EKOLOGIA

WYKŁAD 1

Biogeneza i historia biosfery:

Wszechświat powstał ok. 15 mld lat temu.

Historia Układu Słonecznego - 4,5 - 5 mld lat

Od 3,5 mld lat trwa życie na Ziemi.

Od 600 mln lat dobra dokumentacja paleontologiczna.

Teoria na temat rozmieszczenia kontynentów - I-szy Alfred Wegner - 1912 Teoria tektoniki wielkich płyt.

Życie biosfery:

Atrybuty żywych organizmów:

1. zdolność do metabolizmu (przemiany materii)

2. zdolność do samoregulacji

3. zdolność do samoreprodukcji

Podobieństwa strukturalne żywych organizmów:

1. składają się z komórek

2. podstawowe pierwiastki to C, N, O, H

3. zawierają informację genetyczną (polimery, białka i kwasy nukleinowe)

4. zawierają wodę

Życie - to endoenergetyczny proces fizykochemiczny polegający na cyklicznym utlenianiu i redukowaniu związków węgla, realizowany przez autokatalitycznie powielające się makrocząsteczki (organizmy), proces nieprzerwany, a biosfera pozostaje w stanie dalekim od równowagi termodynamicznej, ponieważ replikacja makrocząsteczek odbywa się z błędami i skład regulujących cząsteczek zmienia się ustawicznie w sposób przypadkowy. Jest to proces charakteryzujący całą biosferę.

Potężny strumień energii docierających ze słońca właśnie za pośrednictwem żywych organizmów wprzęgnięty zostaje w kierat, który napędza obieg pierwiastków i utrzymuje skład atmosfery w stanie dalekim od równowagi chemicznej.

Biosfera jako całość dokonuje przemiany materii w skali globalnej i wywiera decydujący wpływ na warunki fizykochemiczne panujące na powierzchni naszego globu.

2 aspekty życia na ziemi:

życie życie

organizmów biosfery

wpływ

Teoria biogenezy Aleksandra Oparina

Skąd się wzięły na ziemi rośliny i zwierzęta?

Ewolucja

formy prostsze formy złożone

heterotrofy autotrofy

Łańcuch pokarmowy: autotrofy heterotrofy

Heterotrofy wg niego pierwsze zasiedliły planetę bo są formami prostszymi.

Tlen jako produkt uboczny fotosyntezy

Pierwotna atmosfera beztlenowa

Brak reakcji utleniania

Proste związki organiczne powstałe w czasie erupcji wulkanów lub wyładowań elektrycznych

Bulion organiczny (zaczątek początków życia)

Wg Oparina w bulionie proste cząsteczki mogły łączyć się ze sobą dając początek procesom zachodzącym w komórkach.

Oparin uważał, ze życie powstało w płytkich lagunach:

Mieszani związków organicznych i soli mineralnych

Synteza

Cząsteczki polimerów i kompleksy białkowe

1918 r - Oparin składa swoją teorię do druku - zostaje ona odrzucona

1924 r - zostaje ona opublikowana w języku rosyjskim (71 stron)

1938 r - przetłumaczona zostaje na język angielski.

W 1951 Stanley Miller (we współpracy z prof. Harold C. Urey) w wyniku eksperymentu potwierdza teorię Oparina. Przedstawił następujące argumenty:

1. ponieważ H jest najczęstszym pierwiastkiem w Układzie Słonecznym, Ziemia musiała zacząć swoje istnienie jako planeta bogata w H.

2. gazy otaczające powstającą Ziemię musiały być uwodorowione (chemicznie zredukowane), zaś pierwotna atmosfera była złożona z cząsteczkowego wodoru (H2), metanu (CH2), amoniaku(NH3) i pary wodnej.

3. w takiej mieszaninie gazów reakcje chemiczne wywoływane wyładowaniami lub wysokoenergetycznymi promieniami ultrafioletowymi będą prowadziły do powstania cząsteczek organicznych bogatych w wodór.

Miller skonstruował I-szą aparaturę do eksperymentów:

Przez nią przepuszczana była atmosfera bogata w H

Wyładowania

Po 2 dniach glicyna

Po tygodniu - glicyna, alanina, kwas asparginowy

W bulionie tym otrzymano łącznie 7 aminowasów. Dalsze reakcje to powstanie Koacerwatów - prakomórki o zdolności przyswajania związków na zasadzie osmozy, ale nie świadczy to jeszcze o tym, że to żywe organizmy. Oparin zauważył bowiem, ze koacerwaty powstające na przykład po zmieszaniu gliceryny i gumy arabskiej zachowują się podobnie jak żywe komórki: pobierają z otoczenia związki chemiczne, pęcznieją a potem dzielą się na potomne pęcherzyki.

Inne eksperymenty z syntetycznymi funkcjami życiowymi:

• Fox od 1959 roku - wytwarzał tzw. mikrosfery protenoidowe przez ogrzewanie, naprzemienne suszenie i zwilżanie aminokwasów. Powstające wówczas tzw. struktury celularne były podobne do pęcherzykowej komórki z podwójną błoną.

Współczesne teorie:

-pierwotna atmosfera (podobna do Marsa i Wenus) bogata w CO2, N, ciśnienie ok. 20 atmosfer

Teorie o pozaziemskim pochodzeniu życia:

• 1986 - Holey ogłosił, że życie powstało poza ziemią a na naszą planetę przybyło przypadkowo. Na potwierdzenie tego - odkryto aminokwasy w przestrzeni międzygwiezdnej.

Skąd na Ziemi wzięły się tak duże ilości C?

-kometa Halleya która uderzyła w Ziemię - 30% masy to cyjanowodór, formaldehyd.

Jak doszło do syntezy makrocząsteczek?

Białka białka, enzymy niezbędne do budowy nici DNA

Kwasy nukleinowe program niezbędny do budowy białek

Toria Cairns-Smith i Degens:

Kryształy minerałów ilastych:

1.kaolin

2.montmorillionit

mają regularne struktury i mogą stanowić rusztowanie na którym możliwa byłaby synteza uporządkowanych polimerów organicznych (białek i kwasów nukleinowych.

Eksperymentalnie udowodniono, że w obecności tych kryształów wielkocząsteczkowe związki np. węglowodany alifatyczne mono- i polisacharydy, fosfolipidy i aminokwasy tworzą się z wydajnością tysiąca razy większą niż byłaby możliwa przy takich samych stężeniach, ale bez udziału mineralnej matrycy.

Rybozymy: nośniki informacji oraz narzędzie katalizy enzymatycznej. Podobnie jak białka enzymy mogą rozcinać cząsteczki lub je łączyć, a pewna ich liczba może to robić jednocześnie. Niektóre potrafią rozcinać się same, odrzucając część swojej długości i łączyć ponownie pozostałe części. Inne potrafią wycinać fragmenty swojej cząsteczki i przenosić go w inne miejsce. Inne potrafią wytwarzać nowe łańcuchy RNA. Nie udało się jeszcze odnaleźć rybozymu, który potrafiłby kompletnie powielać sam siebie.

Schemat hipotetycznego scenariusza ewolucji prebiotycznej:

Praorganizm

Szlak genetyczny szlak enzymatyczny szlak metaboliczny

RNA, monosacharydy, enzymy, metaloproteiny fosforylacja struktury

zasady purynowe, bialka, peptydy, micelarnej, fosfolipidy

fosforan aminokwasy, Zn, Fe, Mg lipidy

WYKŁAD 2

Metabolizm biosfery

Substrat początkowy REPRODUKCJA donor i akceptor elektronów

PROCES

Biosynteza i produkcja biomasy proces przetwarzania i rozpraszania energii

Reakcja erdoks (redukcja-utlenianie): oddawanie elektronów przez jeden substrat (reduktor) i przejmowanie ich przez drugą (utleniacz)

Np. 2H₂­ = 4H^- + 4e ^- O₂ + 4e^- = 2O^-

Wodór utlenia się gdyż tlen ulega tym samym redukcji

oddaje ee, jest dawcą ee co oznacza że zostaje akceptorem ee

2H₂ + O₂ = 2H₂O

Funkcję reduktorów i utleniaczy mogą pełnić różne substancje. Ta sama para substrat/produkt dla każdej półreakcji może pełnić jedną albo drugą funkcję w zależności od tego czy ,,partner” w reakcji ma mniejszą czy większą od niej skłonność do przyjęcia lub oddania ee czyli tzw. potencjał redoks. Spotkanie dwóch układów cząsteczek różniących się znacznie potencjałem redoks kończy się spontanicznym przejściem ee od reduktora do utleniacza wydzieleniem wolnej energii.

