Кіріспе

Экологиялық стехиометрия (немесе кең мағынада биологиялық стехиометрия) тірі жүйелерге энергия мен элементтердің тепе-теңдігінің қалай әсер ететінін қарастырады. Химиялық стехиометрия сияқты, экологиялық стехиометрия организмдер мен олардың экожүйелердегі өзара әрекеттесуіне қатысты массалық тепе-теңдіктің шектеулеріне негізделген. Атап айтқанда, энергия мен элементтердің тепе-теңдігі организмдер мен олардың өзара әрекеттесуіне қалай әсер етеді және осы тепе-теңдік организмдер мен олардың өзара әрекеттесуінен қалай өзгереді. Экологиялық стехиометрия тұжырымдары экологияда ұзақ тарихқа ие, ал Либиг, Лотка және Редфилд массалық тепе-теңдіктің шектеулері туралы алғашқы сілтемелер жасаған. Бұл бұрынғы тұжырымдамалар организмдердің элементтік физиологиясын олардың тағамдық желідегі өзара әрекеттесуімен және экожүйелік функциясымен тікелей байланыстыру үшін кеңейтілді. Экологиялық стехиометриядағы жұмыстардың көп бөлігі организм мен оның ресурстары арасындағы интерфейске бағытталған. Бұл интерфейс, өсімдіктер мен олардың қоректік ресурстары немесе ірі шөпқоректілер мен шөптер арасында болсын, әр бөліктің элементтік құрамындағы айқын айырмашылықтармен сипатталады. Организмдердің элементтік қажеттіліктері мен ресурстардың элементтік құрамы арасындағы айырмашылық немесе үйлесімсіздік элементтік тепе-теңсіздікке әкеледі. Мысалы, термиттердің тіндеріндегі көміртегі мен азоттың арақатынасы (C:N) шамамен 5-ке тең болса, олар 300–1000 арақатынасы бар ағашпен қоректенеді. Экологиялық стехиометрия негізгі сұрақтар қояды: табиғатта элементтік тепе-теңсіздіктер неліктен туындайды? элементтік тепе-теңсіздік тұтынушының физиологиясына және өмірлік цикліне қалай әсер етеді? және экожүйелік процестерге қандай салдары бар? Элементтік тепе-теңсіздіктер организмдердің биологиялық құрамындағы айырмашылықтарға байланысты, макромолекулалардың, органеллалардың және тіндердің түрлері мен мөлшері сияқты бірқатар физиологиялық және эволюциялық себептермен туындайды. Организмдер биологиялық құрамының икемділігі бойынша және осылайша ресурстарының өзгеруі кезінде тұрақты химиялық құрамын сақтау дәрежесі бойынша ерекшеленеді. Ресурстардағы өзгерістер қажетті ресурстардың түрлерімен, олардың уақыт және кеңістіктегі салыстырмалы қолжетімділігімен және оларды қалай алумен байланысты болуы мүмкін. Химиялық құрамның өзгеруіне және ресурстардың қолжетімділігіне қарамастан ішкі химиялық құрамын сақтау қабілеті «стехиометриялық гомеостаз» деп аталады. Гомеостаздың жалпы биологиялық түсінігі сияқты, элементтік гомеостаз элементтік құрамның белгілі бір биологиялық тәртіпте сақталуын білдіреді. Фотоавтотрофты организмдер, мысалы, балдырлар мен тамырлы өсімдіктер, элементтік құрамда физиологиялық икемділіктің өте кең диапазонын көрсете алады және осылайша салыстырмалы түрде әлсіз стехиометриялық гомеостазға ие. Керісінше, басқа организмдер, мысалы көпжасушалы жануарлар, қатаң гомеостазға жақын және оларды ерекше химиялық құрамы бар деп санауға болады. Мысалы, көлдегі көлеңкелі органикалық заттардағы көміртегі мен фосфордың арақатынасы (яғни балдырлар, бактериялар және қалдықтар) 100 мен 1000 аралығында өзгеруі мүмкін, ал Daphnia, қаңқалы жануарлар зоопланктонының C:P арақатынасы 80:1 шамасында тұрақты болып қалады. Өсімдіктер мен жануарлар арасындағы стехиометриялық гомеостаздағы жалпы айырмашылықтар тұтынушылар мен ресурстар арасындағы үлкен және өзгермелі элементтік тепе-теңсіздіктерге әкелуі мүмкін. Экологиялық стехиометрия ағзалардың химиялық құрамы олардың экологиясын қалай қалыптастыратынын анықтауға тырысады. Экологиялық стехиометрияны қоректік заттардың қайта өңдеуін, ресурстар арасындағы бәсекелестікті, жануарлардың өсуін және бүтін экожүйелердегі қоректік заттардың шектелу үлгілерін зерттеуге қолданған. Әлем мұхиттарының Редфилд қатынасы - стехиометриялық принциптерді экологияға қолданудың өте танымал мысалы. Экологиялық стехиометрия сонымен қатар рибосоманың P құрамы сияқты субклеткалық деңгейдегі құбылыстарды, сондай-ақ Жер атмосферасының оттегі құрамы сияқты бүкіл биосфера деңгейіндегі құбылыстарды қарастырады. Бүгінгі күні экологиялық стехиометрияның ғылыми-зерттеу аясы биология, экология, биохимия және адам денсаулығының әртүрлі салаларында зерттеулерді ынталандырды, соның ішінде адам микробиомасы, қатерлі ісік зерттеулері, тағамдық желідегі өзара әрекеттесулер, популяция динамикасы, экожүйелік қызметтер және т.б.

