STRUKTURA PRZESTRZENNA EKOSYSTEMU

* wszystkie elementy składające się w ekosystem są ze sobą powiązane zależnościami związanymi z przepływem energii i obiegiem materii

BIOCENOZA

* w jej obrębie wyróżniamy dwie zasadnicze grupy ekologiczne

organizmów
KONSUMENCI

* ich rozmieszczenie przestrzenne jest bardzo różne
a) biofagi (odżywiają się żywą biomasą)

b) saprobionty
- saprofagi (odżywiają się częściowo rozłożonymi szczątkami roślin i

zwierząt)
- wśród nich są reducenci, czyli grupa organizmów (głównie grzybów

i bakterii) rozkładających martwą materię organiczną, reducenci są
ogniwem łączącym konsumentów z producentami, bytują w

najniższych partiach ekosystemu
PRODUCENCI

* ekosystem jest układem otwartym i wymaga stałego dostarczania
energii, którą wykorzystują producenci, głównie fotoautotrofy,

dlatego ich zielona biomasa skoncentrowana jest w najwyższych
partiach ekosystemu (tam, gdzie dociera światło)

KOMPONENTY EKOSYSTEMU

ŚRODOWISKO

NIEOŻYWIONE

EKOTON

* granica pomiędzy ekosystemami

zajmującymi określony obszar i wyraźnie
odgraniczonymi od siebie

* zazwyczaj jest to przejściowy pas o różnej
szerokości

* jest miejscem bogatym pod względem
różnorodności gatunkowej – można tu spotkać

osobniki należące do obu ekosystemów, a także
florę i faunę charakterystyczną tylko dla

ekotonu
* przykład ekotonu:

- zadrzewienia śródpolne

PRZEPŁYW ENERGII

* wszystkie układy żywe są zdolne do przekształcania różnych form energii

* przemianom tym zawsze towarzyszą straty, więc istnieje konieczność stałego dostarczania energii zewnątrz

* energię, która jest dostępna dla organizmów żywych stanowi promieniowanie słoneczne

ŚWIATŁO

* stanowi większość energii dostępnej dla

organizmów żywych
* do górnych warstw atmosfery ziemskiej

dociera go średnio ok. 8,3 J/cm

2

/min

* przy przechodzeniu przez atmosferę straty

wynoszą 30-33%
* pewna część energii jest absorbowana

przez chmury i wilgoć w powietrzu (15-
50% ilości początkowej)

* w sumie w strefie klimatu umiarkowanego
do powierzchni roślin zielonych dociera ok.

4,46-6,1 kJ/m

2

/rok

* najprawdopodobniej większa część

powierzchni naszego globu (z wyjątkiem
okolic okołobiegunowych i tropikalnych

pustyń) otrzymuje energię świetlną w ilości
1,52-1,22 kJ/m

2

/rok

* są to wartości średnie, ponieważ dawka
energii, jaką otrzyma dany teren zależy od

wielu czynników (położenie geograficzne,
warunki pogodowe, ukształtowanie

powierzchni)

PROMIENIE ULTRAFIOLETOWE

* ok. 10% składu energii dochodzącej do powierzchni Ziemi
* szkodliwe dla żywych organizmów promienie ultrafioletowe o

fali do 400nm są silnie pochłaniane przez warstwę ozonu (O

3

)

PROMIENIE WIDZIALNE

* ok. 45% składu energii dochodzącej do powierzchni Ziemi
* promienie pasma widzialnego najsilniej pochłaniane są przez

rośliny zielone, ponieważ ich chlorofil ma maksimum absorpcji
dla fal o długości ok. 450nm (światło niebieskie) i długości ok.

