VII. EKOSYSTEM – fragment przyrody stanowiący funkcjonalną całość, w której zachodzi wymiana między jej częścią żywą – biocenozą, a nieożywioną – biotopem. Każdy w pełni rozwinięty ekosystem składa się z elementów abiotycznych (nieożywionych) i biotycznych (żywych). Każdy ekosystem naturalny stanowi układ otwarty i funkcjonuje dzięki przepływowi energii i krążeniu materii. Wszystko to jest możliwe wtedy, gdy dociera do niego energia słoneczna. Nie cała docierająca energia zostaje skumulowana w organizmach: część z niej wykorzystywana jest do podstawowych procesów metabolicznych i budowy własnych struktur organizmów, pozostała część tracona jest bezpowrotnie w postaci ciepła.
Biocenoza (gr. bios życie i koinos wspólny) - naturalny zespół populacji organizmów żywych danego środowiska (biotopu), należących do różnych gatunków, ale powiązanych ze sobą różnorodnymi czynnikami ekologicznymi i zależnościami pokarmowymi, tworząc całość. Biocenoza wraz ze środowiskiem fizycznym to ekosystem.
Biocenozy można podzielić na naturalne (sawanna, las, jezioro) i sztuczne (park, ogród). Biocenozę tworzą: fitocenoza (organizmy roślinne) i zoocenoza (organizmy zwierzęce).
Biotop - obszar zamieszkany przez organizmy o tych samych lub bardzo zbliżonych wymaganiach życiowych. Pierwotnie dotyczący tylko abiotycznych elementów siedliska. Obecnie często rozumiany jako siedlisko nieożywione zmienione przez biocenozę (kompleks roślinny). Biotop razem z biocenozą tworzy ekosystem.
Siedlisko - miejsce (stałe lub okresowe) życia organizmu, populacji lub gatunku. Zespół czynników abiotycznych (klimatyczno-glebowych), które panują w określonym miejscu, działających na rozwój poszczególnych organizmów, ich populację lub całą biocenozę.
Nisza ekologiczna - zespół czynników biotycznych i abiotycznych zapewniający populacji warunki do życia ( np. światło, pokarm, miejsce). Na terenie biocenozy populacje konkurują o korzystne czynniki. Zgodnie z zasadą Gausego jedna nisza może być zajęta tylko przez jedną populację. Nisza ekologiczna określa miejsce danej populacji w biocenozie.
Cechy biocenozy: 1) rozmaitość gatunków powiązanych ze sobą zależnościami pokarmowymi 2) pozytywne, negatywne lub neutralne oddziaływanie na siebie gatunków 3) niedopuszczanie do zasiedlenia biocenozy przez nowe gatunki 4)wpływ rozmaitych czynników ekologicznych prowadzących do sezonowej bądź trwałej zmiany składu gatunków, czyli sukcesji.
Biomasa - najstarsze i najszerzej współcześnie wykorzystywane odnawialne źródło energii. Należą do niej zarówno odpadki z gospodarstwa domowego, jak i pozostałości po przycinaniu zieleni miejskiej. Biomasa to cała istniejąca na Ziemi materia organiczna, wszystkie substancje pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego ulegające biodegradacji. Biomasą są resztki z produkcji rolnej, pozostałości z leśnictwa, odpady przemysłowe i komunalne.
Struktura troficzna ekosystemu - przez strukturę troficzną rozumiemy powiązania pokarmowe między producentami, konsumentami, reducentami. 1) poziom producentów złożony jest z autotrofów, głównie roślin zielonych wytwarzających w procesie fotosyntezy materię organiczną 2) poziom konsumentów stanowią heterotrofy, tworzą go wszystkie pozostałe organizmy spożywające bezpośrednio lub pośrednio zasoby wytworzone przez producentów. Poziom ten reprezentują: konsumenci I rzędu, czyli roślinożercy, konsumenci II rzędu, czyli drapieżcy, konsumenci III rzędu odżywiają się konsumentami II rzędu 3) reducenci (destruenci) rozkładają materię organiczną do nieorganicznej; są to głównie bakterie i grzyby. Zależności pokarmowe między organizmami różnych poziomów troficznych obrazują łańcuchy pokarmowe (troficzne).
Typy łańcuchów pokarmowych (troficznych): 1) łańcuch spasania zaczyna się od producentów, przez roślinożerców do drapieżców, np. liście ziemniaka -› stonka -› bażant -› człowiek. 2) łańcuch detrytusowy zaczyna się od martwej materii organicznej, przez reducentów do drapieżców, np. detrytus (martwe szczątki roślin i zwierząt) -› bakterie -› pierwotniaki -› skorupiaki.
Gatunki kluczowe - gatunki, które przez swoją obecność integrują zespół cech strukturalnych i funkcjonalnych całego ekosystemu, warunkując istnienie innych gatunków, jak np. gatunki zapylające, zwierzęta roznoszące nasiona, rośliny żywicielskie, drapieżniki kontrolujące liczebność.
Zasady termodynamiki związane z przepływem energii w ekosystemach: 1) I zasada termodynamiki (zasada zachowania energii) – w skrócie: energia nie może powstać z niczego lub ulec zanikowi; może natomiast być przekazywana i przekształcana. 2) II zasada termodynamiki – każdej przemianie energetycznej towarzyszy strata wolnej energii w systemie, stąd też przemiany energetyczne w ekosystemach nigdy nie mogą zachodzić ze 100% wydajnością.
