EKOLOGIA Termin "ekologia" pochodzi od greckich słów: oikos- dom logos- nauka nauka o miejscu życia organizmów (środowisku) Bada: * oddziaływania pomiędzy organizmami * oddziaływania pomiędzy organizmami a środowiskiem Zakres badań ekologii: Jeżeli poziomy organizacji materii żywej uporządkujemy w hierarchicznym porządku od molekuły po biosferę to współczesna ekologia swym zakresem badań obejmuje tę część owego szeregu, która dotyczy: Zakres badań ekologii na tle poziomów organizacji materii żywej Biosfera Biom Ą ekosystem Ą Biocenoza Ą populacja Ą organizm Ą Ą Układ narządów Ą Ą Narząd Ą Ą tkanka Ą Ą komórka ------------------------------------ Organelle Molekuły Podstawowe pojęcia ekologiczne * POPULACJA- grupa osobników jednego gatunku, zamieszkujących wspólny obszar, mogących się swobodnie i skutecznie krzyżować, tzn. wydawać płodne potomstwo. W przyrodzie gatunek jest reprezentowany przez populację, zaś osobnik jest reprezentantem populacji. * BIOCENOZA- to zespół populacji różnych gatunków, żyjących w określonej przestrzeni środowiska lądowego lub wodnego lub wielogatunkowy zespół organizmów wzajemnie powiązanych różnymi zależnościami biologicznymi, żyjących w określonym środowisku zwanym BIOTOPEM * BIOTOP- obszar o określonych warunkach ekologicznych będący siedliskiem dla biocenozy lub osobnika. * EKOSYSTEM- to biocenoza łącznie ze swoim abiotycznym środowiskiem czyli biotopem. Biocenoza+ Biotop= EKOSYSTEM * BIOMY- zespoły ekosystemów, tworzące duże i łatwe do zróżnicowania regiony biologiczne na ziemi (np.: tundra, tajga, pustynia, step) * BIOSFERA- środowisko życia naszej planety. Biosfera zwana też EKOSFER to sfera, w której może istnieć życie. Biosfera obejmuje: -Troposferę- dolną część atmosfery ziemskiej (do wysokości 10-15km) -Hydrosferę (wszystkie wody) -Litosferę powierzchniową warstwę skorupy ziemskiej (do 1km), w tym glebę (do 3m). CZYNNIKI ŚRODOWISKA OGRANICZAJCE WYSTPOWNIE ORGANIZMÓW Na ziemi wyróżnia się dwa główne środowiska życia organizmów: lądowe i wodne. Różnią się one: -właściwościami fizycznymi -temperaturą -zawartościa tlenu i CO2 -odmiennymi warunkami świetlnymi -zasobnością soli mineralnych -odczynem (pH) -stopniem oddziaływanie czynników mechanicznych- wiatru, prądów morskich, ciśnienia Występowanie organizmów w danym środowisku zależy od: wymagań w stosunku do środowiska panujących w nim warunków Czynniki środowiska wpływają na aktywność organizmów: ich liczebność rozmieszczenia tempo i efektywność procesów życiowych Czynniki środowiska dzieli się na: - czynniki abiotyczne- to oddziaływanie nieożywionych elementów środowiska na organizmy - czynniki biotyczne- to żywe składniki środowiska (rośliny, zwierzęta, człowiek) wywierające bezpośredni lub pośredni wpływ na siebie i na abiotyczne składniki środowiska. Współdziałanie czynników biotycznych i abiotycznych decyduje o rozwoju i życiu organizmów zwierzęcych i roślinnych. Zmiana jednego z nich ma wpływ na oddziaływanie pozostałych. Czynniki ABIOTYCZNE - temperatura - światło TEMPERATURA większość organizmów występuje i przejawia aktywność życiową w strefach geograficznych, gdzie średnie temperatury mieszczą się w granicach od 0C do +30C Dolną granicę życia stanowi temperatura zamarzania wody słodkiej tj. 0C Górna temperatura życia to temp. denaturacji białka 40-50C W skrajnie niskich temperaturach dochodzących do -70C (Syberia) żyją bakterie, sinice, porosty, mszaki i zwierzęta polarne. Odporność na niskie temperatury jest związana z zawartością wody w organizmie. Im mniejszy procent wody, tym odporność wyższa. W wodzie amplituda wahań