STRUKTURA PRZESTRZENNA EKOSYSTEMU

* wszystkie elementy składające się w ekosystem są ze sobą powiązane zależnościami związanymi z przepływem energii i obiegiem materii

BIOCENOZA

* w jej obrębie wyróżniamy dwie zasadnicze grupy ekologiczne organizmów

KONSUMENCI

* ich rozmieszczenie przestrzenne jest bardzo różne

a) biofagi (odżywiają się żywą biomasą)

b) saprobionty

- saprofagi (odżywiają się częściowo rozłożonymi szczątkami roślin i zwierząt)

- wśród nich są reducenci, czyli grupa organizmów (głównie grzybów i bakterii) rozkładających martwą materię organiczną, reducenci są ogniwem łączącym konsumentów z producentami, bytują w najniższych partiach ekosystemu

PRODUCENCI

* ekosystem jest układem otwartym i wymaga stałego dostarczania energii, którą wykorzystują producenci, głównie fotoautotrofy, dlatego ich zielona biomasa skoncentrowana jest w najwyższych partiach ekosystemu (tam, gdzie dociera światło)

KOMPONENTY EKOSYSTEMU

ŚRODOWISKO NIEOŻYWIONE

EKOTON

* granica pomiędzy ekosystemami zajmującymi określony obszar i wyraźnie odgraniczonymi od siebie

* zazwyczaj jest to przejściowy pas o różnej szerokości

* jest miejscem bogatym pod względem różnorodności gatunkowej - można tu spotkać osobniki należące do obu ekosystemów, a także florę i faunę charakterystyczną tylko dla ekotonu

* przykład ekotonu:

- zadrzewienia śródpolne

PRZEPŁYW ENERGII

* wszystkie układy żywe są zdolne do przekształcania różnych form energii

* przemianom tym zawsze towarzyszą straty, więc istnieje konieczność stałego dostarczania energii zewnątrz

* energię, która jest dostępna dla organizmów żywych stanowi promieniowanie słoneczne

ŚWIATŁO

* stanowi większość energii dostępnej dla organizmów żywych

* do górnych warstw atmosfery ziemskiej dociera go średnio ok. 8,3 J/cm²/min

* przy przechodzeniu przez atmosferę straty wynoszą 30-33%

* pewna część energii jest absorbowana przez chmury i wilgoć w powietrzu (15-50% ilości początkowej)

* w sumie w strefie klimatu umiarkowanego do powierzchni roślin zielonych dociera ok. 4,46-6,1 kJ/m²/rok

* najprawdopodobniej większa część powierzchni naszego globu (z wyjątkiem okolic okołobiegunowych i tropikalnych pustyń) otrzymuje energię świetlną w ilości 1,52-1,22 kJ/m²/rok

* są to wartości średnie, ponieważ dawka energii, jaką otrzyma dany teren zależy od wielu czynników (położenie geograficzne, warunki pogodowe, ukształtowanie powierzchni)

PRODUKTYWNOŚĆ EKOSYSTEMÓW

PROMIENIE ULTRAFIOLETOWE

* ok. 10% składu energii dochodzącej do powierzchni Ziemi

* szkodliwe dla żywych organizmów promienie ultrafioletowe o fali do 400nm są silnie pochłaniane przez warstwę ozonu (O₃)

PROMIENIE WIDZIALNE

* ok. 45% składu energii dochodzącej do powierzchni Ziemi

* promienie pasma widzialnego najsilniej pochłaniane są przez rośliny zielone, ponieważ ich chlorofil ma maksimum absorpcji dla fal o długości ok. 450nm (światło niebieskie) i długości ok. 680nm (światło czerwone)

* stąd wysoka użyteczność tych promieni dla fotoautotrofów

* mają dużą zdolność przenikania przez powłokę chmur, dzięki czemu skuteczna fotosynteza może przechodzić także w dni pochmurne

PROMIENIE PODCZERWONE

* ok. 45% składu energii dochodzącej do powierzchni Ziemi

* promienie te o długości fali powyżej 700nm są silnie absorbowane przez chmury, parę wodną i wodę w liściach