Co stanie się gdy 2 układy mają taki sam potencjał redoks? Układ taki żadnej pracy nie wykona ale dostarczając energię z zewnątrz można na takim układzie wywołać pracę to znaczy przeprowadzić reakcję wbrew spontanicznemu kierunkowi reakcji.

Substrat strukturalny:

Rozmaite związki chemiczne zawierające C,H,O,N,S w postaci utlenionej lub zredukowanej. Zapas wszystkich substratów w biosferze jest skończony. Trudności ze zdobyciem substratów spowodowały, że w pewnym momencie w toku ewolucji dobór naturalny silnie poparł organizmy, które potrafiły wykorzystać kwanty światla jako źródło energii. Ten wynalazek ewolucyjny umożliwił zamknięcie cykli obiegu pierwiastków. Od tego czasu (2 mld lat temu) trwa globalny proces redoks. Życie objawia się jako ustawiczny cykliczny proces utleniania i redukcji związków węgla zasilany energią słoneczną. Zredukowane związki węgla tworzą bogactwo białek, polisacharydów i lipidów.

Różnorodność strategii metabolicznych:

Wszystkie organizmy żywe potrzebują 3 rodzajów substratów:

1. Strukturalnego - materii do budowy własnego ciała (C, H, O, N, S)

2. Donora ee - który utleniając się dostarcza energii albo umożliwia zredukowanie utlenionego substratu strukturalnego w celu wytworzenia związków organicznych

3. Utleniacza - uwalnia energię potrzebną do wykonania pracy.

Donor ee jest niezbędny we wszystkich procesach

Biosynteza Oddychania

Budowa biomasy Uwalnianie energii

Redukcja asymilacyjna Redukcja dysymilacyjna

Wbudowanie w nową biomasę Użycie pary substratów w celu

zredukowanych zw. C, S, N w celu wykorzystania wydzielającej się energii

Ze względu na źródło węgla

Autotrofia Heterotrofia

Samodzielne produkowanie materii pobieranie gotowych związków organicznych

organicznej w wyniku redukcji CO2

lub węglanów

Autotrofy

Chemoautotrofy Fotoautotrofy

Korzystają z energii uwalnianej w źródło energii - promienie słoneczne

Przemianach związków nieorganicznych

Chemosynteza Fotosynteza

Fotoautotrofy

Donor organiczny Donor nieorganiczny

Fotoorganoautotrofy Fotolitoautotrofy

Oddychanie tlenowe

-bakterie purpurowe -rośliny, sinice

bezsiarkowe (Rhodobacter,

Rhodospirillum)

Oddychanie beztlenowe

-bakterie purpurowe bezsiarkowe -b. purpurowe, b. zielone

Chemoautotrofy

Chemoorganoautotrofy Chemolitoautotrofy

Oddychanie tlenowe

- ? (nie odkryto) -b. wodorowe, b. nitryfikacyjne

b. żelaziste, b. siarkowe

Oddychanie beztlenowe

-? -b. de nitryfikujące,

b. desulfuryzacyjne

Fotoheteroautotrofy

Fotoorganoheterotrofy Fotolitoheterotrofy

Oddychanie tlenowe

-? -?

Oddychanie beztlenowe

-b. purpurowe, b. purpurowe -purpurowe bakterie siarkowe

Heliobacteria

Chemoheterotrofy

Chemoorganoheterotrofy Chemolitohrterotrofy

Oddychanie tlenowe

-pierwotniaki, grzyby, wiele bakt. -b. wodorowe, miksotrofy

Oddychanie beztlenowe

-b.desulfuryzacyjne -?

Archea desulfuryzujące

Fermentacja - jest to proces który zachodzi w środowisku w którym brakuje ee.

Ekosystemy cieplic głębinowych:

-1977

-rozwijają się w pobliżu podmorskich źródeł hydrotermalnych czyli cieplic głębinowych na głębokości pow 2,500 m

-woda ogrzewana przez magmę w szczelinach skał

-ślimaki, wielkie sercówki (średnica 30cm), małże, pąkle, krewetki i kraby, osiadłe wieloszczety rurkowe

-Ryfia pachyptila - prowadzi osiadły tryb życia korzysta z symbiozy z bakteriami, które odkładają siarkę.

Ewolucja fotosyntezy

u zarania życia na ziemi, dopóki substrat energetyczny w postaci abiotycznych związków organicznych występowały w nadmiarze, pierwotne heterotrofy mogły się rozmnażać bez ograniczeń. W końcu substratów zabrakło, a wtedy przewagę zyskały organizmy samożywne.

Helobacterium halobium

-saprobiont

-z Archae

-żywi się martwą materią organiczną

-w silnie zasolonych wodach

-błona komórkowa zamiast lipidów zawiera terpenoidy i bakteriorodopsynę - pigment purpurowy zdolny do przechowywania energii promieniowania widzialnego, która dostarcza dodatkowych porcji energii, wykorzystywanych do ruchu.

Pradawna atmosfera:

1.

-dużo metanu

-w oceanie głównie organizmy z Archea przyswajające metan zmniejszały jego ilość i oddawały jednocześnie do atmosfery ciepło

-wysoka temperatura, gruba warstwa gazów - utrudniony dostęp promieni świetlnych

2.

-bardzo wzmożone parowanie wody

-szybszy obieg wody

-proces wietrzenia skał - uwalnianie związków C do atmosfery

-ilość metanu = ilość CO2

-spada ilość metanogenów

3.

-dużo CO2 w atmosferze metan wchodzi w syntezę ze swoimi cząsteczkami powstają węglowodory

-mgła(smog) węglowodorowy

-przepuszcza więcej światła

WYKŁAD 3

Produkcja pierwotna biosfery

Metabolizm biosfery:

-produkcja biomasy - rośliny, glony

-dekompozycja biomasy - bakterie, organizmy rozkładające

Przyrost biomasy roślin - różnica między masą materii organicznej wyprodukowaną podczas fotosyntezy a ilością która została jednocześnie zużyta przez roślinę. Różnicę tą nazywamy produkcją pierwotną netto.

Produkcja pierwotna netto = energia wiązana w procesie fotosyntezy - energia w procesie oddychania.

Produkcja pierwotna brutto = energia wiązana w procesie fotosyntezy w jednostce czasu

Produkcja pierwotna netto - energia zawarta w wytworzonych tkankach.

99,9% biomasy planety stanowią rośliny zielone.

Metody pomiaru produkcji pierwotnej:

1. Metody pośrednie - żniwne

Polegają na zebraniu i bezpośrednim zważeniu biomasy

2. Metody fizjologiczne - tempo pochłaniania CO2 lub uwalniania tlenu

Ze stosunków stechiometrycznych reakcji fotosyntezy jednoznacznie wynika ile moli CO2 trzeba zużyć na wyprodukowanie mola glukozy

3. Metody pośrednie - ilość chlorofilu na jednostce powierzchni

Stosowane na większych obszarach, polegają na zbadaniu w jaki sposób tempo produkcji biomasy zależy od różnych łatwych do zmierzenia czynników. Np. ilość chlorofilu można oszacować za pomocą wskaźnika NDVI. NDVI=(NIR-VIS)/(NIR+VIS)

NIR - natężenie promieniowania w zakresie bliskiej podczerwieni

VIS - natężenie promieniowania w czerwieni.

Ilość chlorofilu można przy pomocy odpowiedniej kalibracji przeliczyć na tempo produkcji pierwotnej w danym miejscu.

Satelitarne badanie produktywności:

Produktywność pierwotna dużych obszarów i całej ziemi, zarówno na lądach jak i w oceanach, można szacować za pomocą zdalnych pomiarów satelitarnych. Umieszczone na satelitach spektrometry mierzą natężenie promieniowania odbitego od powierzchni ziemi w wybranych zakresach światła widzialnego i podczerwieni. Proporcje natężenia odbitego promieniowania o rożnej długości fali są charakterystyczne dla różnych obiektów pokrywających teren.

