WYKŁAD II 20/01/08

1. Energia przepływa (jednokierunkowo) a materia krąży !!!

2. Przepływ energii w ekosystemie:

• energia przepływa wzdłuż łańcucha pokarmowego z jednego poziomu troficznego do drugiego

• ilość energii zmniejsza się zawsze przy przepływie z jednego poziomu do drugiego (wydajność asymilacyjna, strata energii)

• część energii jest zużyta w procesie oddychania, na poruszanie się i inne czynności ruchowe, ulegając rozproszeniu w postaci ciepła a część wydalana

• energia stracona w odchodach jest wykorzystywana w łańcuchu pokarmowym destruentów (suprofagów)

3. Przepływ energii przez ekosystem - IDEOGRAM:

KONSUMENCI III RZĘDU

KONSUMENCI II RZĘDU

strata

energii

energia słoneczna

KONSUMENCI I RZĘDU

PRODUCENCI

Przepływ energii i obieg materii są podstawą funkcjonowania ekosystemu !

4. PRODUCENT - organizm wytwarzający związki pokarmowe; to organizmy samożywne (rośliny zielone i niektóre bakterie bądź protisty), które z prostych związków nieorganicznych przy pomocy energii słonecznej wytwarzają złożone związki organiczne - cukry, w procesie fotosyntezy.

5. KONSUMENT - w biologii organizm cudzożywny, głównie zwierzę roślinożerne lub zwierzę drapieżne żywiące się roślinożercami (lub innymi, np. owadożernymi). Czasami do konsumentów zalicza się także detrytusozerców. Konsumenci stanowią w biocenozach jeden z trzech poziomów troficznych łańcucha pokarmowego, obok producentów i destruentów. Istnieje podział na konsumentów:

• roślinożercy

• drapieżcy

DESTRUENCI - (zwani inaczej reducentami) to grupa organizmów w biocenozie rozkładająca martwą materię organiczną: opadłe liście, uschłe trawy, martwe zwierzęta, resztki drzew, kał. Dzięki działalności destruentów cała energia zawarta w związkach organicznych zostaje wykorzystana, bowiem te związki zostają rozłożone na związki nieorganiczne. Uwolnione związki nieorganiczne wracają do przyrody i zostają ponownie pobrane przez rośliny. Destruenci to przede wszystkim bakterie i grzyby.

7. Postać energii w ekosystemie:

• energia słoneczna: cieplna i promieniowanie widzialne

• energia kinetyczna: ruchy powietrza i ruchy wody

• energia chemiczna (biochemiczna): związki organiczne (biomasa, paliwo kopalne) produkowane przez fotoautotrofy i chemoautotrofy

8. Energia docierająca ze Słońca i Ziemi:

• do powierzchni ziemi dociera ok. 1350 W/m², czyli 8,12 J/cm² z czego w czerwcu ok. południa w Polsce przypada ok. 600 W/m² , średnio w globie ziemskim 200 - 1040 W/m² (wartość maksymalna)

• Słońce przetwarza w ciągu sekundy 560 mln ton wodoru w hel, dlatego tak mocno grzej (kilka milionów ton masy zostaje zmieniona w energię)

• Promieniowanie (również zwrotne) zostaje częściowo pochłonięte przez atmosferę, a częściowo przez nią rozproszone, najintensywniej w zakresie fal krótkich i dlatego niebo jest błękitne

• Gęstość strumienia ciepła Ziemi wynosi 0,070 W/m² czyli ok. 5 tysięcy razy mniej niż gęstość strumieni ciepła słońca

9. Uproszczony bilans energetyczny powierzchni ziemi:

• ok. 30% promieni słonecznych dochodzących do Ziemi jest odbijana przez atmosferę, 20% jest przez nią pochłaniana, a tylko 50% dociera do Ziemi

• Najwięcej otrzymują obszary pustyń zwrotnikowych, ok. połowy tego obszary leśne strefy umiarkowane a najmniej okolice biegunów

Długofalowe - promieniowanie słoneczne

Krótkofalowe - promieniowanie ziemskie

10. Dopływ promieni słonecznych w ciągu roku:

Wartość chwilowa dostarczonej energii (1350 W/m² ) w przeliczeniu na rok wynosi 42700 MJ/m², jednak o dostawie rzeczywistej decyduje obrót ziemi (noc, dzień|), kształt Ziemi oraz rozpraszanie i odbijanie atmosfery.