termicznych jest mniejsza niż na lądzie. Temperatury wód śródlądowych mieszczą się w granicach od 0-40C Środowisko oceanów i mórz jest najbardziej stabilne i w większości jest to środowisko chłodne. ŚWIATAO - podstawowym zródłem energii na ziemi jest promieniowanie słoneczne - wpływ światła na organizm jest zróżnicowany i zależy od jego natężenia, jakości czasu naświetlania - emitowane przez Słońce promieniowanie ma bardzo szeroki zakres, z którego mały wycinek jest wykorzystywany przez organizm (od ok. 0,4 do 0,7 um). Jest to zakres światła widzialnego i aktywnego w procesie fotosyntezy. - przystosowanie się organizmów do wykorzystania tego fragmentu widma wynika z faktu, że właśnie ten zakres promieniowania z największym natężeniem dociera przez atmosferę do powierzchni ziemi. WODA Jest niezbędnym składnikiem każdego żywego organizmu. Zawartość w poszczególnych jego częściach jest zróżnicowana w zależności od wieku, etapu rozwojowego i wynosi przeciętnie od 70-80%. Stosunkowo dużo wody zawierają organizmy zwierząt wodnych np. meduza 98% ślimak zatoczek 84% szczupak 80% kaczka 70% człowiek 65% W życiu każdego organizmu woda stanowi niezbędne środowisko w którym: - zachodzą procesy metaboliczne - synteza i hydroliza - pobierania składników pokarmowych - jest rozpuszczalnikiem w płynach ustrojowych - stanowi środek transportu wewnątrzustrojowego - uczestniczy w regulacji temperatury, ciśnienia osmotycznego, pH Woda jest czynnikiem ograniczającym głównie w środowisku lądowym, w szczególności suchym. W środowisku wodnym tam, gdzie ilość ulega dużym wahaniom. GAZY są czynnikami ograniczającymi środowiska zarówno w atmosferze i w wodzie. Największe znaczenie mają: azot, tlen, dwutlenek węgla. W atmosferze zawartość gazów jest stosunkowo stała i wynosi: Azot-78%; tlen-21%; Dwutlenek węgla- 0,03%. W środowisku wodnym procentowa zawartość tych gazów jest inna i zależy od: temperatury, zasolenia, ciśnienia atmosferycznego i rozpuszczalności. Zawarte w wodzie gazy są pochłaniane z atmosfery oraz powstają w wyniku procesów biologicznych i chemicznych zachodzących w zbiorniku wodnym. * tlen- fotosynteza, dyfuzja z powietrza * CO2- procesy oddechowe (heterotrofów), procesy rozkładu, dyfuzja z powietrza. CIŚNIENIE To siła działająca na określoną powierzchnię. Ciśnienie atmosferyczne Ciśnienie hydrostatyczne Ciśnienie atmosferyczne nie zależy od czynników ograniczających. Ciśnienie hydrostatyczne jest czynnikiem ważnym ponieważ rośnie ono o 1 atmosferę na każde 10m głębokości, w najgłębszej części oceanu ma wartość 1000 atmosfer. Czynniki BIOTYCZNE sa to formy oddziaływania organizmów na siebie (zależności międzygatunkowe i wewnątrzgatunkowe) oraz wpływ organizmów na środowisko abiotyczne. Tolerancja organizmów na różne czynniki środowiska Każdy gatunek wykazuje inne wymagania w stosunku do danego czynnika ekologicznego. Zdolność organizmu do przystosowania się do zmian danego czynnika nosi nazwę TOLERANCJI EKOLOGICZNEJ. Przedział wartości danego czynnika (siły jego oddziaływania) w którego obrębie organizm bytuje i utrzymuje swoje funkcje życiowe określamy mianem zakresu tolerancji. Organizmy charakteryzują się różnymi zakresami tolerancji w stosunku do różnych czynników środowiska. Zakres tolerancji dla danego organizmu względem oreślonego czynnika wyznaczają DWA PUNKTY KRYTYCZNE, określające wartość progową przeżycia organizmu: minimum (dolny punkt krytyczny) maksimum (górny punkt krytyczny) Wartości, w których organizm ma najlepsze warunki bytowania i najlepiej wzrasta, określa się OPTIMUM ŻYCIOWYM. Pod względem zakresu tolerancji