Od czego zależy tempo produkcji pierwotnej?

-od cech fizjologicznych roślin (plan budowy danej grupy roślin, warunki środowiska abiotycznego, dostępność substratów chemicznych i klimatycznych

Oceany:

Woda pochłania silnie światło słoneczne i to w zakresie dla roślin najpotrzebniejszym. Dlatego fotosynteza jest możliwa tylko w warstwach przypowierzchniowych a jej tempo zależy od czynników wpływających na przejrzystość wody i od temperatury.

W morzach tropikalnych i subtropikalnych czynnikiem ograniczającym produkcję pierwotną są substraty pokarmowe (warunki świetlne są dobre przez cały rok). Strefa eufotyczna - duże ilości substratu do procesu fotosyntezy. Wody powierzchniowe - tempo produkcji pierwotnej jest wyższe niż dekopozycji.

WYKŁAD 4

Dekompozycja - polega na przetwarzaniu wielocząsteczkowych związków organicznych na proste związki nieorganiczne. Całkowita dekompozycja polega na utlenieniu związków organicznych z wykorzystaniem tlenu.

Rozkład materii organicznej odbywa się:

-przy udziale organizmów żywych - roślin, bakterii, wszystkich zwierząt, grzybów

-bez udziału organizmów żywych - dekompozycja abiotyczna np. przez promieniowanie, częściowa mineralizacja martwych szczątków organicznych dokonuje się przy udziale tlenu atmosferycznego, promieniowania słonecznego, wody. Jest to proces bardzo powolny. Szybka i wydajna dekompozycja abiotyczna zachodzi na skutek pożarów lasów czy stepów.

Rośliny mineralizują z powrotem ½ zsyntetyzowanych przez siebie związków organicznych, zużywając na to tlen i wydalając CO2. Konsumenci i tzw. destruenci doprowadzają do formy mineralnej większość pobranej z otoczenia materii organicznej, zarówno żywych organizmów jak i ich martwych szczątków (destruenci). Różnica między roślinożercami i drapieżcami z jednej a detrytusożercami z drugiej strony jest tutaj często umowna: te drugie zadawalają się bowiem martwą materią lub wydalinami organizmów żywych, podczas gdy te pierwsze zabijają swoje ofiary lub zbierają części żywych organizmów.

Stosując zdroworozsądkowe kryteria należałoby zaliczyć człowieka obok dżdżownicy do detrytusożerców, ponieważ człowiek rzadko osobiście zabija swoją ofiarę aby ją pożreć na surowo.

Różnica między dytrutysożercami a konsumentami wszystkich stopni nie polega więc na tym czy i jak dokonują mineralizacji materii organicznej. Roślinożercy i drapieżcy przyśpieszają jednak ten proces gdyż zabijają. Konsumenci przyczyniają się do przyspieszenia obiegu materii w ten sposób, że zabijają więcej niż zjadają.

Dekompozycja dokonywana przez rośliny:

Produktami przemiany materii u roślin są CO2 i woda. Rośliny wydzielają również niewielkie ilości związków organicznych i amoniaku. Biorąc pod uwagę, że wydajność produkcji netto większości roślin wynosi ok. 50% czyli że same rozkładają połowę materii organicznej powstającej w procesie fotosyntezy. Można je uznać za najważniejszą w biosferze grupę destruentów.

Dekompozycja dokonywana przez konsumentów:

Znaczna część skonsumowanej materii opuszcza ciało roślino - mięsożerców w postaci CO2 i wody i jednego z produktów przemiany białkoweo:NH3, kwasu moczowego lub amoniaku (rzadziej występuje wydalanie innych prostych związków azotowych). Niestrawione cząstki wydalane w postaci kału zawierają w znacznej mierze materiał o niezmienionej budowie chemicznej

We wszystkich typach ekosystemów zwłaszcza na lądach udział konsumentów w dekompozycji materii organicznej jest jednak mniejszy niż innych grup organizmów.

Grupy organizmów rozkładających materię organiczną noszą różne nazwy. Przyjęcie jednej z nich zależy od tego, jakie miejsce zajmują poszczególne organizmy w łańcuchu pokarmowym, częściowo jest też kwestią umowną. Jedyny termin którego warto używać w odniesieniu do organizmów zaangażowanych w proces dekompozycji to destruenci jest symetryczny do ,,producentów” i nie jest wieloznaczny.

Destruenci (bioreduktory) - organizmy odżywiające się szczątkami innych organizmów i rozkładające złożone związki organiczne na proste i nieorganiczne.

Saprofity (roztocza) - to destruenci które zaliczamy do bakterii i grzybów w tym również organizmy żyjące w przewodach pokarmowych oraz niektóre rośliny wyższe, wykorzystują martwą materię organiczną za pośrednictwem grzybów

Saprobionty (saproby) - organizmy żyjące wśród rozkładającej się materii organicznej. Wśród nich wyróżnia się jeszcze poli-, mezo-, oligosaprobionty w zależności od stopnia zaawansowania procesu rozkładu

Nekrofagi - żywią się martwymi ciałami innych zwierząt (roślin nie !!!)

Najmniej stosowna wydaje się nazwa ,,reducenci” mogący sugerować iż organizmy te dokonują chemicznej redukcji związków organicznych.

Destruenci - dokonują ostatecznej mineralizacji największej części materii organicznej wytworzonej w biosferze jako produkcja pierwotna netto.

Związki organiczne wyprodukowane z CO2 i wody i jonów nieorganicznych przez jedną tylko roślinę muszą być rozłożone w wielu etapach przez liczne gatunki bezkręgowcow, bakterii, grzybów zanim powrócą do stanu pierwotnego

Proces dekompozycji w wodzie:

Większość produkcji pierwotnej w wodach śródlądowych i oceanach realizuje plankton na ogół organizmy jednokomórkowe lub niewiele większe.

W przypowierzchniowych warstwach wód oceanicznych (0-300m) średnio masa żywych bakterii w jednostce objętości wody przewyższa masę zooplanktonu.

Charakterystyczną cechą glonów morskich jest to, że zwierają mało celulozy lecz liczne polisacharydy (alginiany, hemicelulozy) - rozkładane do prostych związków

U wielu planktonicznych glonów np. okrzemki, znaczną część biomasy stanowią lipidy (25-50% suchej masy)

Większość zdegradowanej materii organicznej w oceanach pozostaje w postaci rozpuszczonej

Np. celuloza:

kw.humusowe humus wodny

na lądzie tylko kwasy humusowe.

Kwasy humusowe i humus wodny nie ulega dalszej dekompozycji bakteryjnej. Na lądzie kwasy humusowe są dalej rozkładane przez różne organizmy. W wodzie mogą ulegać procesowi mineralizacji chemicznej a nie biologicznej. Oblicza się, że ogólna masa rozpuszczalnych związków węgla w oceanach sięga 180 mld ton znacznie przewyższając masę wszystkich obecnie żyjących organizmów.

Na dnie oceanów i głębokich jezior słodkowodnych w warunkach beztlenowych tworzy się tzw. sapropel - luźna zawiesina szczątków organicznych i mineralnych w gęstym r-r przydennym stopniowo przechodzący w trwały osad.

W głębinach oceanicznych większość procesów rozpadu odbywa się w warunkach beztlenowych co powoduje że bakterie są w stanie wykorzystać zaledwie 5-10% energii związków organicznych. Na mniejszej głębokości odbywa się dekompozycja materii organicznej w warunkach tlenowych oczywiście z udziałem odpowiednich mikroorganizmów.

Procesy tlenowe są skuteczniejsze i doprowadzają do szybkiego zmineralizowania docierającej tam biomasy tak że ilość C organicznego w osadach morskich jest niewielka.

Proces dekompozycji na lądzie:

W warunkach lądowych przy wystarczającej wilgotności i umiarkowanym utlenieniu szczątki roślinne ulegają rozkładowi z aktywnym udziałem mikroorganizmów.

Oprócz wody, CO2 i związków mineralnych powstają przy tym mieszaniny złożonych i słabo poznanych związków tzw.kwasów humusowych:

-kwasy huminowe - nierozpuszczalne w wodzie ale tworzą rozpuszczalne sole z jednowartościowymi jonami Na, K, NH4, co pozwala wyekstrahować je z próchnicy. Ich skład nie jest dobrze poznany.

