Fotosynteza to biochemiczny proces prowadzący do przemiany słonecznej energii świetlnej w energię chemiczną istot żywych. Cała energia zawarta w paliwach kopalnych (np. węgiel, ropa) pochodzi właśnie z procesu fotosyntezy, który zachodził w roślinach przez miliony lat. Skład atmosfery Ziemi, a szczególnie obecność w niej nietrwałego tlenu, jest również skutkiem fotosyntezy
Organizmy pozyskujące pożywienie na drodze fotosyntezy zalicza się do roślin, protistów i sinic. Dawniej wszystkie organizmy wyposażone w chlorofil zaliczano do jednego królestwa - roślin. Badania ewolucjonistów wykazały, że zdolność do fotosyntezy nie jest dobrym kryterium oceny związków filogenetycznych. Fotosynteza tlenowa (z uwolnieniem tlenu) powstała pierwotnie jedynie u sinic, natomiast aparat fotosyntetyczny pozostałych organizmów (chloroplast) jest wynikiem endosymbiozy.
Proces fotosyntezy ma bardzo złożony przebieg. Uczestniczy w nim kilkaset różnych związków chemicznych od chlorofilu po enzymy syntetyzujące glukozę. Sumarycznie, w przypadku roślin zielonych, cały proces można w skrajnym uproszczeniu przedstawić w następujący sposób:
Przez system naczyń włoskowatych jest do liści z korzeni dostarczana woda. Jednocześnie z powietrza lub wody, drogą dyfuzji, wnika do wnętrza komórek dwutlenek węgla (CO2). Światło pochłonięte przez barwniki asymilacyjne zamieniane jest w pierwszym etapie w energię wiązań chemicznych wysokoenergetycznych związków: ATP i NADPH. Jest to tzw. faza jasna fotosyntezy - zależna od światła. Następnie energia zgromadzona w ATP i NADPH wykorzystywana jest do związania CO2 i powstania prostych cukrów. Reakcje te zachodzą w stromie i są określane jako cykl Calvina. Jest to tzw. faza ciemna fotosyntezy - niezależna bezpośrednio (energetycznie) od obecności światła.
W formie sumarycznej przebieg fotosyntezy można zapisać jako:
6H2O + 6CO2 + energia świetlna -> C6H12O6 + 6O2
Czyli z wody, dwutlenku węgla i elektronów generowanych przez światło przy udziale chlorofilu, powstaje glukoza i tlen.
Powyżej przedstawiony schemat jest nazywany fotosyntezą C3, gdyż pierwszym trwałym produktem asymilacji CO2 jest związek zawierający trzy atomy węgla. W roślinach klimatu tropikalnego zachodzi fotosynteza C4, w której pierwszym trwałym produktem wiązania CO2 są związki czterowęglowe (kwasy dikarboksylowe). Jest ona wydajniejsza od fotosyntezy C3. U roślin z rodziny Crassulaceae (gruboszowate), wykryto specyficzny przebieg fotosyntezy C4, tzw. fotosyntezę CAM (ang. Crassulacean Acid Metabolism) - kwasowy metabolizm węgla (Crassulaceae to nazwa rodziny, do której należy m.in. ananas u której to rodziny wykryto po raz pierwszy ten typ fotosyntezy).
Wydajność energetyczna całego procesu fotosyntezy kształtuje się na poziomie 19-33%.
Fotosynteza jest procesem anabolicznym.
OBIEG MATERII:
Obieg materii w ekosystemie, ruch pierwiastków i związków nieorganicznych, koniecznych do życia, od środowiska do organizmów i z powrotem do środowiska. Podstawowym poziomem troficznym w obiegu materii są rośliny zielone (producenci).
Wytworzona przez nie materia organiczna jest następnie wbudowana w tkanki zwierząt (konsumentów) i powraca do obiegu w ekosystemie po rozłożeniu przez reducentów na rozpuszczalne w wodzie sole mineralne.
POPULACJA - układ biologiczny, złożony z osobników jednego gatunku występujących na danym obszarze i w określonym czasie, w którym istnieje duże prawdopodobieństwo krzyżowania się, a więc możliwość wymiany materiału genetycznego. Populacja w ujęciu ekologicznym to zbiór jednogatunkowych osobników oddziałujących nawzajem na siebie.
BIOCENOZA - Zespół wszystkich żywych organizmów zamieszkujących określony obszar, powiązanych zależnościami troficznymi i innymi inteakcjami międzygatunkowymi, który wraz z elementami środowiska abiotycznego - nieożywionego (biotop) - tworzy lokalny ekosystem.
Zbiór populacji gatunków, z których każdy znajduje w danym miejscu warunki odpowiednie dla siebie; liczba i liczebność gatunków oraz interakcje między nimi wynikają z warunków środowiska w danym miejscu.
EKOSYSTEM - wyodrębniony fragment biosfery, złożony z żywych organizmów (elementy biotyczne) i składników nieożywionych (elementy abiotyczne), połączonych relacjami troficznymi, w którym zachodzi przepływ energii i krążenie pierwiastków chemicznych.