* niosą ze sobą największe dawki energii termicznej (ciepło jest niezbędne do przeprowadzania czynności życiowych)

* większe odchylenia temperatury są bardzo niebezpieczne dla wszystkich organizmów

* jednocześnie energię cieplną trudno jest przekształcić w inne formy czy magazynować

APARAT FOTOSYNTETYCZNY

* pozwala roślinom zielonym zamieniać energię świetlną Słońca na chemiczną asymilatów

* w samym procesie fotosyntezy wydajność tych przemian sięga 30%

* reszta energii rozprasza się głównie w postaci ciepła

* w rzeczywistości w warunkach naturalnych straty są jeszcze większe

* w skali globalnej jednak ilość energii chemicznej związanej w asymilatach jest ogromna i w zupełności wystarcza do pokrycia zapotrzebowania heterotrofów

KRĄŻENIE MATERII

* przemiana materii towarzyszy przemianom energii

* każdy żywy organizm cechuje zdolność do przemiany materii i energii (metabolizm)

- jego intensywność zależy m.in. od sposobu odżywiania, wielkości, wieku i warunków siedliskowych danego organizmu

* krążenie materii w ekosystemach przebiega nieco odmiennie i zależy od ich wielkości, składu gatunkowego, relacji wewnętrznych i warunków abiotycznych

* podstawę funkcjonowania prawie każdego ekosystemu stanowią rośliny zielone

- w ciągu roku potrafią wytworzyć około 10 mld ton materii organicznej

- tworzą więc ogromną bazę pokarmową dla wszystkich heterotrofów

* procesy życiowe, takie jak oddychanie prowadzą rokrocznie do rozłożenia podobnej ilości materii organicznej na dwutlenek węgla i wodę

* w ten sposób utrzymuje się globalna równowaga w bilansie kluczowych pierwiastków biogennych: węgla, tlenu, wodoru, azotu

* materia krąży więc w środowisku głównie dzięki przemianom związanym z metabolizmem żywych organizmów

PRODUCENCI

* produktywność pierwotna - wskaźnik tempa, w jakim producenci przekształcają energię świetlną w energię chemiczną związków organicznych (zawartą w swojej biomasie)

* produktywność pierwotna netto - przyrost biomasy autotrofów w jednostce czasu

- na ok. 5*10⁶ kJ/m²/rok energii promieniowania słonecznego produkcja pierwotna jest dwa razy mniejsza od produkcji pierwotnej brutto

* produktywność pierwotna brutto - suma produktywności pierwotnej netto i kosztów utrzymania związanych z przeprowadzaniem procesów życiowych autotrofów

produktywność netto + koszt utrzymania = produktywność brutto

- na ok. 5*10⁶ kJ/m²/rok energii promieniowania słonecznego produkcja pierwotna brutto obszarów lądowych wynosi ok. 4,2*10⁴ kJ/m²/rok

KONSUMENCI

* produktywność wtórna - szybkość, z jaką konsumenci wykorzystują część energii i materii do produkcji własnej biomasy

* produktywność wtórna netto - przyrost biomasy heterotrofów w jednostce czasu

* produktywność wtórna brutto - suma produktywności wtórnej netto i kosztów utrzymania związanych z przeprowadzaniem procesów życiowych heterotrofów

WYDAJNOŚĆ EKOLOGICZNA

* wydajność ekologiczna pierwszego poziomu troficznego - kumulowanie przez producentów 1-5% energii docierającej do ich poziomu

- z tej ilości ok. 50% zużywają na własne potrzeby

- dla heterotrofów zostaje 0,5-2,5%

* wydajność ekologiczna kolejnych poziomów konsumentów wynosi ok. 10%

- zależy to od przyswajalności pokarmu oraz od strat energii na utrzymanie równowagi cieplnej

* ilość dostępnej energii maleje w tempie wykładniczym i dlatego w przyrodzie funkcjonuje zwykle 3-5 bezpośrednich ogniw łańcuchów pokarmowych

* mała dostępność energii dla kolejnych poziomów troficznych wymusza powstanie zależnościowych sieci, w których zwykle jeden gatunek należy do kilku poziomów troficznych