-kwasy fulwowe - rozpuszczalne w wodzie i wielu rozpuszczalnikach organicznych. Ich r-r są wyraźnie kwaśne, skład jakościowy jest podobny do kwasów huminowych ale prawdopodobnie cząsteczki są mniejsze.

Od czego zależy tempo dekompozycji i jak się je mierzy?

Metody pomiarowe opierają się na tych samych założeniach teoretycznych jakimi kierujemy się w badaniach produkcji. Możemy wykorzystać metody fizjologiczne tj pomiar tempa zużywania tlenu i produkowania CO2, albo obserwować tempo zaniku materii organicznej z upływem czasu tak samo jak obserwowaliśmy tempo przyrostu biomasy badając produkcję pierwotną. Zasadnicza różnica polega na tym, że w badaniach produkcji można brać pod uwagę wybrane gatunki i pojedyncze osobniki, podczas gdy w badaniach dekompozycji obiektem jest cały mikrokosmos, próbki wody, mułu dennego, ściółki leśnej czy też gleby wraz z wielogatunkowym zespołem organizmów, których często wogóle się nie rozpoznaje.

Liczebność i skład mikroorganizmów w próbie oznacza się często pośrednio wykrywając obecność wybranych białek lub mierząc aktywność enzymów.

Druga grupa metod polega na pomiarach straty masy całkowitej oraz zawartość poszczególnych pierwiastków z materiału wystawionego na jakiś czas na działanie detrytusożerców i mikroorganizmów glebowych.

Trzecie możliwe podejście badawcze wychodzi z założenia że ilość materii organicznej w ekosystemie pozostaje w równowadze. Oznacza to, że co roku rozkładowi powinna ulegać taka ilość ściółki, jaka w danym roku opada.

Tempo dekompozycji zależy od:

-rodzaju materiału

-warunków środowiskowych w danym miejscu

Trzeba pamiętać, że rozkładanie materii organicznej nie jest celem działania drobnoustrojach. Każdy z nich traktuje detrytus jako źródło materii i energii potrzebnej do utrzymania się przy życiu i wydania potomstwa. Tempo dekompozycji zależy od tego czy mikroorganizmy mają odpowiednią ilość nie tylko substratu energetycznego (związków zredukowanego C), lecz również azotu, fosforanu i innych pierwiastków odżywczych.

WYKŁAD 5

Wykład z dr Śmietaną (nic do egzaminu)

WYKŁAD 6

Środowisko:

Wodne Lądowe

1.względnie łatwy dostęp światła 1.względnie łatwy dostęp do światła

w górnych warstwach, ograniczony

w głębszych

2.ograniczony dostęp do niektórych pierwiastków 2.stosunkowo łatwy dostęp do pierwiastków odżywczych

(P,N,Fe). stale wypłukiwanych z podłoża mineralnego

3.niskie ciśnienie parcjalne tlenu - tempo 3.wysokie ciśnienie parcjalne tlenu

pobierania tlenu ograniczone

czynniki determinujące obraz życia w danym fragmencie biosfery:

-zróżnicowanie biosfery

-warunki klimatyczne - opady, temperatura

-rodzaj podłoża mineralnego

Powstanie gleby i rozwój szaty roślinnej są wzajemnie uzależnione, oba zależą od klimatu i podłoża.

Biom - fragment biosfery odznaczający się typowymi warunkami środowiskowymi, determinującymi tempo produkcji i dekompozycji - czyli bilans materii organicznej a w konsekwencji - rozwój charakterystycznych gleb i roślinności

Biomy typowe posiadają swój charakterystyczny krajobraz. Podobne biomy rozwijają się w podobnym klimacie na różnych kontynentach.

Spotykane w biomach zbiorowiska roślinne i zespoły zwierząt mogą bardzo różnić się pod względem przydatności taksonomicznej gatunków, natomiast funkcjonalne przystosowania organizmów w ramach poszczególnych biomów bywają bardzo podobne.

Pojęcie biomu różni się więc zasadniczo od pojęcia krainy biogeograficznej. Kraina biogeograficzna to rejon zasiedlony przez rośliny i zwierzęta o wspólnej historii często o wspólnej filogenezie. Podział świata na biomy nie pokrywa się z podziałem na krainy biogeograficzne.

BIOMY ZIEMI:

1.TUNDRA:

-produkcja pierwotna może być dość wysoka , ponieważ dzień polarny jest dość długi, dekompozycja zachodzi powoli

-gleby odmarzają tylko latem i tylko do głębokości kilkunastu centymetrów. Niska temperatura utrzymuje jednak dość wysoką wilgotność. Gleby poligonowe.

-roślinność niska

2.TAJGA:

-produkcja pierwotna wysoka ponieważ występują drzewa wiecznie zielone. Gruba warstwa ściółki. Dekompozycja dość powolna - nagromadzenie materii organicznej w podłożu

-gleby zakwaszone i bielicowe. Uboga fauna glebowa

-drzewa iglaste, większe zagęszczenie populacji, większa różnorodność gatunkowa

3.LASY LIŚCIASTE ZRZUCAJĄCE LIŚCIE NA ZIMĘ

-wysoka produkcja pierwotna. Bogata fauna i mikroflora wspomaga intensywny rozkład ściółki. Bilans produkcji i dekompozycji zbliżony do równowagi

-gleby brunatne

-liściaste i mieszane lasy, bogate runo, krzewiasty podszyt, odmiana jest roślinność śródziemnomorska

4.DESZCZOWY LAS TROPIKALNY

-produkcja wysoka, natychmiastowa dekompozycja równoważy produkcję

-gleby laterynowe, bardzo ubogie na skutek szybkiego obiegu pierwiastków odżywczych

-wielowarstwowy las, zawsze zielony, brak runa, ogromna bioróżnorodność, duże parti lasów okresowo zalewane

5.BIOMY TRAWIASTE

-produkcja pierwotna przewyższa dekompozycję. W glebie może się gromadzić zapas materii organicznej

-czarnoziemy - obszary wilgotne, kasztanowe - obszary suche

-wiele odmian jednowarstwowych trawiastych ekosystemów, czasem pomieszanych z rzadkimi lasami

Odmianę stanowi sawanna afrykańska

6.PUSTYNIE

-produkcja pierwotna niewiele większa od zera

-pustynne szaroziemy, kasztanowe

-pozbawione roślinności oraz tzw. półpustynie gdzie roślinność pokrywa 10-30% powierzchni podłoża

-występują przystosowania sprzyjające oszczędnej gospodarce wodnej.

EKOSYSTEM - to ogol organizmów zamieszkujących jakiś obszar pozostających w wzajemnych relacjach wraz z ich abiotycznym środowiskiem.

Ekosystem = biocenoza + biotop

Mówiąc o ekosystemie myślimy:

-o wymianie materii i energii między poszczególnymi elementami systemu

-o konkretnym obiekcie odgraniczonym od otoczenia w którym relacje są zamknięte i odgrodzone od reszty świata jakąś barierą

Ekosystem - jest to dowolny fragment biosfery w którym grupa organizmów realizuje proces produkcji i dekompozycji, przy chociaż częściowo zamkniętym obiegu materii z wykorzystaniem przepływającej energii. Elementami nieożywionymi ekosystemu są pule związków chemicznych: akceptorów i donorów elektronów, substratów mineralnych i organicznych.

Struktura troficzna ekosystemu:

Ekosystem zależności troficznej odzwierciedlają istotę tego co dzieje się w biosferze: proces stopniowej dekompozycji biomasy wytworzonej przez producentów.

Elementarny schemat ekosystemu to sieć troficzna.

Uproszczony model ekosystemu: producenci rośliny drapieżnicy

Zasadniczo wszystkie organizmy funkcjonują w bardzo podobny sposób. Nie ma różnicy między roślinożercami, drapieżnikami czy bakteriami glebowymi. Wszystkie te organizmy zajmują się utlenianiem materii organicznej. Różnice między nimi polegają na ty, że docierając do nich cząsteczki materii przeszły już przedtem krótszy lub dłuższy łańcuch innych organizmów.

