EKOLOGIA dla BIOTECHNOLOGII EKOSYSTEMY

Transkrypt

1 EKOLOGIA dla BIOTECHNOLOGII EKOSYSTEMY

2 śycie biosfery = cykl redoks węgla EKOSYSTEM DEPOZYCJA (ocean, osady) energia CO 2 energia REDUKCJA tylko Ŝywe organizmy PRODUKCJA (CH O) 2 n UTLENIANIE organizmy: szybko procesy abiotyczne: powoli DEKOMPOZYCJA DEPOZYCJA (złoŝa paliw)

3 EKOSYSTEM: Dowolny fragment biosfery, w którym grupa organizmów realizuje procesy produkcji i dekompozycji, przy chociaŝ częściowo zamkniętym obiegu materii, z wykorzystaniem przepływającej przez ten system energii. Elementami nieoŝywionymi ekosystemu są pule związków chemicznych: akceptorów i donorów elektronów, substratów mineralnych i organicznych. Cała biosfera jest ekosystemem!

4 śycie biosfery = cykl redoks węgla EKOSYSTEM DEPOZYCJA (ocean, osady) energia CO 2 energia REDUKCJA tylko Ŝywe organizmy PRODUKCJA (CH O) 2 n UTLENIANIE organizmy: szybko procesy abiotyczne: powoli DEKOMPOZYCJA DEPOZYCJA (złoŝa paliw)

5 Nieudana próba przedstawienia sieci zaleŝności pomiędzy elementami prostego ekosystemu

6 Schemat prostego ekosystemu, przedstawiający tylko sieć zaleŝności troficznych

7 Model przepływowy hipotetycznego ekosystemu Ekosystem jako czarna skrzynka

8 Model przepływowy hipotetycznego ekosystemu f 1,4 f 1,4 = c(t) f 6,0 = z 3 f 0,3 = g(x 6 )

9 Macierz przepływów dla modelu ekosystemu O 0 = suma odpływów zmiennej 0 (=otoczenia) I 0 = suma dopływów zmiennej 0 (=otoczenia) B = Bilans = I 0 - O 0

10 Przykłady ekosystemów: jezioro las step

11 JEZIORO: niecka wypełniona wodą H 2 0 H ciecz o osobliwych właściwościach!

12 STRATEGIA GLONÓW

13 SEZONOWE ZMIANY TERMOKLINY W JEZIORZE

14 SEZONOWE ZMIANY NATLENIENIA WODY JEZIORA

15 STRATYFIKACJA TERMICZNA JEZIORA STREFY UMIARKOWANEJ LATO WIATR Głębokość 4 Temperatura EPILIMNION TERMOKLINA HYPOLIMNION

16 STRATYFIKACJA TERMICZNA JEZIORA STREFY UMIARKOWANE WIOSNA I JESIEŃ WIATR Głębokość 4 Temperatura

17 STRATYFIKACJA TERMICZNA JEZIORA STREFY UMIARKOWANE ZIMA WIATR Głębokość 0 4 Temperatura

18 JEZIORO EUTROFICZNE WARUNKI REDUKCYJNE W HYPOLIMNIONE UWALNIANIE PRZYSWAJALNEGO FOSFORU Głębokość STREFA EUFOTYCZNA - WYSOKA Pp CIEMNO - BRAK P p DEFICYT TLENU 0 10 mg/l P Zawartość tlenu P P P

19 JEZIORO OLIGOTROFICZNE Pp OGRANICZONA, W CAŁEJ TONI, JEDNAKOWA ZAWARTOŚĆ TLENU NA CAŁEJ GŁĘBOKOŚCI, FOSFOR ZATRZYMANY Głębokość 0 10 mg/l Zawartość tlenu P P P P SPRZĘśENIE ZWROTNE UJEMNE

20 EUTROFIZACJA JEZIORA OLIGOTROFICZNEGO: STOPNIOWE WYPEŁNIENIE OSADAMI ZMNIEJSZENIE FOTOSYNTEZY W HYPOLIMNIONE NIEDOBÓR TLENU URUCHOMIENIE FOSFORU SPRZĘśENIE ZWROTNE DODATNIE

