Ekologia - to nauka o związkach (współzależnościach) między organizmami a otaczającym je środowiskiem. Termin „ekologia” pochodzi od greckich słów: oikos - dom, miejsce życia oraz logos - nauka, słowo; tak więc dosłownie ekologia oznacza naukę o miejscu życia organizmów (środowisku). Obecnie ekologię można określić jako naukę o strukturze i funkcjonowaniu przyrody, badającą wzajemne zależności pomiędzy organizmami oraz ich zespołami a środowiskiem. Można wyróżnić dwa składniki środowiska osobnika (organizmu):

a) środowisko abiotyczne na które składają się takie czynniki jak temperatura powietrza, wilgotność, prędkość wiatru, kwasowość, nieożywione składniki środowiska

b) środowisko biotyczne na które składają się oddziaływania ze wszystkimi innymi osobnikami o charakterze konkurencji, drapieżnictwa, pasożytnictwa i symbiozy (kooperacji)

Umiejscowienie ekologii wśród nauk biologicznych - jest uzależnione od przyjętego systemu klasyfikacji nauk o żywej przyrodzie. W zrozumieniu tego problemu pomoże tzw. Tort ekologiczny. Jeżeli poszczególne warstwy „tortu” określimy jako działy podstawowe ekologii (np. ewolucjonizm, fizjologia, embriologia, genetyka), to tu właśnie znajduje się ekologia. W wyniku cięć pionowych „tortu” otrzymujemy mniejsze działy taksonomiczne: większe takie jak zoologia, botanika i mniejsze takie jak bakteriologia, briologia, ichtiologia, entomologia, ornitologia.

Ekologia należy do podstawowych działów biologii i równocześnie jest integralną częścią wszystkich działów taksonomicznych. Ekologia łączy się także z innymi, wykraczającymi poza obręb biologii, naukami badającymi środowisko np.. biogeografia, biofizyka, chemia, gleboznawstwo, hydrografia, sozologia. Jest więc w pewnym zakresie nauką interdyscyplinarną, łączącą zarówno dorobek biologii, jak i nauk o środowisku.

Zakres badań ekologii na tle organizacji żywej materii

Podstawowe pojęcia ekologiczne i ich definicje

Populacja - grupa osobników jednego gatunku, zamieszkujących wspólny obszar, mogących się swobodnie i skutecznie krzyżować, tzn. wydawać płodne potomstwo

Biocenoza - zespół populacji różnych gatunków, żyjących w określonej przestrzeni środowiska lądowego lub wodnego

Biotop - obszar o określonych warunkach ekologicznych, będących siedliskiem dla biocenozy lub osobnika

Ekosystem - jest to biocenoza łącznie ze swym abiotycznym środowiskiem (biotopem)

EKOSYSTEM = BIOCENOZA + BIOTOP

Działy ekologii

a) autekologia - ekologia organizmów, zajmuje się ściśle badaniem wzajemnego oddziaływania środowiska abiotycznego i organizmów żywych

b) synekologia - ekologia ekosystemów, zajmuje się badaniem grup organizmów (jako całości) w biocenozach oraz zależności ich oddziaływania na środowisko

c) sozologia - aktualnie nie jest już działem ekologii, zajmuje się problemami ochrony przyrody i jej zasobów mineralnych w celu zapewnienia trwałości ich użytkowania

Struktura i funkcjonowanie ekosystemu

Ekosystem = biocenoza + biotop jest to układ otwarty i funkcjonuje dzięki przepływowi energii (obieg jednokierunkowy) i krążeniu materii (obieg zamknięty). Do funkcjonowania ekosystemu tj. obiegu materii konieczna jest obecność producentów, konsumentów i reducentów, a [przynajmniej producentów i destruentów. Dzięki producentom jest syntetyzowana materia organiczna, konsumenci zjadają organizmy lub martwą materię organiczną a destruenci przetwarzają martwą materię organiczną na nieorganiczną. +Rysunek.

Cykle biologiczne

Podstawą funkcjonowania ekosystemu jest przepływ energii i obieg materii. Mniej lub bardziej zamknięte zamknięte obiegi pierwiastków w przyrodzie określa się mianem cykli biologicznych. Do najważniejszych cykli biologicznych zliczamy: obieg węgla, azotu, tlenu, wody, fosforu oraz siarki.

Obieg węgla w przyrodzie

Węgiel (C) to podstawowy pierwiastek budulcowy związków organicznych. Jest włączany do obiegu w postaci CO₂, który jest asymilowany przez autotrofy (rośliny zielone, bakterie samożywne). Dzięki istniejącym łańcuchom pokarmowym węgiel przechodzi od roślin do konsumentów I rzędu (roślinożerców), a następnie do konsumentów II rzędu (zwierząt mięsożernych). Węgiel wraca do obiegu jako CO₂, powstający w procesie oddychania heterotrofów i autotrofów.

Zawartość CO₂ w atmosferze jest utrzymywana na poziomie 0,03%, jednak bilans ten ulega zmianie w wyniku działania przemysłu (spalanie ropy, węgla, drewna) przez co do atmosfery dostaje się coraz więcej CO₂.