* organizmy zdolne do funkcjonowania na niższym poziomie troficznym mają do dyspozycji więcej energii (pożywienia)

ZALEŻNOŚCI POKARMOWE

ŁAŃCUCHY BIOFAGÓW/SPASANIA

- producenci (rośliny zielone)

- konsumenci I rzędu (zwierzęta roślinożerne

- konsumenci II rzędu (zwierzęta drapieżne)

- konsumentów może być więcej

ŁAŃCUCHY SAPROFAGÓW/DETRYTUSOWE

- martwa materia organiczna (detrytus)

- mikroorganizmy lub saprofagi

- konsumenci I rzędu (drapieżniki)

- konsumentów może być więcej

* większa różnorodność biologiczna niż u briofagów (większy procent energii jest tracony w kolejnych poziomach troficznych - szczątki organizmów, odchody zwierząt)

ŁAŃCUCHY POKARMOWE W EKOSYSTEMACH

* oba rodzaje łańcuchów funkcjonują we wszystkich biocenozach

* w uboższych ekosystemach albo niecałkowicie rozwiniętych łańcuchy zwykle są krótkie (pola uprawne, wydmy)

* ekosystemy zasobne, złożone cechują się wydłużaniem łańcuchów (rafy koralowe, żyzne lasy, jeziora)

* typowe, proste łańcuchy są rzadkie w przyrodzie

- funkcjonują gdy kilka ogniw konsumenckich tworzonych jest przez monofagi (zwierzęta odżywiające się tylko jednym rodzajem pokarmu, Np. koala - liście eukaliptusa, panda wielka - pędy bambusów)

* jeden organizm może jednak funkcjonować na wielu poziomach troficznych jednocześnie (lis), dlatego zazwyczaj występują złożone sieci zależności troficznych

CYKLE BIOGEOCHEMICZNE

SKŁAD CYKLU

* cykl biogeochemiczny - globalny obieg pierwiastka

* zasoby cyklu:

a) pula zasobów

- podstawowa część całkowitej ilości pierwiastka, która znajduje się w formie nieograniczonej poza ciałami organizmów żywych

- przemiany mają tu charakter abiotyczny

b) pula wymienna

- część pierwiastka, która znajduje się w żywych organizmach i ich bezpośrednim środowisku

- przemiany mają charakter biotyczny i są znacznie szybsze

* podział cykli

a) cykl gazowy

- podstawowy zapas (rezerwuar) pierwiastka znajduje się w atmosferze lub jest rozproszony w oceanach (C, N₂, O₂)

b) cykl sedymentacyjny

- pula zasobów znajduje się w skorupie ziemskiej (P, S, Fe)

OBIEG WĘGLA

* równowaga pomiędzy pulą zasobów a wymienną wynika głównie z dużej intensywności fotosyntezy i oddychania (dwóch przeciwstawnych procesów)

* w ostatnich latach równowaga przesuwa się w stronę zwiększania zawartości CO₂ w atmosferze

- prawdopodobnie przyczyną jest rosnąca emisja dwutlenku węgla przez przemysł i środki transportu oraz wycinanie lasów

- wynikiem tego jest niepożądany efekt cieplarniany

OBIEG AZOTU

* pula zasobów jest stabilniejsza niż w przypadku węgla

- azot atmosferyczny jest nie przyswajalny dla organizmów wyższych

* przyswojenie tego pierwiastka wymaga dużych nakładów energii i specyficznego aparatu enzymatycznego, aparatem takim dysponują wyłącznie niektóre bakterie

- cudzożywne, glebowe z rodzaju Azotobacter (tlenowe) i Clostridium (beztlenowe)

- więcej azotu wiążą symbiotyczne bakterie brodawkowe z rodzaju Rhizobium, które rozwijają się w korzeniach roślin motylkowych (stąd celowo stosuje się w rolnictwie płodozmiany z udziałem takich gatunków)

- sinice warunkują żyzność pól ryżowych w Azji

- jak wykazały badania 20 wieku obróbkę azotu cząsteczkowego potrafią skutecznie przeprowadzać także inne Prokarioty (heterotroficzne i autotroficzne)

