Informație

Explicația modelului universal al fluxului de energie


Încerc să înțeleg modelul universal al fluxului de energie de către Odum.

În această diagramă legată Eu este energia de intrare (cantitatea de energie prezentă în alimentele consumate de acest nivel tropical, să spunem, al doilea nivel tropical, erbivorele), o parte din acest aliment este excretată ca aliment nedigerat ( NU), restul este digerat, absorbit și asimilat ajungând la celule și apoi energia acumulată la nivel celular se numește energie asimilată (A). Acum face parte din A este utilizat pentru a produce ATP-uri care sunt utilizate pentru a alimenta metabolismele care apar în organisme, care este reprezentat de R si restul este disponibil la următorul nivel tropical(?) la fel de P ?

Atunci ce face biomasa permanentă? Organismele care nu sunt consumate?

În plus, nu înțeleg Stocare a energiei parte. Ce proces fiziologic corespunde acestui lucru?


Dacă ar fi să faceți un instantaneu al biomasei prezente pentru o specie la un moment dat, aceasta ar fi biomasa sa permanentă. Deci, într-un fel, aveți dreptate cu „organismele care nu au fost mâncate”. Dar acest lucru poate fi destul de înșelător atunci când este folosit pentru a încerca să explice piramidele de producție la niveluri trofice. De exemplu, în unele ecosisteme acvatice, biomasa permanentă a consumatorilor primari este mai mare decât cea a producătorilor primari. În cadrul studiului efectuat în Canalul Mânecii, s-au arătat 21 g / m3 de zooplancton, dar doar 4 g / m3 de fitoplancton. Acest lucru se datorează proliferării rapide a fitoplanctonului și consumului rapid de către zooplancton.

De obicei, este de preferat să se descrie fluxul de energie prin ecosisteme în termeni de unități de energie, de exemplu, Joule. Cu toate acestea, ați putea face acest lucru cu biomasă dacă ați însuma biomasa produsă în timp. Când se face așa, exemplul Canalului Mânecii ar arăta ca o piramidă adecvată, producătorii depășind consumatorii într-o perioadă semnificativă de timp.

Stocarea energiei este pur și simplu energia stocată în legăturile chimice ale moleculelor create în timpul creșterii care se adaugă la biomasă.

Exemplul și contextul meu sunt din Biology, Campbell & Reece, ediția a VII-a.


Liceul All-in-One Easy Peasy

Un ecosistem include toate organismele și mediul non-viu găsit într-un anumit loc. Scara ecosistemelor se poate schimba în funcție de perspectiva dvs. De exemplu, puteți alege să vă studiați curtea din spate, pădurea națională Chattahoochee, Lacul Lanier sau un refugiu de viață sălbatică și fiecare este considerat un ecosistem. Ecosistemele sunt foarte complexe. Pot conține sute sau chiar mii de specii care interacționează.

Urmăriți următorul clip de la NOVA intitulat „# 8220 Flux de energie în reciful de corali & # 8221 pentru a vă da seama de complexitatea interacțiunilor dintr-un ecosistem de recif de corali. Utilizați întrebările de mai jos ca ghid în timpul videoclipului.

  • Care a fost sursa de energie în acest ecosistem?
  • Cine au fost producătorii?
  • Cine sunt consumatorii?
  • Puteți crea un lanț alimentar din vizionarea acestui film?

Lanțuri alimentare și pagini alimentare

Lanțurile alimentare și rețelele alimentare sunt diagrame care reprezintă relații de hrănire. În esență, ei arată cine mănâncă pe cine. În acest fel, modelează modul în care energia și materia se mișcă prin ecosisteme.

Lanturile alimentare

A lant trofic reprezintă o singură cale prin care energia și materia curg printr-un ecosistem. Un exemplu este prezentat în Figura de mai jos. Lanțurile alimentare sunt, în general, mai simple decât ceea ce se întâmplă cu adevărat în natură. Majoritatea organismelor consumă și sunt consumate de mai multe specii.

Acest lanț alimentar include producători și consumatori. Cum ați putea adăuga descompunători la lanțul alimentar?

Site-uri alimentare

A pânză alimentară reprezintă mai multe căi prin care energia și materia curg printr-un ecosistem. Include multe lanțuri alimentare intersectate. Acesta demonstrează că majoritatea organismelor mănâncă și sunt consumate de mai multe specii. Exemple sunt prezentate în Cifre dedesubt și dedesubt.

Web alimentar. Această rețea alimentară constă din mai multe lanțuri alimentare diferite. Ce organisme sunt producătoare în toate lanțurile alimentare incluse în rețeaua alimentară?


Ce este fluxul în vrac?

Debitul în vrac este o mișcare a moleculelor dintr-o zonă de presiune ridicată într-o zonă de presiune scăzută. În biologia celulară, se referă la transportul fluidelor sau electroliților între celule prin deschideri sau pori, între celule. Toaletele și bateriile utilizează mecanisme care utilizează fluxul în vrac, precum și sistemele de transport găsite la plante și animale.

Xilemul și floemul din plante îndeplinesc o funcție similară cu venele și arterele la animale. În sistemul circulator, sângele curge prin artere și vene din zonele cu presiune ridicată în zonele cu presiune scăzută. Plantele depind, de asemenea, de fluxul vrac pentru a transporta materialele în diferite locuri. Apa din frunze și rsquo xilem se evaporă într-un proces numit transpirație, care creează o presiune mai mică în xilem. Apa poate curge apoi prin xilem în zona cu presiune mai mică.

În general, fluxul în vrac în plante este un proces mai rapid decât osmoza sau difuzia, ambele implicând un transport pasiv al materialelor dintr-o zonă de presiune ridicată până la joasă. Dar difuzia poate transfera materialele doar pe distanțe scurte, ceea ce reprezintă o problemă pentru plantele înalte. Debitul în vrac poate împinge apa de la rădăcinile unei plante până la frunzele sale.


