Pojęcie środowiska przyrodniczego
W literaturze występuje szeroki zakres definicji środowiska jak i pojęć mniej lub bardziej pokrywających się (zależnie od nauk szczegółowych, które nim się zajmują).
Definicja (K. Górka, B. Poskrobko, W. Kadecki: Ochrona Środowiska, PWE)
Środowisko przyrodnicze jest to ogół naturalnych zasobów oraz innych walorów biosfery, która stanowi zewnętrzną
część kuli ziemskiej zasiedloną przez żywe organizmy i jest bezpośrednio przez nie wykorzystywana.
Walory i zasoby przyrody są w mniejszym lub większym stopniu przekształcane przez człowieka i składają się danym
miejscu i czasie na biologiczne warunki życia człowieka.
Walory i zasoby (litosfera, pedosfera, atmosfera, hydrosfera, biosfera w tym człowiek) pozostają w całościowym
powiązaniu l wzajemnym sprzężeniu, tworząc otwarty system środowiska przyrodniczego
Ekologia (grec, oikos - dom lub miejsce życia)
nauka o współzaleźnościach pomiędzy żywymi organizmami a ich środowiskiem
inaczej
nauka o strukturze i funkcjonowaniu przyrody
Poziomy organizacji życia uszeregowane w hierarchicznym porządku:
Biocenoza > populacja > organizm
Populacja: grupa osobników jakiegokolwiek gatunku zwierząt lub roślin, żyjące na określonym terenie w określonym czasie, wzajemnie kontaktujących się i krzyżujących.
Biocenoza: wszystkie populacje zajmujące określoną przestrzeń, powiązane siecią zależności wewnętrznych, oddziałujących na siebie jak również na środowisko nieożywione
Ekosystem = biocenoza + nieożywione środowisko
Ekosystem = czynniki biotyczne + czynniki abiotyczne ^
Ekosystem: podstawowa samowystarczalna jednostka organizacyjna np. tundra, las tropikalny, pustynie, morza
Biosfera: największy i najbliższy samowystarczalności układ biologiczny Obejmuje wszystkie żyjące na Ziemi organizmy, powiązane ze środowiskiem fizycznym dzięki wzajemnym oddziaływaniom. W wyniku tych oddziaływań tworzy się zrównoważony układ, pośredniczący w przepływie energii. oraz obiegu materii.
Zasady odnoszące się do ekosystemu
Ekosystem lub układ ekologiczny: jednostka ekologiczna, która obejmuje wszystkie organizmy żyjące na danym obszarze (tj. biocenozę) i współdziała ze środowiskiem fizycznym, w której przepływ energii prowadzi do powstania wyraźnie określonej:
- struktury troficznej (pokarmowej),
- zróżnicowania biotycznego,
- krążenia materii
Struktura troficzna (gr. trophe = odżywianie) Wyróżnia się dwa komponenty zwykle częściowo rozdzielone w czasie i przestrzeni:
autotroficzny (samoźywny), w którym przeważa wiązanie energii świetlnej, wykorzystywanie prostych związków
nieorganicznych i budowanie złożonych związków organicznych.
Najbardziej intensywny metabolizm autotroficzny występuje w górnej „zielonej warstwie", do której dopływa energia
świetlna.
Autotrofami są:
producenci - rośliny naczyniowe, glony, bakterie chemosyntetyzujące
heterotroficzny (cudzożywny), który wykorzystuje, przetwarza i rozkłada złożone związki organiczne. Najbardziej intensywny metabolizm występuje w niżej położonej „ciemnej warstwie", gdzie materia organiczna kumuluje się, tworząc glebę, czy osady. Heterotrofami są:
konsumenci - zwierzęta roślinożerne oraz drapieżcę
saprotrofy (reducenci, destruenci) - bakterie, grzyby rozkładające martwą materię organiczną - detrytus
Ze względu na typ odżywiania i źródeł wykorzystywanej energii trzy podstawowe składniki ekosystemu: producenci > konsumenci > saprotrofy można traktować jako trzy „funkcjonalne królestwa przyrody".
rys. ekosystemu stawowego
Homeostaza (homeo = ten sam; stasis = stan) jest terminem używanym do określenia tendencji układów biologicznych do opierania się zmianom i trwania w stanie
równowagi.
Ekosystemy naturalne, podobnie jak wchodzące w ich skład populacje i organizmy, mają zdolność do
samoutrzymywania się i samoregulacji.