Energia to zdolność powodowania zmian w stanie materii lub powodowania ruchu materii. Każdy organizm jest „otwartym” układem energetycznym. Energia jest przezeń „wychwytywana”, okresowo „magazynowana”, a następnie wykorzystywana do wykonania pracy biologicznej.
Rodzaje energii: słoneczna, chemiczna, mechaniczna. Każdy żywy organizm potrzebuje energii, którą zużywa do: poruszania się, reprodukcji, podtrzymywania procesów życiowych (metabolizm), wzrostu i rozwoju. W procesie fotosyntezy zamieniana energia słoneczna (fizyczna) jest zamieniana na użyteczną biologicznie energie chemiczną. Poza kilkoma wyjątkami (m.in. organizmów żyjących w głębinach oceanicznych) wszystkie organizmy żywe na Ziemi, w tym również człowiek - pośrednio lub bezpośrednio zależne są od produktów fotosyntezy, a więc od energii Słońca. Stąd można wysnuć prosty wniosek, że im więcej roślin tym więcej energii dostępnej dla pozostałych poziomów troficznych. Głębiny oceaniczne są z kolei uzależnione od energii wytworzonej przez chemoautotrofy.
Produktywność ekosystemu jest to ilość substancji jaka produkowana jest w jednostce czasu lub intensywności magazynowania energii w związkach organicznych.
Produktywność pierwotna – stanowi tempo z jakim producenci przekształcają energię słoneczną w procesie fotosyntezy.
Produktywność pierwotna brutto – rzeczywisty przyrost biomasy producenta, z uwzględnieniem strat na koszty utrzymania.
Produktywność pierwotna netto – przyrost biomasy producenta, którą można zaobserwować.
Produktywność wtórna – szybkość, z jaką konsumenci wykorzystają materię i energię producenta do produkcji swojej biomasy.
Produktywność wtórna netto – przyrost biomasy konsumenta, którą można zaobserwować.
Produktywność wtórna brutto – rzeczywisty przyrost biomasy konsumenta, z uwzględnieniem strat na koszty utrzymania.
OBIEG WODY: Obieg wody w przyrodzie (krążenie wody) to zamknięty cykl odbywający się pod wpływem działania energii słonecznej i siły grawitacji. Głównymi elementami składowymi cyklu są opady atmosferyczne, spływy wód i parowanie. Na skutek parowania powstają chmury, uwalniające ze swojej struktury, w zależności od warunków atmosferycznych, krople wody lub kryształki lodu. Te w postaci opadów osiągają powierzchnię lądów (20% całości opadów) lub oceanów (80%), skąd część tych wód znów paruje bezpośrednio do atmosfery. Pozostała część opadów na lądzie spływa do mórz i oceanów (odpływ powierzchniowy) lub dostaje się do gleby. Ta część, która infiltruje w grunt, zostaje pobrana przez układy korzeniowe roślin lub dostaje się do wód gruntowych i odpływa wraz z nimi (odpływ podziemny) do podziemnych lub powierzchniowych zbiorników wodnych, rzek, bagien itp. Woda nieustannie paruje z powierzchni otwartych akwenów, jak również z gleby (ewaporacja) i roślin (transpiracja). Znajdująca się w atmosferze para wodna, osiągając stan nasycenia w określonych warunkach pogodowych, kondensuje i tworzy mgły lub chmury. W ten sposób cykl obiegu wody zostaje zamknięty.
OBIEG WĘGLA: Drugi z podstawowych cykli biochemicznych to obieg węgla. Bierze w nim udział węgiel w postaci atomowej lub w różnych związkach. Obieg ten polega na wymianie głównie dwutlenku węgla z atmosferą ziemską. Dwutlenek węgla biorący udział w wymianie pochodzi przede wszystkim z oceanów, gdzie jest go około 16 razy więcej niż w atmosferze. Powstaje również w procesach termicznego rozkładu surowców energetycznych (spalanie, wydobywanie się w czasie erupcji wulkanów i gorących źródeł oraz w procesach oddychania organizmów żywych. Najbardziej zaskakujące jest to, że prawie 90% przemian, związanych z oddychaniem, jest udziałem glonów żyjących w oceanach. Ogółem roślin, wiążąc 160 mld ton węgla, wytwarzają 400 mld ton tlenu w ciągu roku na obszarze całego globu.
Mechanizm łańcuchów pokarmowych powoduje przejmowanie zasobów węgla zgromadzonych w roślinach przez organizmy zwierzęce. Procesy metaboliczne, towarzyszące procesom życiowym roślin i zwierząt, powodują usuwanie pewnych ilości związków węgla. Natomiast szczątki jednych i drugich, podlegają procesowi mineralizacji, są źródłem powstawania dwutlenku węgla. W tego typu procesach powstaje kompost, próchnica użyźniająca glebę, a także złoża torfu. Podobne przemiany, lecz w innych okresach i warunkach geologicznych, towarzyszyły powstawaniu złóż węgla kamiennego oraz brunatnego, jak również ropy naftowej.
OBIEG AZOTU:
Zachowaniu równowagi azotowej między biosferą a atmosferą sprzyjają cykliczne przemiany związków azotu w biosferze. Polegają one na: 1) wiązaniu przez bakterie azotu cząsteczkowego znajdującego się w atmosferze 2) przyswajaniu przez rośliny związków azotu, takich jak azotany i amoniak (w powiązaniu z syntezą białek) 3) uruchomieniu mechanizmów łańcuchów pokarmowych rośliny – zwierzęta 4) wyzwalaniu do atmosfery wolnego azotu z wydalin i obumarłych organizmów.