ORGANIZM I ŚRODOWISKO (na podstawie: Hadaś E. Żywa materia - Pochodzenie, charakterystyka i występowanie. Organizm i Środowisko. red. W Kasprzak - Materiały do seminariów z Biologii, - wyd. IV., zmienione i uzupełnione, Wydawnictwo Uczelniane AM, 19-28, 1992. Ilekroć przystępuje się do szczegółowego badania jakichkolwiek grup populacji, stwierdza się zdumiewające przystosowanie do ich miejsca bytowania. Przystosowanie to, jak i funkcjonowanie organizmów powstało w wyniku procesów ewolucyjnych na drodze doboru naturalnego i selekcji. Poznanie struktury funkcji populacji, biocenozy czy ekosystemu, jak i poznanie podstawowych zasad ekologii, umożliwi nam zrozumienie praw i zasad ekologii populacji ludzkiej. Z ekologicznego punktu widzenia populację ludzką należy traktować na równi z innymi populacjami, ponieważ rządzą nią takie same prawa ekologiczne. Chociaż człowieka może w pewnym stopniu zmienić środowisko, zmiany te jednak nie zawsze są całkowite i często człowiek musi się przystosować do sytuacji, których zmienić nie może. Zrozumienie zjawisk cyklicznych zachodzących w przyrodzie i współdziałanie z nimi jest znacznie korzystniejsze z punktu widzenia człowieka, niż ślepe dążenie do ich zmiany i regulacji. PODSTAWOWE ZASADY I POJĘCIA EKOLOGICZNE Pojęcie ekologii Problematyka ekologiczna została po raz pierwszy wyodrębniona w samodzielną gałąź wiedzy przez Ernesta Haeckla i sformułowana jako nauka zajmująca się zależnościami organizmu od otoczenia oraz istot, z którymi współżyje w miejscu swego bytowania. Ponieważ ekologia dotyczy biologii całych grup organizmów oraz procesów zachodzących w Środowisku, ekologię można określić jako naukę o strukturze funkcjonowaniu żywej przyrody. Ekologię dzieli się powszechnie na autekologię i synekologię. Autoekologia zajmuje się badaniem poszczególnych organizmów lub poszczególnych gatunków. Synekologia zajmuje się badaniem grup organizmów występujących razem i tworzących określoną jednostkę. Stosowane są również inne podziały ekologii zgodnie z poziomami organizacji lub według grup taksonomicznych oraz oparte na typach środowiska. Pojęcie poziomów organizacji Zakres współczesnej ekologii można najłatwiej określić, jeżeli rozważy się ten zakres w terminach oznaczających poziomy organizacji. Liczba poziomów organizacji nie jest ustalona i jest całkowicie dobrowolna. Najwygodniej jest wyróżnić 10 poziomów organizacji, które stanowią spektrum biologiczne: - 1 -
P K T N U O P B E B R O K A K R O I K I O M A R Ł G P O O O T Ó N Z A A U C S S O R K Ą D N L E Y F P I I D Y I A N S E L Y Z C O T R A N M J Z E A Z A Y E Y M M R Y A Z Ą D Ó W Poziomy organizacji zostały uszeregowane na jednym poziomie, nie zaś ułożone jeden pod drugim dla podkreślenia, że żaden z poziomów nie jest bardziej ważny od drugiego. Należy podkreślić, że w powyższym spektrum nie ma żadnych ostrych granic ani przerw, nawet pomiędzy organizmem a populacją. Pojedynczy organizm poza populacją nie może żyć długo, tak jak narząd nie jest zdolny do przeżycia poza organizmem. Podobnie biocenoza nie może istnieć bez krążenia materii i przepływu energii w ramach ekosystemu. Ekologia zajmuje się głównie problemami powyżej poziomu organizmu. Właściwości grupowe populacji POJĘCIA: - populacja - biocenoza - ekosystem - biosfera Populacja ma różne cechy charakterystyczne, które są jednak wyłącznie właściwościami grupy, a nie należących do niej osobników. Oto niektóre właściwości populacji: 1. rozrodczość 2. śmiertelność 3. rozkład wiekowy 4. zagęszczenie 5. rozkład przestrzenny 6. krzywa wzrostu 1. Rozrodczość jest wrodzoną zdolnością populacji do wzrostu. Wskaźnik rozrodczości jest równoważny wskaźnikowi przyrostu naturalnego, używanemu w terminologii dotyczącej badań populacji ludzkiej. W rzeczywistości jest to termin szerszy obejmujący wytwarzanie przez jakikolwiek organizm nowych osobników bez względu na sposób, w jaki one powstają, rodzą się, wyglądają, kiełkują, czy też powstają przez podział. - 2 -