11. Organizmy żywe w ekosystemie możemy pogrupować według pełnionych funkcji:

• producenci

• konsumenci

• destruenci

• konsumenci i producenci obumierają zasilając glebę w martwą materię organiczną czyli destruentów

• destruenci przekształcą martwą materię nieorganiczną w biogenezę- materię niezbędną w procesie fotosyntezy

12. Obieg materii w ekosystemie

PRODUCENCI

ZWIĄZKI NIEOGRANICZNE KONSUMENCI

DESTRUENCI

13. Struktura troficzna:

• Łańcuch troficzny (łańcuch pokarmowy) - to uporządkowany ciąg organizmów zjadanych jeden przez drugich

• Wyróżniamy łańcuch fitofagów (konsumentów) i łańcuch saprofagów (destruentów)

• Poziom troficzny tworzą organizmy odżywiające się tym samym typem pokarmu (na tym samym poziomie)

Łańcuch fitofagów: producenci roślinożercy drapieżnicy i pasożyty I drapieżnicy i pasożyty II

Łańcuch saprofagów: martwa materia organiczna destruenci drapieżnicy i pasożyty I drapieżnicy i pasożyty II

14. Łańcuch detrytusowy różni się kilkoma cechami od fitowagów:

• wielkość organizmów jest z reguły mniejsza

• trudno wyróżnić wyraźny poziom troficzny

• żyją w środowisku zasobnym rozdrobnioną materię organiczną

• są mniej ruchliwe niż konsumenci

• najważniejsze organizmy łańcucha detrytusowego: bakterie i grzyby, śluzowce, pierwotniaki, roztocza, owady, skorupiaki, wije, mięczaki, robaki, strzykwy, krety. Są to zarówno destruenci i żywiące się nimi drapieżniki

15. Sieć pokarmowa - wiele łańcuchów pokarmowych powiązanych wzajemnie zależnościami

• Zwykle każdy organizm zjada wiele różnych typów swoich ofiar

16. CYKLE BIOGEOCHEMICZNE:

• Krążenie pierwiastków ważnych dla życia odbywa się nie tylko w obrębie organizmów żywych lub obumarłej materii , ale także w obrębie świata nieorganicznego

• Cykl biogeochemiczny - krążenie pierwiastków zachodzących między światem ożywionym i nieożywionym

• Oba główne składniki cyklu: organiczne i nieorganiczne, są różnie ważne dla cyklu krążenia

17. Pierwiastki ważne dla życia:

• 20-30 pierwiastków - tyle potrzebuje organizm żywy do budowy swojego ciała i procesów metabolicznych (C,H,O)

• Dwie grupy:

• Makroelementy: organizm wymaga ich względnej dużej ilości

• Co najmiej 1% suchej masy : azot, fosfor

• Ok. 0,2-1% suchej masy: siarka, chlor, potas, sód, wapń, magnez, żelazo i miedź

• Mikroelementy: chrom, krzem, mangan,glin

18. Cztery źródła biogenów (pierwiastków)

1. WIETRZENIE - skała jest z najważniejszych źródeł długoterminowych, jest procesem powolnym mało wydajnym. Mikroelementy, które wytwarza:

1. wapń Ca

2. magnez Mg

3. potas K

4. sód Na

5. krzem Si

6. żelazo Fe

7. glin Al

8. Fosfor P

2. ATMOSFERA :

• Dostarczone są przez opady i różne procesy biologiczne

• Węgiel jest pochłaniany (jako CO₂ )w procesie fotosyntezy

• Azot przez opady i wyładowania atmosferyczne

• Średnia w strefie umiarkowanej dostawa azotu tymi drogami wynosi 5-18 kg/h w ciągu roku

• Siarka, chlor, wapń, sód dostają się z opadami

3. BIOLOGICZNE WIĄZANIE AZOTU - jest procesem biochemicznym , w którym azot cząstkowy zostaje wbudowany w związki organiczne. Tylko niektóre organizmy posiadają te umiejętności. Należą tu: bakterie, grzyby i sinice.

+ bakterie brodawkowe żyją w symbiozie z roślinami motylkowymi, tworzą na ich korzeniach brodawki - ich miejsce zamieszkania. Rośliny zaopatrują bakterie w produkty fotosyntezy (węglowodany) a bakterie odwdzięczają się związkami azotu

+ PROKAYOTA - (bezjądrowe) bakterie + sinice (najłatwiejsze i najstarsze organizmy 4 mld lat)

+ EUKARYOTA - (jądrowe) zwierzęta, rośliny, grzyby, pierwotniaki (2 mld lat)

4. IMIGRACJA - organizmy swobodnie przemieszczając się mogą dostarczać do ekosystemów znaczną ilość materii, które zostają wbudowane w żyjące w nim organizmy.

