ŻYWA MATERIA

Materiały uzupełniające do wykładów z Biologii
dla studentów I roku kierunku lekarsko-dentystycznego
Prof. dr E. Hadaś
ORGANIZM I ŚRODOWISKO
(na podstawie:
Hadaś E. Żywa materia - Pochodzenie, charakterystyka i występowanie. Organizm i Środowisko. red.
W Kasprzak - Materiały do seminariów z Biologii, - wyd. IV., zmienione i uzupełnione, Wydawnictwo
Uczelniane AM, 19-28, 1992.
Ilekroć przystępuje się do szczegółowego badania jakichkolwiek grup populacji,
stwierdza się zdumiewające przystosowanie do ich miejsca bytowania.
Przystosowanie to, jak i funkcjonowanie organizmów powstało w wyniku procesów
ewolucyjnych na drodze doboru naturalnego i selekcji. Poznanie struktury funkcji
populacji, biocenozy czy ekosystemu, jak i poznanie podstawowych zasad ekologii,
umożliwi nam zrozumienie praw i zasad ekologii populacji ludzkiej. Z ekologicznego
punktu widzenia populację ludzką należy traktować na równi z innymi populacjami,
ponieważ rządzą nią takie same prawa ekologiczne. Chociaż człowieka może
w pewnym stopniu zmienić środowisko, zmiany te jednak nie zawsze są całkowite
i często człowiek musi się przystosować do sytuacji, których zmienić nie może.
Zrozumienie zjawisk cyklicznych zachodzących w przyrodzie i współdziałanie z nimi
jest znacznie korzystniejsze z punktu widzenia człowieka, niż ślepe dążenie do ich
zmiany i regulacji.
PODSTAWOWE ZASADY I POJĘCIA EKOLOGICZNE
Pojęcie ekologii
Problematyka ekologiczna została po raz pierwszy wyodrębniona
w samodzielną gałąź wiedzy przez Ernesta Haeckla i sformułowana jako nauka
zajmująca się zależnościami organizmu od otoczenia oraz istot, z którymi współżyje
w miejscu swego bytowania.
Ponieważ ekologia dotyczy biologii całych grup organizmów oraz procesów
zachodzących w Środowisku, ekologię można określić jako naukę o strukturze
funkcjonowaniu żywej przyrody.
Ekologię dzieli się powszechnie na autekologię i synekologię. Autoekologia
zajmuje się badaniem poszczególnych organizmów lub poszczególnych gatunków.
Synekologia zajmuje się badaniem grup organizmów występujących razem
i tworzących określoną jednostkę. Stosowane są również inne podziały ekologii
zgodnie z poziomami organizacji lub według grup taksonomicznych oraz oparte na
typach środowiska.
Pojęcie poziomów organizacji
Zakres współczesnej ekologii można najłatwiej określić, jeżeli rozważy się
ten zakres w terminach oznaczających poziomy organizacji. Liczba poziomów
organizacji nie jest ustalona i jest całkowicie dobrowolna. Najwygodniej jest
wyróżnić 10 poziomów organizacji, które stanowią spektrum biologiczne:
-1-
Materiały uzupełniające do wykładów z Biologii
dla studentów I roku kierunku lekarsko-dentystycznego
Prof. dr E. Hadaś
P
R
O
T
O
P
L
A
Z
M
A
K
O
M
Ó
R
I
T
K
A
N
K
I
N
A
R
Z
Ą
D
Y
U
K
Ł
A
D
Y
O
R
G
A
N
I
Z
M
Y
N
A
R
Z
Ą
D
Ó
W
P
O
P
U
L
A
C
J
E
B
I
O
C
E
N
O
Z
Y
E
K
O
S
Y
S
T
E
M
Y
B
I
O
S
F
E
R
A
Poziomy organizacji zostały uszeregowane na jednym poziomie, nie zaś
ułożone jeden pod drugim dla podkreślenia, że żaden z poziomów nie jest bardziej
ważny od drugiego. Należy podkreślić, że w powyższym spektrum nie ma żadnych
ostrych granic ani przerw, nawet pomiędzy organizmem a populacją. Pojedynczy
organizm poza populacją nie może żyć długo, tak jak narząd nie jest zdolny do
przeżycia poza organizmem. Podobnie biocenoza nie może istnieć bez krążenia
materii i przepływu energii w ramach ekosystemu.
