ZARZĄDZANIE ŚRODOWISKIEM

Wykład 5

Struktura ekosystemów

Struktura ekosystemów

• Ekosystem

jest najwyższą jednostką

funkcjonalną biosfery obejmującą
biocenozę

• tj.

biotopu

– zbiόr populacji zamieszkującej

dany teren i

geotopu

- nieożywione elementy

tego terenu - podłoże, glebę, wodę, powietrze.

• Termin ten został wprowadzony w 1935 roku

przez brytyjskiego ekologa Arthura Tansley΄a
(1871-1955) jako skrόt od słόw ecological
system.

Struktura ekosystemów

• Ekosystem jest całością funkcjonalną, w

ktόrej zachodzi wymiana materii między
biocenozą i biotopem. Charakteryzuje się
swoistą strukturą gatunkową, troficzną i
przestrzenną.

• Powstaje i ulega zmianom w następstwie

przekształceń przez jedne gatunki, co
wpływa na możliwość egzystencji innych
gatunkόw lub na wymieranie jeszcze innych.

Struktura ekosystemów

•

Pomiędzy czynnikami abiotycznymi (fizycznymi i

chemicznymi) a biotycznymi (organizmami

żywymi) ustala się pewien stan rόwnowagi.

•

Czynniki biotyczne warunkują życie i rozwόj

poszczegόlnych gatunkόw, zaś czynniki

abiotyczne uczestniczą w transformacji energii

i w krążeniu materii, modyfikując tym samym

cały ekosystem.

•

Ekologia systemu zajmuje się nie tylko żywymi i

nieożywionymi składnikami ekosystemu, ale

rόwnież wzajemnymi związkami pomiędzy nimi.

Struktura ekosystemów

• Ekosystem ma strukturę czteropoziomową

:

• elementy abiotyczne

– materia nieożywiona;

• producenci

- fotoantroficzne rośliny wykorzystujące

tylko część abiotyczną ekosystemu;

• konsumenci

(kolejnych rzędόw – organizmy

cudzożywne (heterotroficzne), wykorzystujące

zarόwno część abiotyczną jak i biotyczną

ekosystemu (głόwnie zwierząta):

• reducenci

(destruenci) – heterotroficzne

mikroorganizmy przyczyniające się do rozkładu

materii organicznej. Produktami rozkładu materii są

sole mineralne wykorzystywane przez rośliny.

Struktura ekosystemów

• W przedstawionym procesie

dokonuje się przepływ energii i
materii w ekosystemie. Każdy
ekosystem dąży do osiągnięcia stanu
rόwnowagi, co określa się mianem

homeostazy

. Zjawisko to widoczne

jest najbardziej w dużych złożonych
ekosystemach.

• Homeostaza,

lub inaczej samoregulacja,

• jest to suma mechanizmόw regulacyjnych,

mających na celu utrzymanie stanu rόwnowagi

układu otwartego w sensie termodynamicznym

umożliwiający dostosowanie się układu do

zmiennych warunkόw środowiskowych.

• Jest to utrzymywanie stałego środowiska układu

ekologicznego.

• Wprowadzanie do ekosystemu nadmiernych ilości

zanieczyszczeń prowadzi do zachwiania tej

rόwnowagi przez nadmierny rozwόj jednych

gatunkόw roślin i zwierząt, a wymieraniem innych.

• Ekosystemy

ze względu na środowisko

można podzielić na lądowe i wodne, a ze
względu na wielkość na :

• małe – mikroekosystemy, np. pień drzewa,
• średnie – mezoekosystemy, np. staw, las,
• duże – makroekosystemy, np. pustynia,

tajga, tundra.

• czynniki abiotyczne

charakteryzujące

dany ekosystem (rzeźba, rodzaj gleb,

stosunki wodne, klimat itp.) kształtują

i regulują skład biocenozy, ktόra

dostosowuje się do zmienianych

warunkόw oraz do niewielkich zmian,

jakie w środowisku zachodzą.

• W konsekwencji dany ekosystem

osiąga stan rόwnowagi.

Struktura ekosystemόw

• W skład struktury wchodzi część:

• biotopowa (biocenoza) – ożywiona
• geotopowa - nieożywiona

• Oba te elementy mają złożoną

strukturę uzależnioną od wielu
czynnikόw warunkujących
funkcjonowanie danego ekosystemu.

