27.10.2009 - Ekologia

PRZEPŁYW ENERGII I PRODUKTYWNOŚĆ

Źródła energii w organizmach:

1. Autotrofy – (źródło: http://portalwiedzy.onet.pl/24126,haslo.html ) organizmy samożywne, organizmy zdolne do syntetyzowania związków organicznych z prostych związków nieorganicznych, wykorzystujące w tym celu energię świetlną (fotosynteza) lub energię uwalnianą w czasie reakcji chemicznych (chemosynteza). Autotrofami są wszystkie rośliny zielone, glony, sinice i niektóre bakterie.

2. Heterotrofy – organizmy cudzożywne, czerpią energię do swoich procesów życiowych ze związków organicznych wyprodukowanych przez autotrofy (konsumenci i reducenci)

3. Prototrofy – grupa organizmów pośrednich, nie mają zdolności syntezy węglowodanów, ale potrafią wiązać azot atmosferyczny i przetwarzać go w związki azotowe (np. bakterie azotowe)

Gospodarka energetyczna autotrofów

Fotosynteza – (99% energii asymilowanej na Ziemi), wytwarzanie związków organicznych (węglowodanów) z CO₂ i H₂O pod wpływem światła absorbowanego przez chlorofil.

Zagadnienia produktywności:

Biomasa – wszystkie organizmy w ekosystemie

Miary biomasy: 1. Liczba osobników (niezależnie od ich wielkości), 2. Zasób energii zgromadzonej w organizmach (potencjalnie do wykorzystania na kolejnych poziomach troficznych), 3. Masa organizmów.

UWAGA: Zazwyczaj wielkość biomasy odnosi się do jednostki powierzchni (na lądzie) lub do jednostki objętości (oceany) ekosystemu.

Produktywność: szybkość produkcji biomasy a zarazem miara potencjału środowiska w danym ekosystemie.

Miara produktywności: gramy suchej masy wyprodukowanej w ekosystemie w ciągu jednego dnia na powierzchnię 1 m².

Produktywność potencjalna jest zwykle mniejsza od rzeczywistej; produktywność potencjalna zależy od rodzaju ekosystemu, warunków glebowych i klimatu; np. *pustynie: < 0,5 g/m² dziennie, *lasy, łąki – w klimacie umiarkowanym ok. 6-9 g/m² dziennie, *lasy równikowe, rafy koralowe, estuaria ok. 20 g/m² dziennie.

Przykład produkcji netto (a relacji % do PPB) - trzcina cukrowa 62% (Hawaje); - kukurydza 42% (Izrael); - buraki cukrowe 71% (Anglia).

RODZAJE PIRAMID EKOLOGICZNYCH

1. Piramida liczebności (liczba osobników)

2. Piramida biomas (masa osobników, sucha biomasa)

3. Piramida przepływu energii (pomiędzy poziomami troficznymi)

UWAGA: Podstawą piramidy są producenci (lub ilość docierającej energii słonecznej)

1. PIRAMIDA LICZEBNOŚCI

Konsumenci II rzędu	2 chłopców (12-latków)	Mięsożercy
Konsumenci I rzędu	9 cieląt	Zwierzęta roślinne
Producenci	4 mld. sztuk os. lucerny (źdźbła) na 8 ha	Rośliny zielone

1. PIRAMIDA MAS (biomas)

Chłopcy (2)	96kg.
Cielęta (9)	2070kg.
Lucerna (4mld.)	16422kg.

1. PIRAMIDA ENERGII

Produktywność chłopców	16,6*10^3 kcal
Produktywność cieląt	2,38*10^6 kcal
Produktywność lucerny	2,95*10^7 kcal

*energia dopływająca do pola lucerny (8ha): 12,6*10⁹ kcal

UWAGA: Lucerna wykorzystuje 0,24% energii słonecznej

EKOLOGIA POPULACJI

Populacja: grupa osobników jednego gatunku, zamieszkujących określony teren, krzyżujących się między sobą, ale z reguły izolowanych rozrodczo od innych populacji.

Populacje są głównymi elementami składowymi biocenoz.