W ekologii stosuje się dwa pojęcia dotyczące rozrodczości: rozrodczość maksymalna (absolutna lub fizjologiczna) oraz rozrodczość ekologiczna czyli rzeczywista. Rozrodczość maksymalna oznacza teoretyczną maksymalną liczbę, osobników powstających w idealnych warunkach, tj. bez ograniczeń środowiskowych. Jest to wartość stała dla danej populacji. Rozrodczość ekologiczna dotyczy rozrodu odbywającego się w ściśle określonych warunkach środowiskowych. Nie jest ona stała dla danej populacji i waha się zależnie od wielkości i składu populacji oraz od warunków i czynników fizycznych środowiska. 2. Śmiertelność odnosi się do wymierania osobników populacji. Jest to pojęcie mniej lub więcej przeciwstawne pojęciu rozrodczości. Wyróżniamy tutaj pojęcia śmiertelności ekologicznej, czyli rzeczywistej i śmiertelności minimalnej. Śmiertelność ekologiczna - ubytek osobników w danych warunkach środowiskowych - jest podobnie jak rozrodczość ekologiczna, wielkością niestałą, zmieniającą się wraz ze zmianami populacji i warunków środowiskowych. Śmiertelność minimalna jest to wielkość stała dla danej populacji, określająca ubytek osobników w warunkach idealnych, czyli nieograniczających. Jednak przy najbardziej sprzyjających warunkach osobniki umierają ze starości, co zależy od fizjologicznej długości życia, która oczywiście jest często znacznie większa niż ekologiczna długość życia. 3. Rozkład wiekowy populacji jest jej istotną cechą wynikającą z rozrodczości, jak i śmiertelności. Zazwyczaj śmiertelność zmienia się z wiekiem, a rozród jest często ograniczony do pewnych grup wiekowych. Dlatego też struktura wiekowa populacji zależy od aktualnej rozrodczości populacji. Z rozkładu wiekowego populacji wnosić można, jakiego stanu należy się spodziewać w przyszłości. Rozkład wiekowy populacji można przedstawić w postaci piramid wiekowych. (Patrz następna strona) a) Piramida wieku w populacjach rozwijających się K L A S A W I E K U b) Piramida wieku w populacjach wymierających - 3 -
c) Piramida wieku w populacjach ustabilizowanych % O S O B N I K Ó W W rozrastającej się raptownie populacji udział osobników młodych jest zazwyczaj znaczny, w populacji ustabilizowanej udział poszczególnych grup wiekowych jest bardziej równomierny, zaś w populacji wygasającej znaczny jest udział osobników starych. Struktura wiekowa populacji może podlegać kolejnym zmianom, mimo, że nie zachodzą żadne zmiany wielkości populacji. Istnieją dowody na to, że populację mają stały rozkład wiekowy, do którego osiągnięcia dążą każdorazowo istniejące rozkłady w1ekowe. Kiedy populacja osiągnie już raz stały rozkład wiekowy, wtedy zwiększenie się, rozrodczości czy śmiertelności powoduje zmiany okresowe, po których populacja samorzutnie wraca do stałej sytuacji. 4. Zagęszczenie populacji oznacza stosunek populacji do określonej jednostki przestrzeni. Zwykle wyraża się, w liczbie osobników populacji lub ich biomasę na jednostkę powierzchni lub objętości. np. 200 drzew na hektar, 5 milionów okrzemek na 1 m3 wody, lub 1 kg glonów na 1 m2 powierzchni. Czasami istotne jest rozróżnienie między zagęszczeniem globalnym, czyli liczbą lub biomasą na jednostkę całej powierzchni a zagęszczeniem specyficznym, czyli ekologicznym. tj. liczbą lub biomasą na jednostkę przestrzeni środowiska - powierzchni lub objętości dostępnej, czyli takiej, która rzeczywiście może być zajęta przez populację. Często duże znaczenie ma to, czy wielkość populacji zmienia się w danym momencie. Wielkość populacji i zmienia się tak często, zwłaszcza u niższych systematycznie grup roślin i zwierząt, że trudno ją mierzyć dokładnie i oznaczanie zagęszczenia na jednostkę przestrzeni nie ma tu dużego znaczenia. W takich przypadkach stosuje się wskaźnik względnej liczebności. Mogą być one odnoszone do czasu, np.: jaka liczba ptaków przelatuje w ciągu doby, lub mogą to być oznaczenia procentowe, np.: procent roślin zaatakowanych przez określony gatunek pasożyta. 