KRAJOBRAZ - fragment powierzchni Ziemi
z charakterystycznym ukształtowaniem będącym efektem wzajemnego oddziaływania wielu czynników (m.in. rzeźby, gleb, wód, flory, fauny) z mozaiką rozmaitych ekosystemów, wraz z elementami gospodarki człowieka, stanowiący zintegrowany układ.
BIOSFERA - strefa biotyczna, ekosfera - strefa, w której występuje życie na Ziemi. Biosfera stanowi ekosystem globalny, w którym dzięki udziałowi procesów fizycznych i żywych organizmów w zamkniętych obiegach krążą pierwiastki. Proces ten zasilany jest energią promieniowania słonecznego oraz, w niewielkim stopniu, energią reakcji promieniotwórczych w głębi planety.
GEOSFERY
Litosfera - skorupa ziemska
Atmosfera - płaszcz gazowy otaczający powierzchnię Ziemi
Hydrosfera - płaszcz wodny pokrywający większość Ziemi i przenikający w głąb pozostałych geosfer
Biosfera - żywe organizmy zasiedlające wody oraz powierzchnię litosfery i przenikające do dolnych warstw atmosfery
Etapy powstawania Ziemi
1. Pierwotna Ziemia jako ciało homogeniczne.
2. Stopniowa koncentracja żelaza w centralnej upłynnionej Ziemi i migracja lżejszych materiałów ku powierzchni.
3. Zróżnicowanie Ziemi na jądro, płaszcz i skorupę.
Kluczowym zagadnieniem funkcjonowania ekosystemu jest dopływ energii napędzającej ekosystem oraz przemiany jednych związków chemicznych w drugie, jakie towarzyszą przepływowi energii.
Aby wyjaśnić podstawy tych procesów, należy przypomnieć nieco wiadomości z fizjologii i biochemii.
Przepływ energii przez ekosystem:
Organizmy możemy podzielić ze względu na sposób odżywiania się, czyli to jak zdobywają organiczne, potrzebne do wzrostu i podtrzymywania czynności życiowych, substancje.
1. AUTOTROFY ? mają zdolność do wytwarzania związków organicznych z nieorganicznych (dwutlenek węgla i woda). Synteza związków organicznych jest procesem wymagającym energii. U większości autotrofów jej źródłem jest słońce ? posiadają swoisty, napędzany światłem słonecznym, aparat fotosyntetyczny służący syntezie związków organicznych. Produktem fotosyntezy jest głównie glukoza. Organizmy te nazywamy FOTOAUTOTROFAMI i należą do nich większość roślin, sinice, niektóre bakterie. CHEMOAUTOTROFY mają podobną zdolność do fotoautotrofów, ale różnica leży w źródle energii, której używają do napędzania procesów związków organicznych. Pochodzi ona z utleniania związków nieorganicznych (np. związków siarki). Chemoautotrofy są organizmami znacznie rzadszymi od fotoautotrofów. Należą do nich niektóre bakterie.
2. HETEROTROFY ? nie posiadają zdolności do produkowania związków organicznych z nieorganicznych, a zdobywają je zjadając inne organizmy lub ich obumarłe szczątki. Heterotrofy to większość pierwotniaków i bakterii, grzyby, zwierzęta a także ludzie.
Związki organiczne to nie tylko budulec organizmów. Energia zgromadzona w ich wiązaniach chemicznych jest odzyskiwana w procesie oddychania i zużywana do procesów biochemicznych utrzymujących organizm przy życiu. Wynika z tego, że energia, która umożliwia producentom wytwarzanie związków organicznych ?napędza? cały ekosystem. Większa część tej energii docierającej do ekosystemu jest w czasie kolejnych procesów biochemicznych zamieniana na ciepło i rozpraszana w otoczeniu.
DO FUNKCJONOWANIA EKOSYSTEMÓW POTRZEBNY JEST WIĘC STAŁY DOPŁYW ENERGII SŁONECZNEJ I STAŁY WYSIŁEK PRODUCENTÓW, ZAMIENIAJĄCYCH TĘ ENERGIĘ W ENERGIĘ WIĄZAŃ CHEMICZNYCH.
PRODUKTYWNOŚĆ EKOSYSTEMÓW:
Trudno jest rozpatrywać zależności między organizmami tworzącymi biocenozę, bez uwzględnienia jej abiotycznego środowiska, czyli w rzeczywistości rozpatrywany jest cały dany ekosystem.
Organizmy AUTOTROFICZNE są pierwotnym źródłem materii organicznej w przyrodzie, tzn. że cała BIOMASA organizmów w każdym ekosystemie jest wynikiem aktywności syntetycznej autotrofów, zwanych PRODUCENTAMI. HETEROTROFY, ze względu na to, że żywią się innymi organizmami, nazywamy KONSUMENTAMI. Pewna część pokarmu znajdowanego przez konsumentów nie jest przyswajana, lecz wydalana (kał). Reszta zużywana jest jako budulec albo rozkładana w procesie utleniania.
