1 0 . Ekologia - nauka o strukturze

Transkrypt

.'. sootczesne czynniki kształtujące różnorodność biologiczną
1 0 . Ekologia - n a u k a o s t r u k t u r z e
i funkcjonowaniu przyrody
czynniki
wpływające na
różnorodność
biologiczną
Obserwowana obecnie różnorodność genetyczna, gatunkowa i siedliskowa jest wynikiem złożonych procesów historycznych oraz współczesnych.
D o tych ostatnich zaliczamy interakcje między organizmami (zarówno w obrębie pojedynczego gatunku, jak i pomiędzy organizmami należącymi do
różnych gatunków), wpływ pojedynczych organizmów oraz ich zespołów na
środowisko nieożywione, jak też oddziaływania tego środowiska na strukturę zbiorowisk organizmów oraz na rozmieszczenie poszczególnych gatunków na Ziemi. Zagadnieniami tymi zajmują się ekologia i biogeografia.
Coraz wyraźniej zaznacza się także pozytywne, jak i negatywne oddziaływanie człowieka, zwane antropopresją.
Ekologia jest nauką stosunkowo młodą.
problematyka
ekologii
Ekologia jako nauka wykrystalizowała się dopiero pod koniec X I X
wieku, a jednocześnie jest dyscypliną tak ważną, że jej wpływ zaznacza się
prawie w każdej sferze działalności człowieka, a nawet w życiu codziennym. Obecnie panuje nawet swoista moda na ekologię. Często pojęcia
„ekologia" czy „ekologiczny" są nadużywane, określa się nimi produkty
trochę mniej szkodliwe dla środowiska (np. „ekologiczne ubrania", „ekologiczne domy"). Ma to jednak niewielki związek z ekologią naukową,
zajmującą się badaniem interakcji pomiędzy organizmami i ich środowiskiem życia, czyli nauką o strukturze i funkcjonowaniu przyrody.
Czy wiesz, zę .
Termin „ e k o l o g i a " w p r o w a d z i ł Ernst Haeckel w 1 8 6 9 roku. Użył g o na o z n a c z e n i e nauki zajm u j ą c e j się ś r o d o w i s k i e m ż y c i a o r g a n i z m ó w , a ściśle n a u k i z a j m u j ą c e j się „ e k o n o m i k ą p r z y r o d y " (Haushaltslehre der Natur). N a z w a „ e k o l o g i a " w y w o d z i się z j ę z y k a g r e c k i e g o (oikos
- d o m , logos - s ł o w o , w z n a c z e n i u n a u k i ) .
Ekologia częściowo zapożyczyła pojęcia z innych nauk, częściowo wypracowała własne. Z a pomocą tych pojęć opisuje przedstawianą rzeczywistość. Na przykład pojęcie „organizm" zastępuje się w ekologii najczęściej pojęciem ^osobnik", w rozumieniu najmniejszej wyróżnialnej
jednostki zdolnej do samodzielnego życia. N a osobnika oddziałuje środowisko, jednocześnie osobnik także wpływa na otaczający świat, zmieniając go w pewien sposób i dostosowując do swoich potrzeb.
Podstawową jednostką ekologiczną jest populacja.
Populację tworzą osobniki należące do jednego gatunku, zamieszkujące określony obszar i powiązane za sobą wzajemnymi, bezpośrednimi
zależnościami. Osobniki należące do danej populacji kontaktują się ze
sobą i mogą się swobodnie krzyżować, co umożliwia ciągły przepływ informacji genetycznej i powoduje, że każda populacja m a własny, niepowtarzalny zestaw genów, czyli tak zwaną pulę genową.
116
10. Ekologia - nauka o strukturze i funkcjonowaniu przyrody
Poziomy
Wpływające na siebie wzajemnie osobniki wszystkich populacji, bytuekologiczne:
jących na danym terenie, łącznie z elementami środowiska nieożywionepopulacja
go, w którym żyją i z którym także wzajemnie oddziaływują, tworzą kombiocenoza
pletną i funkcjonalną j e d n o s t k ę ekologiczną - ekosystem*. Często
ekosystem
biom
wyodrębnia się ożywioną część ekosystemu, jako tak zwaną biocenozę,
biosfera
niekiedy dzieli się ją na część roślinną, czyli fitocenozę i zwierzęcą, czyli
zoocenozę oraz część nieożywioną, zwaną biotopem.
Pojęcie ekosystemu jest obszerne i odnosi się do układów bardzo różnych pod względem wielkości. Ekosystemem jest staw, jezioro, las, ale
też źródlisko o powierzchni kilku metrów
kwadratowych. Cechy ekosystemu wykazują
BIOSFERA
też biomy - olbrzymie zbiorowiska, obejmuKRAJOBRAZ EKOLOGICZNY
jące całą formację roślinną i zwierzęta żyjące w danej strefie klimatycznej. Biomem
EKOSYSTEM
jest na przykład tundra, tajga czy sawanna.
Układy niewielkich ekosystemów, różBIOCENOZA
niących się charakterem, określa się miaQ.
O
nem krajobrazów ekologicznych (przykłaPOPULACJA
O
dem jest Puszcza Kampinowska, w której
03
skład wchodzi wiele różnych ekosystemów).
Wszystkie ekosystemy i krajobrazy przyrodnicze, zarówno lądowe, jak i morskie,
tworzą żywą otoczkę Ziemi - biosferę.
Podstawowe pojęcia ekologiczne: osobUH
nik, populacja, ekosystem, krajobraz ekolo- Ryc. 9 8 . H i e r a r c h i c z n y u k t a d p o j ę ć e k o l o g i c z n y c h
giczny, biosfera układają się w sposób hie- (nie z a p o m i n a j m y , ż e e k o l o d z y n i e z a j m u j ą się p o jedynczymi osobnikami)
rarchiczny, tak że każde kolejne zawiera
w sobie kilka poprzednich (ryc. 98). Każda z tych struktur tworzy jednak
nową jednostkę ekologiczną, mającą indywidualne cechy, które tylko
częściowo wynikają z cech elementów składowych.
10.1. Zasadnicze cechy charakteryzujące populację
Ekolog badający populację danego gatunku musi uwzględnić zarówno wpływ czynników wewnętrznych, jak i zewnętrznych. Czynniki wewnętrzne wynikają z biologicznych właściwości danego gatunku, w tym
ze sposobu odżywiania się, wielkości osobników, skłonności do przemieszczania się (migracji) oraz sposobu i tempa rozrodu. D o czynników
zewnętrznych możemy zaliczyć wpływ środowiska nieożywionego (czynniki abiotyczne), a także oddziaływanie osobników innych populacji
(czynniki biotyczne).
Cechy wpływające
na populację:
; wewnętrzne
zewnętrzne
I abiotyczne
biotyczne
* Pojęcie ekosystemu kształtowało się w ekologii stopniowo. Pierwotnie taki złożony układ
elementów przyrodniczych nazywano zbiorowiskiem przyrodniczym, potem układem przyrodniczym, następnie zaś systemem ekologicznym. Od tej ostatniej nazwy utworzono skrót,
„ekosystem".
117
Dla każdej populacji możemy określić pewne parametry grupowe.
Cechy grupowe
populacji:
struktura
przestrzenna
rozrodczość
śmiertelność
Populacja:
rozwijająca się
ustabilizowana
wymierająca
D o parametrów grupowych należą stosunki ilościowe, w tym liczebność - ogólna liczba osobników danej populacji oraz zagęszczenie - liczba osobników przypadająca na jednostkę powierzchni lub objętości,
dzięki któremu możemy poprawnie charakteryzować populację i porównywać ją z innymi.
Ważną cechą populacji, silnie wpływającą na liczebność i zagęszczenie, jest rozrodczość. Pod tym pojęciem rozumiemy liczbę osobników
urodzonych w pewnym czasie (np. w ciągu roku) w przeliczeniu nHLOgólną liczbę osobników dorosłych. Przeciwieństwem rozrodczości jest
śmiertelność o z n a c z a j ą c a liczbę o s o b n i k ó w g i n ^ c y c h _ w j 3 o p u I a c j j
w określonym czasie (oczywiście także w ^przeliczeniu na ogólną liczebność populacji). Różnica między rozrodczością i śmiertelnością to przyrost naturalny (może on być dodatni, zerowy lub ujemny).
Z rozrodczością i śmiertelnością wiąże się też struktura wiekowa, czyli proporcja między liczbą osobników będących w różnym przedziale
wiekowym, a także struktura płciowa, to znaczy proporcja między liczbą
samców i samic (ryc. 99).
samice
5A
o
samce
stare
dorosłe
m u s u M
młode
i' ?
