экологической стехиометрии имеют долгую историю в экологии с ранними ссылками на ограничения баланса массы, сделанными Либихом., Лотка и Редфилд . Эти ранние концепции были расширены , чтобы явно связать элементарную физиологию из организмов в их пищевых веб - взаимодействие и функционирование экосистем. [2] [3]

Овцы питаются тканями растений, которые содержат высокие концентрации углерода по сравнению с концентрациями азота и фосфора (т.е. высокое соотношение C: N: P ). Для роста и развития тканям овцы требуется меньше углерода по сравнению с азотом и фосфором (т.е. низкое соотношение C: N: P ), чем в съеденной пище. Рост и развитие любого организма может быть ограничено несбалансированной стехиометрией: дисбалансом пропорций химических элементов в пище, которые отражают пропорции физиологически важных органических молекул.

Большинство работ по экологической стехиометрии сосредоточено на взаимодействии между организмом и его ресурсами. Эта граница раздела, будь то между растениями и их питательными ресурсами или крупными травоядными и злаками , часто характеризуется резкими различиями в элементном составе каждой части. Различие или несоответствие между элементарными потребностями организмов и элементным составом ресурсов приводит к элементному дисбалансу. Рассмотрим термитов , которые имеют ткани углерод : азот , отношение (C: N) от примерно 5 до сих пор потребляют древесину с C: N отношение 300-1000. Экологическая стехиометрия в первую очередь спрашивает:

  1. почему в природе возникает элементарный дисбаланс?
  2. Каким образом элементарный дисбаланс влияет на физиологию и жизненный опыт потребителя ? а также
  3. каковы последующие эффекты на экосистемные процессы?

Элементный дисбаланс возникает по ряду физиологических и эволюционных причин, связанных с различиями в биологическом составе организмов, такими как различия в типах и количестве макромолекул , органелл и тканей.. Организмы различаются по гибкости своего биологического состава и, следовательно, по степени, в которой организмы могут поддерживать постоянный химический состав, несмотря на различия в своих ресурсах. Вариации в ресурсах могут быть связаны с типами необходимых ресурсов, их относительной доступностью во времени и пространстве, а также с тем, как они приобретаются. Способность поддерживать внутренний химический состав, несмотря на изменения химического состава и доступность ресурсов, называется «стехиометрическим гомеостазом». Подобно общебиологическому понятию гомеостаза , элементарный гомеостаз относится к поддержанию элементного состава в пределах некоторого биологически упорядоченного диапазона. Фотоавтотрофные организмы, такие как водоросли и сосудистые растения., могут проявлять очень широкий диапазон физиологической пластичности элементного состава и, следовательно, иметь относительно слабый стехиометрический гомеостаз. Напротив, другие организмы, такие как многоклеточные животные , имеют близкий к строгому гомеостаз, и их можно рассматривать как обладающие отличным химическим составом. Например, отношение углерода к фосфору во взвешенном органическом веществе в озерах (например, водорослях , бактериях и детрите ) может варьироваться от 100 до 1000, тогда как соотношение C: P дафнии , зоопланктона ракообразных. , остаются почти постоянными на уровне 80: 1. Общие различия в стехиометрическом гомеостазе между растениями и животными могут привести к большим и разнообразным элементным дисбалансам между потребителями и ресурсами.

Экологическая стехиометрия направлена ​​на открытие того, как химический состав организмов влияет на их экологию. Экологическая стехиометрия применялась для изучения рециркуляции питательных веществ , конкуренции за ресурсы , роста животных и моделей ограничения питательных веществ во всех экосистемах. Отношение Редфилда мирового океана - одно из самых известных применений стехиометрических принципов к экологии. Экологическая стехиометрия также рассматривает явления на субклеточном уровне, такие как содержание фосфора в рибосоме , а также явления на уровне всей биосферы, такие как содержание кислорода в атмосфере Земли .

На сегодняшний день рамки исследований экологической стехиометрии стимулировали исследования в различных областях биологии, экологии, биохимии и здоровья человека, включая исследования микробиома человека, [4] исследования рака, [5] взаимодействия в пищевых сетях, [6] популяционную динамику, [7] экосистемные услуги , [7] урожайность сельскохозяйственных культур [7] и пчелиное питание. [8]

Потребительская стехиометрия и пищевые сети [ править ]

Изучение элементных соотношений (например, C: N: P) в тканях организмов может быть использовано для понимания того, как организмы реагируют на изменения качества и количества ресурсов. Например, в водных экосистемах загрязнение водотоков азотом и фосфором, часто из-за сельскохозяйственной деятельности, может увеличить количество азота и фосфора, доступного для первичных производителей. [9] Этот выброс в результате ограничения N и P может повлиять на численность, темпы роста и биомассу первичных продуцентов в ручье. [10]Это изменение в первичной продукции может просачиваться через пищевую сеть посредством восходящих процессов и влиять на стехиометрию организмов, ограничивающие элементы и биогеохимический цикл потоков. Кроме того, восходящие изменения в доступности элементов могут влиять на морфологию, фенологию и физиологию организмов, которые будут обсуждаться ниже. Основное внимание в этой статье уделяется водным системам; однако аналогичные процессы, связанные с экологической стехиометрией, могут быть применены и в земной среде.  