Ekologia zajmuje się głównie problemami powyżej poziomu organizmu.
POJĘCIA:
- populacja
- biocenoza
- ekosystem
- biosfera
Właściwości grupowe populacji
Populacja ma różne cechy charakterystyczne, które są jednak wyłącznie
właściwościami grupy, a nie należących do niej osobników. Oto niektóre właściwości
populacji:
1. rozrodczość
2. śmiertelność
3. rozkład wiekowy
4. zagęszczenie
5. rozkład przestrzenny
6. krzywa wzrostu
1. Rozrodczość jest wrodzoną zdolnością populacji do wzrostu. Wskaźnik
rozrodczości jest równoważny wskaźnikowi przyrostu naturalnego, używanemu
w terminologii dotyczącej badań populacji ludzkiej. W rzeczywistości jest to termin
szerszy obejmujący wytwarzanie przez jakikolwiek organizm nowych osobników bez
względu na sposób, w jaki one powstają, rodzą się, wyglądają, kiełkują, czy też
powstają przez podział.
-2-
Materiały uzupełniające do wykładów z Biologii
dla studentów I roku kierunku lekarsko-dentystycznego
Prof. dr E. Hadaś
W ekologii stosuje się dwa pojęcia dotyczące rozrodczości:
• rozrodczość maksymalna (absolutna lub fizjologiczna)
oraz
• rozrodczość ekologiczna czyli rzeczywista.
Rozrodczość maksymalna oznacza teoretyczną maksymalną liczbę, osobników
powstających w idealnych warunkach, tj. bez ograniczeń środowiskowych. Jest to
wartość stała dla danej populacji.
Rozrodczość ekologiczna dotyczy rozrodu odbywającego się w ściśle określonych
warunkach środowiskowych. Nie jest ona stała dla danej populacji i waha się
zależnie od wielkości i składu populacji oraz od warunków i czynników fizycznych
środowiska.
2. Śmiertelność odnosi się do wymierania osobników populacji. Jest to pojęcie mniej
lub więcej przeciwstawne pojęciu rozrodczości. Wyróżniamy tutaj pojęcia
śmiertelności ekologicznej, czyli rzeczywistej i śmiertelności minimalnej.
Śmiertelność ekologiczna - ubytek osobników w danych warunkach
środowiskowych - jest podobnie jak rozrodczość ekologiczna, wielkością niestałą,
zmieniającą się wraz ze zmianami populacji i warunków środowiskowych.
Śmiertelność minimalna jest to wielkość stała dla danej populacji, określająca
ubytek osobników w warunkach idealnych, czyli nieograniczających. Jednak przy
najbardziej sprzyjających warunkach osobniki umierają ze starości, co zależy od
fizjologicznej długości życia, która oczywiście jest często znacznie większa niż
ekologiczna długość życia.
W
I
E
K
U
3. Rozkład wiekowy populacji jest jej istotną cechą wynikającą z rozrodczości, jak
i śmiertelności. Zazwyczaj śmiertelność zmienia się z wiekiem, a rozród jest często
ograniczony do pewnych grup wiekowych. Dlatego też struktura wiekowa populacji
zależy od aktualnej rozrodczości populacji. Z rozkładu wiekowego populacji wnosić
można, jakiego stanu należy się spodziewać w przyszłości. Rozkład wiekowy
populacji można przedstawić w postaci piramid wiekowych.