Reacția dependentă de lumină

Reacția de fotosinteză dependentă de lumină implică captarea luminii a cărei energie este utilizată în două scopuri:

  • Pentru a adăuga o moleculă de fosfat anorganic la ADP, producând astfel ATP
  • Pentru a împărți apa prin procesul de fotoliză, în ioni H + și ioni OH-

Reacția are nevoie de energie luminoasă.
Are loc în tilacoidul cloroplastelor.
Reacția dependentă de lumină este utilă pentru a face trei lucruri:

1. Producerea de ATP din ADP și fosfat anorganic

2. Realizarea NADP redus din NADP

3. Împărțirea apei în protoni, electroni și oxigen

Realizarea ATP

1. Când o moleculă de clorofilă absoarbe energia luminii, aceasta excită electronii, ridicându-i la un nivel mai ridicat de energie

2. Electronii devin atât de energici încât părăsesc cu totul molecula de clorofilă

3. Electronii care părăsesc clorofila sunt preluați de o moleculă numită purtător de electroni

4. După ce a pierdut o pereche de electroni, molecula de clorofilă a fost oxidată

5. Purtătorul de electroni, care a câștigat electroni, a fost redus

6. Electronii sunt acum trecuți de-a lungul unui număr de purtători de electroni într-o serie de reacții de reducere a oxidării

7. Acești purtători de electroni formează un lanț de transfer care este situat în membranele tilacoidelor

8. Fiecare nou lanț purtător se află la un nivel de energie ușor mai mare decât cel anterior din lanț, astfel încât electronii pierd energie în fiecare etapă

9. Această energie este utilizată pentru a combina o moleculă de fosfat anorganic cu o moleculă ADP pentru a produce ATP

Fotoliza apei

1. Pierderea de electroni când lumina lovește o moleculă de clorofilă o lasă lipsită de electroni

2. Dacă molecula de clorofilă va continua să absoarbă energia luminii, acești electroni trebuie înlocuiți

3. Electronii de înlocuire sunt furnizați din molecule de apă care sunt împărțite folosind energia luminii

4. Această fotoliză a apei produce și ioni de hidrogen

5. Acești ioni de hidrogen sunt preluați de un purtător de electroni numit NADP

6. La preluarea ionilor de hidrogen, NADP devine redus

7. NADP redus intră apoi în reacția independentă de lumină împreună cu electronii din moleculele de clorofilă

8. NADP redus este important deoarece este o altă sursă potențială de energie chimică pentru plantă

9. Subprodusul de oxigen din fotoliza apei este fie utilizat în respirație, fie difuzează din frunză ca produs rezidual al fotosintezei

1. Energia luminii lovește fotosistemul 2 Această energie luminoasă excită electronii și determină pierderea electronilor de clorofilă Acești electroni trebuie înlocuiți. Energia luminii determină, de asemenea, divizarea apei în protoni, electroni și oxigen. Electronii din fotoliză sunt folosiți pentru a înlocui electronii pierduți din clorofila

2. Electronul excitat care a venit de la clorofilă are un nivel ridicat de energie Electronul este captat de un acceptor de electroni și intră într-un lanț de electroni

3. Electronul intră într-un lanț de electroni unde trece printr-o serie de reacții redox Nivelul energiei începe să scadă. Purtătorii de electroni sunt localizați în membranele tilacoidelor

4. Energia pierdută din electroni, pe măsură ce trec în jos, purtătorul de electroni este utilizată pentru a produce ATP. ADP este combinat cu Pi. Este necesară energie pentru acest proces. Această sinteză a ATP se numește fotofosforilare. ATP este apoi utilizat ca sursă de energie în Calvin. Ciclu

5. O a doua moleculă de clorofilă (fotosistemul 2) pierde, de asemenea, un electron când primește energie luminoasă. Electronul din lanțul de transport este utilizat pentru a înlocui acest electron pierdut.

6. Electronul pierdut din fotosistemul 1 câștigă energie și este primit de un acceptor de electroni

7. Electronul intră într-un al doilea lanț de electroni

8. La sfârșitul celui de-al doilea lanț de electroni, o enzimă numită NADP + reductază transferă electronii către NADP + Se adaugă un proton din fotoliză la NADP + Se produce NADP redus Se utilizează NADP redus împreună cu ATP ca sursă de energie chimică Intră în Ciclul Calvin

Chimiosmoza este numele procesului în care mișcarea ionilor H + peste o membrană generează ATP - acest lucru are loc și în respirație.
Electronii excitați pierd energie în timp ce se mișcă de-a lungul lanțului de transport al electronilor.
Această energie este utilizată pentru transportul protonilor în tilacoid, astfel încât tilacoidul are o concentrație mai mare de protoni decât stroma.
Aceasta formează un gradient de protoni peste membrană.
Protonii își deplasează gradientul de concentrație în stromă printr-o enzimă ATP sintază.
Energia din această mișcare combină ADP și Pi pentru a forma ATP.

Produsele reacției dependente de lumină a fotosintezei, ATP și NADP redus sunt utilizate pentru a reduce dioxidul de carbon în a doua etapă a fotosintezei.
Reacția independentă de lumină are loc în stroma cloroplastelor.
Reacția este numită și ciclul Calvin.

1. Dioxidul de carbon din atmosferă se difuzează în frunză prin stomate și se difuzează în stomate și se dizolvă în apă în jurul pereților celulelor mezofile Se difuzează apoi prin membrana plasmatică, citoplasma și membranele cloroplastice în stroma cloroplastului

2. În stromă, dioxidul de carbon se combină cu cei cinci compuși de carbon ribuloză bifosfat RuBP folosind o enzimă

3. Combinația de dioxid de carbon și RuBP produce un compus cu 6 carbon care este instabil și se descompune în două molecule ale compusului cu 3 carbonici glicerat 3-fosfat GP

4. ATP și NADP redus din reacția dependentă de lumină sunt utilizate pentru a reduce GP activat la trioză fosfat TP

5. NADP este reformat și revine la reacția dependentă de lumină pentru a fi redus din nou prin adăugarea de hidrogen

6. Unele molecule de trioză fosfat sunt transformate în substanțe organice utile precum glucoza

7. Majoritatea moleculelor de trioză fosfat sunt utilizate pentru regenerarea RuBP utilizând ATP produs din reacția dependentă de lumină

Produsele ciclului Calvin

Ciclul Calvin este punctul de plecare pentru obținerea tuturor substanțelor organice de care are nevoie o plantă.