Mechanizm samoregulacji, bowiem opiera się na powiązaniach głównie pokarmowych
Przykładowy układ sterujący
wzrost populacji drapieżców -> (+)
(-) <— wzrost populacji ofiar wielkość sterowana - liczebność populacji sprzężenie zwrotne dodatnie, ujemne - ilość pożywienia
Homeostaza ekosystemu występuje, gdy w danym układzie jest duża różnorodność populacji powiązanych niezliczoną siecią wzajemnych związków.
Zasady i pojęcia dotyczące energii w układach ekologicznych
Energię określa się jako zdolność do wykonywania pracy.
Prawidłowości zaobserwowane w badaniach nad zachowaniem się energii sformułowano w formie zasad
termodynamiki:
l zasada termodynamiki - energia może zmieniać swą postać, nigdy jednak nie powstaje ani nie ulega zniszczeniu. Światło np. Jest jedną z postaci energii, która - zależnie od warunków - może ulec przemianie na pracę, ciepło lub energię chemiczną związaną np. w substancjach pokarmowych, natomiast żadna z tych postaci energii nie może ulec zniszczeniu.
II zasada termodynamiki - procesy przemiany energii nigdy nie osiągają 100% wydajności. Degradacja energii, czyli jej rozproszenie , zachodzi samorzutnie.
Ze względu na przepływ energii każdy ekosystem naturalny stanowi układ otwarty. Funkcjonowanie ekosystemu jest
możliwe tylko wtedy, gdy dociera do niego energia.
Energia przepływa przez ekosystem jednokierunkowym strumieniem.
Łańcuchem troficznym, czyli pokarmowym nazywamy szereg organizmów kolejno zjadających i zjadanych, przez który przepływa energia zawarta w pokarmie czerana od roślin. W trakcie każdego z kolejnych przekształceń, ubywa znaczna część energii chemicznej (80-90%), rozpraszając się jak ciepło. Dlatego też liczba etapów, czyli „ogniw" w tym łańcuchu przemian energii ogranicza się do czterech lub pięciu. Im krótszy jest łańcuch pokarmowy , tym większą dysponują energią. Łańcuchy pokarmowe są wzajemnie powiązane tworzą sieć troficzną.
rys. schemat przepływu energii
Produktywność pierwotna, czyli podstawowa danego układu ekologicznego to
szybkość z jaką producenci przekształcają energię promieniowania słonecznego w procesie fotosyntezy(lub inne
źródła energii w procesie chemosyntezy) w energię chemiczną materii organicznej.
• Produkcja pierwotna brutto, mierzona szybkością fotosyntezy, czyli wytwarzania materii organicznej, łącznie z tą częścią materii, którą producenci zużywają w procesie oddychania (całkowita asymilacja),
• Produkcja pierwotna netto - asymilacja netto - szybkość magazynowania materii organicznej w tkankach roślin, czyli bez materii zużytej przez rośliny na oddychanie w badanym okresie.
Produktywność netto biocenozy mierzy się szybkością nagromadzonej materii organicznej, nie wykorzystanej przez organizmy heterotroficzne (jest to więc produkcja pierwotna netto minus konsumpcja heterotrofów) w rozpatrywanym okresie, przeważnie w ciągu sezonu wegetacyjnego lub w ciągu roku.
Produktywność wtórna- szybkość „wiązania" energii przez konsumentów. Konsumenci użytkująjedynie pokarm już wyprodukowany z pewnymi stratami energii i przetwarzają go we własne tkanki. Produktywności wtórnej nie dzieli się na brutto i netto.
Tempo (szybkość) produkcji zależy od szybkości dopływu składnika ograniczającego, tj. tego który występuje w minimum (prawo minimum Liebiga)
Uwadze laika uchodzi fakt, że przy każdej przemianie pokarmu traci się część energii chemicznej. Dlatego liczba konsumentów, np. ludzi jaka może się wyżywić wykorzystując produkcję pierwotną zależy od długości łańcucha pokarmowego, każde bowiem następne ogniwo dysponuje mniejszą - o rząd wielkości (dziesięciokrotnie) - ilością dostępnej energii. Innymi słowy mniej ludzi można wykarmić, gdy znaczną część dziennego wyżywienia stanowi mięso. Trzeba zatem zdawać sobie sprawę, że mięso zniknie z ludzkiej diety lub zostanie silnie ograniczone, jeżeli człowiek nie zgodzi się na kontrolę wzrostu liczebności własnej populacji.)