Obieg azotu w przyrodzie

Azot (N) jest podstawowym pierwiastkiem wchodzącym w skład białek, a także kwasów nukleinowych. Azot atmosferyczny, pomimo że zawartość jego w powietrzu wynosi 78%, jest bardzo trudno dostępny dla roślin. Rośliny poza nielicznymi wyjątkami czerpią azot z gleby i wody, głównie w postaci jonów amonowych lub azotanowych. Przyswojony przez rośliny azot jest w postaci białka roślinnego wykorzystywany przez konsumentów. Produkty metabolicznych przemian białek i innych związków azotowych są wydalane przez zwierzęta jako amoniak, mocznik i kwas moczowy.

Azotany w przyrodzie pochodzą głównie z procesów nitryfikacyji, które zachodzą dzięki obecności bakterii nitryfikacyjnych. Bakterie te są zdolne do asymilacji NO₂ dzięki energii uzyskanej z utleniania amoniaku do azotynów i z azotanów do azotynów.

Procesem przeciwnym do nitryfikacji jest denitryfikacja, czyli redukcja azotanów lub azotynów do N₂, przeprowadzana przez bakterie denitryfikacyjne. Uwalniając azot do atmosfery, spełniają one niekorzystną rolę w przyrodzie (zubożają wodę i glebę).

Produktywność ekosystemu - jest to ilość substancji organicznej wytwarzanej w jednostce czasu lub intensywność magazynowania energii w związkach organicznych. Produktywność dzieli się na pierwotną i wtórną.

Produktywność pierwotna to tempo wytwarzania materii organicznej przez producentów:

a) brutto - produkcja materii organicznej z nieorganicznej

b) netto - produkcja brutto minus straty związane z oddychaniem.

Produktywność wtórna to tempo przyswajania materii organicznej i magazynowania energii przez konsumentów.

Sukcesja ekologiczna i jej znaczenie w przyrodzie

Sukcesja to uporządkowany, stopniowy proces kierunkowych zmian biocenozy, powodujących przeobrażanie się prostych ekosystemów w bardziej złożone. W warunkach naturalnych zmiany te wiążą się głównie z przekształcaniem środowiska, prowadzącym do rozwinięcia się nowej biocenozy, środowiska, w którym panuje stan równowagi, zwany klimaksem. Wyróżniamy 2 rodzaje sukcesji: pierwotną i wtórną.

Sukcesja pierwotna - dotyczy terenów dotąd nie zmienionych przez działalność organizmów żywych, a więc terenów niewykorzystanych dla życia np. pustynie, skały. Jest to proces bardzo powolny.

Sukcesja wtórna - jest o wiele szybsza od sukcesji pierwotnej, zachodzi na obszarach wcześniej zajętych przez inną biocenozę, a więc, tam gdzie znajdują się już warunki sprzyjające rozwojowi innych organizmów.

Etapy sukcesji pierwotnej:

- pionierskie - wkraczanie roślin pionierskich np. porostów później mchów na nie zasiedlony teren

- migracyjne - liczne gatunki roślin i zwierząt wypełniają stopniowo zajmowaną przestrzeń

- zasiedlające - pomyślne rozmieszczenie i rozprzestrzenienie organizmów zapełniających wszystkie wolne przestrzenie

- konkurencyjne - dotyczy zdobywania nisz ekologicznych przez organizmy ekspansywne; komplikują się łańcuchy oraz sieci troficzne

- stabilizacji - zbiorowisko osiąga względną równowagę (homeostazę biocenotyczną), tworzy stadium klimaksu

Sukcesja ekologiczna na przykładzie jeziora

A) jezioro przed sukcesją

B) odkładająca się na dnie jeziora materia tworzy grube pokłady mułu

C) jezioro staje się płytsze; wypłycanie się brzegów prowadzi do przesuwania się granicy lądu i wody

D) jezioro stopniowo zarasta

E) dalsze zmiany sukcesyjne prowadzą do powstania lasu według schematu: bagno, torfowisko, zarośla krzewiaste, las

Przegląd wybranych ekosystemów

Las - jest najbardziej złożonym ekosystemem lądowym, w którym głównym składnikiem są drzewa. Układ roślinności (struktura) w typowym lesie jest zwykle warstwowy. Wyróżnia się w nim:

- drzewostan - warstwa najwyższa dużych drzew np. sosny, świerki, dęby

- podszyt - warstwa niższa na którą składają się krzewy i małe drzewa

- runo leśne - najniższa nadziemna warstwa lasu, tworzą ją rośliny zielone, drobne krzewiki (borówki, jagody), paprocie, mchy, porosty, grzyby.

Torfowisko - jest przykładem ekosystemu lądowego, przystosowanego do warunków o znacznej wilgotności podłoża. Powstaje w wyniku wypłycania się zbiorników wodnych lub utrudnionego odpływu wód odpadowych. Wyróżniamy 3 typy torfowisk:

- torfowisko niskie (łąkowe) - tworzy się w rejonach, gdzie istnieje przepływ wód.