680nm (światło czerwone)
* stąd wysoka użyteczność tych promieni dla fotoautotrofów

* mają dużą zdolność przenikania przez powłokę chmur,
dzięki czemu skuteczna fotosynteza może przechodzić także w

dni pochmurne

PROMIENIE PODCZERWONE

* ok. 45% składu energii dochodzącej do powierzchni Ziemi
* promienie te o długości fali powyżej 700nm są silnie

absorbowane przez chmury, parę wodną i wodę w liściach
* niosą ze sobą największe dawki energii termicznej (ciepło jest

niezbędne do przeprowadzania czynności życiowych)
* większe odchylenia temperatury są bardzo niebezpieczne dla

wszystkich organizmów
* jednocześnie energię cieplną trudno jest przekształcić w inne

formy czy magazynować

APARAT FOTOSYNTETYCZNY

* pozwala roślinom zielonym

zamieniać energię świetlną
Słońca na chemiczną

asymilatów
* w samym procesie fotosyntezy

wydajność tych przemian sięga
30%

* reszta energii rozprasza się
głównie w postaci ciepła

* w rzeczywistości w warunkach
naturalnych straty są jeszcze

większe
* w skali globalnej jednak ilość

energii chemicznej związanej w
asymilatach jest ogromna i w

zupełności wystarcza do pokrycia
zapotrzebowania heterotrofów

KRĄŻENIE MATERII

* przemiana materii towarzyszy przemianom energii
* każdy żywy organizm cechuje zdolność do przemiany materii i energii (metabolizm)

- jego intensywność zależy m.in. od sposobu odżywiania, wielkości, wieku i warunków siedliskowych danego organizmu
* krążenie materii w ekosystemach przebiega nieco odmiennie i zależy od ich wielkości, składu gatunkowego, relacji wewnętrznych i warunków

abiotycznych
* podstawę funkcjonowania prawie każdego ekosystemu stanowią rośliny zielone

- w ciągu roku potrafią wytworzyć około 10 mld ton materii organicznej
- tworzą więc ogromną bazę pokarmową dla wszystkich heterotrofów

* procesy życiowe, takie jak oddychanie prowadzą rokrocznie do rozłożenia podobnej ilości materii organicznej na dwutlenek węgla i
wodę

* w ten sposób utrzymuje się globalna równowaga w bilansie kluczowych pierwiastków biogennych: węgla, tlenu, wodoru, azotu
* materia krąży więc w środowisku głównie dzięki przemianom związanym z metabolizmem żywych organizmów

PRODUKTYWNOŚĆ EKOSYSTEMÓW

PRODUCENCI

* produktywność pierwotna – wskaźnik tempa,

w jakim producenci przekształcają energię świetlną
w energię chemiczną związków organicznych

(zawartą w swojej biomasie)
* produktywność pierwotna netto – przyrost

biomasy autotrofów w jednostce czasu
- na ok. 5*10

6

kJ/m

2

/rok energii promieniowania

słonecznego produkcja pierwotna jest dwa razy
mniejsza od produkcji pierwotnej brutto

* produktywność pierwotna brutto – suma
produktywności pierwotnej netto i kosztów

utrzymania związanych z przeprowadzaniem
procesów życiowych autotrofów

produktywność netto + koszt utrzymania =
produktywność brutto

- na ok. 5*10

6

kJ/m

2

/rok energii promieniowania

słonecznego produkcja pierwotna brutto obszarów

lądowych wynosi ok. 4,2*10

4

kJ/m

2

/rok

KONSUMENCI

* produktywność wtórna –

szybkość, z jaką konsumenci
wykorzystują część energii i materii do

produkcji własnej biomasy
* produktywność wtórna netto -

przyrost biomasy heterotrofów w
jednostce czasu

* produktywność wtórna brutto -
suma produktywności wtórnej netto i

kosztów utrzymania związanych z
przeprowadzaniem procesów życiowych

heterotrofów

WYDAJNOŚĆ EKOLOGICZNA

* wydajność ekologiczna pierwszego poziomu

troficznego – kumulowanie przez producentów 1-
5% energii docierającej do ich poziomu

- z tej ilości ok. 50% zużywają na własne potrzeby
- dla heterotrofów zostaje 0,5-2,5%

* wydajność ekologiczna kolejnych poziomów
konsumentów wynosi ok. 10%

- zależy to od przyswajalności pokarmu oraz od strat
energii na utrzymanie równowagi cieplnej

* ilość dostępnej energii maleje w tempie
wykładniczym i dlatego w przyrodzie funkcjonuje

zwykle 3-5 bezpośrednich ogniw łańcuchów
pokarmowych

* mała dostępność energii dla kolejnych poziomów
troficznych wymusza powstanie zależnościowych

sieci, w których zwykle jeden gatunek należy do
kilku poziomów troficznych

* organizmy zdolne do funkcjonowania na niższym
poziomie troficznym mają do dyspozycji więcej

energii (pożywienia)