5. Rozkład przestrzenny populacji odnosi się do pewnego rozmieszczenia w środowisku, które wykazują osobniki tworzące populację. Wyróżnia się trzy ogólne modele rozkładu przestrzennego: A) Rozkład równomierny B) Rozkład losowy C) Rozkład skupiskowy - 4 -
Rozkład równomierny występuje wówczas, gdy między osobnikami w populacji istnieje ostra konkurencja lub występują inne dodatkowe antagonizmy. Rozkład losowy jest w przyrodzie rzadko spotykany; występuje tam, gdzie środowisko jest bardzo jednolite i gdzie nie obserwuje się tendencji do skupiania się osobników. Rozkład skupiskowy jest znacznie pospolitszym zjawiskiem i niemalże stanowi zasadę. Jeżeli osobniki w populacji dążą do tworzenia grup pewnej wielkości, to rozkład takich grup może dowolnie przybliżać się do rozkładu losowego lub równomiernego. Dlatego też należy przyjąć, że istnieją trzy typy rozmieszczenia skupiskowego: - losowo-skupiskowy - równomiernie skupiskowy - grupowo skupiskowy. W przyrodzie istnieją wszystkie wymienione typy rozkładu przestrzennego populacji. 6. Populację mają charakterystyczne modele wzrostu, które nazywa się krzywymi wzrostu populacji. Dla celów porównawczych wyróżnia się dwa podstawowe modele wzrostu: krzywą w kształcie litery J (wykładnicza) krzywą w postaci litery S (esowata). Zależnie od szczególnych właściwości organizmów czy środowisk krzywe te można łączyć lub przekształcać w różny sposób. Jeżeli wzrost populacji da się przedstawić w kształcie litery J, to jaj zagęszczenie szybko wzrasta w sposób wykładniczy, czyli w sposób taki jak procent składny; później, kiedy opór środowiska nagle zaczyna wywierać mniej lub bardziej skuteczny wpływ, przyrost zagęszczenia raptownie zatrzymuje się. Gdy wzrost populacji następuje według krzywej esowatej początkowo odbywa się powoli (stan wyjściowy), później podobnie, jak w poprzednim typie krzywej - staje się szybki (faza logarytmiczna), lecz wkrótce - na skutek zwiększania się oporu środowiska - stopniowo zwalnia i wreszcie osiąga poziom mniejszego lub większego utrzymującego się zrównoważenia. Typy interakcji między dwoma gatunkami. W każdej przestrzeni zajmowanej przez dwie lub więcej populacji zachodzi stałe oddziaływanie na siebie żywych organizmów. Teoretycznie można wyróżnić sześć podstawowych możliwości oddziaływania na siebie populacji dwóch gatunków zgodnie z kombinacjami znaków zero, plus i minus, a mianowicie: 00, --, ++, +-, +0, - 0. PRZYGOTUJ WIADOMOŚCI O TYPACH INTERAKCJI MIĘDZY DWOMA GATUNKAMI - neutralizm - konkurencja - mutualizm - protokooperacja - komensalizm - amensalizm - pasożytnictwo - drapieżnictwo. - 5 -
Prawdopodobnie wszystkie wymienione wżytej interakcje występują w typowej biocenozie i można je wyróżniać i badać. Typ interakcji danej pary gatunków może się zmieniać pod wpływem różnych warunków lub w kolejnych etapach cyklu życiowego i tak na przykład dwa gatunki w jednym okresie cyklu życiowego wiążą się ze sobą przez pasożytnictwo, w innym przez komensalizm, a jeszcze w innym są one względem siebie zupełnie obojętne. PROBLEMY EKOLOGII CZŁOWIEKA Ochrona przyrody i jej zadania. Ruch ochrony przyrody przeszedł na przestrzeni swojego rozwoju historycznego głęboką ewolucję. W początkowym okresie wyrażał się on w działalności o charakterze konserwatorskim, zmierzającym do zachowania pojedynczych tworów przyrody mających cechy