IM
rozwijająca się
ustabilizowana
wymierająca
Ryc. 9 9 . P i r a m i d y w i e k o w o - p ł c i o w e (dla u p r o s z c z e n i a p r z y j ę t o , ż e l i c z e b n o ś ć s a m c ó w i s a m i c j e s t t a k a s a m a )
Struktura
przestrzenna:
areał •
rozmieszczenie
Rozmieszczenie:
skupiskowe
losowe
równomierne
118
Każda populacja charakteryzuje się ponadto strukturą przestrzenną.
Tworzą ją: areał, czyli obszar, na którym można spotkać osobniki należące do danej populacji, oraz rozmieszczenie - sposób, w jaki osobniki zasiedlają swój areał.
Zasadniczo wyróżnia się trzy główne sposoby rozmieszczenia (ryc.
100). Najczęściej występuje rozmieszczenie skupiskowe, charakterystyczne dla osobników żyjących w stadach (np. szpaki) czy ławicach (np. sardynki), a w wypadku roślin - charakterystyczne dla rosnących w kępach
i rozmnażających się wegetatywnie (np. mchy czy stokrotki). Rzadziej występuje rozmieszczenie losowe, kiedy osobniki są rozrzucone w obrębie
areału w sposób przypadkowy (np. biedronki na łące). Najrzadsze natomiast jest w naturalnych populacjach rozmieszczenie równomierne, kiedy
to osobniki rozlokowane są w prawie równych odstępach od siebie. Takie
rozmieszczenie obserwuje się w wypadku bardzo silnej konkurencji wewnątrzgatunkowej (np. wśród kaktusów - opuncji, porastających pusty-
10. Ekologia - nauka o strukturze i f u n k c j o n o w a n i u przyrody
nię Mohave w Ameryce Północnej) oraz u zwierząt wykazujących wyraźny terytorializm, kiedy poszczególne osobniki (np. jaguaiy bądź rysie) zasiedlają zbliżone wielkością terytoria i bronią ich przed innymi osobnikami tego samego gatunku. Rozmieszczenie równomierne jest natomiast
bardzo częste w populacjach sztucznych, utworzonych przez człowieka.
Przykładem jest rozmieszczenie jabłoni w sadzie owocowym.
Ryc. 1 0 0 . P o d s t a w o w e t y p y r o z m i e s z c z e n i a o s o b n i k ó w w o b r ę b i e a r e a ł u p o p u l a c j i : A - s k u p i s k o w e , B - losowe, C - równomierne
Rozwój populacji można zobrazować krzywą wzrostu.
zmiany
Krzywa wzrostu przedstawia zmiany liczebności populacji od jej policzebności
wstania (np. w wyniku zasiedlenia nowego terenu przez niewielką grupę
populacji
osobników) aż do stadium ustabilizowania bądź wymarcia (ryc. 101).
Analiza tej krzywej wskazuje,
wzrastający
że wzrost populacji początkowo
opór środowiska
putap wydolności
odbywa się w sposób wykładniczy,
środowiska
czyli w postępie geometrycznym.
Z czasem jednak, gdy liczebność
wzrasta, coraz silniej zaczynają
działać czynniki o g r a n i c z a j ą c e ,
zwane oporem środowiska. Składają się nań oddziaływania środowiska nieożywionego, takie jak
klimat i wszystkie jego składniki,
ukształtowanie powierzchni, typ
podłoża, d o s t ę p n o ś ć wody oraz
Ryc. 1 0 1 . K r z y w a w z r o s t u p o p u l a c j i n a t u r a l n e j , z a s i e d l a j ą c e j
niezbędnych pierwiastków i związnowy, korzystny teren
ków c h e m i c z n y c h . E l e m e n t e m
oporu środowiska jest także oddziaływanie populacji innych gatunków,
współtworzących biocenozę. Liczebność populacji rośnie aż do osiągnięcia granicy zwanej pułapem wydolności lub maksymalną pojemnością
środowiska. Najczęściej liczebność populacji nie utrzymuje się zbyt długo w pobliżu tej granicy i wykazuje stałe wahania, których częstotliwość
wynika z cech gatunkowych, parametrów grupowych i warunków środowiskowych.
119
Czy wiesz, że,..
K i e d y o p ó r ś r o d o w i s k a j e s t z b y t słaby, l i c z e b n o ś ć p o p u l a c j i m o ż e p r z e k r o c z y ć p o j e m n o ś ć ś r o d o w i ska, c o m o ż e s k o ń c z y ć się d l a niej t r a g i c z n i e . P r z y k ł a d o w o w s z t u c z n y c h w a r u n k a c h , j a k i e s t w a rzają m a g a z y n y z b o ż o w e , p o p u l a c j a s z k o d n i k a - w o ł k a z b o ż o w e g o - m o ż e się w z a s a d z i e r o z w i jać w s p o s ó b nieograniczony, p o n i e w a ż nie m a t a m d r a p i e ż n i k ó w , k o n k u r e n t ó w , p a n u j e stała
t e m p e r a t u r a itd. Niczym n i e s k r ę p o w a n y w z r o s t p o p u l a c j i b ę d z i e t r w a ł j e d n a k t y l k o d o c z a s u , aż z o s t a ną w y c z e r p a n e z a p a s y p o k a r m u ( z i a r n a ) . W ó w c z a s
nastąpi drastyczne z a ł a m a n i e liczebności populacji
a ż d o jej c a ł k o w i t e g o w y m a r c i a . W n a t u r a l n y c h w a runkach d o takiej sytuacji d o c h o d z i j e d n a k rzadko,
p o n i e w a ż silny o p ó r stabilizuje liczebność p o p u l a c j i
n a t a k i m p o z i o m i e , że n i e p r z e k r a c z a o n a p o j e m ności ś r o d o w i s k a i nie d o c h o d z i d o w y c z e r p a n i a jego zasobów.
W a r t o sobie j e d n a k u ś w i a d o m i ć , że populacje
ludzkie d a w n o już przekroczyły pułap wydolności
środowiska.
Rozwój populacji w przypadku słabego wpływ u oporu środowiska
10.2. Oddziaływania między populacjami tworzącymi
biocenozę
I nisza ekologiczna
Stosunki między
populacjami:
protekcjonistyczne
antagonistyczne
120
W różnych rejonach kuli ziemskiej tworzą się specyficzne typy biocenoz, mające charakterystyczny skład gatunkowy. Zróżnicowanie biologiczne biocenozy zależy od klimatu, podłoża, dostępności wody i innych
czynników zewnętrznych, ale także w dużym stopniu od wzajemnych stosunków między populacjami różnych gatunków, wchodzącymi w jej
skład. Każda populacja, mająca określone wymagania, ma swoje miejsce
i swoją rolę do spełnienia, co określa się mianem niszy ekologicznej.
Stosunki pomiędzy populacjami mogą być albo przyjazne - protekcjonistyczne (nieantagonistyczne), albo wrogie - antagonistyczne, jednak
wszystkie są niezbędne do prawidłowego funkcjonowania biocenozy.
W wypadku oddziaływań protekcjonistycznych korzyści mogą odnosić
obie współdziałające ze sobą populacje - mutualizm, protokooperacja,
lub tylko jedna z nich - komensalizm. Inaczej przedstawia się sytuacja
w układach antagonistycznych, w których zawsze jedna populacja ponosi straty, druga zaś może albo odnosić korzyści - drapieżnictwo, pasożytnictwo, albo także ponosić straty - konkurencja międzygatunkowa, lub
też nie mieć żadnych strat ani zysków - amensalizm. Dwie populacje
mogą nie wykazywać żadnych bezpośrednich interakcji - neutralizm.
D a n e dotyczące tych oddziaływań zamieszczono w tabeli 5.
Oddziaływania protekcjonistyczne
Komensalizm
Protokooperacja
Mutualizm
Populacja A - „ + "
Populacja B - „0"
J e d n a z populacji o d n o s i korzyści, d r u g a pozostaje obojętna. Przykład e m m o g ą b y ć szakale ż y w i ą c e się resztkami p o ż y w i e n i a p o z o s t a w i o n y m i p r z e z Iwy.
Populacja B - „ + "
B y w a też n a z y w a n a s y m b i o z ą fakultatywną lub p r z y g o d n ą . O b i e współż y j ą c e p o p u l a c j e o d n o s z ą korzyści, ale ich w s p ó ł p r a c a nie jest niezbęd n a d o p r a w i d ł o w e g o f u n k c j o n o w a n i a w biocenozie. K l a s y c z n y m przyk ł a d e m protokooperacji jest współżycie krabów pustelników i ukwiatów
(ukwiał przyczepiony d o muszli - d o m k u kraba - broni g o s w y m i parzydełkami, w z a m i a n krab u m o ż l i w i a m u p r z e m i e s z c z a n i e się p o dnie.
Populacja B - „ + "
N a z y w a n y jest też s y m b i o z ą obligatoryjną lub konieczną. W s p ó ł ż y j ą c e
populacje o d n o s z ą korzyści, a ich zależność jest tak wielka, że bez
siebie nie przetrwałyby. T a k jest na p r z y k ł a d w w y p a d k u t e r m i t ó w
i w i c i o w c ó w Devescovina, ż y j ą c y c h w i c h p r z e w o d z i e p o k a r m o w y m .