Triozele fosfat TP și moleculele GP glicerat 3-fosfat sunt utilizate pentru a produce carbohidrați, lipide și proteine.
Carbohidrați


Lanțuri alimentare și pagini alimentare

Figura ( PageIndex <2> ). Ecosistemele deșertului, ca toate ecosistemele, pot varia foarte mult. Deșertul din (a) Parcul Național Saguaro, Arizona, are viață vegetală abundentă, în timp ce deșertul stâncos al insulei (b) Boa Vista, Capul Verde, Africa, este lipsit de viață vegetală. (credit a: modificare lucrare de Jay Galvin credit b: modificare lucrare de Ingo W & oumllbern)

A lant trofic este o secvență liniară de organisme prin care nutrienții și energia trec pe măsură ce un organism mănâncă altul. Nivelurile din lanțul alimentar sunt producătorii, consumatorii primari, consumatorii de nivel superior și, în cele din urmă, descompunătorii. Aceste niveluri sunt utilizate pentru a descrie structura și dinamica ecosistemului. Există o singură cale printr-un lanț alimentar. Fiecare organism dintr-un lanț alimentar ocupă un nivel trofic specific (nivel de energie), poziția sa în lanțul alimentar sau în rețeaua trofică.

Figura ( PageIndex <3> ). Acestea sunt nivelurile trofice ale unui lanț alimentar din Lacul Ontario, la granița cu Statele Unite și Canada. Energia și nutrienții curg de la algele verzi fotosintetice de la bază la vârful lanțului alimentar: somonul Chinook. (credit: modificare a lucrărilor de către Administrația Națională Oceanică și Atmosferică / NOAA)

În multe ecosisteme, baza sau fundația lanțului trofic constă din organisme fotosintetice (plante sau fitoplancton), care se numesc producători. Organismele care consumă producătorii sunt numite erbivore consumatorii primari. Consumatori secundari sunt de obicei carnivore care mănâncă consumatorii primari. Consumatorii terțiari sunt carnivore care mănâncă alte carnivore. Consumatorii de nivel superior se hrănesc cu următoarele niveluri trofice inferioare și așa mai departe, până la organismele din partea de sus a lanțului alimentar. În lanțul alimentar din Lacul Ontario, prezentat în Figura ( PageIndex <3> ), somonul Chinook este consumatorul de vârf al vârfului acestui lanț alimentar.

Un factor major care limitează numărul de pași într-un lanț alimentar este energia. Energia se pierde la fiecare nivel trofic și între nivelurile trofice ca căldură și în transferul către descompunători (Figura ( PageIndex <4> ) de mai jos). Astfel, după un număr limitat de transferuri de energie trofică, cantitatea de energie rămasă în lanțul trofic poate să nu fie suficient de mare pentru a susține populații viabile la niveluri trofice superioare.

Există o singură problemă atunci când se utilizează lanțuri alimentare pentru a descrie majoritatea ecosistemelor. Chiar și atunci când toate organismele sunt grupate în niveluri trofice adecvate, unele dintre aceste organisme se pot hrăni la mai mult de un nivel trofic. În plus, speciile se hrănesc și sunt consumate de mai multe specii. Cu alte cuvinte, modelul liniar al ecosistemelor, lanțul alimentar, este o reprezentare ipotetică și prea simplistă a structurii ecosistemului. Un model holistic care include toate interacțiunile dintre diferite specii și relațiile lor complexe interconectate între ele și cu mediul și mdash este un model mai precis și descriptiv pentru ecosisteme. A pânză alimentară este un concept care explică interacțiunile multiple trofice (hrănitoare) dintre fiecare specie (Figura ( PageIndex <5> ) de mai jos).

Figura ( PageIndex <4> ). Este prezentată energia relativă la niveluri trofice într-un ecosistem din Silver Springs, Florida. Fiecare nivel trofic are mai puțină energie disponibilă și, de obicei, dar nu întotdeauna, susține o masă mai mică de organisme la nivelul următor.

Două tipuri generale de rețele alimentare sunt adesea prezentate interacționând într-un singur ecosistem. O rețea alimentară care pășunește are la bază plante sau alte organisme fotosintetice, urmate de erbivore și diferite carnivore. O rețea alimentară detritică constă dintr-o bază de organisme care se hrănesc cu materie organică în descompunere (organisme moarte), inclusiv descompunători (care descompun organismele moarte și în descompunere) și detritivori(care consumă detritus organic). Aceste organisme sunt de obicei bacterii, ciuperci și animale nevertebrate care reciclează materialul organic înapoi în partea biotică a ecosistemului, deoarece ele însele sunt consumate de alte organisme.

Figura ( PageIndex <5> ). Această rețea trofică arată interacțiunile dintre organisme la niveluri trofice. Săgețile indică de la un organism care este consumat la organismul care îl consumă. Toți producătorii și consumatorii devin în cele din urmă hrană pentru descompunători (ciuperci, mucegai, râme și bacterii din sol). (credit & ldquofox & rdquo: modificare a muncii de Kevin Bacher, NPS credit & ldquoowl & rdquo: modificare a muncii de John și Karen Hollingsworth, USFWS credit & ldquosnake & rdquo: modificare a muncii de Steve Jurvetson credit & ldquorobin & rdquo: modificare a muncii & ldqu Alessandro Catenazzi credit & ldquospider & rdquo: modification of work by & ldquoSanba38 & Prime / Wikimedia Commons credit & ldquocentipede & rdquo: modification of work by & ldquoBauerph & rdquo / Wikimedia Commons credit & ldquosquirrel & rdquo & credit rdquo & credit: David Friel credit & ldquobeetle & rdquo: modificare a lucrării de Scott Bauer, USDA Agricultural Research Service credit & ldquomushrooms & rdquo: modificare a lucrării de Chris Wee credit & ldquomold & rdquo: modificare a lucrării de Dr. Lucille Georg, credit CDC & ldquoearthworm & rdquo: modificare a lucrare de Rob Hille credit & ldquobacteria & rdquo: modificare a lucrării de Don Stalons, CDC)

Cum organismele dobândesc energie într-o rețea alimentară

Toate ființele vii necesită energie într-o formă sau alta. La nivel celular, energia este utilizată în majoritatea căilor metabolice (de obicei sub formă de ATP), în special în cei responsabili de construirea unor molecule mari din compuși mai mici. Organismele vii nu ar putea să asambleze molecule organice complexe (proteine, lipide, acizi nucleici și carbohidrați) fără un aport constant de energie.