(Patrz następna strona)
a) Piramida wieku w populacjach rozwijających
się
K
L
A
S
A
b) Piramida wieku w populacjach wymierających
-3-
Materiały uzupełniające do wykładów z Biologii
dla studentów I roku kierunku lekarsko-dentystycznego
Prof. dr E. Hadaś
c) Piramida wieku w populacjach ustabilizowanych
%
O S O B N I K Ó W
W rozrastającej się raptownie populacji udział osobników młodych jest
zazwyczaj znaczny, w populacji ustabilizowanej udział poszczególnych grup
wiekowych jest bardziej równomierny, zaś w populacji wygasającej znaczny jest
udział osobników starych. Struktura wiekowa populacji może podlegać kolejnym
zmianom, mimo, że nie zachodzą żadne zmiany wielkości populacji. Istnieją dowody
na to, że populację mają stały rozkład wiekowy, do którego osiągnięcia dążą
każdorazowo istniejące rozkłady w1ekowe. Kiedy populacja osiągnie już raz stały
rozkład wiekowy, wtedy zwiększenie się, rozrodczości czy śmiertelności powoduje
zmiany okresowe, po których populacja samorzutnie wraca do stałej sytuacji.
4. Zagęszczenie populacji oznacza stosunek populacji do określonej jednostki
przestrzeni. Zwykle wyraża się, w liczbie osobników populacji lub ich biomasę na
jednostkę powierzchni lub objętości. np. 200 drzew na hektar, 5 milionów okrzemek
na 1 m3 wody, lub 1 kg glonów na 1 m2 powierzchni.
Czasami istotne jest rozróżnienie między zagęszczeniem globalnym, czyli
liczbą lub biomasą na jednostkę całej powierzchni a zagęszczeniem specyficznym,
czyli ekologicznym. tj. liczbą lub biomasą na jednostkę przestrzeni środowiska powierzchni lub objętości dostępnej, czyli takiej, która rzeczywiście może być zajęta
przez populację.
Często duże znaczenie ma to, czy wielkość populacji zmienia się w danym
momencie. Wielkość populacji i zmienia się tak często, zwłaszcza u niższych
systematycznie grup roślin i zwierząt, że trudno ją mierzyć dokładnie i oznaczanie
zagęszczenia na jednostkę przestrzeni nie ma tu dużego znaczenia. W takich
przypadkach stosuje się wskaźnik względnej liczebności. Mogą być one odnoszone
do czasu, np.: jaka liczba ptaków przelatuje w ciągu doby, lub mogą to być
oznaczenia procentowe, np.: procent roślin zaatakowanych przez określony gatunek
pasożyta.
5. Rozkład przestrzenny populacji odnosi się do pewnego rozmieszczenia w
środowisku, które wykazują osobniki tworzące populację. Wyróżnia się trzy ogólne
modele rozkładu przestrzennego:
A) Rozkład równomierny
B) Rozkład losowy
-4-
C) Rozkład skupiskowy
Materiały uzupełniające do wykładów z Biologii
dla studentów I roku kierunku lekarsko-dentystycznego
Prof. dr E. Hadaś
Rozkład równomierny występuje wówczas, gdy między osobnikami w populacji
istnieje ostra konkurencja lub występują inne dodatkowe antagonizmy.
Rozkład losowy jest w przyrodzie rzadko spotykany; występuje tam, gdzie
środowisko jest bardzo jednolite i gdzie nie obserwuje się tendencji do skupiania się
osobników.
Rozkład skupiskowy jest znacznie pospolitszym zjawiskiem i niemalże stanowi
zasadę. Jeżeli osobniki w populacji dążą do tworzenia grup pewnej wielkości, to
rozkład takich grup może dowolnie przybliżać się do rozkładu losowego lub
równomiernego. Dlatego też należy przyjąć, że istnieją trzy typy rozmieszczenia
skupiskowego:
- losowo-skupiskowy
- równomiernie skupiskowy
- grupowo skupiskowy.
W przyrodzie istnieją wszystkie wymienione typy rozkładu przestrzennego populacji.
6. Populację mają charakterystyczne modele wzrostu, które nazywa się krzywymi
wzrostu populacji. Dla celów porównawczych wyróżnia się dwa podstawowe modele
wzrostu:
• krzywą w kształcie litery J (wykładnicza)
• krzywą w postaci litery S (esowata).