Termity stwarzają w i c i o w c o m ś r o d o w i s k o życia, te zaś trawią celulozę
(termity s a m o d z i e l n i e t e g o nie potrafią, c h o ć żywią się d r e w n e m ! ) .
I n n y m p r z y k ł a d e m m u t u a l i z m u są m i k o r y z y k o r z e n i o w e , c z y l i w s p ó ł ż y cie korzeni drzew i grzybów.
Oddziaływania antagonistyczne
Drapieżnictwo
Populacja B - „ - "
O s o b n i k i j e d n e j p o p u l a c j i (ofiary) są z a b i j a n e i s t a n o w i ą p o ż y w i e n i e d l a
o s o b n i k ó w drugiej populacji (drapieżniki). I chociaż rzeczywiście pojed y n c z e o s o b n i k i s p o ś r ó d ofiar t r a c ą n a tej z a l e ż n o ś c i ( b o g i n ą i są zjadane), to w dłuższej perspektywie p o p u l a c j a jako całość zyskuje - przeżyją najlepiej d o s t o s o w a n e , a l i c z e b n o ś ć p o p u l a c j i nie p r z e k r o c z y p o j e m n o ś c i ś r o d o w i s k a , c o m o g ł o b y się o k a z a ć t r a g i c z n e . P o n a d t o w naturaln y c h w a r u n k a c h n i e z d a r z a się, b y d r a p i e ż n i k i c a ł k o w i c i e w y t ę p i ł y
p o p u l a c j ę ofiar. Z p e w n y m i z a s t r z e ż e n i a m i m o ż n a o d n i e ś ć t e s t o s u n k i
do układu roślina-roślinożerca.
Pasożytnictwo
Jest nieco p o d o b n e d o drapieżnictwa - populacja pasożyta zyskuje,
p o p u l a c j a ż y w i c i e l a traci. P o n a d t o w n a t u r a l n y c h b i o c e n o z a c h nie d o c h o dzi d o wytępienia żywicieli przez pasożyty. Różnice polegają na tym, że
pasożyt najczęściej nie zabija s w e g o żywiciela i z reguły jest o d niego
m n i e j s z y ( d r a p i e ż n i k i z w y k l e są w i ę k s z e o d s w o i c h ofiar). W y r ó ż n i a m y
p a s o ż y t y z e w n ę t r z n e (np. pijawki, pchły) i w e w n ę t r z n e (nicienie, t a s i e m c e ) .
Konkurencja
Populacja A - „-"
W porównaniu z drapieżnictwem i pasożytnictwem konkurencja międzyg a t u n k o w a w y d a j e się s t o s u n k o w o t a g o d n ą f o r m ą w s p ó ł ż y c i a , m i m o ż e
p r z y n o s i straty o b u p o p u l a c j o m . W p r z y p a d k u , g d y k o n k u r u j ą c e p o p u lacje są d o s i e b i e p o d o b n e (czyli ich n i s z e e k o l o g i c z n e w d u ż y m s t o p n i u
się pokrywają i k o n k u r e n c j a d o t y c z y wielu tzw. atrybutów ś r o d o w i s k o wych), z reguły słabsza populacja zostaje w danej biocenozie całkowicie wyniszczona. Tak było w Anglii, gdzie r o d z i m a p o p u l a c j a wiewiórki
r u d e j (Sciurus vulgaris) z o s t a ł a p r a w i e d o s z c z ę t n i e w y n i s z c z o n a p r z e z
s p r o w a d z o n ą z K a n a d y w i e w i ó r k ę s z a r ą (S. carolinensis).
Amensalizm
Populacja A - „0"
Taka forma współżycia występuje wtedy, gdy osobniki jednej populacji
s z k o d z ą o s o b n i k o m i n n e j , s a m e nie c z e r p i ą c z t e g o b e z p o ś r e d n i c h
korzyści. M o ż e się to o d b y w a ć przez p r o d u k o w a n i e d o o t o c z e n i a substancji chemicznych, które ograniczają rozwój innych organizmów.
Brak oddziaływań
Neutralizm
Populacja A - „0"
Populacja B - „0"
O b i e p o p u l a c j e nie mają na siebie b e z p o ś r e d n i e g o w p ł y w u , na przykład
d z i ę c i o ł y i r y j ó w k i w lesie. Z w y k l e m o ż n a się j e d n a k d o s z u k a ć j a k i e g o ś
mniej lub bardziej pośredniego oddziaływania pośredniego pomiędzy
tymi populacjami.
Tab. 5. I n t e r a k c j e p o m i ę d z y p o p u l a c j a m i w b i o c e n o z i e ( „ + " - k o r z y ś c i , „ - " - s t r a t y , „ O " - b r a k o d d z i a ł y w a ń )
yX\tU)fodi(l
-
fó^UiH'^
~ 'i' •
\
•• 'p''
ofa
121
Każda biocenoza wykazuje specyficzną strukturę pokarmową (troficzną) oraz
przestrzenną.
Poziomy troficzne:
producenci
konsumenci
Pod względem sposobu odżywiania się populacje tworzące biocenozę
podzielono na dwie grupy zwane poziomami troficznymi. Są to producenci i konsumenci (ryc. 102).
'Producenci to rośliny zielone i samożywne
protisty zdolne do samodzielnego wytwarzania
drapieżniki
związków organicznych w procesie fotosyntezy*
drapieżniki I
(fotoautotrofy). Wyprodukowane przez nie subKONSUMENCI
stancje
są wykorzystywane do przemian metabo- SAPROFAGI
roślinożercy
licznych bądź wbudowywane we własne tkanki
(w t y m
reducenci)
i tworzą tak zwaną biomasę, korzystają z niej konsumenci, czyli organizmy heterotroficzne. Te zaś
można podzielić na roślinożerców (konsumentów
PRODUCENCI
I rzędu), którzy żywią się bezpośrednio roślinami,
drapieżniki I rzędu (czyli konsumentów II rzędu), żywiących się roślinożercami i drapieżniki II
Ryc. 1 0 2 . P o z i o m y t r o f i c z n e b i o c e n o z y
rzędu (konsumentów III rzędu) zjadających z kolei drapieżniki I rzędu. Martwymi szczątkami producentów, roślinożerców
i drapieżników (a także np. opadłymi liśćmi i wydalinami zwierząt) żywi
się liczna grupa saprofagów (szczątkojadów)**, które same stają się pożywieniem dla drapieżników. Niektóre
saprofagi, głównie bakterie i grzyby,
przekształcają (czyli redukują) związki
organiczne do postaci związków nieorganicznych, stąd też nazywani są reducentami (destruentami).
Zwykle w poszczególnych poziomach troficznych możliwe jest wyznaczenie przedstawicieli bezpośrednio
PRODUCENCI
żywiących się sobą. Tworzą oni ogniwa tak zwanego łańcucha troficznego
Ryc. 1 0 3 . M o d e l ł a ń c u c h a p o k a r m o w e g o (A) i sieci zależn o ś c i p o k a r m o w y c h (B)
(pokarmowego; ryc. 103).
W naturalnych biocenozach prawie nigdy nie istnieją pojedyncze łańcuchy, lecz sieć zależności pokarmowych. Im większa jest złożoność tych sieci, tym większa stabilność biocenozy. W biocenozach prostych, jak na
przykład sztucznie utworzone przez człowieka pola uprawne czy monokultury leśne, gdzie istnieje tylko jeden gatunek producentów, pojawienie
się wyspecjalizowanego pasożyta bądź roślinożercy, może spowodować
istotne zachwianie wewnętrznej równowagi. W takich ubogich gatunkowo
*Mniejsze znaczenie mają bakterie przeprowadzające chemosyntczę (chemoautotrofy).
" S a p r o b i o n t y dzielimy na: saprofagi - zwierzęta i saprofity - bakterie, grzyby i rośliny żywiące się martwą materią organiczną.
122
biocenozach często zdarzają się masowe pojawy (gradacje) owadów lub gryzoni, co może prowadzić do wyniszczenia cennych dla człowieka roślin, a nawet do całkowitej destrukcji biocenozy. Powszechnie znane są masowe
pojawy stonki ziemniaczanej w połowie ubiegłego wieku, niszczącej plantacje ziemniaków, czy okresowe gradacje ciem (strzygonia choinówka, brudnica mniszka;
ryc. 104) niszczących nasadzone lasy sosnowe.
Struktura przestrzenna biocenozy zależy w dużym
stopniu od jej charakteru. Inną strukturę przestrzenną
będą miały lasy liściaste, inną stepy, a jeszcze inną jeziora. Można jednak zauważyć pewną prawidłowość w rozmieszczeniu organizmów. Zawsze główna masa producentów będzie się skupiała w górnej części biocenozy
(bliżej światła), zaś saprofagi będą się zazwyczaj skupiały w jej dolnych partiach.