Diagramele rețelei alimentare ilustrează modul în care energia circulă în mod direcțional prin ecosisteme. Ele pot indica, de asemenea, cât de eficient organismele dobândesc energie, o utilizează și cât de mult rămâne pentru a fi utilizate de alte organisme din rețeaua trofică. Energia este dobândită de ființele vii în două moduri: autotrofii valorifică lumina sau energia chimică, iar heterotrofii dobândesc energie prin consumul și digestia altor organisme vii sau vii anterior.

Organismele fotosintetice și chemosintetice sunt autotrofe, care sunt organisme capabile să sintetizeze propriile alimente (mai precis, capabile să utilizeze carbonul anorganic ca sursă de carbon). Autotrofe fotosintetice (fotoautotrofe) folosiți lumina soarelui ca sursă de energie și autotrofe chemosintetice (chemoautotrofe) folosesc molecule anorganice ca sursă de energie. Autotrofele sunt esențiale pentru ecosisteme, deoarece ocupă nivelul trofic care conține producători. Fără aceste organisme, energia nu ar fi disponibilă altor organisme vii, iar viața nu ar fi posibilă.

Fotoautotrofele, cum ar fi plantele, algele și bacteriile fotosintetice, sunt sursa de energie pentru majoritatea ecosistemelor lumii și rsquos. Fotoautotrofele valorifică energia solară și rsquos transformându-l în energie chimică. Se numește viteza la care producătorii fotosintetici încorporează energia din Soare productivitatea primară brută. Cu toate acestea, nu toată energia încorporată de producători este disponibilă celorlalte organisme din rețeaua alimentară, deoarece producătorii trebuie să crească și să se reproducă, ceea ce consumă energie. Productivitatea primară netă este energia care rămâne în producători după contabilizarea acestor organisme și metabolismul rsquo și pierderea de căldură. Productivitatea netă este apoi disponibilă consumatorilor primari la următorul nivel trofic.

Figura ( PageIndex <6> ). Creveți înot, câțiva homari ghemuiți și sute de midii de aerisire sunt văzuți într-un orificiu hidrotermal de la fundul oceanului. Deoarece nu pătrunde lumina soarelui până la această adâncime, ecosistemul este susținut de bacterii chemoautotrofe și materiale organice care se scufundă de pe suprafața oceanului și rsquos. Această imagine a fost făcută în 2006 la vulcanul NW Eifuku scufundat de pe coasta Japoniei de către Administrația Națională Oceanică și Atmosferică (NOAA). Vârful acestui vulcan extrem de activ se află la 1535 m sub suprafață.

Chemoautotrofele sunt în primul rând bacterii și arhee care se găsesc în ecosisteme rare în care lumina soarelui nu este disponibilă, cum ar fi cele asociate cu peșteri întunecate sau orificii hidrotermale de la fundul oceanului (Figura ( PageIndex <6> )). Multe chemoautotrofe din orificiile de ventilare hidrotermale folosesc hidrogen sulfurat (H2S), care este eliberat din orificiile de ventilare, ca sursă de energie chimică. Acest lucru le permite să sintetizeze molecule organice complexe, cum ar fi glucoza, pentru propria lor energie și, la rândul său, furnizează energie restului ecosistemului.

Una dintre cele mai importante consecințe ale dinamicii ecosistemelor în ceea ce privește impactul uman este biomagnificarea. Biomagnificare este concentrația crescândă de substanțe toxice persistente în organisme la fiecare nivel trofic succesiv. Acestea sunt substanțe liposolubile și sunt stocate în rezervele de grăsime ale fiecărui organism. S-a demonstrat că multe substanțe se biomagnifică, inclusiv studii clasice cu pesticid diclorodifeniltricloretan (DDT), care au fost descrise în bestseller-ul anilor 1960 Primăvară tăcută de Rachel Carson. DDT a fost un pesticid utilizat în mod obișnuit înainte ca pericolele sale pentru consumatorii de vârf, cum ar fi vulturul chel, să devină cunoscute. DDT și alte toxine sunt preluate de producători și transmise la niveluri succesive de consumatori la rate tot mai mari. Pe măsură ce vulturii cheli se hrănesc cu pești contaminați, nivelul lor de DDT crește. S-a descoperit că DDT a făcut ca cojile de ouă ale păsărilor să devină fragile, ceea ce a contribuit la includerea vulturului chel ca specie pe cale de dispariție în conformitate cu legislația SUA. Utilizarea DDT a fost interzisă în Statele Unite în anii '70.

Figura ( PageIndex <7> ). Acest grafic arată concentrațiile de PCB găsite la diferitele niveluri trofice în ecosistemul golfului Saginaw din lacul Huron. Observați că peștii din nivelurile trofice superioare acumulează mai multe PCB decât cei din nivelurile trofice inferioare. (credit: Patricia Van Hoof, NOAA)

O altă substanță care biomagnifică este bifenilul policlorurat (PCB), care a fost utilizat ca lichide de răcire în Statele Unite până când utilizarea sa a fost interzisă în 1979. PCB a fost cel mai bine studiat în ecosistemele acvatice în care speciile de pești prădători au acumulat concentrații foarte mari de toxină, altfel există la concentrații scăzute în mediu. Așa cum se ilustrează într-un studiu efectuat de NOAA în Golful Saginaw al lacului Huron din Marile Lacuri din America de Nord (Figura ( PageIndex <7> ) de mai jos), concentrațiile PCB au crescut de la producătorii ecosistemului (fitoplancton) prin intermediul diferite niveluri trofice ale speciilor de pești. Consumatorul de vârf, walleye, are mai mult de patru ori cantitatea de PCB comparativ cu fitoplanctonul. De asemenea, cercetările au constatat că păsările care mănâncă acești pești pot avea niveluri de PCB care sunt de cel puțin zece ori mai mari decât cele găsite în peștii din lac.

