Gospodarka materią i energią w ekosystemie

Organizmy żywe nie występują w izolacji ale żyjąc w konkretnym środowisku zajmują określone, właściwe dla siebie miejsce w "wielkim życia kręgu" .Owym kręgiem jest ekosystem a właściwym dla danego organizmu miejscem jego nisza ekologiczna. Energia przepływając przez organizmy przepływa tym samym przez ekosystem a ściślej rzecz biorąc przez jego część ożywioną czyli biocenozę. Nieco odmiennie kształtuje się obieg materii ponieważ zasadniczo krąży ona w cyklu zamkniętym. Jest to możliwe ze względu na swoistą strukturę troficzną ekosystemu, która, poprzez destruentów zamyka ów obieg. Tak więc organizmy żywe włączone są w system zależności pokarmowych tworzących sieć pokarmową lub łańcuch pokarmowy. Ponieważ podstawą istnienia ekosystemów jest wiązanie energii słonecznej przez rośliny zielone można mówić o produktywności ekosystemu. Rozróżniamy produkcję pierwotną i wtórną. Poszczególne ekosystemy różnią się znacznie produktywnością.

Aby móc badać zachodzące zjawiska, należy wiedzieć co to jest ekosystem i jaką funkcję zajmuje w środowisku.

Ekosystem inaczej biocenoza jest to zespół wielogatunkowy, czyli zespół wielu populacji wspólnie zamieszkujących jeden teren, czy też ściślej jedno siedlisko. Oczywiście pomiędzy populacjami różnych gatunków nie może być mowy o związkach polegającym na przekazywaniu i mieszaniu substancji dziedzicznych. Związki pomiędzy nimi są natury czysto ekologicznej - wynikają po prostu stąd, że wszystkie te populacja zależą od jednakowych warunków panujących na danym terenie, a ponad to obecność każdej z nich jest specyficznym warunkiem zewnętrznym dla pozostałych.

Podstawą istnienia każdej biocenozy jest rozmaitość gatunków powiązanych ze sobą całym szeregiem zależności — pokarmowych, rozrodczych. Jedna grupa stanowi pożywienie dla innej grupy organizmów. Rośliny są pokarmem wielu roślinożerców, ale jednocześnie od obecności i bogactwa roślin zależy liczba i różnorodność kryjówek zwierzęcych, miejsc lęgowych dla ptaków, co z kolei limituje ich liczebność. Poszczególne organizmy rywalizują między sobą o pokarm, wodę, światło, tzn. o przestrzeń życiową. Nie zawsze i nie najczęściej jest to walka bezpośrednia; np. roślina szybciej rosnąca zasłoni dopływ światła tej, która rośnie wolniej i z biegiem czasu wyeliminuje ją ze swego sąsiedztwa zwiększając sobie ilość składników mineralnych pobieranych z podłoża.

Wszystkie populacje w biocenozie działają na siebie wzajemnie i wpływają na środowisko, w którym występują. Każda zmiana, czy to wywołana czynnikami klimatycznymi, czy działalnością organizmów, wpływa na środowisko. Zmiany środowiska zachodzące w ciągu roku powodują sezonowe zmiany biocenoz. Sezonowa zmienność wynika z tego, że w środowisku w różnych okresach panują inne, odmienne warunki. Sezonowe zmiany składu i liczebności organizmów w biocenozie wynikają z sezonowych zmian czynników środowiskowych oraz ze wzajemnego oddziaływania jednych organizmów na drugie. Tylko w nielicznych, mało zmiennych środowiskach, jak np. jaskinie czy głębie oceaniczne, nie obserwuje się sezonowości życia.

Prawidłowości zjawisk zachodzących w ekosystemie

obieg materii - ruch pierwiastków i związków nieorganicznych koniecznych do życia od środowiska do organizmu i z powrotem do środowiska . Podstawowym poziomem troficzym ( czyli poziomem łańcucha pokarmowego) w obiegu materii są rośliny zielone (producenci). Wytworzona przez nie materia organiczna jest następnie wbudowana w tkanki zwierząt (konsumentów) i powraca do obiegu w ekosystemie po rozłożeniu przez reducentów (czyli grupę organizmów glebowych z różnych grup systematycznych : bakteria , pierścienice, nicienie i owady. Których rolą jest rozkład martwej materii organicznej).

Schemat przedstawiający obieg węgla w biocenozie

Schemat przedstawiający obieg azotu w przyrodzie

Jeżeli brak jest w biocenozie bakterii zdolnych do przemiany azotu w postać przydatną dla roślin zielonych to biocenoza ta nie jest samowystarczalna i musi być zasilana jonami amonowymi lub azotanowymi z zewnątrz. Problem ten jest szczególnie zauważalny w biocenozach sztucznych (np. pola uprawne).