Rys. 1 0 4 . B r u d n i c a m n i s z k a
10.3. Charakterystyczne cechy ekosystemu
Obieg materii
W ekosystemie materia krąży pomiędzy poszczególnymi p o z i o m a m i
troficznymi biocenozy i środowiskiem
nieożywionym - biotopem. Związki organiczne wyprodukowane przez producentów są w zasadzie jedynym źródłem substancji odżywczych (nie licząc
wody) dla roślinożerców. Roślinożercy
są zjadani przez konsumentów II rzędu, ci przez konsumentów III rzędu,
a łącznie, po obumarciu, przez saprofagi. Destruenci przekształcają część
materii w związki nieorganiczne dostępne producentom, część zaś magazynują w tkankach i mogą zostać zjedzeni przez konsumentów. W obu tych
przypadkach materia ponownie wraca
do obiegu (ryc. 105)*.
KONSUMENCI
roślinożercy
drapieżniki
PRODUCENCI
saprobionty
BIOTOP
B
DOPŁYW ENERGII
ŚWIETLNEJ
ODPŁYW ENERGII
roślinożercy
drapieżniki
PRODUCENCI
saprobionty
BIOTOP
Ryc. 1 0 5 . M o d e l o b i e g u m a t e r i i (A) i p r z e p ł y w u e n e r g i i
p r z e z e k o s y s t e m (B)
*Należy pamiętać, że obieg materii wyłącznie w obrębie jednego ekosystemu jest pewnym
uproszczeniem. Wystarczy przecież powiew wiatru, aby liście wyprodukowane przez drzewa
w lesie zostaty przeniesione do innego ekosystemu, na przykład na łąkę. Może zajść także
sytuacja odwrotna - leśna sarna, pasąc się na łące, przynosi do lasu część materii wyprodukowanej właśnie na łące. Jeszcze bardziej różny od schematu obiegu materii jest schemat
obiegu gazów oddechowych (np. C O „ O,) i wody, krążą bowiem raczej w całej biosferze
(por. podroż. 10.6).
Współczesne czynniki kształtujące różnorodność biologiczną
Przepływ energii
Inaczej jest w wypadku energii, która przepływa przez ekosystem. Dla
większości ekosystemów podstawowym źródłem energii jest promieniowanie słoneczne. Pochłonięte przez producentów, zamieniane jest na
energię wiązań chemicznych związków organicznych tworzących biomasę. Rośliny zużywają część związanej energii na własny metabolizm
i produkcję nasion, część rozprasza się w postaci ciepła, a tylko niewielki procent (ok. 10%) przechodzi na wyższy poziom troficzny - do konsumentów. Na każdym kolejnym poziomie konsumenckim spora część tej
energii jest rozpraszana w procesach metabolicznych i rozrodczych zazwyczaj w postaci ciepła. Ostatecznie cała zaabsorbowana przez producentów energia rozchodzi się, a bez ciągłego dopływu nowej - ekosystem
przestałby funkcjonować. Z a t e m pod względem energetycznym ekosystem, podobnie jak pojedynczy organizm, jest układem otwartym.
Czy wiesz, że...
W latach siedemdziesiątych XX w i e k u o d k r y t o ekosystemy wykorzystujące energię pochodzącą z i n n e g o ź r ó d ł a n i ż S ł o ń c e . Z n a j d u j ą się o n e n a d n i e o c e a n u , s k u p i o n e są w o k ó ł t a k z w a n y c h k o m i n ó w h y d r o t e r m a l n y c h - m i e j s c , w k t ó r y c h s p o d d n a w y d o b y w a się g o r ą c a w o d a ,
b o g a t a w z w i ą z k i siarki. Skład i s t r u k t u r a t y c h e k o s y s t e m ó w nie z o s t a ł y jeszcze d o k o ń c a o p i s a n e . I c h p o d s t a w ą są l i c z n e g r u p y c h e m o a u t o t r o f i c z n y c h b a k t e r i i ( p r z e p r o w a d z a j ą c y c h c h e mosyntezę zamiast fotosyntezy). Ponadto występują t a m specyficzne archebakterie oraz
osiadłe „ r o b a k i " bez p r z e w o d u p o k a r m o w e g o , z w a n e r u r k o c z u ł k o w c a m i (Pogonophora).
'S
Sukcesja i równowaga ekosystemu
stabilność
ekosystemów
sukcesja
ekologiczna
Sukcesja:
r pierwotna
wtórna
124
Różne typy ekosystemów wykazują zróżnicowaną stabilność. Ekosystemy ubogie gatunkowo, o mniejszej różnorodności biologicznej są z reguły mniej stabilne niż ekosystemy bogate o złożonej strukturze. O tym,
jaka postać ekosystemu jest na danym terenie najbardziej stabilna, decyduje klimat i rodzaj podłoża. W związku z tym ekosystemy mniej stabilne rozwijają się i przekształcają w ekosystem innego typu, aż do osiągnięcia postaci najlepiej zrównoważonej w danych warunkach. Odbywa
się to na zasadzie stopniowego przekształcania środowiska nieożywionego (biotopu) przez rozwijającą się biocenozę.
Takie kierunkowe zmiany w ekosystemie noszą nazwę sukcesji.
Wszystkie pośrednie, mniej stabilne etapy rozwojowe nazywają się stadiami seralnymi (lub serialnymi), zaś ostateczna, trwała postać ekosystemu to klimaks (ryc. 106).
Sukcesja może mieć charakter pierwotny lub wtórny. Sukcesja pierwotna zachodzi na terenach, które nigdy nie były zasiedlone przez żadną
biocenozę. To na przykład zbocza wulkanu pokryte zastygłą lawą, osuwiska górskie odsłaniające nagą skałę, wydmy nadmorskie itp. Sukcesja
wtórna zachodzi na obszarze wcześniej zajętym przez jakąś biocenozę,
która uległa zniszczeniu, na przykład na skutek powodzi, pożaru bądź
całkowitego wycięcia lasu. Ma ona najczęściej charakter odtwórczy, to
znaczy przebiega w takim kierunku, aby odtworzyć ekosystem pierwotnie występujący na danym obszarze*.
STADIA SERALNE
stadium
początkowe
(inicjacyjne)
sera I
s e r a II
s e r a III
stadium
kllmaksowe
(końcowe) \
Ryc. 1 0 6 . Schemat g ł ó w n y c h e t a p ó w sukcesji
W stadium klimaksowym ekosystem osiąga stan pełnej dynamicznej
równowagi wewnętrznej pomiędzy tworzącymi go elementami. Równowaga taka nazywa się homeostazą**. Dzięki niej ekosystem może utrzymywać stałą strukturę troficzną i stałą liczebność tworzących go populacji. Może też wykazywać pewną odporność na zewnętrzne czynniki
zakłócające (np. na antropopresję).
W naszym klimacie takim stadium klimaksowym jest prawie zawsze
jakaś forma lasu. Na niżu będzie to najczęściej bór sosnowo-dębowy lub
na żyźniejszych glebach - grąd, w dolinach rzecznych zaś łęg i ols, na wydmach - bór sosnowy itd.
Czy wiesz, że...
N a w e t w jeziorach zachodzi sukcesja, a jej
o s t a t e c z n ą f o r m ą j e s t las. R o z p o c z y n a się o n a
o d o d k ł a d a n i a na d n i e z b i o r n i k a coraz grubszej
w a r s t w y o s a d ó w , co p o w o d u j e j e g o spłycenie.
J e d n o c z e ś n i e p o s z e r z a się p a s r o ś l i n n o ś c i p r z y brzeżnej, d o d a t k o w o zacieśniający powierzchnię lustra w o d y . W ten sposób jezioro przek s z t a ł c a się s t o p n i o w o w b a g n o , n a s t ę p n i e
w t o r f o w i s k o , a ż w k o ń c u s t a j e się p o d m o k ł y m
lasem. Czas t r w a n i a t e g o p r o c e s u jest r ó ż n y
i zależy o d żyzności z b i o r n i k a . W p r z y p a d k u jez i o r z a w i e r a j ą c y c h d u ż e i l o ś c i m a t e r i i o r g a n i c z n e j m o ż e t r w a ć z a l e d w i e k i l k a d z i e s i ą t l a t . Jez i o r a u b o g i e , c h ł o d n e i silnie n a t l e n i o n e m o g ą zarastać przez kilka tysięcy lat.
*Nic zawsze takie odtworzenie jest możliwe!
**Należy zaznaczyć, że pewna równowaga występuje we wszystkich stadiach seralnych, jednak dopiero w stadium klimaksu ekosystem jest najbardziej stabilny.