Przyczyny zainteresowania problematyką ekologii populacji:

1. Kwestia zmian liczebności gatunków ważnych pod względem gospodarczym (ryb, zwierząt łownych oraz hodowlanych, roślin uprawnych, szkodników np. owadów, gryzoni)

2. Kwestia równowagi w przyrodzie wynikająca ze śmiertelności (np. jako efekt przegęszczenia) oraz rozrodczości (np. jako forma przystosowania gatunków do strat w biocenozie)

UWAGA: kwestia ta była punktem wyjścia do koncepcji ewolucyjnych (Darwin, 1858r.)

1. Kwestia demograficzna – potrzeba zrozumienia procesów zmian liczebności i struktury populacji ludzkich, zwłaszcza w aspektach: A – szybkiego wzrostu ludności w skali globalnej; B – strategii przetrwania ludzkości

UWAGA: ekologia populacji ludzkich to ANTROPOLOGIA

PRZYKŁADY FUNKCJONOWANIA POPULACJI:

1. OUETELET 1835: opór jaki napotyka populacja w trakcie rozwoju zwiększa się w stosunku kwadratowym do miary wzrostu populacji;

2. FARR 1843: istnieje silny związek pomiędzy zagęszczeniem populacji (zwłaszcza ludzkich) a wzrostem śmiertelności;

3. DUBLEDAY 1841: zwiększona płodność populacji spauperyzowanych (biednych) zwiększa szanse ich przetrwania.

EKOLOGIA POPULACJI – zajmuje się głównie badaniem:

1. Struktury poszczególnych populacji, zmianami tej struktury

2. Przyczyn rozróżniających populacje tego samego gatunku

3. Przyczyn i charakteru zmian struktury populacji

NIERÓWNOWARTOŚCIOWOŚĆ POPULACJI

Na stan i samodzielność populacji oddziałują czynniki wewnętrzne i zewnętrzne względem populacji.

Podział (typologia populacji – Beklemiszew, 1960r.)

1. Populacja niezależna: może trwale istnieć bez dopływu osobników z zewnątrz, może być eksportem (potencjał rozrodczy jest większy od śmiertelności)

2. Populacja półzależna: utrzymuje się tylko przy niskich stanach liczebności. Potencjał rozrodczy jest w przybliżeniu taki sam jak śmiertelność. Wzrost takiej populacji umożliwia napływ imigrantów przy zachowaniu warunków (np. nieurodzaj, powódź, susza) śmiertelność wzrasta ponad poziom rozrodu

3. Populacja zależna: nie może istnieć bez stałego dopływu imigrantów. Rozród nie pokrywa bowiem strat (śmiertelności)

4. Pseudopopulacja: tworzy się w oparciu o imigrantów w celu rozrodu, potem rozpada się

5. Populacja okresowa: trwa krótko, tylko w okresach (miesiące, lata) z korzystnymi warunkami środowiskowymi

6. Hemipopulacja: tworzy się w różnych fazach cyklu rozwojowego przy zróżnicowaniu wymagań życiowych (np. larwy komarów żyją w wodzie, dorosłe osobniki na lądzie)

ELEMENTY ANALIZY STRUKTURY POPULACJI

1. Liczebność populacji ( w określonych granicach przestrzennych)

2. Zagęszczenie (nasycenie przestrzeni osobników danej populacji), zagęszczenie musi być optymalne, gdy nie jest – populacja karleje

3. Zmienność zagęszczenia (w czasie i przestrzeni)

4. Struktura przestrzenna populacji, czyli sposób korzystania z przestrzeni (decydujący o sposobie eksploatacji i przekształceniach środowiska oraz o powiązaniach tej populacji z innymi gatunkami); przykłady: struktury przestrzenne samotnicy, stada, rodziny; formy przestrzenne liniowe, pionowe, rozproszone

5. Struktura płci i wieku (graficznym wyrazem są piramidy demograficzne populacji rozwijających się, ustabilizowanych – stagnujących, wymierających

INWAZJA POPULACYJNA – ekspansja terytorialna i ogromny, gwałtowny wzrost liczebności populacji na dawnych, nowych terenach.

Efektem takiej eksplozji ekologicznej jest klęska żywiołowa pochodzenia biologicznego (np. szarańcza, epidemie grupy „zarazy”)

Inwazje populacyjne powstają w wyniku przezwyciężania (przełamania) ograniczeń / barier jakim w przyrodzie podlegają populacje (prawo QUETELETA). Są przejawem utraty równowagi ekologicznej w ekosystemach. Mogą prowadzić do trwałych zmian struktury gatunkowej ekosystemu.