Struktura ekosystemόw

• Czynniki biotyczne

• Do czynnikόw biotycznych zaliczamy wszystkie

organizmy żywe, które tworzą biocenozę wraz ze

wszystkimi formami oddziaływania na siebie – czyli

zależnościami między- i wewnątrzgatunkowymi.

• Do czynnikόw biotycznych należy zaliczyć

wpływ organizmόw na środowisko

abiotyczne.

• Ponieważ organizmy nie tylko przystosowują się do

warunkόw środowiskowych, ale także

przystosowują to środowisko do własnych potrzeb.

Biocenoza

• Biocenoza

( z greckiego

bios

– życie i

koinos

– wspόlny)

jest zespołem organizmόw (populacji

roślin i zwierząt) wspόłżyjących na

danym terenie

.

• Organizmy te są ze sobą powiązane –

pośrednio lub bezpośrednio- w

łańcuchu pokarmowym bądź inni

zależnościami wewnątrz- i

międzygatunkowymi.

Biocenoza

• Termin

biocenoza

został wprowadzony przez

niemieckiego zoologa Karla Möbiusa w 1877

roku.

• Biocenozę

można podzielić na:

• naturalną,

na ktόrą człowiek nie miał wpływu

(np. jezioro, morze, tajga, pustynia) i

• sztuczną,

ktόra w jakiś sposόb została

przekształcona przez człowieka (np. sad,

pole uprawne, staw).

Biocenoza

• Uwzględniając rόżnice w wymaganiach

co do warunkujących panujących w

danym siedlisku oraz potrzeb

żywieniowych można dokonać podziału

organizmów na trzy grupy:

• producentόw,
• konsumentόw i
• reducentόw (destruentόw), ktόrzy

tworzą łańcuch troficzny.

• Producenci – autotrofy

(autós- samo i

trophós – żywiciel), to organizmy
samożywne, fotoautotroficzne i
chemoautotroficzne, wytwarzające z
prostych związkόw nieorganicznych
(mineralnych) złożone substancje
organiczne.

• Są to glony zielone i niektόre bakterie

(posiadające barwniki asymilacyjne,
samomodzielnie wytwarzające glukozę).

Producenci

• W odpowiednich warunkach – w obecności

m.in. obecności azotu, fosforu i siarki –

glukoza umożliwia biosyntezę innych

substancji. Producenci są jedynymi

wytwόrcami materii organicznej,

warunkującymi życie pozostałym

organizmom, ktόre nie są zdolne do

wytwarzania związkόw organicznych.

• W procesie tym dzięki działalności roślin

fotosytetyzujących wydzielany jest do

atmosfery tlen warunkujący życie wszystkim

aerobom biosfery.

Produkcja pierwotna

• Masa wytworzona przez producentόw określana jest

mianem produkcji pierwotnej.

• Rozrόżniamy produkcję:

– pierwotną brutto – wszystka materia organiczna powstająca w

procesie syntezy,

– pierwotna netto – czyli produkcja czysta, jest to całkowita ilość

węgla związanego przez rośliny w procesie fotosyntezy, a

pomniejszona o ilość węgla zużytego w procesie oddychania.

Jest to rόżnica pomiędzy produkcją pierwotną brutto a respiracją.

Produkcja pierwotna netto = produkcja brutto – (minus)

respiracja

Konsumenci

• są to organizmy cudzożywne

(heterós- inny, cudzy i trophós-
żywiciel)

• Głόwnie zwierzęta, ktόre wymagają –

jako źrόdła energii i związkόw
organicznych – substancji
biogennych

Konsumenci

• Ze względu na rodzaj pożywienia wyrόżnia się za

Nawirską (2006):

• konsumentόw I rzędu – roślinożercy, ktόre odżywiają się

wyłącznie roślinami (koń, koza),

• konsumentόw II rzędu – mięsożercy, ktόre żywią się

konsumentami I rzędu (tygrys, lew),

• konsumentόw III rzędu – mięsożercy żywiący się

konsumentami II rzędu (szczupak),

• konsumentόw nieokreślonego rzędu, ktόre odżywiają się

pokarmem roślinnym i zwierzęcym (dzik, niedzwiedź).

Rodzaj diety

• Nie wszystkie zwierzęta dają się zaliczyć do jednej z

wymienionych kategorii, ze względu na to, iż w czasie

swojego życia zmieniają dietę lub odżywiają się rόżnie w

zależności od tego, jaki mają pokarm do dyspozycji.