Zwierzęta odżywiające się wyłącznie producentami nazywamy KONSUMENTAMI I RZĘDU (ROŚLINOŻERCY). Oczywiście konsumenci I rzędu sami zjadani są przez inne organizmy, tzn. KONSUMENTÓW ii RZĘDU. Można też znaleźć organizmy, które zjadają konsumentów II rzędu itd.
Grupy organizmów wchodzących w skład ekosystemu tworzą POZIOMY TROFICZNE (POKARMOWE). Pierwszym poziomem są producenci, wyżej umieszczeni są konsumenci I i wyższych rzędów. Takie ułożenie nazywamy PIRAMIDĄ TROFICZNĄ (określa ona reguły przepływu materii przez ekosystem).
Np. w lesie producentami są rośliny zielone, które są zjadane przez: jelenie, sarny, dziki, zające, owady i innych roślinożerców (konsumenci I rzędu). Te z kolei zjadane są przez drapieżniki: wilki, padlinożerców: kruki, lisy oraz drobne bezkręgowce, pierwotniaki, bakterie (konsumenci II rzędu).
Zależności takie nazywamy ŁAŃCUCHAMI TROFICZNYMI lub POKARMOWYMI, a w przypadku gdy opis zależności pokarmowych dotyczy całych ekosystemów, określamy go mianem SIECI TROFICZNYCH.
JEDEN GATUNEK MOŻE PEŁNIĆ KILKA FUNKCJI W EKOSYSTEMIE ? np. dzik może zjadać pokarm roślinny, ale także drobne bezkręgowce i znalezioną padlinę kręgowców. Może więc być konsumentem I rzędu jaki i wyższych poziomów.
Organizacja biosfery
BIOM jest to fragment biosfery odznaczający się typowymi warunkami środowiskowymi determinującymi tempo produkcji i dekompozycji - czyli bilans materii organicznej, a w konsekwencji rozwój charakterystycznych gleb i roślinności
CZYNNIKI ŚRODOWISKOWE DETERMINUJĄCE ROZWÓJ BIOMÓW:
klimatyczne - związane z wpływami atmosfery (promieniowanie, temperatura, skład i ruchy powietrza, wilgotność i opady atmosferyczne, elektryczność atmosferyczna)
glebowe (=edaficzne - odżywcze) - związane z pedosferą (fizyczne, chemiczne i biologiczne właściwości gleb)
biotyczne - związane z działalnością organizmów żywych - roślinnych lub zwierzęcych
KLIMAT - okresowo i nieokresowo zmieniający się całokształt warunków atmosferycznych i stanów pogody, właściwy dla danego miejsca (obszaru) i danego czasu, określany zwykle na podstawie wieloletnich obserwacji
klimat powierzchni granicznych - klimat znikomych powierzchni, np. liścia
mikroklimat - klimat małego obiektu, np. kępy traw, skrawka wydmy
topoklimat - klimat miejsca, jednostki geograficznej najniższego rzędu, np. polana leśna, zbocze pagórka
mezoklimat - klimat samoistnych jednostek geograficznych, np. dolina, miasto, jezioro
makroklimat - klimat regionów geograficznych, np. Niziny Mazowieckiej
geoklimat - klimat dużej części kontynentu lub oceanu, np. Europy Zachodniej
klimat planetarny - klimat całej półkuli lub dużej części kuli ziemskiej
FUNKCJONOWANIE EKOSYSTEMU
Metabolizm Biocenozy
Miary znaczenia gatunku w biocenozie:
• Biomasa
• Transport substancji chemicznych
• Przepływ energii
Większość energii przepływa przez biocenozę tylko raz.
Energia nie krąży, ale jest zamieniana na ciepło i ostatecznie tracona przez system
PRAWA TERMODYNAMIKI
I prawo termodynamiki:
Zmiana energii wewnętrznej układu równa się sumie dostarczonego do układu ciepła i pracy.
Energia może przemieniać się w inną postać, nigdy jednak nie powstaje ani nie ulega zniszczeniu
II prawo termodynamiki:
Ciepło zawsze przekazywane jest przez ciało cieplejsze ciału zimniejszemu.
Układ nie może przekazywać ciepła innemu układowi o niższej temperaturze bez wprowadzenia zmian w otoczeniu.
Przy każdym przekształceniu energii pewna jej część ulega rozproszeniu.
ENERGIA SŁONECZNA DOCHODZĄCA DO POWIERZCHNI
ultrafiolet (300-400 nm) - 10% promieniowanie widzialne (400-700 nm) - 45%
promieniowanie podczerwone (>700 nm) - 45%
Energia promieniowania słonecznego docierającego do atmosfery ziemskiej: 1,3 kW/m2
Globalna suma promieniowania fotosyntetycznie czynnego (PAR) na poziomie morza: 80,9 x 109 MW/rok
Średnie natężenie PAR w okolicach Krakowa: 42,5 W/m2/rok
Źrodło: J. Weiner (1999)