Ekosystem-struktura i funkcje

Ekosystem-struktura i funkcje
BLOKI TEMATYCZNE
1. Ekosystem i jego jednostki
2. Energia i biomasa w ekosystemach
3. Cykle biogeochemiczne
4. Zależności międzypopulacyjne, ze szczególnym
uwzględnieniem
pasożytnictwa
5. Ekosystem leśny
Słowa kluczowe
1. ekosystem – definicje, hierarchiczne poziomy w
ekosystemach, typy ekosystemów
2. produkcja pierwotna i wtórna; przepływ energii;
rola człowieka w ekosystemie
3. obieg materii; metabolizm biocenozy;
konsekwencje zakłóceń cykli biogeochemicznych
4. rodzaje wewnątrz- i międzygatunkowych związków;
pasożytnictwo przykład interakcji ujemnej
5. charakterystyka ekosystemu leśnego;
fito- i zoocenoza leśna, dynamika lasu,
rodzaje ekosystemów leśnych, znaczenie lasu,
źródła zagrożeń
Ekosystem-definicje
EKOSYSTEM – nazwa wprowadzona przez angielskiego
ekologa A.G.Tansley’a w 1935 r. Ekosystem – jako
jednostka
ekologiczna
obejmuje
organizmy
(biocenozę) i cały zespół czynników abiotycznych
(biotop). Ekosystemem jest więc każdy obszar naturalny
zawierający
drobnoustroje,
rośliny
i
zwierzęta
zamieszkujące
dane
środowisko
i
substancje
nieożywione (abiotyczne) współdziałające w wymianie
materii między ożywioną i nieożywioną częścią
systemu.
BIOM – jest zbiorem ekosystemów o podobnych
właściwościach. Biom to obszar o względnie
jednorodnych warunkach klimatycznych, glebowych i
roślinnych.
Główne typy biomów
wiecznie zielone lasy równikowe,
●lasy podzwrotnikowe zrzucające liście w porze suchej,
●
●
sawanny,
●
półpustynie i pustynie gorące,
●
półpustynie i pustynie chłodne,
●
lasy i zarośla twardolistne,
●
wiecznie zielone lasy klimatu umiarkowanego,
●
lasy liściaste zrzucające liście na zimę,
●
stepy,
●
borealne lasy iglaste,
●
tundra,
●
roślinność wysokogórska.
Hierarchiczne poziomy w ekosystemach
W obrębie ekosystemu istnieją określone powiązania
pokarmowe między żywymi organizmami (biocenozą) a
nieożywioną częścią środowiska (biotopem). Gatunki
składające się na kolejne, odmiennie odżywiające się
ogniwa takiego łańcucha pokarmowego tworzą poziomy
troficzne.
Poziomy troficzne
●
●
●
Producenci (autotrofy)
Konsumenci (heterotrofy)
Reducenci (destruenci)
Trzy grupy organizmów, które stanowią kolejne ogniwa
(czyli poziomy troficzne) łańcucha pokarmowego
- organizmy samożywne (autotrofy)
wytwarzają w procesie fotosyntezy materię organiczną z
dwutlenku węgla i wody, przy dopływie energii
świetlnej.
6 CO2+ 6 H2O + energia świetlna → C6H12O6 + O2↑
W ekosystemach lądowych producentami są głównie
rośliny zielone, a w wodnych glony i sinice.
W środowisku pozbawionym światła zachodzi proces
chemosyntezy, w którym wykorzystywana jest energia
chemiczna. Ważną rolę odgrywają tu tzw. bakterie
chemosyntetyzujące (siarkowe, azotowe, i żelazowe).
Producenci
dostarczają
energii
wszystkim pozostałym organizmom. Ich produkcja jest
podstawą życia na Ziemi.
Producenci
czyli
organizmy
cudzożywne
(heterotrofy) żyją kosztem wyprodukowanej materii
organicznej pochodzenia roślinnego (konsumenci I
rzędu, czyli roślinożercy) lub zwierzęcego (konsumenci
II, III, ... rzędu, czyli mięsożercy ).
Konsumenci,
Reducenci (destruenci) to organizmy odżywiające się
martwymi szczątkami organizmów. Zaliczamy do nich
heterotroficzne bakterie i grzyby, które mineralizują
substancję organiczną do prostych substancji
nieorganicznych
(dwutlenek
węgla,
woda)
przyswajalnych przez rośliny.
Typy ekosystemów
I. Ekosystemy wodne:
a) morza i oceany – 98% powierzchni wód
b) wody śródlądowe – 0,40%
● stojące ( jeziora, stawy, bagna)
● płynące, czyli cieki (źródła, strumienie i rzeki)
c) lądolody i lodowce – 1,6 %
Najstarsze i najbardziej pierwotne ekosystemy znajdują się w
oceanach. Są one jednocześnie największe i najbardziej
stabilne.