125
10.4. Przemiany energetyczne w ekosystemie
Produkcja
pierwotna:
netto
brutto
W typowym ekosystemie producenci wykorzystują jedynie około 1%
docierającej do nich energii słonecznej i przetwarzają ją na energię wiązań chemicznych związków organicznych (por. później podrozdz. 10.6).
Całość wyprodukowanej przez producentów materii organicznej określa
się mianem produkcji pierwotnej brutto. Z tego tylko połowa zostaje
zmagazynowana w tkankach roślinnych jako tak zwana biomasa i tę
część produkcji nazywa się produkcją pierwotną netto. Reszta zużywana
jest w procesach katabolicznych (np. oddychanie) lub rozprasza się
w postaci ciepła. Roślinożercy zjadają wprawdzie około 40% biomasy
roślin, j e d n a k jak już w s p o m n i a n o ,
w ich tkankach pozostaje niecałe 10%
tej energii, którą zmagazynowały rośliny. Biomasę, jaką łącznie zmagazynokolejne poziomy
konsumentów
wali konsumenci (po odliczeniu strat
na oddychanie, utrzymanie stałej temperatury
itp.) określa się jako produkPRODUCENCI
cję wtórną netto. Produkcję w ekosyRyc. 1 0 7 . P i r a m i d a e n e r g i i w e k o s y s t e m i e
stemie można przedstawić w postaci
piramidy energii (ryc. 107).
Aby móc porównywać ekosystemy, wprowadzono pojęcie produktywności. Jest to ilość biomasy wyprodukowanej w jednostce czasu w przeliczeniu na wielkość ekosystemu. Produktywność producentów określa się
jako produktywność pierwotną (brutto i netM J ( m 2 - rok)
to), w przypadku k o n s u m e n t ó w mówimy
80
0 produktywności wtórnej (również brutto
701 netto). Wyraża się ją najczęściej w dżulach
(J) na metr kwadratowy powierzchni
60ekosystemu na rok (ryc. 108).
50W trwałych i zrównoważonych ekosyste<D
C
ta
mach klimaksowych całkowita ilość zakumu40o
'E.
c3
lowanej energii (i wyprodukowanej biomasy
5
o
o
(O
300)
ro
- P) jest równa ilości energii zużywanej
u
o
o
o
O)
20w procesach metabolicznych organizmów
>.
c
TJ
TS
3
C
O
(R), czyli zużywa się tyle energii, ile zostało
•N
ts
3
10•a
wyprodukowane ( P / R = l ) . W ekosystemach
będących jedynie stadiami sukcesji (ekosysRyc. 1 0 8 . P r z y k ł a d y p r o d u k t y w n o ś c i p i e r w o t n e j
temy seralne) najczęściej produkcja przeróżnych ekosystemów
wyższa straty metaboliczne ( P / R > 1 ) , choć
zdarzają się też sytuacje odwrotne, kiedy to straty energetyczne ekosystemu są większe niż produkcja ( P / R < 1 ) . Tak jest między innymi w wypadku sukcesji polegającej na samooczyszczaniu się zbiornika zatrutego
ściekami organicznymi.
126
\
/
10.5. Charakterystyka biomów
Biomy to wielkie zbiorowiska roślin i zwierząt wykazujących zbliżone
wymagania środowiskowe, a przez to związanych z daną strefą klimatyczną i warunkami geologicznymi. Biomy są największymi jednostkami
biocenotycznymi, mają swoje granice (czasami mało wyraźne) i charakterystyczny skład gatunkowy. Dlatego można je traktować jako olbrzymie złożone ekosystemy.
Biomy wyróżnia się najczęściej na podstawie dominującego typu roślinności, czyli tak zwanej formacji roślinnej. Podstawowymi biomami
(ryc. 116, s. 130) są:
Tundra (ryc. 109) zajmuje ogromne obszary podbiegunowe Ameryki
Północnej i Eurazji. Głównym składnikiem fitocenozy tundry są mszaki
i porosty; rośliny zielne pojawiają się rzadko (zazwyczaj trawy). Czasami można spotkać karłowate wierzby i brzozy. Ssakami
charakterystycznymi dla tego biomu są
niedźwiedzie polarne, lisy polarne, renifery, zające bielaki i różne gatunki lemingów.
W Ameryce Północnej żyją także piżmowoły. Ptakami typowymi dla tundry są sowy
śnieżne, sokoły białozory i pardwy. Latem
zalatują tu także kaczki i gęsi, a także ptaki
śpiewające, żywiące się licznymi o tej porze
roku owadami.
Lasy iglaste klimatu umiarkowanego, zwane też tajgą (ryc. 110), występują na olbrzymich obszarach półkuli północnej, zarówno w Eurazji,
jak i w Ameryce Północnej. Charakteryzują się niewielką różnorodnością gatunkową roślin. Występują w nich
głównie sosny, świerki, jodły i modrzewie.
W skład runa wchodzą mchy, porosty,
wrzosy i niektóre turzyce. Bardzo charakterystyczne dla tego biomu są torfowiska.
W tajdze żyją łosie, polatuchy (wiewiórki
latające), różne gatunki pręgowców, sarny,
jelenie, a z drapieżników rosomaki, sobole
(zwierzęta ginące!), wilki, rysie, a w Kanadzie również niedźwiedzie grizzly. Ptaki typowe dla lasów iglastych to puszczyki
Ryc. 1 1 0 . Tajga
mszarne i uralskie, głuszce i cietrzewie.
Lasy liściaste i mieszane klimatu umiarkowanego (ryc. 111, s. 128) rosną w Europie, na Dalekim Wschodzie i w środkowowschodniej części
Ameryki Północnej. Podstawową grupę producentów stanowią w tych lasach drzewa zrzucające liście na zimę, takie jak dęby, lipy, buki, klony, graby i jesiony. W Azji występują ponadto orzechy mandżurskie, korkowce,
cechy
biomów
charakterystyka
tundry
charakterystyka
• tajgi
charakterystyka
lasów klimatu
umiarkowanego
127
Ryc. 1 1 1 . Las u m i a r k o w a n y
charakterystyka
wiecznie
zielonych lasów
i zarośli twardolistnych
Ryc. 1 1 2 . M a k i a
charakterystyka
stepów
bożodrzewy i inne r o d z a j e endemiczne,
w Ameryce zaś magnolie. Lasy te zamieszkują sarny, jelenie, dziki, lisy, borsuki, wilki, a dawniej niedźwiedzie. W Azji występują także jenoty, bardzo rzadkie już pandy
olbrzymie, a niegdyś spotykano w nich tygrysy. Zwierzętami charakterystycznymi
dla lasów amerykańskich są skunksy, szopy,
a także pumy, grzechotniki i aligatory oraz
bielik amerykański - uwieczniony w godle
Stanów Zjednoczonych.
Obszary pierwotnie zajmowane przez lasy liściaste są obecnie najgęściej
zaludnione i dlatego uległy silnym przekształceniom spowodowanym działalnością człowieka.
Wiecznie zielone lasy i zarośla twardolistne rozwijają się na obszarach, gdzie zimy są chłodne i dżdżyste, zaś lata gorące i suche. Występują więc na wybrzeżach Morza Śródziemnego, w południowo-zachodniej
Kalifornii, Arizonie i północnej części Meksyku. Na półkuli południowej
biomy te tworzą wąski pas w zachodniej części Ameryki Południowej,
zajmują najbardziej na południe wysuniętą część Afryki oraz południowo-zachodnie wybrzeża Australii. Z powodu takiego rozczłonkowania
zbiorowiska te są bardzo zróżnicowane pod względem składu gatunkowego. Zawsze jednak dominują w nich drzewiaste i krzewiaste rośliny zimozielone, o twardych skórzastych liściach. W rejonie Morza Śródziemnego będą to dęby korkowe, pistacje, jałowce, wrzośce, bukszpany
i mirty tworzące kolczaste zarośla zwane makią (ryc. 112). Rośliny te zastąpiły pierwotne lasy, w których rosły cedry, liczne g a t u n k i d ę b ó w , wawrzyny,
oliwki i cyprysy. Zostały one wyniszczone
wskutek działalności człowieka (pozyskiwanie drewna i wypas zwierząt^' W zależności od regionu, zwierzęta żyjące w tych
biomach są bardzo zróżnicowane gatunkowo. W Europie, północnej Afryce i Azji
charakterystyczne są muflony, daniele,
króliki, jeżozwierze, małpy magoty, czaple, a z drapieżników - żenety, szakale,
ścierwniki, sępy i dawniej lamparty,
Stepy (ryc. 113) są formacją trawiastą występującą w klimacie umiarkowanym na żyznych glebach. W Europie zajmują niewielki obszar. Bardzo rozległe są natomiast w Azji, w Ameryce Północnej, gdzie tworzą
prerię oraz w Ameryce Południowej, gdzie nazywane są pampą. Z powodu żyzności gleb większość stepów została obecnie przekształcona w pola uprawne i pastwiska, przez co zatraciły one swój pierwotny charakter.