19. Straty biogenów z ekosystemu:

• erozja

• wymywanie

• straty gazowe

• emigracja i żniwa

20. Tempo krążenia biogenów:

• Szybkie- warunki stałe wilgotne i gorące (materia organiczna nad ziemią) oligotroficzny model krążenia pierwiastków

• Wolne - warunki sezonowe suche i/lub chłodne (materia organiczna pod ziemia - ulega akumulacji w glebie) eutroficzny model krążenia pierwiastków

• Lasy liściasty - szybszy niż szpilkowy

21. CYKL BIOGEOCHEMICZNY WĘGLA I JEGO ZASOBY NA ŚWIECIE

• Całe życie oparte jest na węglu. Paliwa kopalne, powstające z obumarłych organizmów żywych to także węgiel. Jednak węgiel stanowi tylko 0,032% masy litosfery. Dominuje oczywiście tlen. Najwięcej węgla występuje w skałach osadowych i osadach morskich, oceany, paliwa kopalne, materiał glebowy

• Węgiel na lądzie:

• pewna ilość CO₂ dostarczona przez wybuch wulkanu

• węgiel uwalniany z ekosystemu w procesie oddychania (respiracji), gdzie związki organiczne są zamieniane w związki nieorganiczne. Główną rolę odgrywają tu destruenci w łańcuchu pokarmowym sapofagów

• większość węgla z ekosystemu pochodzi z atmosfery. Atmosferyczny CO₂ jest wiązany w procesie fotosyntezy i wbudowane w związek węgla

• Węgiel w wodzie:

• CO₂ dostaje się do oceany drogą dyfuzji(rozpuszczanie tlenu atmosferycznego w wodzie) z atmosfery

• CO₂ w wodzie znajduje się w postaci cząsteczkowej (jako CO₃) i w postaci jonów: węglowego i wodorowęglowego. Ilość danej postaci CO₂ zależy od kwasowości wody. W kwaśnej dominuje postać cząsteczkowa, w zasadowej dominują jony wodorowęglanowe.

• Jest w wodach związany z wapniem przez organizmy żywe i wbudowane w wapienne elementy pancerza lub układu kostnego

OBIEG WĘGLA W PRZYRODZIE

Fotosynteza CO² w powietrzu i w wodzie oddychanie

Oddychanie

Spalanie wietrzenie

Paliwa naturalne Destruenci Skały

Związki organiczne autotydów Związki organiczne heterotydów

obumieranie obumieranie

Martwa materia organiczna

Odżywianie

22. Antropogeniczne zmiany obiegu węgla:

• od czasu rewolucji przemysłowej działalność gosporadcza człowieka stała się znaczącym czynnikiem w obiegu węgla

• od roku 1700 ilość CO₂ w atmosferze wzrosła 0 30% z 225 ppm do 365 ppm dziś

• główną przyczyną tego zjawiska jest spalanie paliw kopalnych

Zmiana koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze obserwowana na Hawajach.

23. Naturalne i antropogenne gazy cieplarniane:

• para wodna - ozon

• CO₂ - podtlenek azotu

• metan - freony

24. Efekt cieplarniany - zjawisko wywoływane przez atmosferę, w wyniku którego temperatura planety jest wyższa niż gdyby planeta nie posiadała atmosfery. Spowodowane jest ograniczeniem wypromieniowywania ciepła z jej powierzchni i dolnych warstw atmosfery w przestrzeń kosmiczną. Czynnikiem ograniczającym wypromieniowanie ciepła są gazy cieplarniane lub pyły zawieszone w powietrzu. Efekt cieplarniany zachodzi na planetach i księżycach posiadających atmosferę i ogrzewanych przez gwiazdy. W Układzie Słonecznym zachodzi on na Ziemi, Marsie, Wenus oraz na księżycu Saturna - Tytanie. Na Ziemi termin "efekt cieplarniany" odnosi się zarówno do podwyższenia temperatury, związanego z czynnikami naturalnymi, jak i do zmiany tego efektu, wywołanego przez gazy emitowane w wyniku działalności człowieka. W potocznym rozumieniu ten naturalny efekt jest często pomijany, a zwracana jest uwaga na wzrost temperatury Ziemi w ciągu ostatnich około 100 lat, zwany globalnym ociepleniem. Efekt cieplarniany (naturalny), jest zjawiskiem korzystnym dla kształtowania warunków życia na Ziemi.

25. Zmiana klimatu:

Pod pojęciem klimat rozumie się średni stan atmosfery i oceanu w skalach od kilku lat do milionów lat. Zmiany te wynikają z czynników zewnętrznych takich jak ilość dochodzącego promieniowania słonecznego lub czynników wewnętrznych takich jak działalność człowieka (zmiany antropogeniczne) lub wpływ czynników naturalnych. W ostatnich latach termin „ogólna zmiana klimatu”, używany jest w kontekście globalnego ocieplenia i wzrostu temperatury na powierzchni Ziemi, ale rozważane są scenariusze powodujące oziębienie powierzchni Ziemi (np. wywołane odbiciem energii słonecznej od zwiększonej pokrywy chmur lub aerozoli atmosferycznych).