- torfowisko wysokie (mszar) - tworzy się w rejonach o obfitych opadach atmosferycznych, gdzie nie ma odpływu wód.

- torfowisko przejściowe - wykazuje pośrednie właściwości torfowiska niskiego i wysokiego

Jezioro - to naturalny zbiornik wodny nie mający swobodnej wymiany wód z morzem. W jeziorze występują trzy główne strefy:

- litoral - płytka przybrzeżna strefa jeziora, którą zarasta naczyniowa roślinność wodna

- pelagial - strefa otwartej wody, w której dodatkowy wyróżnia się strefę naświetloną (fotyczną) i strefę bez światła (afotyczną)

- profundal - strefa przydenna

Powietrze - to bezbarwna i bezwonna mieszanina gazów o skaldzie: 78,09% N, 20,95% O, 0,93% Ar, 0,03% CO₂ oraz pary wodnej i zanieczyszczeń pochodzenia organicznego i mineralnego.

Zanieczyszczenie powietrza następuje wskutek wprowadzania do niego substancji stałych, ciekłych lub gazowych w ilościach, które mogą oddziaływać szkodliwie na zdrowie człowieka, klimat, przyrodę żywą, glebę, wodę lub powodować inne szkody środowisku.

Wśród zanieczyszczeń powietrza wyróżnia się:

- zanieczyszczenia pochodzenia naturalnego - powstałe na skutek wybuchów wulkanów, pożarów lasów, burz pisakowych, huraganów, procesów rozkładu materii organicznej (na bagnach), bakterie i inne drobnoustroje

- zanieczyszczenia pochodzenia antropogenicznego (sztucznego) - związane z działalnością człowieka np. przemysł, gospodarstwa domowe, pojazdy mechaniczne, rolnictwo

Podział zanieczyszczeń ze względu na stan skupienia:

- stałe - popioły, sadze, pyły mineralne, metaliczne i organiczne, pyły radioaktywne, rdza i inne tlenki metali, pyły produkcyjne

- ciekłe - środki ochrony roślin dostające się do powietrza podczas oprysków,

- gazowe -substancje lotne powstałe podczas spalania

Smog - (mgła inwersyjna) to szczególnie niebezpieczny rodzaj zanieczyszczenia powietrza powstający w wyniku połączenia się dymu i mgły lub pary wodnej. Jest znaczącym czynnikiem wywołującym alergie, astmę i może doprowadzić do przewlekłej niewydolności oddechowej.

Smog siarkowy („londyński”) - powstaje w wielkich aglomeracjach klimatu umiarkowanego, w warunkach bardzo wysokiej wilgotności powietrza i przy silnej emisyjności SO₂. Charakteryzuje się wysoką koncentracją SO₂, sadzy oraz tlenku węgla (CO).

Smog fotochemiczny (typu „Los Angeles”) - tworzy się w warunkach klimatu tropikalnego lub subtropikalnego, przy dużej emisji spalin samochodowych zawierających węglowodory, tlenki azotu (NO_x) oraz tlenek węgla (CO) (czad).

Kwaśne deszcze - to opady atmosferyczne np. śniegu, deszczu, zawierające m.in. produkty przemian tlenków azotu, dwutlenku siarki, tlenków węgla. O powstaniu kwaśnych opadów w 70% decydują tlenki siarki, a w 30% tlenki azotu. Kwaśne opady przyczyniają się do zakwaszenia gleby i wód powierzchniowych, wywierają szkodliwy wpływ na szatę roślinną, w tym również na lasy. U człowieka kwaśne deszcze mogą wywoływać poparzenia zwłaszcza oczy i powiek i podrażnienia dróg oddechowych.

Dziura ozonowa - to zjawisko ubytku ozonu w ozonosferze, związane z zanieczyszczeniem atmosfery związkami reagującymi z ozonem. Związki te to chloro-fluoropochodne węglowodorów (freony), chlorek metylu, bromek metylu, czterochlorek węgla i tlenki azotu. Pierwiastki te przy powierzchni ziemi i w troposferze zachowują się obojętne, dopiero w stratosferze, pod wpływem promieniowania ultrafioletowego, uwalnia się atom chloru, który jest katalizatorem rozpadu ozonu (O₃). W ten sposób następuje spadek koncentracji (stężenia) ozonu i tworzenie się tzw. Dziur ozonowych.

Efekt cieplarniany - to zjawisko ocieplania się klimatu ziemi, polegające na zatrzymywaniu pewnej ilości ciepła emitowanego do atmosfery. Jest to spowodowane wzrostem zawartości gazów cieplarnianych, głównie dwutlenku węgla, freonów, metany u podtlenku azotu. Gazy cieplarniane mają różną zdolność pochłaniania ciepła, stąd wynika ich niejednakowy wpływ na ocieplanie się klimatu. Gazy te, głównie CO₂ (64%), z jednej strony przepuszczają widoczne dla oka pasmo fal słonecznych, a z drugiej strony absorbują promieniowanie podczerwone (cieplne), zapobiegając w ten sposób ucieczce ciepła atmosferycznego w kosmos.

---