21 ZAPORY NA RZEKACH GÓRSKICH: PROBLEM EUTROFIZACJI HYPOLIMNION

22 EKOSYSTEM LASU STRATEGIA śyciowa DRZEWA

23 STRATEGIA śyciowa DRZEWA

24 ALOKACJA PIERWIASTKÓW BIOGENNYCH W BIOMASIE DRZEW

25 POŁOśENIE PUSZCZY NIEPOŁOMICKIEJ

26 WISŁA Grobelczyk Grobla Raba

27 DOMINUJĄCE GATUNKI DRZEW

28 Las grądowy w pn. części Puszczy Niepołomickiej

29 Bór mieszany w pd. części Puszczy Niepołomickiej

30 PRODUKCJA PIERWOTNA PUSZCZY NIEPOŁOMICKIEJ

31 SIEĆ TROFICZNA BORÓW PUSZCZY NIEPOŁOMICKIEJ PRZEPŁYW ENERGII

32 SIEĆ TROFICZNA BORÓW PUSZCZY NIEPOŁOMICKIEJ PRZEPŁYW AZOTU

33 ZLEWNIE EKSPERYMENTALNE W PUSZCZY NIEPOŁOMICKIEJ (LATA 70.)

34 Teren objęty pomiarem Dział wodny Odpływ ZLEWNIA RATANICY

35 BADANIA W ZLEWNI RATANICY TAMA (PRZELEW) Z LIMNIGRAFEM LIMNIGRAF ZAJĘCIA TERENOWE ZE STUDENTAMI

36 BADANIA W ZLEWNI RATANICY CHWYTACZE ŚCIÓŁKI DESZCZOMIERZE

37 EKSPERYMENTALNE BADANIA EKOSYSTEMÓW LEŚNYCH W ZLEWNIACH

38 wyrąb lasu zlewnia wylesiona zlewnia kontrolna ZLEWNIA HUBBARD BROOK ZMIANY ODPŁYWU PIERWIASTKÓW NA SKUTEK WYLESIENIA

39 ZMIANY CHEMIZMU WÓD PO WYLESIENIU (Coweeta)

40 ZMIANA CHEMIZMU WÓD POD WPŁYWEM NATURALNEJ DEFOLIACJI (GRADACJA OWADÓW - MIERNIKOWCÓW)

41 PRZEPŁYW ENERGII W LESIE

42 OBIEG PIERWIASTKÓW BIOGENNYCH W LESIE

43 CHARAKTERYSTYCZNE WZORCE OBIEGU ENERGII, BIOGENÓW I KSENOBIOTYKÓW W LASACH

44 STEP (PRERIA)

45 Strategia trawy

46 SUCHY STEP KARAGANOWO-OSTNICOWY W ŚRODKOWO-WSCHODNIEJ MONGOLII

47 Gurwan Turuu

48 25-30 gatunków roślin średnia temp C lato: t = 16 C (max.: 36 C) zima: t = -22 C (min. -45 C) t<0 C od do (190 dni) wilg. śr. 70% (min. 1-2%; w lipcu 45%) Suma opadów: 249 mm

49 Stan biomasy nadziemnej: 100 (150) g s.m./m 2 Caragana: 160 g/m 2 Stan biomasy podziemnej g/m 2 nadz. : podz. = 1 : 35 Pp = 300 g/(m 2 x rok) = 2.3 g s.m./(m 2 x d) max: g s.m./(m 2 x d) Dekompozycja: niewielki przyrost netto materii organicznej

50

51 PRODUKCJA PIERWOTNA EKOSYSTEMÓW TRAWIASTYCH

52 NORNIK BRANDTA (Microtus brandti)

53

54

55

56 CYKL KLIMAKSOWY (Remmert, 1985)

57 śycie biosfery = cykl redoks węgla DEPOZYCJA (ocean, osady) energia CO 2 energia REDUKCJA tylko Ŝywe organizmy PRODUKCJA (CH O) 2 n UTLENIANIE organizmy: szybko procesy abiotyczne: powoli DEKOMPOZYCJA DEPOZYCJA (złoŝa paliw)