• Przyjmując jako kryterium rodzaj diety preferowany przez

konsumentόw poszczegόlnych rzędόw, zwierzęta można

podzielić na:

– monofagi

– gatunki zwierząt o bardzo wysokiej specjalizacji

pokarmowej, odżywiające się jednym rodzajem pokarmu np. miś

koala, mrόwkojady, larwy jedwabnika morwowego,

– euryfagi

– gatunki zwierząt słabo wyspecjalizowanych pod

względem wyboru pokarmu np. ryby planktonożerne, ryby

drapieżne,

– polifagi

– gatunki zwierząt o niskiej specjalności pokarmowej

(podobnie jak euryfagi), odżywiające się rόżnymi pokarmami np.

dzik, małpy człekokształtne.

Reducenci (destruenci

)

• są to rόwnież organizmy cudzożywne

(heteretroficzne). Do tej grupy należą bakterie

heterotroficzne i grzyby niższe.

• Większość z tych organizmόw są to saprofity, czyli

organizmy odżywiające się częściowo już

rozłożonymi szczątkami roślin i zwierząt lub

samodzielnie rozkładające je enzymatycznie.

• Reducenci, przekształcając materię organiczną do

postaci soli mineralnych, umożliwiają ponowne

włączenie pierwiastkόw do łańcucha pokarmowego.

Dzięki temu obieg pierwiastkόw w łańcuchu

troficznym jest cykliczny.

Poziomy troficzne

wg T. M. Traczewskiej (2005)

Producenci (organizmy

autotroficzne)

Konsumenci i reducenci

(organizmy

heterotroficzne)

Formy bez-

komόrkowe

chemo-

autotrofy

fotoautotrof

y

saprofity

pasożyty

bakterie

bakterie
sinice
glony
rośliny

naczyniowe

bakterie

grzyby

zwierzęta

bakterie

grzyby

pierwotniaki

robaki

płaskie

obleńce
inne

pasożyty

wirusy
priony

Biocenozy pod względem

funkcjonalnym

• stanowią wyraźną całość, o charakterystycznej strukturze

troficznej i określonym sekwencyjnym przepływie energii.

• W biocenozie, w której zachowana jest równowaga, ilość

poszczególnych grup organizmów (producentów,

konsumentόw i reducentόw) jest uzależniona od warunkόw

panujących w danym ekosystemie.

– Jeżeli są one dobre, to biocenoza jest bardzo zrόżnicowana.
– Jeśli zaś rόwnowaga w ekosystemie jest zachwiana – tym mniej

gatunkόw w nim występuje.

• Przy braku konkurencji jeden z gatunkόw jest dominujący,

świadczy to niekorzystnych warunkach, ktόre mogą

zagrozić istnieniu ekosystemu.

Dominanty ekologiczne

• Nie wszystkie organizmy wchodzące w skład

biocenozy mają jednakowy wpływ na jej

funkcjonowanie. Z setek czy tysięcy gatunkόw

występujących w biocenozie stosunkowo niewiele

ma na nią zasadniczy wpływ dzięki swojej

liczebności, wielkości osobnikόw czy produkcji i

innych aktywnościach życiowych.

• Gatunki, czy też grupy gatunkόw, ktόre w obrębie

poziomόw troficznych wywierają decydujący

wpływ na przepływ energii i środowisko życia

wszystkich pozostałych gatunkόw, zwane są

dominantami ekologicznymi.

Dominanty ekologiczne

• Stopień dominanty wyraża się za pomocą wskaźnika

dominacji charakteryzującego znaczenie każdego

gatunku w biocenozie jako całości.

• Większość gatunkόw występujących w biocenozie to

gatunki o małej liczebności, co nie oznacza, że nie

mają one znaczenia, gdyż warunkują one

rόżnorodność.

• Usunięcie dominantόw może spowodować

zasadnicze zmiany nie tylko w biocenozie, ale i w

środowisku fizycznym np. mikroklimatu. Najczęściej

dominantami są gatunki, ktόre w obrębie swej grupy

troficznej wykazują najwyższą produktywność.

Dominanty ekologiczne

• Stosunek liczby gatunkόw do ich

wspόłczynnikόw znaczenia (liczebność
gatunkόw, biomasy, produktywności) nazywa
się wspόłczynnikiem rόżnorodności
gatunkowej.

• W niekorzystnych warunkach fizycznych

środowiska liczba gatunków dominujących
jest mniejsza np. na pustyni, stepie, tundrze,
za to wpływ każdego z nich jest większy.

Biocenozy można klasyfikować na

podstawie:

• głόwnych cech strukturalnych takich, jak:

– gatunki dominujące
– formy życiowe
– gatunki wskaźnikowe.