Zależnie od szczególnych właściwości organizmów czy środowisk krzywe te
można łączyć lub przekształcać w różny sposób. Jeżeli wzrost populacji da się
przedstawić w kształcie litery J, to jaj zagęszczenie szybko wzrasta w sposób
wykładniczy, czyli w sposób taki jak procent składny; później, kiedy opór środowiska
nagle zaczyna wywierać mniej lub bardziej skuteczny wpływ, przyrost zagęszczenia
raptownie zatrzymuje się.
Gdy wzrost populacji następuje według krzywej esowatej początkowo odbywa
się powoli (stan wyjściowy), później – podobnie, jak w poprzednim typie krzywej staje się szybki (faza logarytmiczna), lecz wkrótce - na skutek zwiększania się oporu
środowiska - stopniowo zwalnia i wreszcie osiąga poziom mniejszego lub większego
utrzymującego się zrównoważenia.
Typy interakcji między dwoma gatunkami.
W każdej przestrzeni zajmowanej przez dwie lub więcej populacji zachodzi
stałe oddziaływanie na siebie żywych organizmów. Teoretycznie można wyróżnić
sześć podstawowych możliwości oddziaływania na siebie populacji dwóch gatunków
zgodnie z kombinacjami znaków zero, plus i minus, a mianowicie: 00, --, ++, +-, +0, 0.
PRZYGOTUJ WIADOMOŚCI O TYPACH
INTERAKCJI MIĘDZY DWOMA GATUNKAMI
- neutralizm
- konkurencja
- mutualizm
- protokooperacja
- komensalizm
- amensalizm
- pasożytnictwo
- drapieżnictwo.
-5-
Materiały uzupełniające do wykładów z Biologii
dla studentów I roku kierunku lekarsko-dentystycznego
Prof. dr E. Hadaś
Prawdopodobnie wszystkie wymienione wżytej interakcje występują w typowej
biocenozie i można je wyróżniać i badać. Typ interakcji danej pary gatunków może
się zmieniać pod wpływem różnych warunków lub w kolejnych etapach cyklu
życiowego i tak na przykład dwa gatunki w jednym okresie cyklu życiowego wiążą się
ze sobą przez pasożytnictwo, w innym przez komensalizm, a jeszcze w innym są one
względem siebie zupełnie obojętne.
PROBLEMY EKOLOGII CZŁOWIEKA
Ochrona przyrody i jej zadania.
Ruch ochrony przyrody przeszedł na przestrzeni swojego rozwoju
historycznego głęboką ewolucję. W początkowym okresie wyrażał się on
w działalności o charakterze konserwatorskim, zmierzającym do zachowania
pojedynczych tworów przyrody mających cechy zabytkowe. Następnie uległ on
rozszerzeniu przez obejmowanie ochroną określonych obszarów i tworzenia
rezerwatów przyrody bądź parków narodowych dla zabezpieczenia przed
zniszczeniem resztek biocenoz naturalnych. W ostatnich dziesiątkach lat do kręgu
zainteresowań ochrony przyrody zostały włączone problemy związane
z gospodarowaniem człowieka w przyrodzie. Zmiany oblicza Ziemi powstające pod
wpływem działalności człowieka wywołały konieczność zwrócenia uwagi na całość
otaczającej przyrody, w trosce o zapobieżenie dalszym niekorzystnym jej
przekształceniom. W dotychczasowej gospodarce człowieka i korzystaniu przez
niego z bogactw naturalnych i sił produkcyjnych przyrody dostrzeżono
nieb1ezpieczeństwo wyniszczenia niektórych zasobów przyrody, a wskutek tego
groźbę poważnych następstw godzących w samego człowieka.
Ochrona przyrody w nowoczesnym ujęciu oznacza zachowanie, restytuowanie
i właściwe użytkowanie zasobów przyrody oraz tych tworów przyrody żywej
i nieożywionej, w postaci poszczególnych okazów lub ich skupień jak i całych
zbiorowisk na określonych obszarach, a także gatunków roślin i zwierząt, których
ochrona jest podyktowana interesem publicznym oraz ze względu na występujące
swoiste cechy krajobrazu.