58 EKOSYSTEM: Dowolny fragment biosfery, w którym grupa organizmów realizuje procesy produkcji i dekompozycji, przy chociaŝ częściowo zamkniętym obiegu materii, z wykorzystaniem przepływającej przez ten system energii. Elementami nieoŝywionymi ekosystemu są pule związków chemicznych: akceptorów i donorów elektronów, substratów mineralnych i organicznych.

59

60 Model przepływowy hipotetycznego ekosystemu

61 WYDAJNOŚCI EKOLOGICZNE C i+1= /C i = wydajność ekologiczna (Lindemann) P/C = wydajność produkcji (brutto) P/(C-FU) = P/A = wydajność wzrostu (netto) A/C = wydajność asymilacji

62 WYDAJNOŚĆ PRODUKCJI I ASYMILACJI ORGANIZMY P/A P/C A/C ,3 2,2 96 5,2 4,2 81 1,5 0,48 32

63 Model przepływowy hipotetycznego ekosystemu

64

65 ŚREDNIA DŁUGOŚĆ ŁAŃCUCHÓW TROFICZNYCH W 113 ZBADANYCH SIECIACH (Hairston i Hairston 1993)

66 EKOSYSTEM LASU

67 EKOSYSTEM TRAWIASTY

68 EKOSYSTEM PELAGIALU JEZIORA

69 PBRANIE ENERGII Z POZIOMU PRODUCENTÓW W RÓśNYCH EKOSYSTEMACH LĄDOWYCH

70 PROBLEM STABILNOŚCI EKOSYSTEMÓW (I NIE TYLKO) ZDEFINIOWAĆ BADANY UKŁAD ZDEFINIOWAĆ OBSERWOWANĄ ZMIENNĄ STAŁOŚĆ RÓWNOWAGA STABILNOŚĆ [ZDEFINIOWAĆ STABILNOŚĆ]

71 System: NACZYNIE Zmienna: Ilość (poziom) wody Q Cecha: STAŁOŚĆ Mechanizm: ODPORNOŚĆ

72 Cecha: ZMIANA (+.-) lub STAŁOŚĆ Mechanizm: RÓWNOWAGA DYNAMICZNA (regulacja zewnętrzna)

73 Cecha: DĄśENIE DO RÓWNOWAGI Mechanizm: RÓWNOWAGA DYNAMICZNA (warunki brzegowe )

74 Cecha: DĄśENIE DO RÓWNOWAGI Mechanizm: RÓWNOWAGA DYNAMICZNA (warunki brzegowe ) Cecha: STABILNOŚĆ Mechanizm: SAMOREGULACJA, nastawiona z zewnątrz systemu

75

76 STAŁOŚĆ: obserwowany brak zmian danej zmiennej, przyczyny mogą być rozmaite; RÓWNOWAGA (statyczna, dynamiczna): obserwowana stałość danej zmiennej, dzięki znoszeniu się róŝnych oddziaływań (statycznych lub dynamicznych), w wyniku regulacji lub przypadku: STABILNOŚĆ: zdolność układu do przywracania tej samej (zadanej) wartości zmiennej; wynik regulacji lub samoregulacji, zwykle celowej. HOMEOSTAZA: stabilność uzyskiwana przez celową samoregulację na zadanym poziomie (tylko: organizmy, systemy sztuczne). NIE DOTYCZY EKOSYSTEMÓW!

77 TERMINY EKOLOGICZNE ZWIĄZANE Z POJĘCIEM STABILNOŚCI constancy, persistence [oporność; brak zmian] resistance, inertia (=persistence) [miara oporności na zaburzenia; tym większa, im mniejsze zmiany] Resilience [tendencja do powrotu do stanu przed zaburzeniem] elasticity, amplitude [miary resilience: szybkość powrotu, zakres, z jakiego powraca]

78