ZALEŻNOŚCI POKARMOWE

ŁAŃCUCHY

BIOFAGÓW/SPASANIA

- producenci (rośliny zielone)
- konsumenci I rzędu (zwierzęta

roślinożerne
- konsumenci II rzędu (zwierzęta

drapieżne)
- konsumentów może być więcej

ŁAŃCUCHY

SAPROFAGÓW/DETRYTUSOWE

- martwa materia organiczna
(detrytus)

- mikroorganizmy lub saprofagi
- konsumenci I rzędu (drapieżniki)

- konsumentów może być więcej
* większa różnorodność

biologiczna niż u briofagów (większy
procent energii jest tracony w

kolejnych poziomach troficznych –
szczątki organizmów, odchody

zwierząt)

ŁAŃCUCHY POKARMOWE W EKOSYSTEMACH

* oba rodzaje łańcuchów funkcjonują we

wszystkich biocenozach
* w uboższych ekosystemach albo

niecałkowicie rozwiniętych łańcuchy zwykle są
krótkie (pola uprawne, wydmy)

* ekosystemy zasobne, złożone cechują się
wydłużaniem łańcuchów (rafy koralowe, żyzne

lasy, jeziora)
* typowe, proste łańcuchy są rzadkie w

przyrodzie
- funkcjonują gdy kilka ogniw konsumenckich

tworzonych jest przez monofagi (zwierzęta
odżywiające się tylko jednym rodzajem pokarmu,

Np. koala – liście eukaliptusa, panda wielka –
pędy bambusów)

* jeden organizm może jednak funkcjonować na
wielu poziomach troficznych jednocześnie (lis),

dlatego zazwyczaj występują złożone sieci
zależności troficznych

CYKLE BIOGEOCHEMICZNE

SKŁAD CYKLU

* cykl biogeochemiczny – globalny obieg pierwiastka
* zasoby cyklu:

a) pula zasobów
- podstawowa część całkowitej ilości pierwiastka, która znajduje się w

formie nieograniczonej poza ciałami organizmów żywych
- przemiany mają tu charakter abiotyczny

b) pula wymienna
- część pierwiastka, która znajduje się w żywych organizmach i ich

bezpośrednim środowisku
- przemiany mają charakter biotyczny i są znacznie szybsze

* podział cykli
a) cykl gazowy

- podstawowy zapas (rezerwuar) pierwiastka znajduje się w
atmosferze lub jest rozproszony w oceanach (C, N

2

, O

2

)

b) cykl sedymentacyjny
- pula zasobów znajduje się w skorupie ziemskiej (P, S, Fe)

OBIEG WĘGLA

* równowaga pomiędzy pulą zasobów a wymienną wynika
głównie z dużej intensywności fotosyntezy i oddychania

(dwóch przeciwstawnych procesów)
* w ostatnich latach równowaga przesuwa się w stronę

zwiększania zawartości CO

2

w atmosferze

- prawdopodobnie przyczyną jest rosnąca emisja dwutlenku

węgla przez przemysł i środki transportu oraz wycinanie lasów
- wynikiem tego jest niepożądany efekt cieplarniany

OBIEG AZOTU

* pula zasobów jest stabilniejsza niż w przypadku węgla

- azot atmosferyczny jest nie przyswajalny dla organizmów wyższych
* przyswojenie tego pierwiastka wymaga dużych nakładów energii i specyficznego aparatu

enzymatycznego, aparatem takim dysponują wyłącznie niektóre bakterie
- cudzożywne, glebowe z rodzaju Azotobacter (tlenowe) i Clostridium (beztlenowe)

- więcej azotu wiążą symbiotyczne bakterie brodawkowe z rodzaju Rhizobium, które rozwijają się w
korzeniach roślin motylkowych (stąd celowo stosuje się w rolnictwie płodozmiany z udziałem takich

gatunków)
- sinice warunkują żyzność pól ryżowych w Azji

- jak wykazały badania 20 wieku obróbkę azotu cząsteczkowego potrafią skutecznie przeprowadzać
także inne Prokarioty (heterotroficzne i autotroficzne)