Wiele pierwotnych stepów zachowało się jednak w Azji, gdzie do dziś ży-
128
ją duże ssaki roślinożerne, takie jak konie
Przewalskiego, dzikie osiy, suhaki i baktriany (wielbłądy dwugarbne). W Ameryce
Północnej ich ekologicznymi odpowiednikami są bizony i widłorogi, w Ameryce Południowej natomiast gwanako, jelenie
pampasowe i nielotne ptaki nandu. Spoś r ó d większych d r a p i e ż n i k ó w w Azji
i Ameryce Północnej na stepach występuje
wilk, zaś w Ameryce Południowej - wilk
grzywiasty.
R c 113 ste
Półpustynie i pustynie (ryc. 114) to biomy
y - P
bardzo ubogie. Występujące tu rośliny mają
bardzo krótki okres wegetacji, a suszę potrafią przetrwać w postaci nasion.
Jeśli spadnie deszcz, gwałtownie się rozwijają i kwitną, czasami w ciągu kilkudziesięciu godzin. Z trwałych form należy wymienić suchorośla (kseromorfy) i gromadzące wodę w tkankach sukulenty (np. agawa, aloes, wilczomlecze, kaktusy). Trudne warunki pustynne
i półpustynne wytrzymuje niewiele zwierząt.
W Ameryce Północnej żyją w tych biomach
grzechotniki, czasami zapuszczają się pekari,
kojoty i rzadko pumy. W Azji, zwłaszcza na
Półwyspie Arabskim, spotykane są gazele,
myszoskoczki, sępy, kanie czarne. Dla pustyń
położonych w głębi kontynentu charakterystyczne jest występowanie baktrianów. Ich
odpowiednikami w Afryce są dromadery
(wielbłądy jednogarbne). Tu występuje też
najmniejszy lis - f e n e k .
' '
Ryc. 114. P u s t y n i a
Sawanny (ryc. 115) występują w klimacie podrównikowym Afryki, Ameryki Południowej, Australii i Azji (na Półwyspie Indyjskim). Często w sposób ciągły, bez wyraźnej granicy sawanny przechodzą w suche lasy tropikalne, zawierające prócz różnorodnych traw także drzewa - akacje
i baobaby w Afryce, palmy w Ameryce, eukaliptusy w Australii. Bardzo charakterystyczne są tu duże zwierzęta trawożerne.
W Afryce i Azji są to słonie (odpowiednio
afrykański i indyjski), bawoły, nosorożce,
antylopy oraz różne gatunki małp. Ponadto
w Afryce występują żyrafy, w Azji zaś jelenie. Spośród drapieżników w obu regionach
występują gepardy, lwy (w Azji prawie już
wytępione), lamparty i hieny. W Azji również tygrysy i niedźwiedzie. Charakterystycz.
.
. . . .
.
nymi elementami krajobrazu sawanny są ol-
charakterystyka
pólpustyń
i pustyń
charakterystyka
sawanny
i suchych lasów
tropikalnych
Ryc. 1 1 5 . S a w a n n a
129
; charakterystyka
! wilgotnych lasów
równikowych
brzymie nieraz kopce termitów. Nieco odmienna jest fauna sawanny amerykańskiej i australijskiej. W Ameryce żyją w nich liczne jelenie, pekari,
pancerniki i mrówkojady. Dla Australii charakteiystyczne są duże gatunki
kangurów i nieloty emu, a także liczne zdziczałe zwierzęta sprowadzone tu
przez człowieka - konie, kozy, świnie, psy dingo, lisy i koty domowe.
Wilgotne lasy równikowe, zwane też puszczą tropikalną, związane są
z klimatem równikowym. Występują w dorzeczu Amazonki, w środkowej Afryce, na Madagaskarze, Półwyspie Indochińskim, Archipelagu
Malajskim, północnych wybrzeżach Australii i na Filipinach. Są to najbardziej rozwinięte ekosystemy lądowe, najbogatsze pod względem różnorodności gatunkowej, wykazujące największą produktywność. Podstawowymi roślinami są tu wysokie drzewa, których korony silnie ocieniają
dolne warstwy lasu. Na nich występują liczne pnącza (liany) i epifity*.
Świat zwierzęcy tych biomów jest bardzo bogaty. Tworzą go między innymi: w Ameryce Południowej - tapiry, kapibary (największe gryzonie),
nutrie, jaguary, liczne gatunki małp szerokonosych, leniwce, mrówkojady i kolibry; w Afryce - okapi, bawoły, słonie, świnie leśne, goryle, szympansy, lamparty, dzioborożce; w Azji - tapiry, nosorożce, dzikie bydło
(banteng), tygrysy, niedźwiedzie malajskie, lamparty, gibbony, orangutany; w Australii - kazuary, papugi, ptaki rajskie, kangury drzewiaki,
workowate wiewiórki latające (lotopałanki) i wiele innych.
LEGENDA
H
-|asv
HUB - roślinność
twardolistna
|
| - sawanny
i stepy
|
| - pustynie
i pólpustynie
I - tundra
I - inna
roślinność
skala 1:270 000 000
Ryc. 1 1 6 . M a p a r o z m i e s z c z e n i a p o d s t a w o w y c h b i o m ó w na k u l i z i e m s k i e j
charakterystyka
zbiorowisk
wysokogórskich
Biomy wysokogórskie (ryc. 116) charakteryzują się odrębną roślinnością o układzie piętrowym (często zbliżoną do zbiorowisk tundrowych)
oraz charakterystycznymi zespołami zwierząt - występują w nich kozio*Epifitami (lub poroślami) nazywamy rośliny żyjące na innych roślinach, lecz niebędące pasożytami. Epifit wykorzystuje inną roślinę, najczęściej drzewo, wyłącznie jako podłoże
i miejsce przyczepu. W naszym klimacie epifitami są głównie mszaki i porosty. Spośród roślin tropikalnych do epifitów należą między innymi liczne gatunki storczyków i paproci.
130
rożce, kozice, świstaki (w Europie), kozły śnieżne, owce kanadyjskie
(w Ameryce Północnej), niedźwiedzie himalajskie, irbisy (w Azji), góralki, dżelady (w Afryce), kangury skalne (w Australii).
10.6. Obieg pierwiastków i związków chemicznych
w biosferze
Wszystkie biomy i krajobrazy ekologiczne Ziemi tworzą jej żywą
otoczkę - biosferę. Łączność pomiędzy poszczególnymi ekosystemami
zapewnia obieg niektórych związków i pierwiastków chemicznych odbywający się w obrębie całej biosfery. Obiegi takie nazywają się cyklami
biogeochemicznymi.
Powszechnie znany (poznałeś go już w szkole podstawowej) jest obieg
wody, zwany cyklem hydrologicznym (ryc. 117), będący częścią cyklu
biogeochemicznego tlenu.
para wodna
w powietrzu
przemieszczanie
para wodna
w powietrzu
parowanie,
u roślin transpiracja
opady
parowanie
opady
parowanie
wód
i gruntu
wody gruntowe
i powierzchniowe
wody oceanu
1
obieg
wody
przesiąkanie
odpływ podziemny
Ryc. 1 1 7 . S c h e m a t c y k l u h y d r o l o g i c z n e g o
Niezmiernie ważny dla życia wszystkich organizmów jest obieg węgla.
Jak wiadomo, węgiel jest podstawą wszelkich związków organicznych. Największe ilości tego
pierwiastka są wprawdzie zmagazynowane w skałach węglanowych
i jako pokłady węgla kamiennego,
jednak tylko w niewielkim stopniu
biorą one udział w cyklu.
Głównym zbiornikiem (rezerw u a r e m ) węgla uczestniczącego
w obiegu jest atmosfera, w której
pierwiastek ten występuje w postaci C O , (ryc. 118). Jednakże nawet
w atmosferze udział C O , jest zni-
• C 0 2 w powietrzu
i w wodach
powierzchniowych
Z! 1
C1
CD i
E'
03 1
fotosynteza
(chemosynteza)
O ,
O1
D-,
—
l® i
N
PRODUCENCI
3?
'c«
JZ
o>*
T3
1!
®
CL
WI
KONSUMENCI
torf, węgiel
ropa naftowa
yc
«
O
wapienne
skaty osadowe
lOi |.
R
"U
1 1 8 S c h e m a t obie
-
9u
w
'U
O
?9 l a
131
komy - wynosi około 0,03% i gdyby nie przemiany metaboliczne organizmów (giównie oddychanie), w krótkim czasie mogłoby go zabraknąć.
W ostatnich latach sytuacja ta uległa zmianie. Emisja spalin przemysłowych i wytwarzanych przez pojazdy zwiększyła stężenie węgla w atmosferze. Dla roślin jest to korzystne. Przypuszcza się jednak, że nadmiar C O ,
może być jedną z przyczyn tak zwanego efektu cieplarnianego.