Organizmy wodne, które stanowią podstawę
klasyfikacji ekologicznej
Bentos - to organizmy roślinne lub zwierzęce osiadłe na dnie
zbiornika (w mule dennym żyją okrzemki, wiciowce, liczne
bakterie)
Perifiton – organizmy osiadłe na przedmiotach nad dnem lub
na liściach i łodygach makrofitow.
Plankton - organizmy unoszące się biernie w toni wodnej
(bruzdnice, złotowiciowce i okrzemki oraz pierwotniaki).
Nektonem są zwierzęta czynnie przemieszczające się w
wodzie (duże skorupiaki i owady, liczne gatunki ryb, żółwie oraz
ssaki, foki i wieloryby, a także niektóre ptaki wodne).
Neuston stanowią organizmy żyjące bezpośrednio na
powierzchni wody lub bezpośrednio pod nią.
Czynniki fizyczne, które określają strukturę
biocenotyczną w ekosystemach wodnych:
pływy (związane z oddziaływaniem Księżyca i Słońca),
●
falowanie i prądy,
●
●
temperatura,
zasolenie,
●
światło,
●
ciśnienie.
●
Jeziora - naturalne zagłębienia terenu wypełnione wodą
całkowicie lub częściowo, stale lub okresowo.
Zawartość tlenu w jeziorach ma układ gradientowy, a
zawartość soli mineralnych uzależniona jest od intensywności
parowania.
W zależności od ilości substancji odżywczych wyróżnia się
jeziora:
●oligotroficzne, czyli skąpożywne (występuje tutaj duża
rożnorodnośc organizmów przy małej liczbie osobników; woda
przeźroczysta o wysokim stopniu natlenienia),
●dystroficzne (ubogie w biogeny o wodzie żółtobrunatnej od
kwasów humusowych)
●eutroficzne, czyli przeżyźnione (bardzo
rozwój glonów w warstwie powierzchniowej)
intensywny
II. Ekosystemy lądowe
Stanowią duże jednostki ekologiczno-biogeograficzne, czyli
BIOMY.
W obrębie każdego biomu można wyróżnić podstawowe typy
ekosystemów,
które
w
wyniku
sukcesji
ekologicznej
przystosowały się do panujących warunków glebowych,
wodnych, a przede wszystkim klimatycznych. Kryterium
określającym
typ
ekosystemu
specyficzne gatunki zwierząt.
jest
szata
roślinna
oraz
ENERGIA I BIOMASA W EKOSYSTEMACH
Ekosystem jako układ otwraty funkcjonuje
przepływowi energii i krążeniu materii.
dzięki
Energia przepływa przez ekosystem jednokierunkowym
strumieniem (związana jest przez rośliny, które
wykorzystują
od1 do 5 % energii słonecznej). Część energii zostaje
zużyta
do procesów metabolicznych, a część utracona w postaci
ciepła.
Materia krąży w obiegu zamkniętym, dzięki istnieniu
poziomów
troficznych
(producenci,
konsumenci,
reducenci).
Każdy poziom troficzny może wykorzystać tylko tę
materię,
która jest wbudowana w ciało organizmów poprzedniego
poziomu troficznego.
Przechodzenie energii z jednego poziomu troficznego na
drugi zawsze łączy się z jej stratami (oddychanie,
Produktywność biocenozy – intensywność produkowania
materii i gromadzenia energii
Produkcja pierwotna brutto to ilość materii wytworzonej
przez
producentów
w
wyniku
fotosyntezy
(ew.
chemosyntezy).
Produkcja pierwotna netto to produkcja pierwotna brutto
pomniejszona o ilość energii zużytej przez producentów w
ich procesach życiowych. Jest to zatem ilość energii
dostępna dla następnego poziomu troficznego. Produkcja
pierwotna jest największa w wilgotnym lesie tropikalnym i
stopniowo zmniejsza się w stronę biegunów.
Produkcja wtórna to magazynowanie energii w tkankach
heterotrofów.
Rola człowieka w ekosystemie
Człowiek w strukturze troficznej biosfery określany jest
mianem wszystkożercy.
Rola człowieka w ekosystemie wiąże się bezpośrednio z
jego wpływem na procesy metaboliczne ekosystemu
(przepływ energii i przemiana materii).
Ekosystemy
wyposażone są w różnorodne mechanizmy homeostazy,
zwane w terminologii cybernetycznej, pętlami sprzężeń
zwrotnych, które pozwalają utrzymać system w stabilnych
warunkach.