Alte preocupări au fost ridicate de biomagnificarea metalelor grele, cum ar fi mercurul și cadmiul, în anumite tipuri de fructe de mare. Agenția pentru Protecția Mediului din Statele Unite recomandă femeilor însărcinate și copiilor mici să nu consume niciun pește-spadă, rechin, macrou sau pește din cauza conținutului ridicat de mercur. Aceste persoane sunt sfătuiți să mănânce pește cu conținut scăzut de mercur: somon, creveți, polen și somn. Biomagnificarea este un bun exemplu al modului în care dinamica ecosistemului ne poate afecta viața de zi cu zi, influențând chiar și alimentele pe care le consumăm.

Lectură suplimentară sugerată

Canales, M. și colab. 2018. 6 lucruri care fac posibil ca pe Pământ [Infografic]. National Geographic. Martie.


Ludwig von Bertalanffy

Ludwig von Bertalanffy (1901-1972) a fost printre cele mai acute minți ale secolului XX. Iată o serie de pasaje din a lui Teoria generală a sistemului. Prima parte a textului se concentrează pe funcția teoriei sistemelor și pe principalele caracteristici ale sistemelor închise și deschise. Cea de-a doua parte prezintă o concepție a ființei umane nu ca un robot sau un idiot care vizează reducerea tensiunilor prin satisfacerea nevoilor biologice, ci ca o sistem de personalitate activ creându-și propriul univers, care se bucură de acceptarea provocărilor, rezolvarea problemelor și exprimarea înclinațiilor sale artistice.

Există modele, principii și legi care se aplică sistemelor generalizate sau subclaselor lor, indiferent de tipul lor particular, natura elementelor lor componente și relația sau „forțele” dintre ele. Pare legitim să se ceară o teorie, nu a sistemelor de un gen mai mult sau mai puțin special, ci a principiilor universale care se aplică sistemelor în general.
În acest fel postulăm o nouă disciplină numită Teoria generală a sistemului. Obiectul său este formularea și derivarea acelor principii valabile pentru „sisteme” în general.

O consecință a existenței proprietăților generale ale sistemului este apariția asemănărilor structurale sau a izomorfismelor în diferite domenii. Există corespondențe în principiile care guvernează comportamentul entităților care sunt, intrinsec, foarte diferite. Pentru a lua un exemplu simplu, o lege exponențială a creșterii se aplică anumitor celule bacteriene, populațiilor de bacterii, de animale sau de oameni și progresului cercetării științifice măsurat prin numărul de publicații în genetică sau știință în general.

Izomorfismele sistemului apar, de asemenea, în probleme care sunt recalcitrante la analiza cantitativă, dar sunt totuși de mare interes intrinsec. Există, de exemplu, izomorfii între sistemele biologice și „epiorganisme” precum comunitățile de animale și societățile umane.

Prin urmare, se pare că o teorie generală a sistemelor a sistemelor ar fi un instrument util care să ofere, pe de o parte, modele care pot fi utilizate și transferate în diferite domenii și protejarea, pe de altă parte, de analogii vagi care adesea au a afectat progresul în aceste domenii.

Izomorfismul în discuție este mai mult decât o simplă analogie. Este o consecință a faptului că, în anumite privințe, abstracțiile și modelele conceptuale corespunzătoare pot fi aplicate diferitelor fenomene. Numai având în vedere aceste aspecte, se vor aplica legile de sistem. Acest lucru nu este diferit de procedura generală din știință.

Există, totuși, un alt aspect și chiar mai important al teoriei generale a sistemului.
Concepte precum cele de organizare, integritate, directivitate, teleologie și diferențiere sunt străine fizicii convenționale. Cu toate acestea, ele apar peste tot în științele biologice, comportamentale și sociale și sunt, de fapt, indispensabile pentru a face față organismelor vii sau grupurilor sociale. Astfel, o problemă de bază pusă științei moderne este o teorie generală a organizării. Teoria generală a sistemului este, în principiu, capabilă să ofere definiții exacte pentru astfel de concepte și, în cazuri adecvate, să le pună la analiză cantitativă.

Scopurile unei teorii generale a sistemului

În timp ce în trecut, știința a încercat să explice fenomenele observabile, reducându-le la o interacțiune a unităților elementare care pot fi investigate independent una de cealaltă, apar în știința contemporană concepții care se preocupă de ceea ce este oarecum numit vag „întreg”, adică probleme de organizare, fenomene nu pot fi rezolvate în evenimente locale, interacțiunile dinamice se manifestă prin diferența de comportament a pieselor atunci când sunt izolate sau într-o configurație superioară etc. Concepții și probleme de această natură au apărut în toate ramurile științei, indiferent dacă obiectele de studiu sunt lucrurile neînsuflețite, organismele vii sau fenomenele sociale.

Nu numai că aspectele generale și punctele de vedere sunt deopotrivă în diferite științe, în mod frecvent găsim legi formal identice sau izomorfe în diferite domenii. În multe cazuri, legile izomorfe sunt valabile pentru anumite clase sau subclase de „sisteme”, indiferent de natura entităților implicate. Se pare că există legi generale de sistem care se aplică oricărui sistem de un anumit tip, indiferent dacă proprietățile particulare ale sistemului și ale elementelor implicate.

Prin urmare, teoria generală a sistemului este o știință generală a „întregii”.

(1) Există o tendință generală spre integrare în diferitele științe, naturale și sociale.

(2) O astfel de integrare pare a fi centrată într-o teorie generală a sistemelor.

(3) O astfel de teorie poate fi un mijloc important de a viza teoria exactă în domeniile non-fizice ale științei.

(4) Dezvoltând principiile unificatoare care se desfășoară „vertical” prin universul științelor individuale, această teorie ne aduce mai aproape de scopul unității științei.

(5) Acest lucru poate duce la o integrare atât de necesară în educația științifică.

Sisteme închise și deschise

Fizica convențională se ocupă numai de sisteme închise, adică sisteme care sunt considerate izolate de mediul lor.

Cu toate acestea, găsim sisteme care prin însăși natura și definiția lor nu sunt sisteme închise. Fiecare organism viu este în esență un sistem deschis. Se menține într-o intrare și ieșire continuă, o construire și descompunere a componentelor, care nu se află niciodată, atâta timp cât este în viață, într-o stare de echilibru chimic și termodinamic, dar menținută într-o așa-numită stare de echilibru care este distinctă de acesta din urmă.