Przepływ materii w ekosystemie

PRODUCENCI- rośliny zielone

KONSUMENCI I - zwierzęta roślinożerne

KONSUMENCI II III-zwierzęta drapieżne

DESTRUENCI- grzyby i bakterie

Samo wystarczalność biocenoz i ich niezależność wynika z występowania w nich producentów, konsumentów i reducentów (destruentów), którzy zapewniają ciągłość krążenia materii. Uważa się, że zależności pokarmowe w biocenozach mogą być najważniejsze, bowiem utrzymują równowagę liczebną poszczególnych populacji. Podstawą powiązań pokarmowych są producenci, którzy dostarczają bazy pokarmowej konsumentom różnego rzędu. Na materii wytworzonej przez producentów i konsumentów opierają swoje istnienie destruenci.

Szereg grup organizmów ustawionych w takiej kolejności, że każda poprzednia jest podstawą pożywienia dla następnej, nazywamy łańcuchem troficznym, tj. pokarmowym. Najczęściej spotykany w przyrodzie łańcuch pokarmowy zaczyna się od producentów, a dalszymi jego ogniwami są kolejno: roślinożercy, drapieżcy jadający roślinożerców. tzn. konsumenci II rzędu i drapieżcy wyższego rzędu. odżywiający się zwierzętami mięsożernymi. Łańcuch rozpoczynający się od producentów i wiodący przez roślinożerców (konsumenci I rzędu) do drapieżców (konsumenci II rzędu)nazywa się łańcuchem spasania. Łańcuch detrytusowy zaczyna się od martwej materii organicznej (detrytusu) zjadanej przez mikroorganizmy i detrytofagi (saprobionty). które są pokarmem drapieżców.

Organizmy zajmujące taką samą pozycję w łańcuchu pokarmowym stanowią jeden poziom troficzny, jeżeli organizmy są monofagami (np. stonka), należą do jednego poziomu, ale jeśli ich pokarm jest zróżnicowany (polifagi, np. świnia, lis), mogą należeć do różnych poziomów troficznych. Łańcuchy troficzne nie są izolowanymi ciągami organizmów, ale wzajemnie się przeplatają. Dlatego w biocenozach obserwujemy złożone sieci zależności pokarmowych. Obieg energii- jest to jednokierunkowy proces w układzie otwartym, Umożliwiający funkcjonowanie każdego naturalnego ekosystemu.

Przepływ energii pokarmowej od początkowego źródła jakim są rośliny (pobierające energię słoneczną) poprzez szereg organizmów, z których każdy zjada organizm poprzedni i jest zjadany przez organizm następny nazywamy łańcuchem pokarmowym.

Każdy kolejny poziom troficzny w łańcuchu pokarmowym wykorzystuje tylko tę część energii, która została wbudowana w ciało organizmów poziomu poprzedniego. Przechodzenie więc z jednego poziomu troficznego na drugi łączy się ze stałymi stratami energii wynikającymi m.in. z utraty energii w postaci ciepła. Straty te są bardzo duże, bo przecież energia jest obficie wydatkowana przez populacje ze wszystkich pośrednich szczebli na samą aktywność życiową organizmów, a stratom energii towarzyszą też i straty materii organicznej rozkładanej w trakcie reakcji energio dajnych . Wobec tego, im wyższy szczebel łańcucha pokarmowego, tym mniejsza może być ogólna masa żywych istot wchodzących w skład populacji (tzw. biomasa).

Wyróżniamy dwa rodzaje produktywności :

- Produktywność pierwotna wskazuje na tempo, z jakim producenci przekształcają energię słoneczną w procesie fotosyntezy w energię chemiczną materii organicznej, stanowiącą potencjalne źródło pokarmu konsumentów.

Produktywność pierwotna brutto jest tempem wytwarzania materii organicznej, przy wliczeniu tej części materii, która została zużytkowana w procesie oddychania (całkowita asymilacja). Produktywność pierwotna netto odpowiada tempu magazynowania materii organicznej w tkankach roślin bez materii zużytej przez rośliny w procesie oddychania.

Produktywność pierwotną mierzy się w jednostkach biomasy lub w kaloriach na jednostkę powierzchni i jednostkę czasu (np. kg/ha/rok).

- Produktywność wtórna, tempo wiązania energii (wytworzonej przez producentów) przez konsumentów w danym ekosystemie .

W kolejnych ogniwach łańcucha pokarmowego produktywność wtórna jest coraz to mniejsza, skutkiem utraty energii przy każdym przejściu na wyższy poziom troficzny.

Im bogatsza i bardziej złożona jest biocenoza, im ma więcej poziomów troficznych — tym większe zachodzą w niej straty energii. Najbardziej wydajne są układy o krótkich łańcuchach pokarmowych, gdyż zachodzą w nich najmniejsze straty energetyczne.