Średnia globalna temperatura w okresie od 1856 do 2005. 1- Temperatura roku, 2-Średnia pięcioletnia

26. CYKL BIOGEOCHEMICZNY AZOTU:

• Cykl biogeochemiczny azotu jest jednym z najważniejszych w przyrodzie. Azot bowiem wchodzi w skład aminokwasów, białek i kwasów nukleinowych

• Główny zbiór azotu jest azot atmosferyczny, występuje tu w postaci gazowej (70% objętości w atmosferze)

• Przyswajalna postać azotu dla roślin to amoniak (NO₃^- - jon azotanowy, NH₄⁺ anionowy)

• Występuje on w aminokwasach tworzących białka, w zasadach azotowych nukleotydów wchodzących w skład DNA i RNA. W roślinach większość azotu jest używana poprzez chlorofil w trakcie fotosyntezy.

• Pierwszym i kluczowym etapem przyswajania azotu z atmosfery jest przekształcanie gazowej jego formy w związki chemiczne, które mogą być dalej przetwarzane przez organizmy żywe. Pewien, niewielki procent azotu trafia do organizmów żywych w formie jonów azotanowych NO₃^- generowanych na skutek rozmaitych procesów geologicznych i atmosferyczych.

• NITRYFIKACJA - utlenianie amoniaku przez bakterie autotroficzne. Obie te postacie azotu (azotany i azotyny) są niestety łatwo wymywane z gleby, ku wielkiemu utarpieniu rolników

• DEINTRYFIKACJA - redukcja utlenionego związku azotu prowadzone przez bakterie heterotroficzne w warunkach beztlenowych; w procesie tym bakterie usyzkują tlen niezbędny do respiracji

• AMONIFIKACJA - polega na przemianie azotu zawartego w związkach organicznych do soli amonowych lub amoniaku. Amonifikacja nie wymaga udziału tlenu i może zachodzić zarówno w warunkach tlenowych, jak i beztlenowych. Warunkiem przebiegu amonifikacji jest obecność wystarczającej ilości azotanów oraz odpowiednich mikroorganizmów mogących przeprowadzić ten proces(np. bakterie denitryfikacyjne).

OBIEG AZOTU W PRZYRODZIE

ZWIAZKI ORGANICZNE ORGANIZMÓW

amonifikacja rozkład

bakterie sinic

asymilacja

WOLNY AZOT

denitryfikacja

denitryfikacja

AMONIAK NH₃ AZOTYN NO₂^-1

denitryfikacja wyładowania atmosferyczne

nitryfikacja AZOTANY NO₃^-1 nitryfikacja

27. OBIEG FOSFORU

• Cykl typowo sedymentacyjny - bez fazy gazowej

• Fosfor jest składnikiem kwasów nukleinowych i ATP (nośnik energii) jest więc niezbędny dla życia

• Fe₃PO₄ jest nierozpuszczalny w warunkach tlenowych a rozpuszcza się w obecności siarkowodoru

OBIE FOSFORU W PRZYRODZIE

Materia organiczna roślin materia organiczna zwierząt

obumieranie obumieranie

asymilacja

Skały fosforowe Martwa materia organiczna

rozkład

fosforan rozpuszczalny

przemieszczenie osadów zwierzęcych

osady płytkie akumulacja

osady głębinowe

28. Fotosynteza to synteza związków organicznych z prostych substancji nieorganicznych z udziałem energii świetlnej.

29. Biomasa powstaje podczas fotosyntezy. Możemy wyrazić w jednostce:

• masy : przeliczona na suchą masę (np. ton)

• energie (dżule) albo kalorie na m²

• większość biomasy jest w ekosystemie roślin, czyli producentów, która wiążą węgiel w procesie fotosyntezy

W formie sumarycznej przebieg fotosyntezy można zapisać jako:

6H₂O + 6CO₂ + energia świetlna -> C₆H₁₂O₆ + 6O₂ - glukoza

• reakcja ta zachodzi w chlorofilu

• ubocznym produktem fotosyntezy jest tlen

• głównym produktem fotosyntezy są węglowodany np. cukier, glukoza

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ 6H₂O + 6CO₂ + uwalniana energia

• glukoza może być przetwarzana na skrobię

• glukoza jest także wyjściową substancją budulcową dla białek i kwasów nukleinowych

---