Uwarunkowania sprzyjające inwazjom populacyjnym:

1. Rozwój komunikacji globalnej

2. Izolacja kontynentów (od kredy) skutkująca wykształceniem się niezbieżnych, niezrównoważonych zespołów gatunkowych (konkurencja)

3. Introdukcje gatunków obcych (przypadkowe lub celowe)

Energia populacji: to stan biomasy populacji (w określonym czasie) = wzrost biomasy osobników żyjących + przyrost biomasy osobników nowych (wrodzonych) – śmiertelność osobnicza – straty przez trofię (na rzecz innych gatunków) +/- migracje osobników

Analiza energetyki populacji dotyczącej roli danej populacji w funkcjonowaniu całej biocenozy np. wydajność energetyczna procesów eksploatacji jednych populacji przez inne, np. przepływ energii; np. wielkość produkcji biomasy w populacji.

TEORIA DEMOCENU – strategia ewolucji populacji

Realizacja strategii wymaga istnienia mechanizmu homeostazy w skali democenu. Reakcje homeostatyczne mają charakter regulacyjny, dostosowujący układ do aktualnego stanu stosunków środowiskowych. Obiektem regulacji jest liczebność populacji (śmiertelność i wzrost).

Populacja homeostatyczna: jej liczebność zamyka się w strefie tolerancji populacji;

Dolna granica strefy populacji: niedogęszczenie utrudnia rozmnażanie, ułatwia ataki np. drapieżców;

Górna granica strefy tolerancji populacji: przegęszczenie grozi zniszczeniem odtwarzanych zasobów, głód i zanik populacji.

STRATEGIA EWOLUCJI POPULACJI – wniosek ogólny

• To co jest dobre i konieczne do przetrwania populacji z reguły nie jest dobre do przetrwania osobników, wiele z nich musi zginąć, aby przetrwała populacja;

Selekcja naturalna = dobór naturalny

Odsiew genotypów gorzej przystosowanych do określonych warunków środowiskowych, mniej wydajnych rozrodczo;

UWAGI:

1. W dłuższym okresie czasu skutkuje to ewolucją gatunków, sukcesywnie przystosowujących się do zmian w środowisku

2. W przypadkach gwałtownej zmiany warunków środowiskowych (katastrofy naturalnej – np. wulkanizm) liczne gatunki wymierają. Następuje rozwój tylko tych gatunków, którym nowe gatunki sprzyjają.

SAMOREGULACJA EKOLOGICZNA

• To zespół złożonych procesów powiązanych ze sobą zależnościami troficznymi a także procesów przeciwdziałających zmianom składu gatunkowego biocenozy.

CELE STRATEGII ROZWOJU POPULACJI

• Zapewnienie przetrwania populacji w czasie

• Zdobycie przewagi nad konkurentami

• Opanowanie sił zewnętrznych i wewnętrznych, które grożą populacji zniszczeniem;

GRUPY CZYNNIKÓW RZĄDZĄCYH ROZWOJEM POPULACJI:

• Zależne od zagęszczenia

• Nie zależne od zagęszczenia

• Zależne od struktury socjalnej populacji

INTERAKCJE POPULACYJNE – oddziaływanie na siebie populacji dwóch gatunków;

Oddziaływania: negatywne (-), pozytywne (+), lub obojętne (0)

Lp.	Typ interakcji	Gatunek	Ogólny charakter interakcji
		1	2
1.	Neutralizm	0	0
2.	Konkurencja bezpośrednia	-	-
3.	Konkurencja pośrednia	-	-
4.	Amensalizm	-	0
5.	Komensalizm	+	0
6.	Pasożytnictwo	+	-
7.	Drapieżnictwo	+	-
8.	Protokooperacja	+	+
9.	Mutualizm	++	++

UWAGA: W przyrodzie obowiązuje zasada, że w ewolucji i w rozwoju ekosystemu interakcje ujemne są ograniczone do minimum na korzyść dodatniej symbiozy, która zwiększa szanse przeżycia współdziałających gatunków;

Biocenologia: dział ekologii wyspecjalizowany w analizach, badaniach.