{ Wielu ludzi niewłaściwie interpretuje zestawienie wysokich wydajności stawów w Azji z polewami ze stawów USA, gdzie nie zawsze stosuje się dokarmianie ryb. Można przyjąć, że wydajność stawów rybnych zależy pośrednio od gęstości zaludnienia.
W krajach przeludnionych, gdzie ludność jest nie dożywiona, gospodarka stawowa jest nastawiona na połowy ryb roślinożernych lub detrytusożernych, połów rzędu 1125-1687 kg z ha można łatwo osiągnąć nawet bez dokarmiania. W krajach, w których nie ma dużego zagęszczenia ludności i nie występuje zjawisko głodu, rozwija się wędkarstwo. Zwykle łowi się na wędkę ryby drapieżne, stanowiące końcowe ogniwo łańcucha troficznego i wobec tego uzyskuje się znacznie mniejsze połowy, rzędu 112-561 kg/ha (E.P.Odum: Podstawy ekologii, 1982)}
f My, istoty ludzkie, nie powinniśmy zapominać o tym, że cywilizacja jest tylko „ nadbudową" natury i że jej trwanie zależy od ciągłości dopływu energii promieniowania słonecznego.}
Z łańcuchem pokarmowym związane jest zjawisko akumulacji biologicznej tj. koncentracji pewnych substancji w kolejnych ogniwach łańcucha (np. pestycydy - DDT, pierwiastki promieniotwórcze).
Czynniki ograniczające
> Prawo minimum Lebiega (l 840)
Rozwój organizmu, populacji lub całej nieraz biocenozy zależy od tego z potrzebnych do tego czynników, który
znajduje się w minimum (np. N; C02; 02; itp.)
Prawo minimum dotyczy raczej materii
{ przykład Zatoki Great South w cieśninie Long Island w N. Yorku - hodowla ostryg - azot amonowy..}
> Prawo tolerancji Shelforda (1913)
Im organizm jest bardziej „tolerancyjny" w stosunku do natężenia działania czynników ekologicznych, tym większe
jest jego rozprzestrzenienie w przyrodzie.
Prawo tolerancji dotyczy raczej warunków fizykochemicznych środowiska np. temperatura, światło, odczyn.
rys. schemat- wrażliwość organizmów wodnych na zakwaszenie Zasady i pojęcia dotyczące obiegu materii
Pierwiastki chemiczne wykazują tendencję do krążenia w biosferze po charakterystycznych drogach- od środowiska do organizmów i znów z powrotem do środowiska. Powyższe mniej lub bardziej zamknięte obiegi znane sąjako cykle biogeochemiczne
Ruch pierwiastków i związków nieorganicznych koniecznych do życia nazywamy krążeniem mineralnych składników pokarmowych - bigenów.
Biorąc pod uwagę biosferę jako całość, można wyróżnić dwa podstawowe typy cykli biogeochemicznych:
1) obieg typu gazowego, gdzie głównym zbiornikiem jest atmosfera lub hydrosfera (ocean). Cykle tego rodzaju (np.CO;, N3, O;) są dość stabilne, trwałe i szybko dostosowują się do zachodzących w biosferze zakłóceń. Jest to możliwe dzięki ruchom powietrza.
2) obieg typu sedymentacyjnego, gdzie zbiornikiem jest skorupa ziemska obejmuje takie pierwiastki jak P, Fe, S. Cykl sedymentacyjny jest znacznie mniej doskonały. Krążenie znacznie łatwiej może zostać przerwane na skutek jakichś lokalnych zakłóceń, ponieważ zasadnicza pula materiału zawarta w skorupie ziemskiej jest stosunkowo mało aktywna i ruchliwa. W rezultacie część wymienianej materii może wypaść z obiegu na długi czas, jeżeli ruch „w dół" zachodzi szybciej aniżeli powrót „ku górze"
{ Cywilizacja tak bardzo przyspieszyła ruch wielu pierwiastków, że cykle ulegają przerwaniu, proces zachodzi „ acykliczfie " i w rezultacie powstaje paradoksalna sytuacja, że człowiek coraz bardziej odczuwa skutki nadmiaru pierwiastków jednym miejscu a braku w innym. Np. kopalnie fosforytów, fabryki nawozów fosforowych - hałdy, odpady poprodukcyjne zawierające związki fosforu > nawożenie gleb bez umiaru fosforanami - eutrofizacja zbiorników wodnych. }
rys. - biogeochemiczny cykl azotu rys. - biogeochemiczny cykl fosforu