wyróżniamy: - gatunki eurytopowe (eurybionty) - gatunki stenotopowe (stenobionty) Gatunki eurytopowe charakteryzują się szerokim zakresem tolerancji. Mogą żyć i rozwijać się w środowisku o zróżnicowanych warunkach i o dużych wahaniach czynników zewnętrznych. Szeroki zakres tolerancji świadczy o specjalizacji organizmu. W odniesieniu do temperatury przykładem zwierzęcia o szerokim zakresie tolerancji może byc wróbel (organizm eurytermiczny). Gatunki stenotopowe charakteryzują się małą tolerancją do czynników środowiska. Występują w ściśle określonych warunkach. Przykładem zwierzęcia o wąskim zakresie tolerancji może być jaskółka. Pojęcia ekologiczne: * POPULACJA- to zespół osobników jednego gatunku, wzajemnie na siebie oddziałujących i zamieszkujących określoną przestrzeń w tym samym czasie. W przyrodzie GATUNEK jest reprezentowany przez populację, zaś OSOBNIK jest reprezentantem populacji. Miejsce w którym żyje populacja danego gatunku nazywa się SIEDLISKIEM ("adres populacji"). Areał osobniczy to obszar zajmowany przez pojedynczy osobnik, na którym zaspokaja wszystkie czynności życiowe (m. in. zdobywanie pokarmu, rozród, opieka nad potomstwem). Suma areałów tworzy ZASIG PRZESTRZENNY POPULACJI. Cechy populacji to: * liczebność * zagęszczenie * rozrodczość * śmiertelność * rozprzestrzenianie się LICZEBNOŚĆ Liczba osobników składających się na populację. Na liczebność populacji mają wpływ: rozrodczość + śmiertelność - migracja +/- Liczba osobników ubywających z populacji w jednostce czasu to OPÓR ŚRODOWISKA. Jest to suma fizycznych i biologicznych czynników, które nie pozwalają gatunkowi osiągnąć maksymalnej liczebności. SZYBKOŚĆ WZROSTU POPULACJI to liczba osobników, o które zwiększa się populacja w jednostce czasu. ZAGSZCZENIE POPULACJI Liczba osobników przypadająca na określoną jednostkę powierzchni lub objętości np.: 500 sosen/ha 5 mln okrzemek/ m3 Im organizmy są większe tym populacja mniej liczna i mniej zagęszczona. Na zagęszczenie populacji wpływają: rozrodczość, śmiertelność, imigracja, emigracja. Imigracja Ą rozrodczość ----> zagęszczenie <---- śmiertelność Ą emigracja ROZRODCZOŚĆ Stosunek liczby nowo urodzonych osobników do liczebności całej populacji aaaaaa Rozrodczość= ----------- AAaaaa ŚMIERTELNOŚĆ proces przeciwstawny rozrodczości, dotyczy umieralności osobników w populacji. Może być uwarunkowana przyczynami: -środowiskowymi (np. brak pokarmu) - osobniczymi (starzenia się, brak opieki nad potomstwem, sposób rozrodu, wady organizmu) - populacyjnymi (np. zagęszczenie, konkurencja, kanibalizm) - biocenotycznymi (np. drapieżnictwo, pasożyty) ROZPRZESTRZENIANIE to zdolność przemieszczania się osobników. Przyczynia się do zmian liczebności i zależy głównie: od istniejących barier w środowisku i ruchliwości osobników. Istnieją 3 formy rozprzestrzeniania: - emigracja- jednokierunkowy ruch na zewnątrz, opuszczenie populacji - imigracja- jednokierunkowy ruch do wewnątrz, przybywanie nowych osobników spoza populacji - migracja- ruch dwukierunkowy, przemieszczanie się osobników między populacjami. Struktura populacji W obrębie populacji obserwuje się zróżnicowanie poszczególnych osobników. Najpowszechniej zróżnicowanie to przejawia się w postaci struktury: - płciowej - wiekowej - przestrzennej - socjalnej STRUKTURA PACIOWA Jest charakterystyczna dla gatunków, które wykazują dymorfizm płciowy i obejmuje zależności między liczbą samic i samców. Przedstawia się je w postaci najmniejszych liczb, np. 1: 1,5 lub procentowo tzn. sprowadzonej do sumy osobników równej 100, np. 40samic:60samców. Struktura płciowa nie