Abia în ultimii ani a avut loc o extindere a fizicii, pentru a include sistemele deschise. Această teorie a arătat lumină asupra multor fenomene obscure din fizică și biologie și a dus, de asemenea, la concluzii generale importante, despre care voi menționa doar două.

Primul este principiul echifinalității. În orice sistem închis, starea finală este determinată fără echivoc de condițiile inițiale: de ex. mișcarea într-un sistem planetar în care pozițiile planetelor la un moment t sunt determinate fără echivoc de pozițiile lor la un moment t & deg.
Nu este așa în sistemele deschise. Aici, aceeași stare finală poate fi atinsă din condiții inițiale diferite și în moduri diferite. Aceasta este ceea ce se numește echifinalitate.

Un alt contrast aparent între natura neînsuflețită și cea animată este ceea ce uneori s-a numit contradicția violentă dintre degradarea lordului Kelvin și evoluția lui Darwin, între legea disipării în fizică și legea evoluției în biologie. Conform celui de-al doilea principiu al termodinamicii, tendința generală a evenimentelor din natura fizică este spre stări de tulburare maximă și nivelare a diferențelor, cu așa-numita moarte termică a universului ca perspectivă finală, când toată energia este degradată în mod egal distribuită căldură la temperatură scăzută, iar procesul mondial se oprește. În schimb, lumea vie arată, în dezvoltarea embrionară și în evoluție, o tranziție către ordinea superioară, eterogenitatea și organizarea. Dar, pe baza teoriei sistemelor deschise, dispare aparenta contradicție între entropie și evoluție. În toate procesele ireversibile, entropia trebuie să crească. Prin urmare, schimbarea entropiei în sistemele închise este întotdeauna o ordine pozitivă care este distrusă continuu. Cu toate acestea, în sistemele deschise avem nu doar producția de entropie datorită proceselor ireversibile, ci și importul de entropie care poate fi negativ. Acesta este cazul organismului viu care importă molecule complexe bogate în energie liberă. Astfel, sistemele vii, menținându-se într-o stare stabilă, pot evita creșterea entropiei și pot chiar să se dezvolte către stări de ordine și organizare sporite.

Informații și feedback

O altă dezvoltare strâns legată de teoria sistemelor este cea a teoriei moderne a comunicării

Noțiunea generală în teoria comunicării este cea a informației. În multe cazuri, fluxul de informații corespunde unui flux de energie, de ex. dacă undele de lumină emise de unele obiecte ajung la ochi sau la o celulă fotoelectrică, provoacă o reacție a organismului sau a unor mașini și astfel transmit informații.

Există, totuși, un alt mod de a măsura informațiile, și anume în ceea ce privește deciziile.

Un al doilea concept central al teoriei comunicării și controlului este cel al feedback-ului.

Feedback arrangements are widely used in modern technology for the stabilization of a certain action, as in thermostats or in radio receivers or for the direction of actions towards a goal where the aberration from that goal is fed back, as information, till the goal or target is reached.

There is indeed a large number of biological phenomena which correspond to the feedback model. First, there is the phenomenon of so-called homeostasis, or maintenance of balance in the living organism, the prototype of which is thermoregulation in warm-blooded animals.

Causality and Teleology

We may state as characteristic of modern science that this scheme of isolable units acting in one-way causality has proved to be insufficient. Hence the appearance, in all fields of science, of notions like wholeness, holistic, organismic, gestalt, etc., which all signify that, in the last resort, we must think in terms of systems of elements in mutual interaction.

Similarly, notions of teleology and directiveness appeared to be outside the scope of science.

Nevertheless, these aspects exist, and you cannot conceive of a living organism, not to speak of behaviour and human society, without taking into account what variously and rather loosely is called adaptiveness, purposiveness, goal-seeking and the like.

In dealing with complexes of 'elements', three different kinds of distinction may be made - i.e.,

(1) according to their number

(2) according to their species

(3) according to the relations of elements.

A system may be defined as a set of elements standing in interrelation among themselves and with environment.

Progress is possible only by passing from a state of undifferentiated wholeness to a differentiation of parts.

We term a system 'closed' if no material enters or leave it it is called 'open' if there is import and export of material.

Living systems are not closed systems in true equilibrium but open systems in a steady state.

An open system is defined as a system in exchange of matter with its environment, presenting import and export, building-up and breaking-down of its material components.

Biologically, life is not maintenance or restoration of equilibrium but is essentially maintenance of disequilibria, as the doctrine of the organism as open system reveals. Reaching equilibrium means death and consequent decay. Psychologically, behaviour not only tends to release tensions but also builds up tensions if this stops, the patient is a decaying mental corpse in the same way a living organism becomes a body in decay when tensions and forces keeping it from equilibrium have stopped.

There is a wide range of behaviour - and presumably also of evolution - which cannot be reduced to utilitarian principles of adaptation of the individual and survival of the species. Greek sculpture, Renaissance painting, German music - indeed, any aspect of culture - has nothing to do with utility, or with the better survival of individuals or nations.

Also the principle of stress, so often invoked in psychology, psychiatry, and psychosomatics, needs some reevaluation. As everything in the world, stress too is an ambivalent thing. Stress is not only a danger to life to be controlled and neutralized by adaptive mechanisms it also creates higher life.

If life after disturbances from outside, had simply returned to the so-called homeostatic equilibrium, it would never have progressed beyond the amoeba which, after all, is the best adapted creature in the world - it has survived billions of years from the primeval ocean to the present day. Michelangelo, implementing the precepts of psychology, should have followed his father's request and gone in the wool trade, thus sparing himself lifelong anguish although leaving the Sistine Chapel unadorned.

Life is not comfortable setting down in pre-ordained grooves of being at its best, it is élan vital, inexorably driven towards higher forms of existence.

System-Theoretical Re-orientation

It is along such lines that a new model or image of man seems to be emerging. We may briefly characterize it as the model of man as active personality system.

The system concept tries to bring the psychophysiological organism as a whole into the focus of the scientific endeavour.