* średnio około 95% azotu wiążą żywe organizmy, a jedynie ok. 5% pochodzi z wyładowań
elektrycznych i zjawisk fotochemicznych w atmosferze

* sprowadzony do postaci jonowej azot jest wbudowywany w białka i kwasy nukleinowe roślin, a
następnie zjadających je zwierząt

* związki organiczne zawierające azot znajdują się w wydalinach zwierząt i stanowią sporą część
biomasy obumarłych organizmów

- ulegają rozkładowi, a azot ulega mineralizacji do amoniaku (amonifikacja)
- w takiej postaci ulega nitryfikacji do azotynów (bakterie z rodzaju Nitrosomonas)

- następnie ulega nitryfikacji do azotanów (bakterie z rodzaju Nitrobacter)
- w ten sposób powstają sole azotowe przyswajalne dla roślin zielonych i cykl się zamyka

* wiązanie wolnego azotu równoważone jest przez procesy denitryfikacyjne, przeprowadzane przez
niektóre bakterie

* część materiału organicznego opada na dno oceanu i zostaje wycofana z obiegu

PRZYCZYNY CYKLI

* przemiany biochemiczne zachodzące w organizmach
żywych

* wpływ człowieka
- eksploatacja surowców mineralnych i niewłaściwe ich

wykorzystanie prowadzi do zaburzenia równowagi pomiędzy
pulami

- w wielu miejscach gromadzone są odpady zawierające np.
duże ilości cynku, żelaza, magnezu i miedzi

- przemysłowa działalność człowieka przyspiesza większość
obiegów oraz powoduje poważne zaburzenia w

funkcjonowaniu ekosystemów
- w przyszłości powinno się ograniczyć zużycie surowców i

upowszechnić metody odzyskiwania ich z odpadów (recykling)

SUKCESJA EKOLOGICZNA

SUKCESJA – rozwój ekosystemów

* proces kierunkowych zmian prowadzących do stopniowego przekształcania się
ekosystemów

* polega na kolejnym zastępowaniu określonych zbiorowisk roślinnych i
towarzyszących im populacji zwierzęcych przez zbiorowiska roślinne i populacje

zwierzęce coraz bardziej złożone
* stadia seralne – przejściowe stadia sukcesyjne

* sera – szereg stadiów seralnych (pojęcie używane także do biocenoz)
* klimaks – ostateczna postać ekosystemu, która wykształca się w określonych

warunkach klimatyczno-geologicznych (pojęcie używane także do biocenoz)
* schemat sukcesji:

Stadium seralne 1



stadium seralne 2



stadium seralne 3







klimaks

* sukcesja pierwotna – zaczyna się na terenie niezajętym przez żadną biocenozę

(zarastanie odsłoniętego zbocza lub stoków wulkanu pokrytych popiołami
wulkanicznymi)

* sukcesja wtórna – biocenoza rozwija się na terenie zajętym wcześniej przez inną
(wyręby, obszary okresowo zalewane, pożarzyska, ugory)

* sukcesja jest procesem długotrwałym
- w naszych warunkach klimatycznych sukcesja pierwotna od piasku do lasu trwa ok.

1000 lat (jeśli las będzie rozwijał się na porzuconym polu, sukcesja wtórna potrwa już
tylko ok. 200 lat)

- wycinanie i wypalanie wilgotnych lasów równikowych prowadzi do odsłonięcia gleb,
które są bardzo podatne na erozję wodną, przy dużej ilości opadów skutkiem jest

gwałtowne ubożenie podłoża, w takich warunkach tropikalnych sukcesja wtórna
prowadzi do wykształcenia formacji zaroślowych i lasopodobnych (trwa ok. 10 tys lat

ale nie zawsze można odtworzyć pierwotną postać ekosystemu)

ZARASTANIE NADMORSKIEJ WYDMY – SUKCESJA PIERWOTNA

* materiałem budulcowym jest jałowy piasek o dużej przesiąkalności i zasoleniu
* organizmami pionierskimi, które rozwijają się w takich warunkach, są głównie trawy

piaskolubne (psammofity), umacniające podłoże
* wśród pionierów wkrótce pojawiają się m.in. porosty, turzyca piaskowa, mikołajek nadmorski