W badaniach sieci troficznych tworzy się często zbiorcze kategorie tzw. Gatunków troficznych tj. grup gatunków zajmujących to samo miejsce w węźle sieci troficznej. Taki ,,gatunek troficzny” może składać się z różnych gatunków taksonomicznych, a ten sam gatunek taksonomiczny może zostać zaklasyfikowany do różnych gatunków troficznych.

Modele ekosystemów:

Modelem jest uproszczony opis badanego układu zazwyczaj dotyczący tylko pewnych aspektów rzeczywistych. Model odzwierciedla pewne domysły na temat struktury i współzależności między elementami badanego układu. Stanowi więc hipotezę.

Każdy badany system opisujemy e jednolitych kategoriach. Mogą to być kategorie energii, masy czy liczby osobników. Z całej rzeczywistości wyodrębniamy pewne zmienne i zajmujemy się stanem tych zmiennych. Tymi zmiennymi może być np. biomasa producentów, pula fosforu w jeziorze czy też liczba osobników. W naszym modelu ekologicznym możemy umieścić dowolną liczbę zmiennych. Dla każdej z nich będziemy chcieli określić stan sięgając do danych terenowych lub wyliczając te stany.

Bioenergetyka ekosystemów:

Za pomocą modeli przepływowych można śledzić rożne elementy ekosystemu. Wszystkie organizmy są układami termodynamicznymi w których dokonuje się praca. Produkcja i dekompozycja są formami pracy - przekształceniem wiązań chemicznych z nakładem energii i w zgodzie z prawami termodynamiki.

Zasadą życia jest przepływ energii. Energia jest więc najbardziej uniwersalną zmienną która na pewno dotyczy wszystkich organizmów w biosferze bez względu na to jaki typ metabolizmu je napędza i z jakich substratów korzystają.

Stan populacji jakichkolwiek organizmów możemy wyrazić nie tylko jako liczbę osobników, ale także jako ilość energii.

W kategoriach energetycznych podstawowym ogniwem sieci troficznej ekosystemu są zmienne stanu, które wyrażają dopływ i odpływ energii.

Dopływ - to strumień energii przez nie konsumowanej

Odpływ - to energia w odchodach, rozproszona w postaci ciepła lub energia w przyrastającej biomasie.

Bioenergetyka - termodynamika układów biologicznych. Zajmuje się przemianami energii, które dokonują się w organizmach żywych lub z udziałem tych organizmów w ekosystemach.

Piramidy troficzne

Piramidy energetyczne

Analiza sieci troficznych:

1.3 kategorie:

-podstawowa (autotrofy i destruenci)

-pośrednia (zjadające innych i same będące ofiarami)

-szczytowa (których nikt nie zjada)

2.materia i energia krążą w ekosystemie

3.liczba powiązań pomiędzy gatunkami jest proporcjonalna do liczby gatunków

4.łańcuchy troficzne są krótkie najczęściej liczba poziomów troficznych 3-4

5.wszystkorzerność występuje rzadko

6.sieci troficzne ekosystemów w stałych warunkach środowiska mają dłuższe łańcuchy

Mechanizmy regulacji stosunków troficznych w ekosystemach zależy od wielkości populacji.

Hipoteza:

1. Od dołu - niższy poziom ogranicza wyższy

Z góry - wyższy poziom troficzny ogranicza ilość występujących roślin.

WYKŁAD 7

Ekosystemy wodne

Ekologiczne cechy rożnych środowisk wodnych:

Morza, jeziora, stawy i rzeki są zbiornikami wodnymi posiada 2 typy elementów systemu ekologicznego: elementy biotyczne i elementy abiotyczne. Każdy zbiornik ma charakterystyczną dla niego florę i faunę oraz elementy nieożywione środowiska, które powiązane ze sobą nawzajem oddziałują na siebie stanowiąc jedną całość w przestrzeni.

Stenotypowość i eurotopowość hydrobiontów:

Wypadkowa działania wszystkich czynników środowiska na rozwój osobników należących do jednego gatunku zależy od ilości min, optymalnych czy max w jakich te czynniki występują. Zakres zmian czynników środowiska odbierany w różny sposób w zależności od gatunku. Jedne gatunki mogą wytrzymywać wąski zakres zmian czynników środowiska inne zaś szeroki.

Steno - stenobionty - nie tolerują znacznych wahań danego czynnika i zamyka się w wąskiej strefie tolerancji ekologicznej

Eury - eurybionty - organizmy tolerujące szerokie zmiany czynnika środowiskowego

Strefa tolerancji ekologicznej - to strefa pozytywnych reakcji na zmiany jakiegoś czynnika, zawarta między min i max ekologicznym. W pobliżu punktów krytycznych (pessimum) aktywność organizmu znacznie spada, ale w miarę oddalania się od nich obserwuje się wzrost pozytywnych reakcji ekologicznych organizmu.

Jeżeli rozpatrujemy reakcję hydrobiontów na czynniki abiotyczne w środowisku wodnym mówimy o gatunkach np. stehalinowych, stenooksybiotycznych, stenobatycznym.

Jeżeli rozpatrujemy organizm w stosunku do całego środowiska, w którym występuje (do biotopu) dany gatunek to używamy określeń: stenotopowy (żyjący tylko w jednym biotopie np. pstrąg - wartkie strumienie), eurytopowy (występuje w różnych środowiskach np. okoń - staw, rzeka itp.)

Skrajnym przypadkiem gatunków eurytopowych są gatunki kosmopolityczne tzn. występujące na znacznym obszarze geograficznym w krańcowo zróżnicowanych środowiskach.

Stosowany jest jeszcze inny podział organizmów żywych, zasiedlających zbiorniki wodne. Jeżeli weźmiemy stosunek organizmów wodnych do prądu wody to mamy:

-reobionty - występują stale i z reguły w wodach o silnych prądach

-reokseny - raczej unikające prądu wody. Mogą jednak żyć w takim środowisku

-reofoby - unikające zdecydowanie prądu wody

Końcówki dla określeń czynników środowiska:

-bionty - organizmy żyjące jedynie w obecności danego czynnika

-file - lubią żyć w obecności jakiegoś czynnika

-kseny - unikają czynnika, ale go znoszą

-foby - nie znoszą działania i obecności czynnika

Formacje ekologiczne organizmów wodnych:

1.SESTON - organizmy zawiesiny w wodzie

a/bioseston lub plankton - są to wszystkie organizmy żywe unoszące się biernie w toni wodnej:

-bakterioplankton

-fitoplankton

-zooplankton

b/abioseston lub trypton - martwe cząstki organiczne i zawiesina nieorganiczna

plankton - formacja ekologiczna składająca się z bakterii oraz roślinnych i zwierzęcych organizmów wodnych, która uzależniona jest od prądów wodnych i zajęła jako środowisko życia dziedzinę pelagiczną.

Ze względu na długość przebywania w pelagialu dzielimy plankton na:

a/holoplankton - (euplankton) - przebywa całe życie w toni wodnej

b/meroplankton - zamieszkuje pelagial jedynie okresowo. Najczęściej są to larwy organizmów bentosowych i nektonu

c/tychoplankton - organizmy które przypadkowo znalazły się w zespole organizmów planktonowych

ponieważ plankton występuje w środowisku wód słodkich i słonych to ze względu na to dzielimy go na:

a/holoplankton - słonowodny

b/limnoplankton - słodkowodny

c/solinoplankton - słone zbiorniki śródlądowe - solanki

ze względu na wielkość

a/megaplankton - pow 1 cm

b/makroplankton - 1-10 mm

c/mezoplankton - 0,5-1 mm

d/mikroplankton - 0,06-0,6 mm

e/nanoplankton - 0,005-0,06 mm

f/ultra plankton - poniżej 0,005 mm

przystosowania ekologiczne planktonu:

-redukcja szkieletu zewnętrznego i wewnętrznego

-tworzenie galaretowatych lub śluzowatych otoczek

-tworzenie delikatnych pancerzyków

-wytwarzanie kropel tłuszczu

-wakuole wypełnione gazem

-okresowa zmiana kształtu ciała, kiedy spada lepkość wody spowodowana wysoką temperaturą - cyklomorfoza

-tworzenie koloni o dużej powierzchni nośnej

-przystosowania sposobu pływania do kształtu ciała

-poruszanie się w gorę i w dół

-migracja na duże odległości

2.NEKTON - organizmy przemieszczające się bez trudu w dowolnym kierunku w toni wodnej. Szybkość pływania nektonu zależy od kształtu ciała i od wielkości powierzchni tarcia. W rzekach to głównie ryby, płazy, gady, a także skorupiaki rozmieszczone strefowo.