* średnio około 95% azotu wiążą żywe organizmy, a jedynie ok. 5% pochodzi z wyładowań elektrycznych i zjawisk fotochemicznych w atmosferze

* sprowadzony do postaci jonowej azot jest wbudowywany w białka i kwasy nukleinowe roślin, a następnie zjadających je zwierząt

* związki organiczne zawierające azot znajdują się w wydalinach zwierząt i stanowią sporą część biomasy obumarłych organizmów

- ulegają rozkładowi, a azot ulega mineralizacji do amoniaku (amonifikacja)

- w takiej postaci ulega nitryfikacji do azotynów (bakterie z rodzaju Nitrosomonas)

- następnie ulega nitryfikacji do azotanów (bakterie z rodzaju Nitrobacter)

- w ten sposób powstają sole azotowe przyswajalne dla roślin zielonych i cykl się zamyka

* wiązanie wolnego azotu równoważone jest przez procesy denitryfikacyjne, przeprowadzane przez niektóre bakterie

* część materiału organicznego opada na dno oceanu i zostaje wycofana z obiegu

PRZYCZYNY CYKLI

* przemiany biochemiczne zachodzące w organizmach żywych

* wpływ człowieka

- eksploatacja surowców mineralnych i niewłaściwe ich wykorzystanie prowadzi do zaburzenia równowagi pomiędzy pulami

- w wielu miejscach gromadzone są odpady zawierające np. duże ilości cynku, żelaza, magnezu i miedzi

- przemysłowa działalność człowieka przyspiesza większość obiegów oraz powoduje poważne zaburzenia w funkcjonowaniu ekosystemów

- w przyszłości powinno się ograniczyć zużycie surowców i upowszechnić metody odzyskiwania ich z odpadów (recykling)

SUKCESJA EKOLOGICZNA

SUKCESJA - rozwój ekosystemów

* proces kierunkowych zmian prowadzących do stopniowego przekształcania się ekosystemów

* polega na kolejnym zastępowaniu określonych zbiorowisk roślinnych i towarzyszących im populacji zwierzęcych przez zbiorowiska roślinne i populacje zwierzęce coraz bardziej złożone

* stadia seralne - przejściowe stadia sukcesyjne

* sera - szereg stadiów seralnych (pojęcie używane także do biocenoz)

* klimaks - ostateczna postać ekosystemu, która wykształca się w określonych warunkach klimatyczno-geologicznych (pojęcie używane także do biocenoz)

* schemat sukcesji:

Stadium seralne 1 stadium seralne 2 stadium seralne 3 klimaks

* sukcesja pierwotna - zaczyna się na terenie niezajętym przez żadną biocenozę (zarastanie odsłoniętego zbocza lub stoków wulkanu pokrytych popiołami wulkanicznymi)

* sukcesja wtórna - biocenoza rozwija się na terenie zajętym wcześniej przez inną (wyręby, obszary okresowo zalewane, pożarzyska, ugory)

* sukcesja jest procesem długotrwałym

- w naszych warunkach klimatycznych sukcesja pierwotna od piasku do lasu trwa ok. 1000 lat (jeśli las będzie rozwijał się na porzuconym polu, sukcesja wtórna potrwa już tylko ok. 200 lat)

- wycinanie i wypalanie wilgotnych lasów równikowych prowadzi do odsłonięcia gleb, które są bardzo podatne na erozję wodną, przy dużej ilości opadów skutkiem jest gwałtowne ubożenie podłoża, w takich warunkach tropikalnych sukcesja wtórna prowadzi do wykształcenia formacji zaroślowych i lasopodobnych (trwa ok. 10 tys lat ale nie zawsze można odtworzyć pierwotną postać ekosystemu)

ZARASTANIE NADMORSKIEJ WYDMY - SUKCESJA PIERWOTNA

* materiałem budulcowym jest jałowy piasek o dużej przesiąkalności i zasoleniu

* organizmami pionierskimi, które rozwijają się w takich warunkach, są głównie trawy piaskolubne (psammofity), umacniające podłoże

* wśród pionierów wkrótce pojawiają się m.in. porosty, turzyca piaskowa, mikołajek nadmorski (przywędrowują z różnych okolic)