Zdaniem
ekologów,
działalność
człowieka
znosi
mechanizmy homeostazy i wywołuje niestabilność
ekosystemów, czasami prowadzącą do zupełnego
zniszczenia.
CYKLE BIOGEOCHEMICZNE
Cykle biogeochemiczne (obieg pierwiastków) to drogi,
którymi przemieszczają się pierwiastki chemiczne pomiędzy
środowiskiem nieożywionym a żywymi organizmami.
Organizmy potrzebują ok. 30-40 spośród
ponad 100
występujących w przyrodzie pierwiastków.
Rodzaje cykli biogeochemicznych:
● typu gazowego (C, N, O) – głównym zbiornikiem jest
atmosfera i hydrosfera
● typu sedymentacyjnego (P, Fe, S) – głównym zbiornikiem
jest litosfera
Procesy jakie zachodzą w czasie obiegu
pierwiastków w przyrodzie
● humifikacja (martwa materia organiczna → humus →
huminy → humiany → związki mineralne, czyli CO2, H2O,
MexOy);
● mineralizacja (przemiana form organicznych pierwiastka w
formy mineralne);
● immobilizacja
(unieruchamianie, czyli przekształcanie
nieorganicznej formy pierwiastka w złożone połączenia
organiczne, wbudowanie pierwiastka w składniki komórkowe);
● przemiany red-ox, czyli utlenianie-redukcja (przemiany
energetyczne komórki);
● wiązanie form gazowych pierwiastków biogennych
(węgla, azotu);
● tworzenie się osadów (złoża siarki, siarczków, ropy
naftowej, węgla)
Obieg węgla
Węgiel jest bardzo ważnym pierwiastkiem biogennym,
który stanowi około 50% suchej masy materii organicznej. W
skorupie ziemskiej tworzy pokłady węglowe, roponośne,
węglany wapnia (CaCO3), oraz węglany wapnia i magnezu
(MgCO3) czyli dolomity. W oceanach występuje w formie
rozpuszczonego dwutlenku węgla (CO2) - jonów węglanowych
(CO32-) i wodorowęglanowych (HCO3-). W atmosferze węgiel
występuje jako dwutlenek węgla, który jest niezbędny w
procesie fotosyntezy.
Obieg węgla w ekosystemie możliwy jest dzięki
równowadze między fotosyntezą i oddychaniem.
Obieg węgla
Obieg azotu
Azot atmosferyczny jest praktycznie nieprzyswajalny przez
organizmy, mimo że jego zawartość w powietrzu stanowi aż
78%.
Zdolność do wiązania wolnego azotu z powietrza mają tylko
niektóre organizmy:
- bakterie glebowe: Azotobacter, Clostridium
- bacterie brodawkowe: Rhizobium
Przez pozostałe organizmy azot może być przyswajany w
postaci soli amonowych lub azotanów.
Azotany w przyrodzie pochodzą głównie z procesów
nitryfikacji, które zachodzą dzięki obecności bakterii
nitryfikacyjnych, które utleniają amoniak do azotynów
(Nitrosomonas), a azotyny do azotanów (Nitrobacter)
Nitryfikacja i denitryfikacja
amoniak → azotyny → azotany
NH3
NO2
NO3
Nitrosomonas
Nitrobacter
Niekorzystną rolę spełniają bakterie denitryfikacyjne, które
redukują azotany do wolnego azotu, przez co zubożają
glebę. Są to bakterie z rodzaju: Achromobacter, Bacillus,
Micrococcus denitryficans.
W całkowitym bilansie ważnym źródłem azotu, który
dopływa do atmosfery są eksplozje wulkanów i wyładowania
atmosferyczne, które generują znaczne ilości tlenków azotu
(NOx).
Obieg azotu
Kwaśny deszcz - cykl siarki
Kwaśne deszcze są przykładem negatywnych skutków
zaburzenia krążenia pierwiastka
biogennego przez
działalność gospodarczą człowieka.
Kwaśne deszcze - to pady śniegu lub deszczu, a także mgły
które mają pH niższe niż 5,6. Kwaśne deszcze powstają w
wyniku uwalniania się do atmosfery tlenków siarki (SO2) i
tlenku azotu (NO) powstających w trakcie spalania paliw,
głównie zasiarczonego węgla, w mniejszym stopniu ropy
naftowej. Gazy te reagując z wodą
mogą tworzyć
odpowiednio kwas siarkowy (H2 SO4) i kwas azotowy
(HNO3).
