EKOLOGIA dla BIOTECHNOLOGII EKOSYSTEMY
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)
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!
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)
Nieudana próba przedstawienia sieci zaleŝności pomiędzy elementami prostego ekosystemu
Schemat prostego ekosystemu, przedstawiający tylko sieć zaleŝności troficznych
Model przepływowy hipotetycznego ekosystemu Ekosystem jako czarna skrzynka
Model przepływowy hipotetycznego ekosystemu f 1,4 f 1,4 = c(t) f 6,0 = z 3 f 0,3 = g(x 6 )
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
Przykłady ekosystemów: jezioro las step
JEZIORO: niecka wypełniona wodą H 2 0 H 2 0 - ciecz o osobliwych właściwościach!
STRATEGIA GLONÓW
SEZONOWE ZMIANY TERMOKLINY W JEZIORZE
SEZONOWE ZMIANY NATLENIENIA WODY JEZIORA
STRATYFIKACJA TERMICZNA JEZIORA STREFY UMIARKOWANEJ LATO WIATR Głębokość 4 Temperatura EPILIMNION TERMOKLINA HYPOLIMNION
STRATYFIKACJA TERMICZNA JEZIORA STREFY UMIARKOWANE WIOSNA I JESIEŃ WIATR Głębokość 4 Temperatura
STRATYFIKACJA TERMICZNA JEZIORA STREFY UMIARKOWANE ZIMA WIATR Głębokość 0 4 Temperatura
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
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
EUTROFIZACJA JEZIORA OLIGOTROFICZNEGO: STOPNIOWE WYPEŁNIENIE OSADAMI ZMNIEJSZENIE FOTOSYNTEZY W HYPOLIMNIONE NIEDOBÓR TLENU URUCHOMIENIE FOSFORU SPRZĘśENIE ZWROTNE DODATNIE
ZAPORY NA RZEKACH GÓRSKICH: PROBLEM EUTROFIZACJI HYPOLIMNION
EKOSYSTEM LASU STRATEGIA śyciowa DRZEWA
STRATEGIA śyciowa DRZEWA
ALOKACJA PIERWIASTKÓW BIOGENNYCH W BIOMASIE DRZEW
POŁOśENIE PUSZCZY NIEPOŁOMICKIEJ
WISŁA Grobelczyk Grobla Raba
DOMINUJĄCE GATUNKI DRZEW
Las grądowy w pn. części Puszczy Niepołomickiej
Bór mieszany w pd. części Puszczy Niepołomickiej
PRODUKCJA PIERWOTNA PUSZCZY NIEPOŁOMICKIEJ
SIEĆ TROFICZNA BORÓW PUSZCZY NIEPOŁOMICKIEJ PRZEPŁYW ENERGII
SIEĆ TROFICZNA BORÓW PUSZCZY NIEPOŁOMICKIEJ PRZEPŁYW AZOTU
ZLEWNIE EKSPERYMENTALNE W PUSZCZY NIEPOŁOMICKIEJ (LATA 70.)
Teren objęty pomiarem Dział wodny Odpływ ZLEWNIA RATANICY
BADANIA W ZLEWNI RATANICY TAMA (PRZELEW) Z LIMNIGRAFEM LIMNIGRAF ZAJĘCIA TERENOWE ZE STUDENTAMI
BADANIA W ZLEWNI RATANICY CHWYTACZE ŚCIÓŁKI DESZCZOMIERZE
EKSPERYMENTALNE BADANIA EKOSYSTEMÓW LEŚNYCH W ZLEWNIACH
wyrąb lasu zlewnia wylesiona zlewnia kontrolna ZLEWNIA HUBBARD BROOK ZMIANY ODPŁYWU PIERWIASTKÓW NA SKUTEK WYLESIENIA
ZMIANY CHEMIZMU WÓD PO WYLESIENIU (Coweeta)
ZMIANA CHEMIZMU WÓD POD WPŁYWEM NATURALNEJ DEFOLIACJI (GRADACJA OWADÓW - MIERNIKOWCÓW)
PRZEPŁYW ENERGII W LESIE
OBIEG PIERWIASTKÓW BIOGENNYCH W LESIE
CHARAKTERYSTYCZNE WZORCE OBIEGU ENERGII, BIOGENÓW I KSENOBIOTYKÓW W LASACH
STEP (PRERIA)
Strategia trawy
SUCHY STEP KARAGANOWO-OSTNICOWY W ŚRODKOWO-WSCHODNIEJ MONGOLII
Gurwan Turuu
25-30 gatunków roślin średnia temp. -2.7 C lato: t = 16 C (max.: 36 C) zima: t = -22 C (min. -45 C) t<0 C od 10.10. do 15.04. (190 dni) wilg. śr. 70% (min. 1-2%; w lipcu 45%) Suma opadów: 249 mm
Stan biomasy nadziemnej: 100 (150) g s.m./m 2 Caragana: 160 g/m 2 Stan biomasy podziemnej 2500-4800 g/m 2 nadz. : podz. = 1 : 35 Pp = 300 g/(m 2 x rok) = 2.3 g s.m./(m 2 x d) max: 3.7-3.8 g s.m./(m 2 x d) Dekompozycja: niewielki przyrost netto materii organicznej
PRODUKCJA PIERWOTNA EKOSYSTEMÓW TRAWIASTYCH
NORNIK BRANDTA (Microtus brandti)
CYKL KLIMAKSOWY (Remmert, 1985)
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)
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.
Model przepływowy hipotetycznego ekosystemu
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
WYDAJNOŚĆ PRODUKCJI I ASYMILACJI ORGANIZMY P/A P/C A/C 35 32 92 45 28 62 37 10 27 37 14 37 2,3 2,2 96 5,2 4,2 81 1,5 0,48 32
Model przepływowy hipotetycznego ekosystemu
ŚREDNIA DŁUGOŚĆ ŁAŃCUCHÓW TROFICZNYCH W 113 ZBADANYCH SIECIACH (Hairston i Hairston 1993)
EKOSYSTEM LASU
EKOSYSTEM TRAWIASTY
EKOSYSTEM PELAGIALU JEZIORA
PBRANIE ENERGII Z POZIOMU PRODUCENTÓW W RÓśNYCH EKOSYSTEMACH LĄDOWYCH
PROBLEM STABILNOŚCI EKOSYSTEMÓW (I NIE TYLKO) ZDEFINIOWAĆ BADANY UKŁAD ZDEFINIOWAĆ OBSERWOWANĄ ZMIENNĄ STAŁOŚĆ RÓWNOWAGA STABILNOŚĆ [ZDEFINIOWAĆ STABILNOŚĆ]
System: NACZYNIE Zmienna: Ilość (poziom) wody Q Cecha: STAŁOŚĆ Mechanizm: ODPORNOŚĆ
Cecha: ZMIANA (+.-) lub STAŁOŚĆ Mechanizm: RÓWNOWAGA DYNAMICZNA (regulacja zewnętrzna)
Cecha: DĄśENIE DO RÓWNOWAGI Mechanizm: RÓWNOWAGA DYNAMICZNA (warunki brzegowe )
Cecha: DĄśENIE DO RÓWNOWAGI Mechanizm: RÓWNOWAGA DYNAMICZNA (warunki brzegowe ) Cecha: STABILNOŚĆ Mechanizm: SAMOREGULACJA, nastawiona z zewnątrz systemu
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!
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]