• fizycznego środowiska biocenozy (siedliska),

• właściwości funkcjonalnych np. typ

metabolizmu biocenozy.

Typy interakcji

• Interakcja to wzajemne oddziaływanie nie

tylko pomiędzy organizmami a
środowiskiem, lecz także pomiędzy
biotycznymi składnikami biocenozy.

• Zachodzi ono między osobnikami tego

samego gatunku (interakcje
wewnątrzgatunkowe), a także pomiędzy
rόżnymi gatunkami roślin i zwierząt
(interakcje międzygatunkowe).

Typy interakcji

• Interakcje dodatnie występujące w biocenozie to

komensalizm,

będący formą wspόłżycia dwόch

rόżnogatunkowych populacji, w ktόrej jedna odnosi

korzyści, a druga nie ponosi szkόd.

• Protokooperacja

polega na korzystnym

oddziaływaniu dwόch rόżnogatunkowych populacji,

choć obie mogą funkcjonować samodzielnie.

• Mutualizm

- dwa gatunki czerpią korzyści, jednak

żaden nie może funkcjonować bez drugiego.

Typy interakcji

• Interakcje ujemne to antybioza,

polegająca na wydzielaniu trujących

metabolitόw przez gatunek, ktόry usiłuje

zwalczyć swoich partnerόw i opanować

środowisko.

• Pasożytnictwo

, to forma, w ktόrej pasożyt

egzystuje wyłącznie kosztem gospodarza,

wyrządzając mu określone szkody

doprowadzając wcześniej czy pόźniej do

jego śmierci (jemioła).

Typy interakcji

• Drapieżnictwo

to forma, gdzie drapieżnik

atakuje i uśmierca swoją ofiarę w ten

sposόb zdobywając dla siebie pokarm.

• Konkurencja

to forma, w ktόrej dwa

osobniki rywalizują o pewne takie same

elementy środowiska np. pożywienie.

Sytuacja taka występuje wtedy, gdy nisze

ekologiczne konkurujących osobnikόw

częściowo się pokrywają.

Sieć pokarmowa (troficzna)

• Uproszczony obraz zależności pokarmowych w biocenozach

złożonych z rόżnych liniowych sekwencji i zależności określa

się mianem łańcucha pokarmowego (troficznego).

• Istnieją dwa podstawowe typy łańcuchόw troficznych:

– łańcuch rozpoczynający się od roślin zielonych poprzez

zwierzęta roślinożerne do drapieżnikόw,

– łańcuch detrytusowy zaczynający się od martwej materii

organicznej poprzez mikroorganizmy do detrytusożernych

oraganizmόw (saprofagόw) i zjadających je drapieżnikόw.

• Układ związanych ze sobą łańcuchόw troficznych tworzy

sieć pokarmową (troficzną).

Populacja

• jest zbiorem osobnikόw tego samego gatunku,

zajmujących określony teren w tym samym czasie i

mogących się swobodnie krzyżować (np. karpie w

jednym stawie).

• Teren, na ktόrym egzystuje dana populacja, to

siedlisko.

• O tym, czy dana populacja (gatunek) może

występować w danym siedlisku, decydują zarόwno

warunki fizyczne (temperatura, ciśnienie), chemiczne

(obecność tlenu, substancje pokarmowe), jak

rόwnież biologiczne (obecność innych gatunkόw).

Czynniki abiotyczne

• wpływają na zagęszczenie oraz rozmieszczenie

populacji w środowisku.

• Zagęszczenie to liczba gatunkόw przypadająca na

jednostkę powierzchni w jednostce czasu.

• W ramach zajmowanego terenu populacja może

być rόżny sposόb rozmieszczona. Wyrόżnia się

trzy sposoby rozmieszczenia:

– losowe

– rόwnomierne

– skupiskowe

Czynniki abiotyczne

• Z rozmieszczeniem losowym mamy do

czynienia wtedy, gdy osobniki są w przestrzeni

rozmieszczone w sposόb przypadkowy.

• Rozmieszczenie rόwnomierne jest wtedy, gdy

osobniki są od siebie mniej więcej rόwno

oddalone.

• Rozmieszczenie skupiskowe charakteryzuje się

koncentracją osobnikόw w pewnym fragmencie

przestrzeni.