zabytkowe. Następnie uległ on rozszerzeniu przez obejmowanie ochroną określonych obszarów i tworzenia rezerwatów przyrody bądź parków narodowych dla zabezpieczenia przed zniszczeniem resztek biocenoz naturalnych. W ostatnich dziesiątkach lat do kręgu zainteresowań ochrony przyrody zostały włączone problemy związane z gospodarowaniem człowieka w przyrodzie. Zmiany oblicza Ziemi powstające pod wpływem działalności człowieka wywołały konieczność zwrócenia uwagi na całość otaczającej przyrody, w trosce o zapobieżenie dalszym niekorzystnym jej przekształceniom. W dotychczasowej gospodarce człowieka i korzystaniu przez niego z bogactw naturalnych i sił produkcyjnych przyrody dostrzeżono nieb1ezpieczeństwo wyniszczenia niektórych zasobów przyrody, a wskutek tego groźbę poważnych następstw godzących w samego człowieka. Ochrona przyrody w nowoczesnym ujęciu oznacza zachowanie, restytuowanie i właściwe użytkowanie zasobów przyrody oraz tych tworów przyrody żywej i nieożywionej, w postaci poszczególnych okazów lub ich skupień jak i całych zbiorowisk na określonych obszarach, a także gatunków roślin i zwierząt, których ochrona jest podyktowana interesem publicznym oraz ze względu na występujące swoiste cechy krajobrazu. Groźny problem degradacji środowiska przyrodniczego w skali całego świata zaczynają rozumieć nie tylko przyrodnicy, ale przedstawiciele różnych zawodów, politycy, działacze gospodarczy, którzy podejmuję walkę o ochronę środowiska przyrodniczego i o umiejętne kierowanie nieuniknionymi zmianami. Dziś ochroną przyrody, a więc i człowieka i jego gatunku biologicznego, zajmować się muszą nie tylko ochroniarze, ale i botanicy, zoologowie i lekarze, chemicy i leśnicy, ogrodnicy i specjaliści od kanalizacji, budowniczowie zapór wodnych, fabryk i lotnisk, konstruktorzy samochodowi, architekci i ekonomiści. Wszyscy muszą nauczyć się patrzeć szerzej niż to nakazuje ich specjalność zawodowa. W przeciwnym bowiem razie zatrujemy się substancjami przemiany materii i współczesnej cywilizacji. Zmiany w fizycznym środowisku człowieka oraz zmienność poglądów na pojęcie zanieczyszczenia. Większość substancji w naszym środowisku, których oddziaływanie staje się przyczyną zaniepokojenia, jest wynikiem ludzkiej działalności. Celowo lub - 6 -
nieumyślnie dodajemy do powietrza, którym oddychamy, do wody, którą pijemy, do ziemi, którą uprawiamy, wielkie ilości substancji o przypuszczalnej lub stwierdzonej aktywności biologicznej. Nieuchronnie przenikają one do naszego organizmu, a w jakim stopniu wpływają na nasze zdrowie, jest jednym z najbardziej palących pytań. Przez większość okresu swego istnienia człowiek, jak i wszystkie inne formy życia, pozostawał w równowadze ze swoim środowiskiem. Jego działalność i wytwarzane zanieczyszczenia nie zmieniły środowiska w stopniu przekraczającym możliwości samooczyszczenia. W ciągu kilku jednak ostatnich dziesięcioleci człowiek zanieczyścił wiele rejonów Ziemi odpadami swej działalności przemysłowej i socjalnej w takim stopniu, że siły naturalne nie są w stanie im podołać. Tradycyjnie przez czynnik zanieczyszczający rozumiano szkodliwą substancję dodawaną do środowiska przez człowieka, która w normalnych warunkach nie występowała, albo występowała w ilościach zbyt małych, aby spowodować jakieś zagrożenie. Ostatnio zmuszeni jesteśmy do rozszerzenia definicji, ponieważ stwierdzono, że zmiany środowiskowe związane są z pewnymi czynnikami poprzednio uważanymi za nieszkodliwe. Co więcej, niektóre czynniki wywołujące zazwyczaj skutki pozytywne mogą, występując w nadmiarze, zmienić nasze środowisko w nieoczekiwany sposób. Nasuwa się pytanie: CO UWAŻAĆ ZA ZANIECZYSZCZENIE? PRZYGOTUJ RÓWNIEŻ WIADOMOŚCI O: - wody - zanieczyszczeniu CO 2 i zjawisku efektu