Fotosynteza prowadzi do asymilacji węgla nieorganicznego.
Proces ten zachodzi w chloroplastach fotoautotrofów (roślin i części
protistów).jNa fotosyntezę składają się reakcje zależne od_światła (faza
jasna) oraz niezależne od światła (faza ciemna) (ryc. 119). W fazie jasnej
uczestniczą błony wewnętrzne chloroplastu, tworzące stosy niewielkich
spłaszczonych pęcherzyków - grana. W błonach tworzących grana wbudowane są barwniki fotosyntetyczne (przede wszystkim chlorofile) oraz
przenośniki elektronów i jonów H + . Pod wpływem światła elektrony wybite z pobudzonych chlorofili wędrują w przenośnikach, umożliwiając
syntezę ATP. Przenoszone są też jony wodorowe pochodzące z wody. Jony wodorowe wykorzystywane są do zredukowania przenośnika wodoru.
Faza ciemna zachodzi w stromie - macierzy wypełniającej wnętrze chloroplastu. Znajduje sie tam enzym (rubisco), który potrafi przyłączać dwutlenek węgla do związku
organicznego. Powstający
CHLOROPLAST
związek p r z e k s z t a ł c a n y
ŚWIATŁO
—
ATP
jest dalej w glukozę (niezredukowany
zbędnego wodoru dostar•*• p r z e n o ś n i k
wodoru
cza zredukowany przeno2
faza
śnik z fazy jasnej), a część
jasna
służy d o o d t w a r z a n i a
utleniony
H20
H20
przenośnik
związku organicznego
wodoru
przyłączającego
C02.
A T P + (Pi
Energia do reakcji fazy
inne asymilaty
ciemnej pochodzi z ATP
symtetyzowanego w fazie
Ryc. 1 1 9 . Przebieg f o t o s y n t e z y w chloroplaście
jasnej.
cykl
biogeochemiczny
azotu
132
Rezerwuarem azotu jest również atmosfera.
W przeciwieństwie do węgla w atmosferze jest znacznie więcej azotu
(ok. 78% objętości), za to jest znacznie trudniej dostępny. Ż a d n e rośliny, żadne zwierzęta ani grzyby nie potrafią przyswajać tego pierwiastka
w postaci cząsteczkowej (N,). Tę umiejętność posiadły tylko niektóre
bakterii, na przykład glebowe tlenowce Azotobacter i beztlenowce Clostridium, a ponadto symbiotyczne bakterie z rodzaju Rhizobium żyjące
w brodawkach korzeniowych roślin motylkowych. Dopiero azot w postaci soli kwasu azotowego(V) (azotanów) jest dostępny roślinom, a przez
rośliny - zwierzętom (ryc. 120).
Azot przedostaje się z powroazot cząsteczkowy
tem do gleby w postaci amoniaku
w powietrzu
zawartego w wydalinach lub powiązanie
w s t a j ą c e g o w procesie r o z k ł a d u
Ic
i <
D
szczątków organicznych. Tu zostaN
bakterie azotowe
I' gO
je on albo na powrót przekształcol CD
, C
ny w azotany (proces nitryfikacji),
pobieranie
Pobieranie
albo po procesie denitryfikacji
t
wraca jako azot cząsteczkowy (N.,)
sole kwasu
sole kwasu
PRODUCENCI
azotowego(lll)
azotawego(V)
do atmosfery. Ingerencja człowie(azotyny)
(azotany)
ka w ten cykl polega na zwiększaw glebie
w glebie
niu ilości a z o t a n ó w g l e b o w y c h
KONSUMENCI
A
przez nawożenie.
odkładanie
Obieg fosforu, pierwiastka nieskafy
z b ę d n e g o w kwasach n u k l e i n o wydalanie
nawożenie
osadowe
wych i przenośnikach energii, ma
rozktad
trochę inny charakter niż cykle węwulkanizm
gla i azotu. W tym wypadku rezerwuarem pierwiastka są skały osaamoniak
mocznik
dowe, które wietrzejąc, uwalniają
kwas moczowy
fosfor do roztworów glebowych.
Ryc. 1 2 0 . S c h e m a t o b i e g u a z o t u
Stąd czerpią go rośliny i przekazują dalej. Podobnie jak w cyklu azotu, ingerencja człowieka wyraża się
w zwiększeniu ilości fosforanów glebowych przez nawożenie (ryc. 121).
Występowanie cykli biogeochemicznych wskazuje, że wszystkie środowiska Ziemi są ze sobą powiązane. Cykle te pokazują też rolę organizmów w obiegach, ich wpływ na skład litosfery, hydrosfery, a przede
wszystkim atmosfery. Skład ten, będący wynikiem działalności organizmów (np. cały tlen atmosferyczny jest produktem fotosyntezy), jest wyraźnie różny od składu atmosfer pozostałych planet. Ten fakt stał się
podstawą do sformułowania na początku lat siePRODUCENCI
demdziesiątych ubiegłego wieku tak zwanej hipotezy Gai. Zakłada ona, że całą Ziemię można
traktować jako jeden żywy system ekologiczny,
KONSUMENCI
pod względem właściwości zbliżony do olbrzywydalanie
pobieranie
miego superorganizmu. Według tej hipotezy, to
i rozkład
właśnie życie ma największy wpływ na skład cherozpuszczalne
miczny atmosfery, hydrosfery i litosfery, jak też
fosforany
glebowe
na zachodzące w nich procesy. Jednocześnie
odkładanie
A
utrzymuje globalną równowagę ( h o m e o s t a z ę )
wietrzenie nawożenie odkładanie
przez złożony system sprzężeń zwrotnych. Jest to
h i p o t e z a k o n t r o w e r s y j n a i nie wszystkie j e j
skaty
aspekty zostały uznane przez oficjalną naukę.
osadowe
Stała się jednak doskonałą pożywką dla różnego
rodzaju ruchów filozoficznych, teologicznych, Ryc. 1 2 1 . S c h e m a t o b i e g u f o s f o r u
1
t
a nawet parapsychologicznych. Powołują się na nią tak zwani ufolodzy, różdżkarze, okultyści, astrolodzy, ekozofowie, spirytyści, kabaliści i inni próbujący utożsamić biosferę
z mityczną Gają - Matką Ziemią. Ta filozoficzna i pseudofilozoficzna otoczka przyniosła
samej teorii więcej szkód niż pożytków i zepchnęła na margines rzetelne badania ekologiczne nad biosferą i jednocześnie nad samą hipotezą.
Podsumowanie
1. Spośród najważniejszych czynników współcześnie wpływających na różnorodność biologiczną bardzo duże znaczenie mają zależności między osobnikami i ich środowiskiem
życia. Zagadnieniami tymi zajmuje się ekologia.
2. Podstawową jednostką ekologiczną, obejmującą grupę osobników należących do jednego gatunku, jest populacja. Każda populacja ma charakterystyczne cechy, odróżniające ją od innych, takie jak stosunki ilościowe, strukturę przestrzenną, proporcje wiekowe i płciowe. Analizując cechy populacji, można wnioskować o jej stanie i przyszłych
losach.
3. Powiązane wzajemnymi zależnościami populacje tworzą struktury wyższego rzędu
- biocenozy, te z kolei wraz z nieożywionym środowiskiem, w którym żyją (biotopem),
stanowią podstawową jednostkę funkcjonalną żywej przyrody - ekosystem. W ekosystemie materia krąży, energia zaś przez niego przepływa. Ekosystemy ulegają przekształceniom (sukcesji), aż do osiągnięcia stanu pełnej równowagi - klimaksu.
4. Formacje roślinne wraz z zamieszkującymi je heterotrofami tworzą biomy.
5. Niektóre pierwiastki i związki chemiczne krążą w obrębie właściwie całej biosfery. Są to
tak zwane cykle biogeochemiczne.
Ćwiczenia
1. Wypisz możliwie jak najwięcej określeń kojarzących ci się z ekologią. Zastanów się,
które z nich rzeczywiście są przedmiotem badań ekologów.
2. Przygotuj się do dyskusji na temat przyczyn nadużywania określenia „ekologiczny"
w odniesieniu do różnych przedmiotów lub działań. Jeśli to możliwe, przeprowadź na
ten temat dyskusję w klasie lub w gronie kolegów.
3. Przejrzyj prasę codzienną z ostatnich 2-3 tygodni i znajdź artykuły poświęcone problemom ekologii. Sformułuj i zapisz główne problemy ekologiczne opisane w prasie.