(przywędrowują z różnych okolic)
* pierwsi przybysze wywierają nikły wpływ na siebie i podłoże

* w miarę zwiększania liczebności populacji zagęszczenie rośnie i oddziaływania się nasilają
* umożliwia to gromadzenie nawiewnego pyłu i niewielkich ilości detrytusu wokół

organizmów pionierskich
* te drobne zmiany powodują pojawienie się innych traw, kocanek oraz bratka nadmorskiego

* po jakimś czasie ich rozwój ogranicza występowanie gatunków pionierskich, gdyż następcy
osiągają większą biomasę i intensywniej fotosyntetyzują

* w ten sposób nasila się odkładanie materiału organicznego w podłożu
* umożliwia to pojawienie się licznych organizmów przyspieszających procesy glebotwórcze

(wrotki, nicienie)
* pierwotnie martwe podłoże mieniło swe właściwości fizyczno-chemiczne, nabierając cech gleby

piaszczystej
* kolejne stadium seralne wykazywać będzie dominację krzewinek i krzewów (wrzosu, wierzby

piaskowej)
* wzrośnie liczba gatunków owadów i pajęczaków

* zmiany mikroklimatyczne i rozwój gleb zwiększą atrakcyjność siedliska, dlatego coraz więcej
gatunków będzie ze sobą konkurować o pokarm, wodę, światło itd.

* zmiana warunków umożliwi wzrost sosen
* stadium najpełniej rozwiniętym będzie nadmorski bór sosnowy

ZARASTANIE JEZIOR

* wynika głównie z gromadzenia się osadów na dnie zbiorników wodnych
* akumulacja prowadzi do spłycania toni wodnej i umożliwia porastanie dna

roślinnością podwodną
* jednocześnie od strony brzegu jezior śródleśnych często nasuwają się

torfowiska, które zmniejszają powierzchnię toni lustra (wody jeszcze bardziej)
* w starszych partiach torfowiska sukcesja umożliwia wchodzenie sosen, co

dodatkowo umacnia podłoże
* w ten sposób po kilku tys. lat może dojść do całkowitego zarośnięcia jeziora

WPŁYW CZŁOWIEKA

* chemizacja rolnictwa i przemysłu spożywczego wywołała w Polsce (i nie tylko) bardzo
niekorzystne zmiany

- nadmierne nawożenie pól prowadzi do wymywania znacznej części soli mineralnych
(głównie azotowych i potasowych)

- trafiają one do zbiorników wodnych, wywołując zjawisko przenawożenia (eutrofizacji)
- wzrastająca żyzność zbiornika wodnego jest powodem gwałtownego rozwoju glonów,

szczególnie nitkowatych i sinic
- gdy tak duża biomasa obumiera, destruenci szybko zużywają cały zapas tlenu

rozpuszczonego w wodzie
- rozpoczynają się procesy rozkładu beztlenowego, co prowadzi do zatrucia zbiornika

- ginie większość gatunków, pozostają nieliczne beztlenowe
* przeciwdziałanie eutrofizacji jest ważnym działaniem gospodarczym

- racjonalne nawożenie pól
- tworzenie pasów roślinności wysokiej wokół jezior i na brzegach rzek

- oczyszczanie ścieków

CHARAKTER SUKCESJI

AUTOTROFICZNY
* rozwój przebiega od biocenoz prostszych do bardziej złożonych

dzięki przewadze akumulacji własnej (wynikającej z produktywności
fotoautotrofów)

* produkcja pierwotna brutto (P) jest większa od zużycia energii na
utrzymanie całego układu (R)

* trwa do momentu, do którego wartość przyrostu biomasy autotrofów
przeważa nad kosztami oddychania (respiracji) całego układu

* po osiągnięciu stadium klimaksowego P/R jest równe w przybliżeniu 1
HETEROTROFICZNY

* dochodzi do niej w specyficznych warunkach, gdy niemożliwa jest lub
bardzo ograniczona aktywność autotrofów

* takie układy mają P mniejsze od R i dlatego uzależnione są od dostaw
materii i energii z zewnątrz

* w naturze występuje np. w jaskiniach i strefie afotycznej zbiorników
wodnych

* przyczyną mogą być ścieki odprowadzane przez człowieka