cieplarnianego" - zanieczyszczeniu cieplnym - zanieczyszczeniu hałasem - zanieczyszczeniu powietrza - zanieczyszczeniu substancjami promieniotwórczymi (odpady) - zanieczyszczeniu zanieczyszczeniu gleby Problem populacyjny Biosfera znajduje się obecnie w krytycznej sytuacji wobec narastającej ludności świata. Można dziś odtworzyć wzrost liczebności ludzi począwszy od najdawniejszych czasów. Wydaje się, że aż do 8000 roku p.n.e. ludność Ziemi nie przekraczała 5 milionów. Wraz z rozwojem rolnictwa liczba ta zaczęła się powiększać, aby na początku naszej ery dojść do co najmniej 200 milionów, a w roku 1650 przynajmniej do 500 milionów. Ten znaczny wzrost był jednak znikomy w porównaniu z tym co nastąpiło potem, dzięki powstaniu nowoczesnej nauki, która ograniczyła śmiertelność i zwiększyła ilość żywności. Od roku 1650 do 1950 ludność Ziemi zwiększyła się przeszło czterokrotnie i osiągnęła 2400 milionów. Zwłaszcza jednak w ostatnich dziesięcioleciach wzrost ten jest ogromny i przybiera charakter eksplozyjny, co jest głównie wynikiem dalszego zmniejszenia śmiertelności w połączeniu z niezmienionym przyrostem naturalnym. Szybkość przyrostu ludności na świecie przekracza 1.5 % co oznacza, że każdego dnia przybywa ponad 50 tysięcy ludzi. Teoretycznie jeżeli będzie to trwało przez kilka - 7 -
wieków, a wiec czas względnie krótki, to liczba ludzi będzie tak wielka, że nie pomieszczą się oni na powierzchni Ziemi, nawet stłoczeni ciasno obok siebie. Jednak z biologicznego punktu widzenia nie jest to możliwe. Mała śmiertelność w połączeniu z dużą rozrodczością nie mogę trwać w nieskończoność przyrost naturalny w pewnym momencie musi się zrównać ze śmiertelnością, zgodnie z przebiegiem wszelkich zjawisk wzrostu populacji (krzywa esowata). Ludzkość znajduje się obecnie na wstępującej części krzywej, która będzie się musiała załamać po osiągnięciu pewnego poziomu. Jeżeli ludność pewnych cywilizacji osiągnęła jak się wydaje, płaski odcinek krzywej, to narody rozwijające się, znajdują się w okresie eksplozji, która jest skutkiem dobrodziejstw współczesnej nauki. I tu właśnie znajdujemy się wobec paradoksu: stosowanie zdobyczy medycyny i metod sanitarnych zdołało znacznie zmniejszyć śmiertelność, nie zmniejszając jednak rozrodczości tak, że w niektórych krajach rozwijających się postęp w rolnictwie nie nadąża za wzrostem zaludnienia. W krajach tych więc ludność jest liczniejsza, lecz w gorszym stanie zdrowotnym niż poprzednio, na skutek zmniejszenia się racji żywnościowych. Paradoks polega na tym, że daje się życie ludziom, aby musieli umierać z głodu! Nie ulega wątpliwości, że tzw. problem populacyjny, ze względu na częste jego spłycanie nie uzyskał właściwej rangi. Obejmuje on nie tylko zagadnienia wysokiego naturalnego przyrostu, ale wiąże się on z problemami wyżywienia niedożywienia i otyłości, problemami chorób genetycznych i chorób zakaźnych występujących coraz częściej dzięki współczesnym metodom technologii przygotowywanie żywności oraz chorób współczesnej cywilizacji. PYTANIA KONTROLNE: - definicja ekologii - pojęcia populacji, biocenozy, ekosystemu, biosfery - funkcjonalny skład ekosystemu i składowe ekosystemu - właściwości grupowe populacji (zagęszczenie globalne i ekologiczne, wskaźnik względnej liczebności, rozrodczość maksymalna i ekologiczna, śmiertelność ekologiczna i minimalna, ekologiczna i fizjologiczna długość życia, rozkład wiekowy populacji, krzywe wzrostu populacji, oscylacje cykliczne, rozprzestrzenianie się populacji, modele rozkładów przestrzennych) - typy interakcji między dwoma gatunkami - ochrona przyrody i jej zadania - zmiany w fizycznym środowisku człowieka - współczesne pojęcie zanieczyszczania - problem populacyjny i możliwości rozwiązania błędnego koła tego problemu - 8 -