Populację charakteryzuje szereg cech:

• zagęszczenie, czyli wpływ, jaki przez liczebność

wywiera populacja na biocenozę i ekosystem,

• rozrodczość, czyli właściwa populacji zdolność do

wzrostu. Rozrόżnia się rozrodczość (fizjologiczną),

rozrodczość ekologiczną (rzeczywistą), ktόra odnosi

się do wzrostu populacji zachodzącego w pewnych

ściśle określonych warunkach środowiska,

• śmiertelność, ktόra dotyczy umieralności

osobnikόw w populacji: śmiertelność ekologiczna

(rzeczywista) jest to ubytek osobnikόw w danych

warunkach środowiska,

Populację charakteryzuje szereg

cech:

• rozkład wiekowy, czyli udział rόżnych grup wiekowych

(tzn. W wieku przedrozrodczym, rozrodczym i

porozrodczym), od ktόrego zależy potencjał rozrodczy i losy

populacji,

• potencjał biotyczny, ktόry dotyczy wskaźnika

maksymalnego wzrostu populacji, ktόry stanowi wartość

porόwnawczą do miary oporu środowiska,

• typ krzywej wzrostu, ktόra odzwierciedla

charakterystyczny wzrostu populacji: wykładniczy, kiedy

opόr środowiska zaczyna wywierać wpływ na przyrost

zagęszczenia i gwałdownie je zatrzymuje, i esowaty, gdy

początek przyrostu odbywa się powoli, potem ma charakter

logarytmiczny, lecz wkrόtce ulega zwolnieniu.

Osobnik

•

Elementem wszystkich, omawianych powyżej, układόw

biotycznych są organizmy.

•

Każdy organizm, bez względu na jego wielkość i

złożoność budowy, może być uznany za układ biotyczny.

•

W każdym organizmie zachodzą takie same procesy

warunkujące mu życie, czyli przemiana materii i

oddychanie.

•

Każdy osobnik charakteryzuje się specyficzną wielkością

i kształtem, przemianą materii, zdolnością ruchu,

pobudliwością, rozmnażaniem i przystosowaniem.

Interakcje

• Interakcje pomiędzy organizmem a jego otoczeniem,

zarόwno ożywionym jak i nieożywionym, mają decydujący

wpływ na powstanie , rozwόj i przekształcanie się w układy

wyżej zorganizowane:

– populacje o określonej strukturze wiekowej,

– przestrzennej

– biocenozy ze swoimi powiązaniami troficznymi,

ekosystemy dążące do osiągniecia hemeostazy.

• Analiza powyższych zmian pozwala zrozumieć przebieg

ewolucji gatunkόw, zachodzącej w złożonej strukturze

ekosystemόw i obejmującej kolejne etapy przystosowania

się (adaptacji) organizmόw przystosowanych do życia

praktycznie we wszystkich warunkach środowiskowych.

Nisza ekologiczna

• Nisza ekologiczna określa rolę i czynności

organizmu w środowisku, a więc sposόb jego
życia.

• Jest ona określona przez wymagania danego

organizmu w stosunku do warunkόw
środowiskowych, determinowanych przez:

– warunki w jakich bytuje dany organizm,
– zasoby, jakie może wykorzystywać,
– czas, w jakim jest obecny.

Wyrόżniamy dwa rodzaje nisz:

• potencjalną (inaczej podstawową)

• realizowaną (rzeczywistą).

– Nisza podstawowa to taka, ktόra wynika z oddziaływania

czynnikόw abiotycznych.

– Nisza realizowana wynika z ograniczenia niszy podstawowej. W

takiej niszy nie wszystkie wymagania organizmόw są spełniane,

ale mimo to mogą w niej egzystować.

• Należy odrόżnić pojęcie niszy ekologicznej od siedliska. Nisza

ekologiczna jest pojęciem znacznie szerszym niż siedlisko.

• Znaczna większość czynnikόw ograniczających to czynniki

fizyczne lub chemiczne. Dowiedziono, że zarόwno niedobόr, jak

i nadmiar są czynnikami limitującymi rozwόj.

„Prawo minimum”

• Ma tu zastosowanie „prawo minimum” chemika

Justusa von Liebiga (1803-1873), ktόre głosi, że

„wzrost roślin jest ograniczony przez ten czynnik

pokarmowy, ktόry w środowisku znajduje się w ilości

minimalnej”.

• Prawo to rozszerzył Victor Shelford w 1911 roku jako

„prawo tolerancji”, w kόrym twierdził, że „nie tylko

zbyt mała ilość jakiegoś składnika, lecz także ilość

zbyt duża , może stanowić czynnik ograniczający”.

• K.