Ekosystem-struktura i funkcje

Transkrypt

1 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

2 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

3 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.

4 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.

5 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.

6 Poziomy troficzne Producenci (autotrofy) Konsumenci (heterotrofy) Reducenci (destruenci) Trzy grupy organizmów, które stanowią kolejne ogniwa (czyli poziomy troficzne) łańcucha pokarmowego

7 Producenci - organizmy samożywne (autotrofy) wytwarzają w procesie fotosyntezy materię organiczną z dwutlenku węgla i wody, przy dopływie energii świetlnej. 6 CO H 2 O + energia świetlna C 6 H 12 O 6 + O 2 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.

8 Konsumenci, czyli organizmy cudzożywne (heterotrofy) żyją kosztem wyprodukowanej materii organicznej pochodzenia roślinnego (konsumenci I rzędu, czyli roślinożercy) lub zwierzęcego (konsumenci II, III,... rzędu, czyli mięsożercy ). 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.

9 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.

10 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.

11 Czynniki fizyczne, które określają strukturę biocenotyczną w ekosystemach wodnych: pływy (związane z oddziaływaniem Księżyca i Słońca), falowanie i prądy, temperatura, zasolenie, światło, ciśnienie.

12 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 intensywny rozwój glonów w warstwie powierzchniowej)

13 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 jest szata roślinna oraz specyficzne gatunki zwierząt.

14 ENERGIA I BIOMASA W EKOSYSTEMACH Ekosystem jako układ otwraty funkcjonuje dzięki przepływowi energii i krążeniu materii. 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,

15 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.

16 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.

17 CYKLE BIOGEOCHEMICZNE Cykle biogeochemiczne (obieg pierwiastków) to drogi, którymi przemieszczają się pierwiastki chemiczne pomiędzy środowiskiem nieożywionym a żywymi organizmami. Organizmy potrzebują ok 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

18 Procesy jakie zachodzą w czasie obiegu pierwiastków w przyrodzie humifikacja (martwa materia organiczna humus huminy humiany związki mineralne, czyli CO 2, H 2 O, Me x O y ); 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)

19 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 (CaCO 3 ), oraz węglany wapnia i magnezu (MgCO 3 ) czyli dolomity. W oceanach występuje w formie rozpuszczonego dwutlenku węgla (CO 2 ) - jonów węglanowych (CO 3 2-) i wodorowęglanowych (HCO 3 -). 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.

20 Obieg węgla

21 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)

22 Nitryfikacja i denitryfikacja amoniak azotyny azotany NH 3 NO 2 NO 3 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 (NO x ).

23 Obieg azotu

24 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 (SO 2 ) 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 (H 2 SO 4 ) i kwas azotowy (HNO 3 ).

25 Skutki kwaśnych opadów - zakwaszenie gleby, - powstawanie martwych jezior (w Szwecji około 3000), - degradacja lasów żółknięcie i utrata igieł (np. w Karkonoszach)

26 INTERAKCJE MIĘDZY POPULACJAMI Cechy populacji: - liczebność, - zagęszczenie, - rozrodzczość, - śmiertelność, - struktura wiekowa i płciowa, - struktura przestrzenna (rozmieszczenie)

27 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)

28 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

29 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.

30 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.

31 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

32 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.

33 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.