Podstawy ekologii cw.3.doc

Podstawy ekologii, TiR, sem. I

Ćwiczenie 3

Temat: Funkcjonowanie ekosystemów naturalnych – 2 godz.

opracował: dr Krzysztof Stepaniuk

1. Definicje

System – związek niezależnych elementów stale kontaktujących się między sobą i wykazujących szereg wzajemnych powiązań.

Ekosystem – (system elementów ekologicznych) - twórcą koncepcji - Arthur Tansley, 1935 – współczesny pogląd utożsamia ekosystem jako układ opierający się na przepływie energii i krążeniu materii. Procesy te zachodzą dzięki obecności organizmów żywych, które różnią się między sobą. Komponenty ekosystemu:

Tabela 1. Komponenty ekosystemu

Cechy ekosystemu:

- uporządkowanie (dosłownie: brak zbędnych elementów),

- eksport i import materii i energii,

- utrzymywanie równowagi dynamicznej (homeostazy) poprzez zachodzenie sprzężeń zwrotnych,

- nieciągłe granice.

W ekosystemie zachodzi:

- tworzenie i przechowywanie zasobów,

- procesy glebotwórcze,

- detoksykacja i rozkład odpadów oraz oczyszczanie wody i powietrza,

- wegetacja roślin i rozpraszanie nasion,

- obieg materii i przepływ energii,

- rozwój i zachowanie różnorodności biologicznej,

- stabilizowanie klimatu (np. ograniczanie prawdopodobieństwa wystąpienia suszy lub powodzi).

Producenci, Roślinożercy, Drapieżniki – nie wymagają komentarza.

Detrytusofagi – organizmy odżywiające się martwą materią organiczną np. należące do skąposzczetów rureczniki (Tubificidae) i larwy muchówek z rodziny ochotkowatych (Chironomidae), spośród detrytusożerców lądowych można wskazać dżdżownice (Lumbricus spp.)

W związku z powyższym strukturę troficzną biocenoz tworzą 2 systemy:

- system „zjadaczy żywej materii organicznej” (fitofagi i ich drapieżnicy);

- system „zjadaczy martwej materii organicznej (detrytusofagi i reducenci).

Biotyczne komponenty ekosystemu możemy podzielić ze względu na sposób pozyskiwania energii. Mówimy wówczas o autotrofach i heterotrofach. Wśród autotrofów możemy wyróżnić fototrofy (wykorzystujące energię słoneczną do produkcji energii = związków organicznych) i chemotrofy (wytwarzające energię z utleniania związków nieorganicznych).

Heterotrofy to z kolei konsumenci (konsumenci właściwi? – przyp. ks) i reducenci.

2. Podstawowe procesy zachodzące w ekosystemach

2.1. Energia słoneczna zmierza od słońca w kierunku biosfery. Przepływ energii jest jednym z czterech głównych procesów zachodzących w ekosystemach naturalnych. Energia słoneczna jest energią fizyczną. Jest to, oprócz energii wiązań chemicznych, jedyne dostępne źródło energii użytecznej dla organizmów żywych.

Rys.1. Bilans promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi[1]

Trzy pozostałe procesy świadczące o funkcjonowaniu ekosystemu to:

2.2. Obieg wody (cykl hydrologiczny – rys. 2);

B

A

Rys. 2.  Cykl hydrologiczny. A. Ogólny; B. Z podziałem na fazy

Bilans wodny globu ziemskiego charakteryzuje równowaga miedzy parowaniem wód a opadem atmosferycznym (Równanie bilansu wodnego Pencka).

P= H + V + ΔR; gdzie:

P – oznacza wielkość opadów

H – odpływ całkowity

V – całkowite parowanie z powierzchni lądów i oceanów.

ΔR - zmiana retencji (retencja powierzchniowa, podziemna)

Ewapotranspiracja – parowanie + oddychanie roślin.

Retencja - zdolność dorzecza do zatrzymywania wody opadowej.

Tranzytowy przepływ rzeczny – przepływ uwzględniający zasilenie wodą z rzek mających swoje źródło za granicą

2.3. Obieg materii (= cykl biogeochemiczny – rys. 3), wyróżniamy:

–         Obieg typu sedymentacyjnego, gdzie rezerwuarem zasobów jest skorupa ziemska;

–         Obieg typu gazowego, gdzie podstawowym zbiornikiem jest atmosfera lub hydrosfera.

Rys. 3. Obieg węgla jako przykład cyklu biogeochemicznego[2]

2.4. Sukcesja ekologiczna - rozumiana jako proces prowadzący do powstania stabilnego i pozostającego w równowadze ekosystemu w wyniku maksymalnie możliwego przekształcenia środowiska przez biocenozę; wyróżniamy: s. pierwotną  i s. wtórną).

Rys. 4.  Sukcesja ekologiczna

3. Przepływ energii w ekosystemie (dlaczego energia przepływa?)

Zasady termodynamiki związane z przepływem energii w ekosystemach:

- I zasada termodynamiki (zasada zachowania energii) – w skrócie: energia nie może powstać z niczego lub ulec zanikowi; może natomiast być przekazywana i przekształcana.

- II zasada termodynamiki –  każdej przemianie energetycznej towarzyszy strata wolnej energii w systemie, stąd też przemiany energetyczne w ekosystemach nigdy nie mogą zachodzić ze 100% wydajnością.

Energia to zdolność powodowania zmian w stanie materii lub powodowania ruchu materii. Każdy organizm jest „otwartym” układem energetycznym. Energia jest przezeń „wychwytywana”, okresowo „magazynowana”, a następnie wykorzystywana do wykonania pracy biologicznej. Rodzaje energii: słoneczna, chemiczna, mechaniczna (e. kinetyczna-związana z ruchem ciała + e. potencjalna).

Każdy żywy organizm potrzebuje energii, którą zużywa do: poruszania się, reprodukcji, podtrzymywania procesów życiowych (metabolizm), wzrostu i rozwoju.

W procesie fotosyntezy zamieniana energia słoneczna (fizyczna) jest zamieniana na użyteczną biologicznie energię chemiczną. Poza kilkoma wyjątkami (m.in. organizmów żyjących w głębinach oceanicznych) wszystkie organizmy żywe na Ziemi, w tym również człowiek - pośrednio lub bezpośrednio zależne są od produktów fotosyntezy, a więc od energii Słońca. Stąd można wysnuć prosty wniosek, że im więcej roślin tym więcej energii dostępnej dla pozostałych poziomów troficznych.  Głębiny oceaniczne są z kolei uzależnione od energii wytworzonej przez chemoautotrofy (?).

6CO2+6H2O+3H2S → C6H12O6 + 3H2SO4

Rys. 5. Fotosynteza i chemosynteza

Na każdym stopniu piramidy ekologicznej (w każdym ogniwie łańcucha troficznego) organizmy zużywają energię poprzez:

- aktywność;

- wzrost;

- lub tracą ją w postaci ciepła.

Energia biologiczna nie jest formą energii odnawialnej. Może zostać wykorzystana lub zamieniana na ciepło i bezpowrotnie utracona. Nie może być także zastąpiona inną formą energii (termicznej, mechanicznej lub elektrycznej). Każdą biocenozę możemy więc porównać do organizmu „odzyskującego” i przekształcającego energię zawartą w pożywieniu (Rys. 6).

Rys. 6. Przepływ i straty energii w kolejnych poziomach piramidy troficznej

4. Produktywność ekosystemu

Produkcja pierwotna...