EKOLOGIA – WYKŁAD 6

Zasady i pojęcia odnoszące się do energii w układach ekologicznych. Łańcuchy troficzne, sieci troficzne oraz poziomy troficzne. Produktywność biologiczna, w tym produkcja pierwotna i wtórna.

• Pojęcia odnoszące się do zasad termodynamiki. Energia to zdolność do wykonania pracy.

  • pierwsza zasada termodynamiki – energia może przechodzić z jednej postaci w drugą, nigdy jednak nie powstaje, ani nie ulega zniszczeniu

    • np. światło jest jedną z postaci energii, która zależnie od warunków może być przekształcona w pracę, a także w energię zawartą w związkach chemicznych

    • żadna z tych postaci energii nie ulega zniszczeniu

  • druga zasada termodynamiki (dotyczy rozpraszania energii) – degradacja energii (rozproszenie) zachodzi samorzutnie, zaś procesy przemiany energii nigdy nie osiągają 100% wydajności; w przemianach energetycznych zawsze pewna ilość energii przechodzi w nie dającą się wykorzystać postać energii cieplnej i ulega rozproszeniu

• Organizmy, ekosystemy i cała biosfera wykazują z punktu widzenia termodynamiki zdolność do tworzenia i utrzymywania stanu „wewnętrznego uporządkowania” czyli niskiej entropi.

  • ten stan utrzymywany jest w układach żywych

  • dzięki ciągłemu dopływowi energii o wysokiej użyteczności oraz odpływowi energii o niskiej użyteczności

  • czyli dzięki ciągłemu dopływowi energii świetlnej (fotosynteza) i odpływowi energii cieplnej

• Entropia jest miarą stopnia „nieuporządkowania” lub jest to energia układu, która w ustalonej temperaturze nie może ulec zmianie na pracę

  • np. uporządkowanie ekosystemu, które wyraża się tworzeniem różnych skomplikowanych struktur żywej materii (metabolizm), utrzymuje się dzięki procesom oddychania, które w sposób stały eliminują nieuporządkowanie układu.

• Wszelkim przejawom życia na Ziemi towarzyszą zawsze przemiany energii. Energia, która dociera do powierzchni Ziemi jest równa energii, która opuszcza Ziemię w postaci niewidzialnego promieniowania cieplnego (ciepła).

• Światło i inne rodzaje promieniowania słonecznego stale przenikają przestrzeń. Część tego promieniowania przenika przez warstwę atmosfery i dociera do różnych ekosystemów tworzących biosferę (lasów, łąk, pustyń, a także do jezior czy oceanów)

• W skutek różnicy w ilości pochłanianego promieniowania słonecznego ogólnie przez lądy i zbiorniki wodne, powstają na Ziemi obszary ciepłe i chłodne, co powoduje przemieszczanie się mas powietrza, która może wykonać pewną pracę. Np.:

  • podnoszenie fali na pewną wysokość (wbrew sile ciężkości oceanu)

  • obracanie skrzydeł wiatraków

  • poruszanie koronami drzew

Ten przykład wskazuje, że energia świetlna przechodzi w energię cieplną lądu, a ta z kolei w energię kinetyczną powietrza, która może wykonać pracę podnoszenia wody wbrew siłom ciężkości.

Energia nie znika, lecz przechodzi w energię potencjalną, która z kolei przemienia się w inną postać energii gdy fala opada w dół. A więc zachodzi nieustanna przemiana energii z jednej postaci w drugą. W ten sposób możemy odnieść się do pierwszego prawa termodynamiki.

• Istotą życia jest następstwo pewnych procesów, a więc wzrostu, reprodukcji (samoodtwarzania się) oraz tworzenie pewnych zależności pomiędzy jednostkami i układami. Te zależności to między innymi zależności troficzne. Bez przemian energetycznych, które towarzyszą zależnościom troficznym (pokarmowym), nie było by życia i układów ekologicznych.

• Podstawowym obiektem zainteresowania ekologów są przemiany energetyczne:

  • oddziaływania światła na układy ekologiczne

  • sposoby przekazywania energii wewnątrz tych układów

• Na poziomie globalnym.

Materia organiczna, która powstaje w wyniku fotosyntezy (działalności producentów), zawiera energię chemiczną, która ulega przemianie w inne postacie energii wtedy, gdy jest użytkowana jako pokarm przez organizmy.

• Z energii docierającej do jakiegokolwiek ekosystemu:

  • tylko bardzo mała część (do 1%) jest absorbowana przez rośliny zielone i ulega przemianie w energię chemiczną – energię zmagazynowaną w związkach chemicznych !!!!

  • Pozostała znaczna część energii (80-90%) zmienia się w ciepło, które uchodzi z organizmu, z ekosystemu, czy też z biosfery. !!!!

Straty energii i jej rozpraszanie są bardzo duże w porównaniu do absorbowania energii przez układ.

• Wyłączając producentów, wszystkie żywe organizmy korzystają z energii chemicznej zawartej w związkach organicznych (wytwarzanych w procesie fotosyntezy – rośliny zielone; w procesie chemosyntezy – mikroorganizmy). Zwierzęta uzyskują energię chemiczną z pokarmu.

• Na poziomie organizmu.
  Przy każdym przepływie z jednego organizmu do drugiego, znaczna część energii ulega stracie.