Стехиометрия беспозвоночных [ править ]

Спрос на углерод, азот и фосфор в определенных соотношениях со стороны беспозвоночных может меняться на разных этапах жизненного цикла беспозвоночных. Гипотеза скорости роста (GRH) обращается к этому явлению и утверждает, что потребность в фосфоре увеличивается во время активных фаз роста для производства P-богатых нуклеиновых кислот при производстве биомассы и отражается в содержании фосфора у потребителя. [11] [12] На   ранних стадиях роста или более ранних стадиях беспозвоночные могут иметь более высокие потребности в ресурсах, обогащенных азотом и фосфором, для подпитки рибосомной продукции белков и РНК. На более поздних стадиях потребность в определенных элементах может измениться, поскольку они больше не будут активно расти так быстро или генерировать богатую белком биомассу. Темпы роста беспозвоночных организмов также могут быть ограничены доступными им ресурсами.

См. Также [ править ]

  • Энергетический поток (экология)
  • Энергетический гомеостаз

Ссылки [ править ]

  1. ^ RW Sterner и JJ Elser (2002) Экологическая стехиометрия: Биология элементов от молекул до биосферы . Издательство Принстонского университета . С. 584. ISBN  0691074917
  2. ^ Olff, H; Алонсо, Д; Берг, депутат; Eriksson, BK; Лоро, М; Пирсма, Т; Руни, Н. (2009). «Параллельные экологические сети в экосистемах» . Фил. Пер. R. Soc. B . 364 (1755–1779): 1502–4. DOI : 10.1098 / rstb.2008.0222 . PMC 2685422 . PMID 19451126 .  
  3. ^ Мартинсон, HM, К. Шнайдер, J. Gilbert, J. Hines, PA Hambäck, WF Фейган. 2008. Detritivory: Стехиометрия запущенного трофического уровня. Экологические исследования 23: 487-491 DOI : 10.1007 / s11284-008-0471-7
  4. ↑ Веккьо-Паган, Бриана; Бьюик, Шэрон; Майнали, Кумар; Кариг, Дэвид К .; Фэган, Уильям Ф. (2017). «Стехиопротеомный анализ образцов из проекта человеческого микробиома» . Границы микробиологии . 8 : 1119. DOI : 10,3389 / fmicb.2017.01119 . ISSN 1664-302X . PMC 5513900 . PMID 28769875 .   
  5. ^ Эльзер, Джеймс Дж .; Кайл, Марсия М .; Смит, Мэрилин С .; Надь, Джон Д. (2007-10-10). «Биологическая стехиометрия рака человека» . PLOS ONE . 2 (10): e1028. Bibcode : 2007PLoSO ... 2.1028E . DOI : 10.1371 / journal.pone.0001028 . ISSN 1932-6203 . PMC 2000353 . PMID 17925876 .   
  6. ^ Велти, Нина; Стрибель, Марен; Ulseth, Amber J .; Cross, Wyatt F .; ДеВилбисс, Стивен; Глиберт, Патриция М .; Го, Лаодун; Херст, Эндрю Дж .; Худ, Джим (2017). «Соединение пищевых сетей, экосистемного метаболизма и биогеохимии с использованием теории экологической стехиометрии» . Границы микробиологии . 8 : 1298. DOI : 10,3389 / fmicb.2017.01298 . ISSN 1664-302X . PMC 5507128 . PMID 28747904 .   
  7. ^ a b c Guignard, Maïté S .; Leitch, Andrew R .; Аккисти, Клаудиа; Эйсагирре, Кристоф; Эльзер, Джеймс Дж .; Hessen, Dag O .; Jeyasingh, Punidan D .; Нейман, Маурин; Ричардсон, Алан Э. (2017). «Воздействие азота и фосфора: от геномов до природных экосистем и сельского хозяйства» . Границы экологии и эволюции . 5 . DOI : 10.3389 / fevo.2017.00070 . ISSN 2296-701X . 
  8. ^ Филипьяк, Михал; Кушевская, Каролина; Ассельман, Мишель; Денисов, Божена; Ставиарц, Эрнест; Войцеховский, Михал; Вайнер, январь (2017-08-22). «Экологическая стехиометрия медоносной пчелы: разнообразие пыльцы и соответствующий видовой состав необходимы для смягчения ограничений, накладываемых качеством пыльцы на рост и развитие пчел» . PLOS ONE . 12 (8): e0183236. Bibcode : 2017PLoSO..1283236F . DOI : 10.1371 / journal.pone.0183236 . ISSN 1932-6203 . PMC 5568746 . PMID 28829793 .   
  9. ^ Доддс, Уолтер; Смит, Вэл (2016-04-01). «Азот, фосфор и эвтрофикация в ручьях» . Внутренние воды . 6 (2): 155–164. DOI : 10.5268 / IW-6.2.909 . ISSN 2044-2041 . 
  10. ^ Риер, Стивен Т .; Стивенсон, Р. Ян (май 2006 г.). «Ответ перифитных водорослей на градиенты азота и фосфора в прибрежных мезокосмах». Hydrobiologia . 561 (1): 131–147. DOI : 10.1007 / s10750-005-1610-6 . ISSN 0018-8158 . 
  11. ^ Эльзер, JJ; Ачарья, К .; Кайл, М .; Cotner, J .; Makino, W .; Марков, Т .; Ватт, т .; Хобби.; Fagan, W .; Schade, J .; Худ, Дж. (Октябрь 2003 г.). «Связь между скоростью роста и стехиометрией в разнообразной биоте». Письма об экологии . 6 (10): 936–943. DOI : 10.1046 / j.1461-0248.2003.00518.x . ISSN 1461-023X . 
  12. ^ Эльзер, JJ; Стернер, RW; Горохова, Е .; Фэган, ВФ; Марков, Т.А.; Котнер, JB; Харрисон, Дж. Ф.; Hobbie, SE; Оделл, GM; Вейдер, LW (18 июля 2008 г.). «Биологическая стехиометрия от генов до экосистем» . Письма об экологии . 3 (6): 540–550. DOI : 10.1111 / j.1461-0248.2000.00185.x . ISSN 1461-023X .