In contrast to the model of the reactive organism expressed by the S-R [stimulus-response] scheme - behaviour as gratification of needs, relaxation of tensions, reestablishment of homeostatic equilibrium, its utilitarian and environmentalistic interpretations, etc. - we come rather to consider the psychophysical organism as a primarily active system.

I, for one, am unable to see how, for example, creative and cultural activities of all sorts can be regarded as 'response to stimuli', 'gratifications of biological needs', 'reestablishment of homeostasis', or the like.

Man is not a passive receiver of stimuli coming from an external world, but in a very concrete sense creates his universe.

Beyond the mass robot

The concept of man as mass robot was both an expression of and a powerful motive force in industrialized mass society. It was the basis for behavioural engineering in commercial, economic, political and other advertising and propaganda the expanding economy of the 'affluent society' could not subsist without such manipulation. Only by manipulating humans ever more into Skinnerian rats, robots buying automata, homeostatically adjusted conformers and opportunists (or, bluntly speaking, into morons and zombies) can this great society follow its progress toward ever increasing gross national product.

Modern society provided a large-scale experiment in manipulative psychology. If its principles are correct, conditions of tension and stress should lead to increase of mental disorder. On the other hand, mental health should be improved when basic needs of food, shelter, personal security, and so forth, are satisfied.

World War II - a period of extreme physiological and psychological stress - did not produce an increase in neurotic or psychotic disorders, apart from direct shock effects such as combat neuroses. In contrast the affluent society produced an unprecedented number of mentally ill.

Precisely under conditions of reduction of tensions and gratification of biological needs, novel forms of mental disorders appeared as existential neurosis, malignant boredom, and retirement neurosis, i.e. forms of mental dysfunction originating not from repressed drives, from unfulfilled needs, or from stress, but from meaningless of life.

There is the suspicion that the recent increase in schizophrenia may be caused by the 'other-directedness' of man in modern society. And there is no doubt that in the field of character disorders, a new type of juvenile delinquency has appeared: crime not for want or passion, but for the fun of it, for 'getting a kick', and born from the emptiness of life.

Even rats seem to 'look' for problems, and the healthy child and adult are going far beyond the reduction of tensions or gratification of needs in innumerable activities that cannot be reduced to primary and secondary drives.

For similar reasons, complete relaxation of tensions as in sensory-deprivation experiments is not an ideal state but is apt to produce insufferable anxiety, hallucinations, and other psychosis-like symptoms. Prisoner's psychosis, or exacerbation of symptoms in the closed ward, and retirement and weekend neurosis are related clinical conditions attesting that the psychophysical organism needs an amount of tension and activity for healthy existence.


Energy Flow in an Ecosystem (explained with diagram) | Ecosystem

Energy flow is the one of the most fundamental processes and it is common to all the ecosystems. It is basically the movement of energy in an ecosystem through a series of organisms.

Ecosystem Energy:

Organisms can be either producers or consumers in terms of energy flow through an ecosystem. Producers convert energy from the environment into carbon bonds, such as those found in the sugar glucose. Plants are the most obvious examples of producers plants take energy from sunlight and use it to convert carbon dioxide into glucose (or other sugars). Algae and cyanobacteria are also photo- synthetic producers, like plants.

Other producers include bacteria living around deep-sea vents. These bacteria take energy from chemicals coming from the Earth’s interior and use it to make sugars. Other bacteria living deep under­ground can also produce sugars from such inorganic sources. Another word for producers is autotrophs.

Routes of Usage:

Consumers get their energy from the carbon bonds made by the producers. Another word for a consumer is a heterotroph.

Based on what they eat, we can distinguish between 4 types of heterotrophs:

A trophic level refers to the organisms position in the food chain. Autotrophs are at the base. Organisms that eat autotrophs are called herbivores or primary consumers. An organism that eats herbivores is a carnivore and a secondary consumer. A carnivore which eats a carnivore which eats a herbivore is a terti­ary consumer, and so on.

It is important to note that many animals do not specialize in their diets. Omnivores (such as humans) eat both animals and plants. Further, except for some specialists, most carnivores don’t discriminate between herbivorous and carnivorous bugs in their diet. If it’s the right size, and moving at the right distance, chances are the frog will eat it.

Flow of Energy and its Utilisation:

The diagram 3.5 shows how both energy and inorganic nutrients flow through the ecosystem. Energy “flows” through the ecosystem in the form of carbon- carbon bonds. When respiration occurs, the carbon-carbon bonds are broken and the carbon is combined with oxygen to form carbon dioxide.

This process releases the energy, which is either used by the organism (to move its muscles, digest food, excrete wastes, think, etc.) or the energy may be lost as heat. The dark arrows represent the movement of this energy. Note that all energy comes from the sun, and that the ultimate fate of all energy in ecosystems is to be lost as heat. Energy does not recycle.

The other component shown in the diagram is the inorganic nutrients. They are inorganic because they do not contain carbon-carbon bonds. These inorganic nutrients include the phosphorous in your teeth, bones, and cellular membranes the nitrogen in your amino acids (the building blocks of protein) and the iron in your blood (to name just a few of the inorganic nutrients).

The movement of the inorganic nutrients is represented by the open arrows. Note that the autotrophs obtain these inorganic nutrients from the inorganic nutrient pool, which is usually the soil or water surrounding the plants or algae.

These inorganic nutrients are passed from organism to organism as one organ­ism is consumed by another. Ultimately, all organisms die and become detritus, food for the decomposers. At this stage, the last of the energy is extracted (and lost as heat) and the inorganic nutrients are returned to the soil or water to be taken up again. The inorganic nutrients are recycled, the energy is not.

To summarize: In the flow of energy and inorganic nutrients through the eco­system, a few generalizations can be made:

1. The ultimate source of energy (for most ecosystems) is the sun

2. The ultimate fate of energy in ecosystems is for it to be lost as heat.

3. Energy and nutrients are passed from organism to organism through the food chain as one organism eats another.


Explanation of universal model of energy flow - Biology

  • Alimentare electrică
  • Electrical circuit
  • Intrerupator
  • Closed circuit
  • Open circuit
  • Recognize the function and representation of a simple power supply
  • Analyze a simple electrical circuit
  • Identify the function of switches in a circuit

An electric alimentare electrică is a device or system that converts some form of energy into electrical energy. For example, a battery converts chemical energy to electrical energy by way of chemical reactions that create a voltage across the two terminals (one of which is labeled "+" and the other "-"). In the case of your electric utility company, the power plant burns coal or uses nuclear fuel to turn a turbine that, through the use of magnets, generates a voltage that power lines carry to your home. Solar panels convert the energy in light to electrical energy.