* pierwsi przybysze wywierają nikły wpływ na siebie i podłoże

* w miarę zwiększania liczebności populacji zagęszczenie rośnie i oddziaływania się nasilają

* umożliwia to gromadzenie nawiewnego pyłu i niewielkich ilości detrytusu wokół organizmów pionierskich

* te drobne zmiany powodują pojawienie się innych traw, kocanek oraz bratka nadmorskiego

* po jakimś czasie ich rozwój ogranicza występowanie gatunków pionierskich, gdyż następcy osiągają większą biomasę i intensywniej fotosyntetyzują

* w ten sposób nasila się odkładanie materiału organicznego w podłożu

* umożliwia to pojawienie się licznych organizmów przyspieszających procesy glebotwórcze (wrotki, nicienie)

* pierwotnie martwe podłoże mieniło swe właściwości fizyczno-chemiczne, nabierając cech gleby piaszczystej

* kolejne stadium seralne wykazywać będzie dominację krzewinek i krzewów (wrzosu, wierzby piaskowej)

* wzrośnie liczba gatunków owadów i pajęczaków

* zmiany mikroklimatyczne i rozwój gleb zwiększą atrakcyjność siedliska, dlatego coraz więcej gatunków będzie ze sobą konkurować o pokarm, wodę, światło itd.

* zmiana warunków umożliwi wzrost sosen

* stadium najpełniej rozwiniętym będzie nadmorski bór sosnowy

ZARASTANIE JEZIOR

* wynika głównie z gromadzenia się osadów na dnie zbiorników wodnych

* akumulacja prowadzi do spłycania toni wodnej i umożliwia porastanie dna roślinnością podwodną

* jednocześnie od strony brzegu jezior śródleśnych często nasuwają się torfowiska, które zmniejszają powierzchnię toni lustra (wody jeszcze bardziej)

* w starszych partiach torfowiska sukcesja umożliwia wchodzenie sosen, co dodatkowo umacnia podłoże

* w ten sposób po kilku tys. lat może dojść do całkowitego zarośnięcia jeziora

WPŁYW CZŁOWIEKA

* chemizacja rolnictwa i przemysłu spożywczego wywołała w Polsce (i nie tylko) bardzo niekorzystne zmiany

- nadmierne nawożenie pól prowadzi do wymywania znacznej części soli mineralnych (głównie azotowych i potasowych)

- trafiają one do zbiorników wodnych, wywołując zjawisko przenawożenia (eutrofizacji)

- wzrastająca żyzność zbiornika wodnego jest powodem gwałtownego rozwoju glonów, szczególnie nitkowatych i sinic

- gdy tak duża biomasa obumiera, destruenci szybko zużywają cały zapas tlenu rozpuszczonego w wodzie

- rozpoczynają się procesy rozkładu beztlenowego, co prowadzi do zatrucia zbiornika

- ginie większość gatunków, pozostają nieliczne beztlenowe

* przeciwdziałanie eutrofizacji jest ważnym działaniem gospodarczym

- racjonalne nawożenie pól

- tworzenie pasów roślinności wysokiej wokół jezior i na brzegach rzek

- oczyszczanie ścieków

CHARAKTER SUKCESJI

AUTOTROFICZNY

* rozwój przebiega od biocenoz prostszych do bardziej złożonych dzięki przewadze akumulacji własnej (wynikającej z produktywności fotoautotrofów)

* produkcja pierwotna brutto (P) jest większa od zużycia energii na utrzymanie całego układu (R)

* trwa do momentu, do którego wartość przyrostu biomasy autotrofów przeważa nad kosztami oddychania (respiracji) całego układu

* po osiągnięciu stadium klimaksowego P/R jest równe w przybliżeniu 1

HETEROTROFICZNY

* dochodzi do niej w specyficznych warunkach, gdy niemożliwa jest lub bardzo ograniczona aktywność autotrofów

* takie układy mają P mniejsze od R i dlatego uzależnione są od dostaw materii i energii z zewnątrz

* w naturze występuje np. w jaskiniach i strefie afotycznej zbiorników wodnych

* przyczyną mogą być ścieki odprowadzane przez człowieka

---