dotyczy osobników: - populacji obojnaczych np. dżdżownica, winniczek - jednopłciowych rozmnażających się partenogenetycznie np. mszyce, wrotki Struktura wiekowa Udział w populacji osobników różnych grup wiekowych (młodych, dojrzałych i starych). Jest to cecha mająca wpływ na rozrodczość i śmiertelność populacji. Od udziału różnych grup wiekowych w populacji zależy: aktualny potencjał rozrodczy, przyszły jej los. W zależności od wieku osobników wyróżnia się populacje: - rozwijające się (młode>) - ustabilizowane (młode i w średnim wieku) - wygasające (stare>) Struktura przestrzenna populacji jest to rozmieszczenie osobników populacji na danym obszarze. Wyróżnia się następujące typy rozmieszczenia organizmów w terenie Równomierne- bardzo rzadkie w przyrodzie np. drzewa w sadzie. Losowe- raczej rzadko spotykane np. gatunki drzew wiatropylnych w lesie mieszanym Skupiskowe- najczęściej występujące np. mszyce, antylopy, kolonie nietoperzy Struktura socjalna (związki socjalne w obrębie populacji) Obejmuje zależności organizmów występujące w zorganizowanej społeczności (np. termity, mrówki, pszczoły) oraz te które zachodzą w przypadkowych skupiskach organizmów (np. u nietoperzy w czasie rozrodu). Organizacja socjalna u kręgowców oparta jest w 3 zasadach: -zachowania terytorium - dominacji - przewodzenia W grupowym życiu kręgowców formę organizacji stanowi dominacja lub hierarchia socjalna. Ustala się ona przez bezpośrednie kontakty międzyosobnicze np. walkę. W wyniku tych kontaktów tworzy się stosunek nadrzędności i podrzędności (hierarchiczny) Przykłady: kury- w wyniku walki ustala się "porządek dziobania" wilki, psy- przewodnictwo w stadzie. Najwyższe formy rozwoju organizacji socjalnej występują u owadów społecznych pszczół, mrówek, termitów. Osobniki są przystosowane morfologicznie do pełnionej funkcji robotnica- nierozwinięty układ rozrodczy żołnierz- rozwinięty organ ataku (żądło, szczęki) królowa- utrzymuje dominację reprodukcyjną. INTERAKCJE MIDZY POPULACJAMI Klasyfikacja interakcji jest oparta na: stratach lub korzyściach jakie odnosi jeden lub oba gatunki Mamy więc: - interakcje niekorzystne - interakcje korzystne - neutralizm (gdy żadna z dwóch populacji nie wpływa na drugą). Klasyfikacja interakcji: *Interakcje * Interakcje antagonistyczne nieantagonistyczne 1. amensalizm 1. komensalizm 2. konkurencja 2. protokooperacja 3. drapieżnictwo 3. mutualizm 4. pasożytnictwo AMENSALIZM- populacja jednego gatunku hamuje rozwój populacji drugiego gatunku nie ponosząc strat i nie czerpiąc żadnych korzyści (może odbywać się za pomocą związków chemicznych). Do amensalów należy grzyb pędzlak wytwarzający substancję antybakteryjną (penicylinę) hamującą rozwój bakterii. KONKURENCJA- zachodzi między osobnikami o tych samych wymaganiach życiowych (niszy ekologicznej). Osobniki zajmują tą samą przestrzeń i korzystają z tych samych zasobów będących w niedomiarze. * konkurencja wewnątrzgatunkowa np. szczur wędrowny i szczur śniady * konkurencja międzygatunkowa- zachodzi między osobnikami różnych gatunków o podobnych wymaganiach. Zwierzęta zajmują tą samą niszę ekologiczną (współzawodniczą ze sobą o te same zasoby i o to samo siedlisko). Zachodzi wypieranie gatunku słabszego przez silniejszy np. zwierzęta roślinożerne antylopa, bawół, zebra. Wynikiem dłużej trwającej konkurencji może być: * wyeliminowanie mniej dostosowanego gatunku (wypierania gatunku słabszego przez silniejszy) * ustalanie się równowagi między nimi, czyli taki podział zasobów między konkurującymi gatunkami przy których jest możliwa długotrwała egzystencja. * w ukształtowanych