3.BENTOS - zasiedlające dno

a/fitobentos - rośliny naczyniowe i glony

-rhizobentos - zakorzenione

-amfifity - ziemnowodne

-helofity - bagienne

-nomfeidy - liście pływające

-eloidy - stale zanurzone w wodzie

-isoetidy - zasiedlają dno

b/zoobentos - zwierzęta dna

-haptobentos - organizmy poroślowe

-herpobentos - bentos właściwy żyjący stale na dnie

-nektobentos - organizmy pływające nad dnem osiedlające się w dnie zbiorników wodnych

Organizmy roślinne zasiedlające dno to zarówno drobny mikrofitobentos jak również rośliny wyższe nazywane łącznie makrolitami.

Zwierzęta zamieszkujące strefę dna nazywamy zoobentosem:

-mikrobentos - bakterie, glony, pierwotniaki

-meo- mejobentos - 0,5 - kilka mm - nicienie, wirki, wrotki, małżoraczki, skorupiaki denne

-makrobentos - wszystkie organizmy żyjące na dnie o wymiarach przekraczających mejofaunę

Przystosowania bentosu do dennego trybu życia:

-znaczny ciężar ciała

-masywny szkielet zewnętrzny i wewnętrzny

-dodatkowe obciążenie ciała w celu łatwiejszego utrzymania się na dnie

-możliwość drążenia korytarzy w dnie

-możliwość odżywiania się resztkami organicznymi z dna (mułojady)

-zdolność mimikry

-wytwarzanie narządów wabiących i świecących

-brak w ciele przestrzeni powietrznych i kropel tłuszczu

-uzależniają od charakteru dna sposób związania z dnem (mulistym, piaszczystym, żwirowym, kamienistym)

4.NEUSTON - organizmy zamieszkujące powierzchniową błonkę wody

a/epineuston - ponad powierzchni błonki

b/hyponeuston - związane ze spodnią stroną błonki powierzchniowej (np.przytwierdzenia jej)

5.PLEUSTON - nieliczne hydrobionty żyjące i poruszające się czynnie na błonce powierzchniowej (rośliny z systemem korzeniowym zanurzonym w wodzie)

a/pleuston właściwy - rzęska, rogatek okółkowy

b/pleuston okresowy - oderwane części roślin zakorzenionych np. liście moczarki

TYPOLOGIA ZBIORNIKÓW WODNYCH:

Cechy ekosystemu morskiego:

1.dziedzina pelagiczna - wody morskie

a/prowincja nerytyczna - obejmuje pas wód przybrzeżnych, aż do linii gdzie głębokość wody ma 200 m.

b/prowincja oceaniczna - wody otwarte

w pelagialu wydziela się następujące poziomy głębokości:

-epipelagial - do 200m

-mezopelagial - 200-1000m

-batypelagial - 1000-4000m

-abysopelagial - wody nad dnem

2.dziedzina bentoniczna - obszar dna (2strefy):

a/litoralna - na szelfie kontynentalnym

-sublitoral - strefa obrysku

-eulitoral - strefa w zasięgu pływów

-sublitoral - strefa zasięgu światła

b/głębokiego dna

-batal - strefa dna od 200-400m

-abysal - poniżej 4000 m obejmuje płaskie dno oceaniczne do głębokości 6000m

-hadal - środowisko dna rowów oceanicznych

Cechy ekosystemu jeziora:

2 dziedziny:

1.limnetyczna - toń jeziora

2.bentoniczna - stoki i dno misy jeziornej z platformą przybrzeżną

Podobnie jak w morzach pelagial pasa wody leżący nad ławicą nazywany jest strefą nerytyczną a pozostałe wody określa się jako środjeziorne limnetyczne.

Toń wody podzielona jest na: epilimnion, mezolimnion, hipolimnion.

Dno misy jeziornej dzieli się na dwie strefy:

-litoralną - płytkie dno jeziorne z pasem roślin (epilitoral, eulitoral, litoral, sublitoral)

-profundalną - głębokie dno

Ekologiczne klasyfikacje jezior:

1. Oligotroficzne - ubogie, bardzo mała ilość biogenów i zawiesiny organicznej

2. Mezotroficzne - umiarkowanie żyzne

3. Eutroficzne - żyzne, duża ilość biogenów i materii organicznej

4. Dystroficzne - kwaśne

WYKŁAD 8

Różnorodność zbiorowisk roślinnych:

-różnorodność alfa i beta

-Wchittaker (1975):

Alfa - odnosi się do różnic wewnątrz zbiorowisk (próbami, poletkami)

Beta - odnosi się do różnic między zbiorowiskami (płatami roślinności)

Różnorodność alfa i beta jest duża wtedy, gdy roślinność charakteryzuje się dużym bogactwem gatunkowym, a jej płaty różnią się kompozycją gatunkową.

4 różne sytuacje:

-alfa i beta jest mała

-alfa i beta jest duża

-alfa jest duża a beta mała

-alfa jest mała a beta duża

Metody oceny bogactwa gatunkowego:

-wskaźnik dominacji

-wskaźnik równomierności

-ogólny wskaźnik różnorodności

Wzorzec przestrzennego zróżnicowania roślinności:

Wiele czynników środowiska, które ulegają zmianie w przestrzeni i w czasie sprawia, ze w przyrodzie spotyka się różnorodne wzorce przestrzennego zróżnicowania roślinności. Stosuje się pojęcia:

-strefowości klimatyczne

-piętrowość (w górach)

Zonacja roślinności: niekiedy jest wyrazem przebiegu sukcesji i często jest wykorzystywana do interpretacji procesów dynamicznych i tworzenia modeli sukcesji.

Izonacja roślinności: jest formą przestrzennego zróżnicowania roślin wyróżniająca się prawidłowym - pasmowym następstwem określonych typów zbiorowisk roślinnych zgodnym z kierunkiem zmian (gradientem) przewodnich czynników siedliskowych np. wydmy, lasy, brzegi jezior.

Mozaikowość: forma nieregularnego rozmieszczenia populacji gatunków lub zbiorowisk w heterogennych środowiskach. Matveyer (1988) opisuje szczególną mozaikowatą organizację tundry, która jest uwarunkowana przede wszystkim wieczną zmarzliną oraz zdolnością roślin do tworzenia zwartych kobierców lub rozproszonych poduch.

Różnorodność kontaktów między zbiorowiskami:

Występuje obszar przejściowy między sąsiadującymi zbiorowiskami, w którym nie realizuje się żadne z tych zbiorowisk, a występują elementy jednego i drugiego.

Strefa przejściowa (ekoton): jest to obszar zawarty między typowymi płatami fitocenozy (zbiorowisk) wyrażające się jako pas o niejednorodnej roślinności zmieniających się prawidłowo w obu kierunkach (zmienność liniowa). Właściwości ekotonu:

1. Szerokość - bardzo zmienna stwierdzona zależność między szerokością a florystycznym podobieństwem sąsiadujących zbiorowisk. Im bardziej różnią się zbiorowiska florystyczne tym węższa jest strefa przejściowa. Np. oles --- grąd (6-8m), łęg --- oles (10-20m)

2. Sposób jej realizacji czyli jak przechodzą jedne zbiorowiska w drugie

3. Struktura gatunkowa i przestrzenna

4. Efekt stylu tj. zjawiska towarzyszące brzegom

5. Behawior populacji na granicy zbiorowisk

Warunki środowiska a sposób kontaktowania się zbiorowisk:

W przypadku dużego podobieństwa florystycznego dwóch sąsiednich zbiorowisk trudno jest wytyczyć między nimi granice. Przy wytyczeniu granic w takiej sytuacji pomocne jest rozmieszczenie gatunków diagnostycznych. Równoczesne badanie warunków ekologicznych wykazały, że w ekotonie zmieniają się warunki glebowe.