Groźny problem degradacji środowiska przyrodniczego w skali całego świata
zaczynają rozumieć nie tylko przyrodnicy, ale przedstawiciele różnych zawodów,
politycy, działacze gospodarczy, którzy podejmuję walkę o ochronę środowiska
przyrodniczego i o umiejętne kierowanie nieuniknionymi zmianami. Dziś ochroną
przyrody, a więc i człowieka i jego gatunku biologicznego, zajmować się muszą nie
tylko „ochroniarze”, ale i botanicy, zoologowie i lekarze, chemicy i leśnicy, ogrodnicy
i specjaliści od kanalizacji, budowniczowie zapór wodnych, fabryk i lotnisk,
konstruktorzy samochodowi, architekci i ekonomiści. Wszyscy muszą nauczyć się
patrzeć szerzej niż to nakazuje ich specjalność zawodowa. W przeciwnym bowiem
razie zatrujemy się substancjami przemiany materii i współczesnej cywilizacji.
Zmiany w fizycznym środowisku człowieka oraz zmienność poglądów na pojęcie
zanieczyszczenia.
Większość substancji w naszym środowisku, których oddziaływanie staje się
przyczyną zaniepokojenia, jest wynikiem ludzkiej działalności. Celowo lub
-6-
Materiały uzupełniające do wykładów z Biologii
dla studentów I roku kierunku lekarsko-dentystycznego
Prof. dr E. Hadaś
nieumyślnie dodajemy do powietrza, którym oddychamy, do wody, którą pijemy, do
ziemi, którą uprawiamy, wielkie ilości substancji o przypuszczalnej lub stwierdzonej
aktywności biologicznej. Nieuchronnie przenikają one do naszego organizmu, a w
jakim stopniu wpływają na nasze zdrowie, jest jednym z najbardziej palących pytań.
Przez większość okresu swego istnienia człowiek, jak i wszystkie inne formy
życia, pozostawał w równowadze ze swoim środowiskiem. Jego działalność i
wytwarzane zanieczyszczenia nie zmieniły środowiska w stopniu przekraczającym
możliwości samooczyszczenia. W ciągu kilku jednak ostatnich dziesięcioleci człowiek
zanieczyścił wiele rejonów Ziemi odpadami swej działalności przemysłowej i socjalnej
w takim stopniu, że siły naturalne nie są w stanie im podołać.
Tradycyjnie przez czynnik zanieczyszczający rozumiano szkodliwą substancję
dodawaną do środowiska przez człowieka, która w normalnych warunkach nie
występowała, albo występowała w ilościach zbyt małych, aby spowodować jakieś
zagrożenie. Ostatnio zmuszeni jesteśmy do rozszerzenia definicji, ponieważ
stwierdzono, że zmiany środowiskowe związane są z pewnymi czynnikami
poprzednio uważanymi za nieszkodliwe. Co więcej, niektóre czynniki wywołujące
zazwyczaj skutki pozytywne mogą, występując w nadmiarze, zmienić nasze
środowisko w nieoczekiwany sposób. Nasuwa się pytanie: CO UWAŻAĆ ZA
ZANIECZYSZCZENIE?
PRZYGOTUJ RÓWNIEŻ WIADOMOŚCI O:
- wody
- zanieczyszczeniu CO2 i zjawisku „efektu
cieplarnianego"
- zanieczyszczeniu cieplnym
- zanieczyszczeniu hałasem
- zanieczyszczeniu powietrza
- zanieczyszczeniu substancjami
promieniotwórczymi (odpady)
- zanieczyszczeniu zanieczyszczeniu gleby
Problem populacyjny
Biosfera znajduje się obecnie w krytycznej sytuacji wobec narastającej ludności
świata.