• Drugie prawo termodynamiki wiąże się z zasadą stabilności. Zgodnie z tą zasadą każdy naturalny układ zamknięty, przez który przepływa energia, ulega przemianom dopóki mechanizmy samoregulacji nie dostosują tego układu do warunków otaczających. Tym układem, w którym zachodzą te procesy może być:

  • Ziemia jako planeta

  • inny pojedynczy układ ekologiczny jakim jest konkretny ekosystem (jezioro, łąka)

  • mechanizmy samoregulacji (w obrębie układu ekologicznego) umożliwiają powrót do stanu równowagi, w sytuacji, gdy układ ulega chwilowym zakłóceniom na skutek zadziałania zewnętrznego bodźca.

  • W układzie, który osiągnął stan równowagi, przemiany energetyczne zachodzą w ustalony jednakowy sposób i w określonym tempie.

KONCEPCJA ŁAŃCUCHA TROFICZNEGO

ŁAŃCUCH POKARMOWY – (troficzny) jest to szereg organizmów kolejno zjadających i zjadanych, przez który przepływa energia zawarta w pokarmie, czerpana od roślin

• W trakcie każdego z kolejnych przekształceń (przy zjadaniu), ubywa znaczna część energii chemicznej (80-90%) przekształcając się w ciepło. Dlatego też liczba etapów, czyli „ogniw łańcucha” ogranicza się do czterech lub pięciu.

• Im krótszy łańcuch lub im bliżej początku łańcucha znajduje się dany organizm, tym większa jest ilość dostępnej energii, która może być zamieniona w energię biomasy (żywej masy ciała wraz z zapasami pokarmu) lub rozproszona przez oddychanie.

• Istnieją 2 podstawowe typy łańcuchów troficznych:

  • łańcuch spasania (rośliny zielone – zwierzęta roślinożerne – drapieżniki [zjadające inne zwierzęta])

  • łańcuch detrytusowy (martwa materia organiczna – mikroorganizmy – detrytusożerne organizmy [saprofagi] – drapieżniki)

• Przykład ze środowiska wodnego:

• Przykład ze środowiska lądowego:

SIEĆ TROFICZNA – (pokarmowa) jest to układ wzajemnie powiązanych ze sobą łańcuchów pokarmowych.

Łańcuchy troficzne nie są izolowanymi szeregami organizmów, ale są ze sobą wzajemnie powiązane.

• W złożonych naturalnych biocenozach organizmy, do których pokarm trafia przez tą samą ilość ogniw, licząc od roślin, należą do tego samego poziomu troficznego. A więc:

  • rośliny zielone – to pierwszy poziom troficzny

  • roślinożercy – poziom drugi (poziom konsumentów I rzędu)

  • drapieżniki zjadające roślinożerców – poziom trzeci (poziom konsumentów II rzędu)

  • drapieżniki II rzędu – poziom czwarty (poziom konsumentów III rzędu)

• Podstawą tej klasyfikacji jest funkcja, a nie przynależność gatunkowa. Populacja danego gatunku może zajmować jeden lub kilka poziomów troficznych, zależnie od źródeł energii z których korzysta.

  • np. człowiek może jeść ryby planktonożerne i drapieżne, będąc wtedy konsumentem II i III rzędu

  • przy krótszym łańcuchu np. zboże – człowiek <- w tym wypadku człowiek jest konsumentem I rzędu

• Przepływ energii przez dany poziom troficzny odpowiada całkowitej ilości energii zasymilowanej przez organizmy tego poziomu (A), która z kolei równa się produkcji biomasy (P) oraz oddychaniu, czyli respiracji (R).

• W przyrodzie mamy do czynienia z sieciami troficznymi. Należy wiedzieć, która droga przepływu energii jest najczęstsza i którą drogą przepływa najwięcej energii. W przypadku lisa – najbardziej prawdopodobna byłaby ścieżka z myszą.

• Ponieważ przy każdej przemianie pokarmu traci się duża część energii chemicznej, a rośliny wiążą zaledwie 1% tej energii, można sądzić, że mniej ludzi (jako populacja) można wykarmić stosując mięso, a więcej ludzi można wykarmić stosując pokarm roślinny – pierwotny.

• Na końcu wielu sieci znajduje się tzw. drapieżca szczytowy, czyli organizm którego nie zjada już żaden inny np.:

  • na lądzie: lis, wilk

  • w oceanie: delfin/orka

  • na sawannie: lew

• Pożywienie, którego przepływ śledzimy przez kolejne poziomy konsumentów w łańcuchach pokarmowych i sieciach, w zależnościach pokarmowych, jest źródłem materii i energii. Materia organiczna jest budulcem dla rosnącego i rozwijającego się organizmu (młody organizm), zaś dla organizmu dojrzałego jest budulcem do wytworzenia potomstwa.

PRODUKTYWNOŚĆ BIOLOGICZNA

• PRODUKTYWNOŚĆ BIOLOGICZNA – jest to proces wytwarzania materii organicznej przez określoną biocenozę, albo jej część, w konkretnych warunkach środowiskowych.

Końcowym efektem produktywności biologicznej jest produkcja biologiczna, czyli całość materii organicznej i zmagazynowanej w niej energii, wytworzonej w określonym czasie, przez organizmy określonego ekosystemu (biocenozę danego ekosystemu)

• Wyróżnić można:

  • produkcję ZBIOROWISK ROŚLINNYCH – czyli produkcję pierwotną

  • produkcję KONSUMENTÓW (wytworzoną kosztem pierwotnej) – czyli produkcję wtórną