Populacje roślinne w ekotonie:

Im bardziej różnią się warunki siedliskowe, tym bardziej odmienne kompozycje gatunkowe powstają na tym terenie. Zmieniające się warunki w przestrzeni decydują o tym, jakie gatunki tam się pojawią oraz jaki będzie ich udział w budowie danego zbiorowiska.

Zbiorowisko charakteryzowane jest przez:

1. Skład gatunkowy

2. Relacje ilościowe między jego komponentami.

2 typy zachowania roślin w ekotonie:

1. Osobniki w ekotonie nie różnią się znacznie od osobników zbiorowisk A i B (można przyjąć mozaikowaty układ osobników)

2. Osobniki w ekotonie różnią się znacznie od osobników populacji A i B pod względem takich cech jak wielkość, płodność, zagęszczenie. Różnice te mogą prowadzić do wyodrębnienia się populacji ekotonowej. Zjawisko to opisywane jest jako efekt styku lub efekt brzegowy.

Typy reakcji populacji roślin:

-reakcje populacji na warunki panujące w ekotonie przejawiają się:

1. zmiana zagęszczenia populacji w stosunku do populacji sąsiadujących zbiorowisk

2.zmiana struktury przestrzennej populacji zwłaszcza we wzrastającej skupisk owości roślin

3.zmiana reprodukcji

-reakcja roślinności na zróżnicowane warunki życia w zbiorowiskach i ekotonie:

1.przenikanie osobników do ekoton gdy gatunek występuje w jednym zbiorowisku

2.mozaika osobników w ekotonie z populacji A i B, które nie wykazują istotnych różnic

3.przenikanie osobników tylko z jednej populacji w przypadku dużego wpływu na strefę kontaktową tylko jednego zbiorowiska

4.brak osobników danego gatunku w strefie przejścia

5.odrębność populacji w ekotonie

6.popuacja okrajkowa jako szczególny rodzaj populacji ekotonu.

Struktura zbiorowisk:

-skład gatunkowy: zależy od flory danego obszaru przyrodniczego a ta z kolei od warunków klimatycznych, glebowych i historii. Najbogatsze florystycznie zbiorowiska pojawiają się w środowiskach heterogennych w których żaden z gatunków nie osiąga absolutnej dominacji. Taką sytuację obserwujemy gdy dla wielu gatunków dane środowisko jest korzystne, a oddziaływania konkurencyjne zaznaczają się słabo. Wówczas na niewielkiej przestrzeni powstają zbiorowiska bogate florystycznie.

Spektra biologiczne zbiorowiska: obok analizy bogactwa gatunkowego stanowi podstawę oceny różnorodności gatunkowej. O bogactwie decyduje liczba gatunków.

-forma życiowa: decyduje o różnorodności. Jest to postać jaką roślina prezentuje w swych cechach w harmonii z otoczeniem w jakim bytują od wykiełkowania aż do wydania nasion a więc w całym cyklu życiowym.

System Raunkiaera: głównym kryterium uporządkowania roślin w systemie Raunkiaer jest założenie że na wielu obszarach ziemi okresami krytycznym dla życia roślin jest okres suszy i zimy. Sklasyfikowano więc rośliny według ich przystosowania do przetrwania niekorzystnych por roku, zwłaszcza wg sposobu ochrony pączków odnawiających.

Struktura przestrzenna zbiorowisk:

Charakter zbiorowisk jest determinowany przez:

1.wielkość dominujących roślin (drzewa, krzewy, zioła, mech)

2.ich rozmieszczenie w przestrzeni

3.ich sezonowe właściwości (np. kolor)

Typy struktury przestrzennej zbiorowisk:

1. Pionowa struktura przestrzenna - warstwowość - jej powstanie wiąże się z przystosowaniem gatunków, często o rożnej morfologii i biologii do wspólnej egzystencji. Np. monokultury sosnowe, las mieszany, las mieszany w stadium ukształtowanym. Warstwowość charakteryzuje także zbiorowiska tylko z roślin zielnych np. łąka zarówno wyróżniające się bogactwem gatunków jak i ubogie. Każde niemal zbiorowisko tworzą osobniki o niejednakowej wielkości.

2. Pozioma struktura przestrzenna - wyraża się tworzeniem stref akumulacji i rozrzedzeń oraz tendencją do skupienia się osobników pewnych gatunków w rożnych miejscach biocenozy.

Mozaikowość w zbiorowiskach - odnoszona jest zarówno do struktury roślinności w makroskali jak też mikroskali, a więc do wewnętrznego zróżnicowania zbiorowisk, które rozważane jest jako dynamika płatów i luk

Ponieważ rośliny rzadko występują a raczej tworzą jedno- lub wielogatunkowe skupienia różnej wielkości, to czyni się próby określenia elementów strukturalnych w zbiorowisku:

-synuzjum - jednostka strukturalna zbiorowiska zajmująca pewną przestrzeń o określonych warunkach ekologicznych.

-mikrocenoza - strukturalna część zbiorowiska grupująca rośliny o podobnych wymaganiach życiowych, zasiedlających jednorodne mikrosiedliska

-płat - to wyraźne lokalne ugrupowanie gatunków powtarzalne w przestrzeni i w czasie

-gildia - zbiorowisko gatunków, które dzielą ze sobą limitujące zasoby siedliska

Przyczyny i charakter mozaikowości:

Cechy:

-trwałość (wieloletnia, sezonowa, efemeryczna)

-powtarzalność, a więc czy w określonych warunkach ekologicznych powstają określone wzorce mozaikowości

-odtwarzalność tj. zdolność do odbudowy charakterystycznych struktur po zniszczeniu

Najważniejszym czynnikiem determinującym mozaikowość roślinności jest heterogenność środowiska. Mozaikowatość potęgowana jest przez właściwości roślin. Duże znaczenie ma także wpływ skupiskowej struktury populacji jednego gatunku na skupienie się osobników innych gatunków a także rozsiewanie nasion.

Dynamika płatów i luk:

- dynamika luk wynika ze zdeterminowanej ontogenicznie lub narzuconej przez zewnętrzne czynniki śmierci osobników w konsekwencji tego procesu osobniki stare zostają zastąpione przez młode. Taka możliwość pojawia się wtedy, gdy powstanie luka roślinności spowodowana np.przez śmierć drzewa

-dynamika płatów wynika z zanikania lokalnych populacji lub płatów zbudowanych z kilku gatunków i wykształcenie się innych płatów jedno- lub kilkogatunkowych.

WYKŁAD 9

Jak powstał ekosystem:

Przejawy życia są wszechobecne. W powietrzu w wodzie unoszą się miliardy zawiązków żywych organizmów: nasion, zarodników, form przetrwalnikowych, bakterii i zwierząt.

Modele progresywnej zmienności roślin:

Progresja:

-sukcesywne

-cykliczne

-fluktujące

Źródło:

-egzogenne

-endogenne

Okres:

-krótkoterminowe

-sekularne

-czas geologiczny

Modele procesów ekologicznych:

Fluktuacja: trwałość fitocenozy i powtarzalność kombinacji gatunkowej zapewnione przez krążenie propegalu wewnątrz fitocenozy.

Regeneracja: odtworzenie zniszczonych lub odkształconych fragmentów fitocenozy przez propaguje pochodzące z tej samej fitocenozy

Sukcesja: tworzenie lub odtworzenie całej fitocenozy przez propagule pochodzące z innej fitocenozy (z zewnątrz)

Regresja: zanik fitocenozy(lub zastąpienie przez fitocenozę o niższym poziomie organizacji i mniejszej trwałości). Zanik produkcji i krążenia propaguj wskutek wycofania się komponentów fitocenozy.

Sukcesja roślinności:

Rozwój ekosystemu od martwego terenu po bujne lasy czy eutroficzne jeziora przebiega zawsze według podobnego wzorca.

W różnych miejscach powtarza się w podobnym tempie jednakowe następstwo (czyli sukcesja) kolejnych grup organizmów które zmieniają środowisko wskutek czego same mogą nie znajdować już optymalnych warunków bytowania ponieważ staja się one korzystniejsze dla innych gatunków.