Whatever the source, a power supply converts some form of stored or otherwise available energy into electrical energy. (According to a fundamental tenet of physics, energy is neither created nor destroyed--it can only change forms.) But what does a power supply look like with regard to our discussion of voltage and current? Below is an illustration of a simple power supply with a positive terminal and negative terminal. The positive terminal has a net positive charge, and the negative terminal has a net negative charge. We'll call the negative terminal ground.

Because of the excess positive charge at the positive terminal and the excess negative charge at the negative terminal, a positive charge will be repelled from the positive terminal and attracted toward the negative terminal.

For illustration purposes, let's consider a 1.5V battery--this is the potential energy difference between the two battery terminals per coulomb of charge. We'll still call the negative terminal ground, because a positive charge will "fall" away from the positive terminal toward the negative terminal, as shown above. In the diagram below, we simply assume that the battery is surrounded by air, which is an insulator (it doesn't conduct charge).

But what if we connect a conducting material-such as copper wire-across the terminals of the battery? We then have both a potential difference between the two terminals și a pathway for charge to travel. As a result, current will flow from the positive terminal to the negative terminal.

At this point, you may be a little confused as to why we are showing the flow of positive charge. Recall that conductors allow the free flow of loosely bound electrons--thus, we would expect that what would happen is that negative charge would flow from the negative terminal (where it is in excess) toward the positive terminal (to balance the positive charge there). This is actually what happens, but by historical accident, positive charge was associated with protons rather than electrons (the charge of electrons could just have legitimately been called positive). As it turns out, a given flow of positive charge in one direction is equivalent to the same flow of negative charge in the opposite direction.

But to align our study with the conventions of physics, we'll generally talk about positive current--that is, positive charge flowing from a higher voltage (the positive terminal) to a lower voltage (ground). Incidentally, you shouldn't connect just a wire or other good conductor to a battery in this manner--it will very quickly exhaust the battery.

A Simple Electric Circuit

What we see above, where the two terminals of a power supply (battery, for example) are connected to each other, is a simple electrical circuit. An electrical circuit is, as you can probably judge from the example above and the name, a closed loop through which current can flow. Because the circuit above contains no other components besides the battery, however, it's not a very interesting example.

Note that electrons can only flow from one point in a material (or combination of materials) to another if there is a continuous path through conducting material (a conductor) between the points. In the simple circuit above, such a path exists between the battery terminals. But what if we introduce a break in the wire? Then, of course, current will not flow. If we can "break" and "unbreak" the circuit at will, then we can turn on and off the flow of charge: in other words, we've introduced a switch into the circuit. Note that when the switch is closed (connecting the wire), the configuration is called a closed circuit. When the switch is open, it is called an open circuit.

Finally, let's replace our bulky battery with a more conventional symbol for a power supply--one that you'll commonly see in real-world diagrams of electrical circuits.

Note that the positive terminal is on the side with the longer horizontal bar the negative terminal is on the side with the shorter bar. Both are labeled above, but these labels are generally not shown. Thus, our simple switch circuit looks like the following.

Thus, we have taken the first step into the world of electrical circuits. Again, even with the switch, this circuit is not all that interesting: all it does is quickly deplete the energy stored in the battery when the circuit is closed. The important point to note, however, is that by "breaking" the circuit, we can control whether current is allowed to flow. This useful approach allows us to turn lights on and off at wall switches, for instance.

Practice Problem : Determine which way current will flow in the simple closed circuit shown below.

Soluţie: We learned that, by convention, we interpret current as the flow of positive charge from the positive (positively charged) terminal to the negative (negatively charged) terminal. The battery in the simple circuit above is oriented such that the positive terminal is on the left. Thus, current will flow in the counterclockwise direction

Practice Problem : Will any current flow in the circuit below? De ce sau de ce nu?


Explanation of universal model of energy flow - Biology

A plant transports dissolved sugars and amino acids in solution through a component of its vascular tissue called the phloem. The movement of fluid in the phloem, a process called translocation, can occur in any direction, up or down the plant. However, the fluid typically flows from source cells to sink cells. Source cells are cells that produce sugars and pump them into the phloem, whereas sink cells are cells that do not make enough sugars for their own growth and metabolism and must import them from the phloem.

The mechanism of phloem translocation is described in a model of phloem function called the pressure flow model. The accompanying animations describe this model, both in the plant and in a laboratory simulation.

CONCLUZIE

In the accompanying animations, we described the pressure flow model of phloem translocation, which is currently the most widely accepted model for how translocation occurs.

In the first step of this model, sugar (mainly sucrose) is actively transported from source cells into the sieve tubes of the phloem. The addition of sucrose into the sieve tubes increases the concentration of this solute, causing water to flow into the sieve tubes by osmosis. With the entry of water, the sieve tube pressure near the source cells increases and forces the solution to move to regions of lower pressure.

At the regions of lower pressure, sink cells remove the sucrose by active transport. As the sink cells pull the solute out of the phloem, water leaves the phloem by osmosis, passing to neighboring tissues that have higher solute concentrations. The retreating water reduces the pressure in this region of the sieve tubes and encourages fluid to continue to flow from regions of higher pressure.

At different times of the year, a tissue may act as a source or a sink. For example, when leaves of a plant are young, they require more nutrients to grow than they can produce, and therefore they act as sinks. However, when the leaves have reached maturity, they make abundant sugars and act as sources. In the autumn, the plant translocates much of its sugar to storage organs such as stems and roots, which act as sinks and store it over winter in the form of starch. In the spring, these storage organs then act as sources, releasing this sugar for use by the rest of the budding and flowering plant.

Textbook Reference: Concept 25.4 Solutes Are Transported in the Phloem by Pressure Flow


Priveste filmarea: Applying For Universal Credit - Top tips in Covid-19 (Ianuarie 2022).