Тұтынушылар стехиометриясы және азық-түлік желілері

Организмдер тіндеріндегі элементтік қатынастарды (яғни, C:N:P) зерттеу организмдердің ресурс сапасы мен мөлшерінің өзгеруіне қалай ден қоятынын түсінуге мүмкіндік береді. Мысалы, су экожүйелерінде ағындардың азот пен фосформен ластануы, көбінесе ауыл шаруашылығы қызметінің нәтижесінде, бастапқы өндірушілерге қолжетімді N және P мөлшерін арттырады. N және P шектеуінің азаюы ағындағы бастапқы өндірушілердің санына, өсу жылдамдығына және биомассасына әсер ете алады. Бастапқы өндірістегі бұл өзгеріс азық тізбегі арқылы төменнен жоғары бағытталған процестер арқылы таралып, организмдердің стехиометриясына, шектеуші элементтерге және ағындардың биогеохимиялық айналымына әсер етеді. Сонымен қатар, элементтік қолжетімділіктің төменнен жоғарыға қарайғы өзгерістері организмдердің морфологиясына, фенологиясына және физиологиясына да ықпал етеді, олар туралы төменде сөз болады. Бұл мақала су жүйелеріне бағышталған, бірақ экологиялық стехиометрияға қатысты ұқсас процестер құрлықта да қолданылуы мүмкін.

Омыртқасыз жануарлардың стехиометриясы

Омыртқасыз жануарлардың белгілі бір қатынастағы көміртегі, азот және фосфорға деген қажеттілігі, олардың өмірлік циклінің әртүрлі кезеңдерінде өзгеруі мүмкін. Өсу жылдамдығы гипотезасы (GRH) осы құбылысты түсіндіреді және белсенді өсу кезеңдерінде биомасса өндірісінде фосфорға бай нуклеин қышқылдарын жасау үшін фосфорға деген қажеттіліктің артатынын, бұл тұтынушының фосфор құрамында көрінетінін айтады. Өсудің бастапқы кезеңдерінде немесе ерте инстарларда омыртқасыз жануарлардың ақуыздар мен РНК рибосомалық өндірісін қамтамасыз ету үшін азот пен фосфорға толы ресурстарға қажеттілігі жоғары болуы мүмкін. Ал кейінгі кезеңдерде, олар енді соншалықты қарқынды өспегендіктен немесе ақуызға бай биомасса өндірмейтіндіктен, нақты элементтерге деген қажеттілік өзгеріп, төмендеуі мүмкін. Омыртқасыз организмдердің өсу қарқыны оларға қолжетімді ресурстармен де шектелуі мүмкін.