Rodzaje sukcesji ze względu na sytuację wyjściową:

1. Sukcesja pierwotna - zachodzi w miejscu nie zajętym wcześniej przez roślinność

2. Sukcesja wtórna - powrót roślinności na wcześniej zajmowane stanowiska.

Ze względu na czynniki odpowiedzialne za jej przebieg:

1. Czynniki autogenne (endogenne) - zmiany spowodowane przez rośliny. Proces w którym rośliny same rodzą zmiany w środowisku jest określony jako ,,reakcja”. Duże znaczenie roślin w modyfikowaniu środowiska obserwowano zwłaszcza w sukcesji pierwotnej, w której kolejne sekwencje gatunkowe wynikają z przekształceń środowiska przez rośliny pionierskie.

2. Czynniki zewnętrzne (egzogenne) - procesy te zachodzą pod wpływem zmian właściwości gleby, stosunków wodnych, pożarów, a także w wyniku działalności człowieka. (sukcesja wtórna)

Sukcesja pierwotna:

ma miejsce wtedy gdy organizm kolonizuje teren pozbawiony właściwej gleby.

Rozwój roślinności na nawo odsłoniętych siedliskach zależy od:

-dyspersji nasion (migracji)

-obecność mikrosiedlisk odpowiednich do kiełkowania i umożliwiających zakorzenienie się roślin.

Zdolność roślin do kolonizacji nowych miejsc i przekształcenia siedlisk decydują o sekwencjach gatunkowych w toku sukcesji pierwotnej. Istnieje pogląd że w warunkach ekstremalnych o inicjalnym rozwoju roślinności decyduje przypadek.

Pierwszy opis sukcesji pierwotnej:

-XIX/XX w

-obserwowany na odsłoniętych piaskach powstałych w skutek kurczenia się jeziora Michigan

-na brzegu jeziora zachowała się cała seria sukcesyjna.

Zbiorowiska trawiaste wierzby las sosnowy las mieszany

O powolnym przebiegu sukcesji pierwotnej w warunkach ekstremalnych świadczy opisany proces sukcesji na Spitzbergenie po ustąpieniu lodowca. Kuc(1964) objął badaniami półwysep o dł. 4 km i szer. 1200 m. Jeszcze Pol wieku temu półwysep ten pokrywał lodowiec.

1. Strefa prawie pozbawiona roślinności przylegającej do lodowca

2. Strefa roślinności pionierskiej obejmująca obszary objęte przez morenę

3. Strefa tundry, którą tworzy mozaika zbiorowisk tundry suchej i mokrej i zbiorowisk o charakterze pionierskim.

Sukcesję opisano na podstawie składu gatunkowego, pokrywy roślinnej oraz dynamiki gatunku pionierskiego - skalnicy naprzeciw listnej

O powolnym przebiegu sukcesji na morenie dennej o jej słabym zróżnicowaniu roślinności decydują ekstremalne warunki życia, słaby dopływ nasion i stosunkowo niewielka liczba bezpiecznych miejsc do kiełkowania. Szczególne znaczenie ograniczające rozwój roślin ma cienka pokrywa śnieżna oraz duża liczba cykli zamarzania i rozmarzania gleby.

W ekstremalnych warunkach o sukcesie kolonizacyjnym decyduje zwłaszcza strategia reprodukcyjna a więc duża produkcja nasion, częste przystępowanie do reprodukcji oraz propagacja wegetatywna. Właściwości te połączone z długowiecznością oraz plastycznością morfologiczną umożliwiają zasiedlenie i trwanie w tych warunkach niektórych gatunków.

Strategie życia - zespół podobnych lub analogicznych genetycznych właściwościach które pojawiają się wśród gatunków lub populacji i powodują ujawnienie się tych podobieństw na poziomie ekologicznym.

Sukcesja pierwotna prowadzi do powstania zbiorowiska, które w danych warunkach ekologicznych może utrzymać się przez dłuższy czas. Proces ten może być przerwany w stadium początkowym lub późniejszym. Na przykład na wydmach może być spowodowany przez ruchome piaski, w tundrze przez ruchy wiecznej zmarzliny lub erozję. Jeśli te czynniki powtarzają się dość regularnie to zmiany roślinności nazywa się cykliczną zmiennością roślinności lub sukcesją cykliczną.

Sukcesja wtórna:

Działalność człowieka, której przejawy widoczne są w krajobrazie, również przejawia się w kształtowaniu podstawowych procesów ekologicznych. Przyczyniają się do tego wtórne zmiany siedlisk a także zniszczenia szaty roślinnej obejmujące niekiedy duże obszary. Jeżeli zmiany spowodowane działalnością człowieka nie doprowadzają do całkowitej degradacji środowiska to wówczas zachodzą procesy w wyniku których roślinność jest w stanie powrócić na wcześniej utracone pozycje.

Jeśli rozwój roślinności po zaprzestaniu działalności człowieka prowadzi do odtworzenia zbiorowiska to dla takiego zjawiska proponowany Est termin sukcesja regeneracyjna lub sukcesja wtórna rekreatywna (odtwarzająca).

Jeżeli sukcesja prowadzi do wykształcenia zbiorowiska innego niż wcześniej występowało to mówimy o sukcesji kreatywnej.

Model sukcesji wtórnej kreatywnej:

Wokół jeziora wyrastają trzciny oraz rośliny pływające, które stopniowo rozprzestrzeniają się ku jego środkowi na brzegu jeziora wskutek odkładania się materii organicznej tworzy się podłoże na którym wyrastają drzewa wilgociolubne wypełnione jezioro zmienia się w mokradło a na jego dawnym brzegu tworzy się las zarośnięcie jeziora

Model sukcesji rekreatywnej na porzuconych polach:

Faza 1-4 (1-12lat) stadium inicjalne: utrzymanie się chwastów, tworzenie się krótkotrwałego zbiorowiska ugorowego Faza 5-6 (12-25lat) stadium przejściowe: zwiększenie liczebności jałowca. Na murawie mech płonnik jest wypierany przez porosty. W fazie 6 pojawia się sosna i osika faza 7-10 (25-140lat) stadium terminalne: 7-luźne zapusty jałowcowo-osikowe, 8-zwarte zapusty jałowcowo-osikowe, 9 i 10 - bór sosnowy.

Przyczyny i mechanizmy sukcesji wtórnych:

1.w miarę rozwoju roślinności i zróżnicowania się siedlisk następuje stały wzrost zróżnicowania gatunkowego. Największa różnorodność gatunkowa występuje między 12-25 rokiem od zaprzestania upraw.

2.w niektórych okresach kształtowanie się zbiorowisk, udział mszaków i porostów w sukcesji jest znaczący. Np. w fazie 6 porosty z rodz:Cladonia kolonizują darnie mchów przyspieszających ich destrukcję.

Przebieg sukcesji na porzuconych łąkach znamionuje stopniowy wzrost komplikacji struktury roślinności, wzrasta jej wartościowość i mozaikowość.

Mimo spadku bogactwa gatunków w pierwszych fazach sukcesji proces ten charakteryzuje znaczne zróżnicowanie struktury pionowej i poziomej zbiorowiska.

Powrót lasu na wydmy:

Suche grzędy - wzniesienia 0,5 - 1,5 m - uboga roślinność

Wilgotne międzyrzędzia - strefa wilgotnego nagiego piasku - bogata roślinność

Teoria sukcesji:

-została sformułowana przez Clemensa

-to ukierunkowane zmiany roślinności na odsłoniętych przestrzeniach. Zmiany te mają charakter a/progresywny b/uporządkowany c/przewidywalny

-główną siła sukcesji są kierunkowe przemiany warunków środowiskowych spowodowanych przez rośliny

-zjawiska warunkujące proces sukcesji:

• Nutacja - odsłonięcie powierzchni

• Migracja - nawiewanie nasion

• Reakcja - modyfikacja środowiska przez rośliny

• Konkurencja międzygatunkowa - kombinacja gatunków

-Odum (1969) - rozwinął teorię Clemensa

-Egler(1954) - trochę inny model:

1. model sztafety florystycznej - zakłada, że jedna grupa gatunków modyfikuje środowisko i ustępuje przekazując je następnej grupie gatunków. Jest to model hierarchicznej zmienności zbiorowisk w procesie sukcesji

2.model inicjalnej kompozycji florystycznej - początkowy skład florystyczny determinuje dalszy przebieg tego procesu.

3

---