Można dziś odtworzyć wzrost liczebności ludzi począwszy od najdawniejszych
czasów. Wydaje się, że aż do 8000 roku p.n.e. ludność Ziemi nie przekraczała
5 milionów. Wraz z rozwojem rolnictwa liczba ta zaczęła się powiększać, aby na
początku naszej ery dojść do co najmniej 200 milionów, a w roku 1650 przynajmniej
do 500 milionów. Ten znaczny wzrost był jednak znikomy w porównaniu z tym co
nastąpiło potem, dzięki powstaniu nowoczesnej nauki, która ograniczyła
śmiertelność i zwiększyła ilość żywności. Od roku 1650 do 1950 ludność Ziemi
zwiększyła się przeszło czterokrotnie i osiągnęła 2400
milionów. Zwłaszcza jednak w ostatnich dziesięcioleciach wzrost ten jest ogromny i
przybiera charakter eksplozyjny, co jest głównie wynikiem dalszego zmniejszenia
śmiertelności w połączeniu z niezmienionym przyrostem naturalnym. Szybkość
przyrostu ludności na świecie przekracza 1.5 % co oznacza, że każdego dnia
przybywa ponad 50 tysięcy ludzi. Teoretycznie jeżeli będzie to trwało przez kilka
-7-
Materiały uzupełniające do wykładów z Biologii
dla studentów I roku kierunku lekarsko-dentystycznego
Prof. dr E. Hadaś
wieków, a wiec czas względnie krótki, to liczba ludzi będzie tak wielka, że nie
pomieszczą się oni na powierzchni Ziemi, nawet stłoczeni ciasno obok siebie.
Jednak z biologicznego punktu widzenia nie jest to możliwe. Mała
śmiertelność w połączeniu z dużą rozrodczością nie mogę trwać w nieskończoność
przyrost naturalny w pewnym momencie musi się zrównać ze śmiertelnością,
zgodnie z przebiegiem wszelkich zjawisk wzrostu populacji (krzywa esowata).
Ludzkość znajduje się obecnie na wstępującej części krzywej, która będzie się
musiała załamać po osiągnięciu pewnego poziomu. Jeżeli ludność pewnych
cywilizacji osiągnęła jak się wydaje, płaski odcinek krzywej, to narody rozwijające się,
znajdują się w okresie eksplozji, która jest skutkiem dobrodziejstw współczesnej
nauki. I tu właśnie znajdujemy się wobec paradoksu: stosowanie zdobyczy medycyny
i metod sanitarnych zdołało znacznie zmniejszyć śmiertelność, nie zmniejszając
jednak rozrodczości tak, że w niektórych krajach rozwijających się postęp
w rolnictwie nie nadąża za wzrostem zaludnienia. W krajach tych więc ludność jest
liczniejsza, lecz w gorszym stanie zdrowotnym niż poprzednio, na skutek
zmniejszenia się racji żywnościowych. Paradoks polega na tym, że daje się życie
ludziom, aby musieli umierać z głodu!
Nie ulega wątpliwości, że tzw. ”problem populacyjny”, ze względu na częste
jego spłycanie nie uzyskał właściwej rangi. Obejmuje on nie tylko zagadnienia
wysokiego naturalnego przyrostu, ale wiąże się on z problemami wyżywienia –
niedożywienia i otyłości, problemami chorób genetycznych i chorób zakaźnych
występujących coraz częściej dzięki współczesnym metodom technologii
przygotowywanie żywności oraz chorób współczesnej cywilizacji.
PYTANIA KONTROLNE:
- definicja ekologii
- pojęcia populacji, biocenozy, ekosystemu, biosfery
- funkcjonalny skład ekosystemu i składowe ekosystemu
- właściwości grupowe populacji (zagęszczenie globalne i ekologiczne, wskaźnik
względnej liczebności, rozrodczość maksymalna i ekologiczna, śmiertelność
ekologiczna i minimalna, ekologiczna i fizjologiczna długość życia, rozkład
wiekowy
populacji,
krzywe
wzrostu
populacji,
oscylacje
cykliczne,
rozprzestrzenianie się populacji, modele rozkładów przestrzennych)
- typy interakcji między dwoma gatunkami
- ochrona przyrody i jej zadania
- zmiany w fizycznym środowisku człowieka
- współczesne pojęcie zanieczyszczania
- problem populacyjny i możliwości rozwiązania błędnego koła tego problemu
-8-