Jak już wspomniałem przechodzenie energii z jednego poziomu troficznego na drugi łączy się zawsze jej stratami. W związku z tym łańcuch zależności pokarmowych można przedstawić w postaci piramidy jej każdy wyższy stopień jest mniejszy od poprzedniego. Piramidę tę można określić mianem piramidy ekologicznej lub piramidy Eltona, która jest graficznym przedstawieniem zależności pokarmowych (łańcucha pokarmowego) w ekosystemie. Podstawę piramidy ekologicznej tworzą drapieżniki). Piramida ekologiczna może obrazować zależność między liczebnością organizmów, biomasą i energią zgromadzoną w tkankach.

Kształt zależności wynika producenci (rośliny zielone), następne poziomy to konsumenci (roślinożercy) i ze straty użytecznej energii (przemiana na ciepło) przechodzącej przez kolejne ogniwa łańcucha pokarmowego. W rezultacie wyższe poziomy troficzne mają mniej dostępnej energii niż niższe

Piramida energii

Obieg energii przez ekosystem

Istotną cechą biocenozy jest także produktywność (tzn. łączna biomasa) wszystkich populacji wszystkich szczebli, jakie wykarmia dane środowisko. Produktywność zależy jednocześnie od wielu czynników:

• ogólna produkcja żywa każdego środowiska zależy od jego żyzności, tzn. od zawartości w nim substancji nieorganicznych potrzebnych producentom dla zapoczątkowania cyklu. Chodzi tu o to samo pojęcie żyzności, jakie powszechnie stosuje się w przypadku gleby, jedynie rozszerzone na inne środowiska (np. wodne).

• produktywność populacji w biocenozie zależy od tego, czy nie ma jakichś przeszkód na drodze obiegu materii, które wyłączałyby niezbędne składniki z dalszego cyklu. Na przykład w jakiejś biocenozie morskiej przesyconej populacjami otwornic mogą przechwycić one bardzo dużo jonów węglanowych na budowę swych pancerzyków z węglanu wapnia; będzie to powodować stały niedobór węglanów, które powinny znaleźć się w roztworze i wrócić do obiegu za pośrednictwem populacji roślinnych.

• produktywność w biocenozie jest związana ze składem gatunkowym tworzących ją populacji. Jest ona zwykle tym wyższa, im bardziej zróżnicowane gatunki współżyją ze sobą na jednym szczeblu łańcucha pokarmowego. Gatunki zróżnicowane mają różne potrzeby życiowe, czyli różne nisze ekologiczne wobec tego ich populacje żyjąc w tym samym siedlisku nie przeszkadzają sobie wzajemnie (tzn. nie obniżają nawzajem swej liczebności), a odwrotnie — wykorzystają pełniej i dokładniej różnorodne możliwości pokarmowe stwarzane przez populacje niższego szczebla w łańcuchu.

• produkcja biomasy w biocenozie zależy od tego, czy liczebności populacji z różnych szczebli w łańcuchach pokarmowych układają się w najlepszych stosunkach względem siebie, czyli — innymi słowami — czy piramidy liczb mają najkorzystniejsze proporcje. Dzięki współdziałaniu czynnika rozrodu i wymierania, w biocenozie naturalnej najczęściej zachodzi samoregulacja liczebności każdej populacji, co będzie przedmiotem dalszej części tego rozdziału.

Zagadnienie produktywności populacji w biocenozach ma znaczenie praktyczne, jego zrozumienie może bowiem wpłynąć na gospodarkę człowieka zasobami naturalnymi Ziemi w okresie, gdy znacznej część narodów wciąż jeszcze grozi głód, a przyrost ludzkości budzi najwyższy niepokój. W tym praktycznym przypadku chodzi więc nie tylko o sprawę ogólnej produktywności, lecz i o to, z którego szczebla łańcuchów pokarmowych człowiek może czerpać najobficiej, czyli — używając przyjętej terminologii biologicznej — konsumentem którego rzędu ma być człowiek.

Piramidy mas i liczb wskazują , że najkorzystniejsza jest pozycja populacji konsumentów pierwszego i najwyżej drugiego rzędu.

Raz, już w swej historii człowiek stał w obliczu eksplozji własnej liczebności i rozwiązaniem było przesunięcie populacji ludzkiej na niższy szczebel łańcucha pokarmowego, co dało ogromną intensyfikację gospodarki zasobami naturalnymi. Stało się to wówczas, gdy człowiek z myśliwego odżywiającego się głównie pokarmem mięsnym (a więc z konsumenta rzędu drugiego i wyższych) przekształcił się w rolnika i hodowcę odżywiającego się pokarmem mieszanym(czyli w konsumenta rzędu pierwszego i drugiego).

Praktyczne znaczenie manie tylko sprawa pozycji człowieka w łańcuchach pokarmowych eksploatowanych biocenoz, ale i ogromne zadanie podniesienia ich ogólnej produktywności przez zwiększenie żyzności środowisk ubogich (problem pustyń) oraz nie dopuszczanie do wyjałowienia innych środowisk (np. problem upraw na dawnych terenach stepowych i leśnych).

1

---