Skutki kwaśnych opadów
- zakwaszenie gleby,
- powstawanie martwych jezior (w Szwecji około 3000),
- degradacja lasów – żółknięcie i utrata igieł (np. w
Karkonoszach)
INTERAKCJE MIĘDZY POPULACJAMI
Cechy populacji:
- liczebność,
- zagęszczenie,
- rozrodzczość,
- śmiertelność,
- struktura wiekowa i płciowa,
- struktura przestrzenna (rozmieszczenie)
Zależności międzypopulacyjne
W ekosystemach występują osobniki należące do różnych
gatunków. Niektóre gatunki nie wpływają na siebie, inne
pozostają we wzajemnych zależnościach. Wyrazem tych
zależności są zmiany w populacji jednego gatunku w obecności
drugiego. Tworzenie się związków międzygatunkowych jest
uwarunkowane wymaganiami biologicznymi.
Interakcje między populacjami mogą mieć charakter:
- neutralny (obojętny) – brak wzajemnego oddziaływania
- protekcjonistyczny (korzystny)
- antagonistyczny (niekorzystny)
Interakcje protekcjonistyczne
(nieantagonistyczne)
Symbioza – związek metaboliczny między osobnikami dwóch
gatunków przynoszący obopólne korzyści.
● mutualizm – trwały związek dwóch organizmów np.
glonów z grzybami, które tworzą porosty; mikoryza
● protokooperacja – okresowy związek dwóch
organizmów np. krab i ukwiał, bąkojady i bawoły
Komensalizm – związek ułatwiający zdobywanie pokarmu,
korzystny dla jednego gatunku (komensala), nieszkodliwy dla
drugiego (gospodarza) np. podnawka i rekin
● epioikia – osiedlanie się zwierząt na innych
ruchliwych organizmach
● entoikia – osiedlanie się jednego organizmu wewnątrz
ciała drugiego
Foreza jest związkiem, w którym jeden organizm aktywnie
szuka i przyczepia się do innego organizmu w celu
przemieszczenia się do nowego miejsca w tym samym lub w
innym siedlisku. Jest to zjawisko ważne dla gatunków żyjących
w określonych typach środowiska lub w niekorzystnych
warunkach środowiskowych (np. roztocza w dziublach ptaków).
Foreza jest bardzo skutecznym sposobem szybkiego
kolonizowania specyficznych mikrosiedlisk, np. larwy niektórych
nicieni (m.in. larwy Rhabdias bufonis transportowane na
chrząszczach).
Foret (organizm transportowany) nie wpływa na swego
forenta (gospodarza) w czasie migracji.
Interakcje neutralne - neutralizm
● paroikia – występuje gdy dwa różne gatunkowo
organizmy przebywają w pobliżu (w sąsiedztwie), ale nie ma
między nimi bezpośredniego kontaktu fizycznego i
metabolicznego;
● synoikia - współzamieszkiwanie dwóch gatunków w tym
samym miejscu (np. w dziupli, norze, gnieździe, jaskini), bez
występowania zależności między nimi. Mogą jednak pojawić
się pewne cechy komensalizmu, gdy jeden organizm
wykorzystuje resztki pokarmowe pozostawione przez inny;
● symfilia polega na wykorzystywaniu przez jeden organizm
wydzielin drugiego, np. wydzieliny mszyc są wykorzystywane
przez mrówki, ale między nimi nie ma zależności.
Interakcje antagonistyczne
Konkurencja zachodzi wtedy, gdy dwie populacje
różnych gatunków starają się pozyskać te same zasoby
środowiska, tę samą przestrzeń.
Na przykład dwa gatunki:
● odżywiają się tym samym pokarmem,
● zajmują tę samą niszę ekologiczną, np.budują gniazda w
podobnych miejscach
Drapieżnictwo - osobniki jednego gatunku (drapieżcy)
napadają, zabijają i zjadają osobniki innego gatunku (ofiary) w
krótkim czasie.
Specyficzną formą jest kanibalizm, w której drapieżca jak
i ofiara należą do tego samego gatunku.
Roślinożerność jest swego rodzaju drapieżnictwem na
roślinach, a równocześnie swoistym rodzajem pasożytnictwa.
Przykładem mogą owady minujące (niektóre błonkówki i
muchówki) żyjące w liściach i odżywiające się tkanką
miękiszową.
Pasożytnictwo jest to związek między dwoma
gatunkami o charakterze obligatoryjnym. Jeden gatunek
(pasożyt) wykorzystuje drugi gatunek (żywiciela) jako źródło
pożywienia i miejsc zamieszkania; pasożyt jest całkowicie
uzależniony metabolicznie od żywiciela.
Pasożyty różnią się od drapieżców tym, że przeważnie
nie uśmiercają żywicieli, a jeśli to robią mogą wcześniej wydać
kilka generacji pasożytów.
Pasożyt ma przeważnie jednego żywiciela, zaś drapieżnik
uśmierca wiele ofiar.