4. Przeprowadzono następujące doświadczenie:
Do przezroczystej kultury bakterii wprowadzono pantofelka (Paramecium caudatum)
żywiącego się bakteriami. Po trzech dniach do tego naczynia dodano pewną ilość drapieżnego orzęska (Didinium nasutum). Do tej sztucznej hodowli nie wprowadzano innych organizmów.
a) Spróbuj przewidzieć, jak będzie się zmieniać liczebność bakterii, pantofelka i drapieżnego orzęska.
b) Narysuj przewidywany wykres zmiany liczebności w czasie dla obu gatunków pierwotniaków. Opisz osie wykresu, a narysowane krzywe oznacz symbolami.
Przypuśćmy, że doświadczenie zmodyfikowano. Pantofelki i drapieżne orzęski dodawano do pożywki bakteryjnej w regularnych odstępach czasu i w niewielkiej ilości.
134
c) Określ, jak ta modyfikacja wpłynie na przebieg krzywej liczebności hodowanych organizmów. Wyjaśnij zaobserwowane zjawisko.
d) Spróbuj przewidzieć, czy kształt krzywych liczebności obu pierwotniaków będzie podobny, jeśli będziemy je badać w naturalnym dla nich zbiorniku wodnym, bogatym
w gatunki. Uzasadnij odpowiedź w kilku zdaniach.
5. Posługując się encyklopedią, leksykonem biologicznym, słownikiem lub inną dostępną
literaturą, scharakteryzuj następujące typy lasów: grąd, łęg, ols. Zwróć uwagę, jakie rośliny dominują w tych zbiorowiskach. Wypisz najbardziej charakterystyczne gatunki
oraz warunki środowiska dla każdego typu lasu.
6. Znajdź w prasie codziennej lub popularnonaukowej informacje dotyczące efektu cieplarnianego. Jakie są przewidywania naukowców na najbliższą przyszłość?
Polecenia kontrolne
1. Wyjaśnij znaczenie terminów:
a) populacja,
b) biocenoza,
c) ekosystem,
d) biom,
e) biosfera.
2. Zdefiniuj pojęcie niszy ekologicznej. Wyjaśnij związek miedzy niszą ekologiczną a konkurencją.
3. Wyjaśnij, dlaczego na polach uprawnych często zdarzają się masowe pojawy szkodników uprawianych roślin, a w naturalnych ekosystemach zjawisko takie nie występuje.
4. Omów, na czym polegają: a) drapieżnictwo, b) pasożytnictwo, c) konkurencja.
Odpowiedź poprzyj dwoma przykładami każdego wymienionego typu interakcji między populacjami.
5. Omów, na czym polega symbioza i komensalizm. Wskaż różnice i podobieństwa między
tymi typami interakcji.
6. Przeczytaj tekst i odpowiedz na pytania:
Krzywa liczebności pałeczki okrężnicy w zamkniętym środowisku lub na pożywce
sztucznej najpierw wznosi się łagodnie, potem obserwujemy wzrost wykładniczy, przez
pewien czas liczebność się nie zmienia, wreszcie gwałtownie spada.
a) Narysuj przebieg krzywej liczebności opisany w tekście.
b) Ustosunkuj się do poniższych stwierdzeń. Oceń, które z nich są prawidłowym wyjaśnieniem kształtu krzywej lub jej fragmentu. W przypadku stwierdzeń fałszywych
wyjaśnij, na czym polega błąd w rozumowaniu.
- Wykładniczy wzrost spowodowany jest wzmożonym metabolizmem bakterii.
- Gwałtowny spadek liczebności wynika z wyczerpania się pożywienia i zatrucia środowiska produktami metabolizmu.
- Gwałtowny wzrost liczebności spowodował przegęszczenie, które stało się przyczyną konkurencji międzygatunkowej i gwałtownego spadku liczebności.
- Powolny wzrost w pierwszej fazie wynika z trudności w dokładnym przeliczeniu
komórek bakterii na pożywce.
- Liczebność nie zmienia się przez pewien czas, gdyż populacja pałeczek okrężnicy
osiągnęła stan równowagi (ginie tyle samo komórek, ile powstaje nowych).
135
- Wykładniczy wzrost spowodowany jest intensywnym podziałem komórek w dogodnym środowisku przy braku konkurencji.
7. Korzystając z informacji zawartych w tabeli, wykonaj polecenia zamieszczone poniżej.
Reakcja populacji B na obecność populacji
Warunki
Reakcja populacji A
na obecność
populacji B
A
+
0
+
1
2
3
drapieżnictwo
0
4
5
neutralizm
6
amensalizm
-
7
8
amensalizm
9
-
Tabela przedstawia klasyfikację stosunków międzygatunkowych:
„ + " oznacza, że populacja odnosi korzyść ze współżycia (reakcja pozytywna),
„ - " oznacza, że populacja ponosi straty w wyniku współżycia (reakcja negatywna),
„0" oznacza, że populacja ani nie traci, ani nie zyskuje.
Przykład: Okienko 5. Neutralizm: Reakcja populacji B na obecność populacji
A - O , reakcja populacji A na obecność populacji B - również 0.
a) Ułóż własną definicję charakteryzującą stosunki między populacjami A i B, odpowiadające okienkom nr 6 i 8 w tabeli.
b) Podaj nazwę interakcji, która powinna być wpisana do tabeli oprócz „drapieżnictwa" w okienku nr 3.
c) W pozostałe okienka tabeli wpisz nazwy interakcji.
d) Oto przykład stosunków między populacjami:
Żeremia bobrów zmieniają warunki wodne w lesie. Zbyt duża wilgotność jest niekorzystna dla populacji pewnych roślin.
Przyporządkuj opisany przykład interakcji numerowi okienka w tabeli i podaj ten
numer. Przyporządkuj populacjom bobrów i roślin odpowiednie symbole użyte w tabeli - (A i B).
e) Podaj własny przykład stosunków między populacjami A i B, pasujący do okienka
nr 2. Przyporządkuj populacjom z twojego przykładu odpowiednie symbole użyte
w tabeli - (A i B).
8. Opisz rolę w ekosystemie organizmów należących do: a) producentów, b) konsumentów, c) reducentów.
Podaj po dwa przykłady organizmów należących do poszczególnych poziomów troficznych.
9. Wyjaśnij różnicę pomiędzy łańcuchem troficznym a siecią troficzną. Odpowiedź poprzyj odpowiednim przykładem łańcucha i sieci troficznej.
10. Odczytaj z wykresu (ryc. 108, s. 126) produktywność pola uprawnego. Porównaj ją
z produktywnością lasu liściastego i otwartego oceanu. Sformułuj i zapisz wniosek.
Wytłumacz zaobserwowane różnice w produktywności porównywanych ekosystemów.
11. Wyjaśnij, na czym polega zjawisko sukcesji ekologicznej. Podaj po jednym przykładzie
sukcesji pierwotnej i wtórnej.
136
12. Schemat przedstawia zależności występujące w ekosystemie.
Uzupełnij ten schemat, wpisując w miejsca liter a - d odpowiednie określenia. Ponadto:
a) oceń rolę destruentów w krążeniu materii w ekosystemie;
b) na podstawie schematu opisz krążenie węgla, azotu i wody w ekosystemie;
c) wykorzystaj informacje na schemacie i wyjaśnij, na czym polega równowaga ekologiczna ekosystemu;
d) spróbuj przewidzieć losy tego ekosystemu w sytuacji drastycznego zmniejszenia się
składu gatunkowego i liczby producentów.
13. Uzasadnij tezę, że większa różnorodność biologiczna sprzyja zachowaniu równowagi ekologicznej ekosystemu.
14. Wymień podstawowe biomy na kuli ziemskiej i wskaż na mapie ich rozmieszczenie.
Podaj po dwa przykłady typowych dla biomu roślin (grup roślin) i charakterystycznych
zwierząt.
15. Wykorzystując wiadomości zdobyte na lekcjach geografii, krótko scharakteryzuj klimat występujący na obszarze zajmowanym przez wymienione w podręczniku biomy.
Znajdź zależność między klimatem a roślinnością biomów oraz między roślinnością
a występującymi tam zwierzętami.
16. Przyporządkuj wymienionym nazwom zwierząt nazwę biomu:
a) zwierzęta: sobol, suhak, fenek, gepard, gibbon, renifer, szop, rosomak, lampart, żyrafa, myszoskoczek,
b) biomy: pustynia, tundra, puszcza tropikalna (wilgotne lasy równikowe), sawanna,
lasy liściaste i mieszane klimatu umiarkowanego, tajga, step.
17. Opisz swoimi słowami obiegi przedstawione na schematach w podręczniku: a) wody,
b) węgla, c) azotu, d) fosforu.
18. Spróbuj samodzielnie narysować i opisać schemat obiegu siarki w przyrodzie.
19. Wymień przykłady organizmów, które biorą udział w obiegu azotu i wyjaśnij ich udział
w tym procesie.

1 0 . Ekologia - nauka o strukturze

Transkrypt

Podobne dokumenty

Dawna mapa źródłem wiedzy o świecie "Geographia historiae

Bond-1™ SF