zrównoważonych biocenozach wyklucza się możliwość współistnienia dwóch populacji o całkowicie pokrywających się niszach. DRAPIEŻNICTWO- to typ oddziaływania, w którym osobniki jednego gatunku (drapieżcy) zjadają osobniki innego gatunku (ofiary). Zachodzi w układzie: Drapieżca- Ofiara. Drapieżnictwo jest jedynym z mechanizmów regulacji liczebności zwierząt w biocenozie. Zmniejszenie populacji drapieżników pozwala na rozwój populacji ofiar. Zmniejszenie populacji ofiar zmniejsza liczebność drapieżników. PASOŻYTNICTWO- to zależność między żywicielem a pasożytem. Pasożyt żyje kosztem żywiciela i działa na jego szkodę. Pasożyty najczęściej nie zabijają żywiciela, ponieważ śmierć żywiciela wiązałaby się ze śmiercią pasożyta. Współzależności korzystne- interakcje nieantagonistyczne: KOMENSALIZM- to interakcja między dwoma gatunkami, w której jeden gatunek (komensal) czerpie korzyści z istnienia drugiego, nie przynosząc mu korzyści ani nie czyniąc szkody. Przykłady komensalizmu: hiena, szakal, sęp- korzystają z resztek upolowanej przez lwa zdobyczy rekin- podnawka storczyki- drzewa PROTOKOOPERACJA to okresowe współżycie dwu gatunków, które czerpią korzyści ze swojej obecności, ale jednocześnie nie są całkowicie od siebie uzależnione (każdy zdolny jest do życia bez obecności drugiego). Przykłady protokooperacji: krab pustelnik- ukwiał bawół- ptaki bąkojady MUTUALIZM- to nieodzowna, ścisła współpraca dwu różnych gatunków czerpiących obopólne korzyści (jeden gatunek nie jest zdolny do życia bez obecności drugiego). Przykłady mutualizmu: glony- grzyby=porosty korzenie drzew- grzyby (mikoza) flora bakteryjna przewodu pokarmowego wielu zwierząt. BIOCENOZA to zespół wszystkich organizmów powiązanych ze sobą wzajemnymi zależnościami zajmujących określone nieożywione środowisko (biotop). Wyróżniamy: - biocenozy sztuczne, w których powstaniu uczestniczył człowiek, np. biocenoza stawu hodowlanego, pola, sadu - biocenozy naturalne, w których powstanie człowiek nie ingerował, np. biocenozę morza, rzeki, torfowiska, lasu, łąki. Wyróżnia się kilka zasadniczych cech biocenozy: - wszystkie elementy biotyczne i abiotyczne biocenozy są ze sobą ściśle powiązane i pływają na siebie. - warunkiem trwałej i samodzielnej egzystencji biocenozy jest istnienie trzech współzależnych biologicznie grup organizmów: producentów konsumentów reducentów dzięki którym utrzymuje się w biocenozie zamknięty obieg materii. - organizacja biocenozy obejmuje: skład gatunkowy (rozmaitość gatunków) stosunki ilościowe strukturę troficzną strukturę przestrzenną - autonomia biocenozy związana jest z jej: odrębnością terytorialną organizacją wewnętrzną powiązaniami wszystkich komponentów - względna równowaga biocenotyczna (stabilizacja układu) wyraża się stosunkowo stałym składem gatunkowym i równowagą stosunków wewnętrznych. Struktura troficzna biocenozy- to powiązania pokarmowe pomiędzy jej elementami strukturalnymi tj. producentami, konsumentami i destruentami. PRODUCENCI są to organizmy samożywne (autotroficzne), które są zdolne do wytwarzania materii organicznej w procesie fotosyntezy lub chemosyntezy. Należą do nich wszystkie rośliny zielone, glony i bakterie fotosyntetyzujące i bakterie chemosyntetyzujące. KONSUMENCI- są to organizmy cudzożywne (heterotroficzne), głównie zwierzęta przystosowane do pobierania (konsumowania) gotowej materii organicznej wyprodukowanej przez rośliny lub zawartej w tkankach zwierząt. Wśród konsumentów występują: konsumenci I rzędu- organizmy odżywiające się pokarmem roślinnym, a więc roślinożercy i pasożyty roślin. konsumenci II rzędu