Ekologia - struktura.

Ekologia, jako nauka jeszcze stosunkowo młoda jest wyjątkowo ważna w sferze działalności człowieka. Bada ona wszelkie zależności pomiędzy różnymi organizmami, a środowiskiem w którym żyją.
Termin ekologii został wprowadzony przez niemieckiego biologa i ewolucjonisty Ernst’a Haeckel’a. Słowo ekologia pochodzi od dwóch greckich słów, "oikos" czyli dom i "logos" czyli nauka, słowo, opowieść. Ekologia w wolnym rozumieniu jest to nauka o domu, zamieszkałym przez wszystkie organizmy. By dom ten był bezpieczny dla wszystkich jego mieszkańców musi panować w nim porządek. Ekologia opisuje czynniki potrzebne do utrzymania takiego porządku, czyli równowagi przyrodniczej.

1.1 Struktura i funkcjonowanie przyrody.
Najniższą jednostką używaną w ekologii jest osobnik, która oznacza jednostkę zdolną do samodzielnego życia, na którą oddziałuje otoczenie, jednocześnie zmieniając go w sposób sobie dowolny.
Najważniejszą jednostką w ekologii jest populacja. Tworzą ją osobniki z jednego gatunku, mieszkające na określonym obszarze i ściśle ze sobą powiązane. Mogą być również izolowane barierami (genetycznymi, geograficznymi) od innych podobnych grup, mogą posiadać specyficzne właściwości, takie jak liczebność populacji, zagęszczenie, tempo rozrodczości i śmiertelności, rozkład wiekowy (demografia) oraz sposób rozmieszczenia. Jedna populacja kontaktując się i swobodnie ze sobą krzyżując tworzy swoją własną i zupełnie niepowtarzalną pulę genową.
Populacja współżyjąca i współdziałająca na danym terenie z innymi populacjami nie tylko zwierzęcymi, ale też roślinnymi, włącznie z elementami środowiska nieożywionego tworzy ekosystem. Ekosystem można jednak podzielić na część nieożywioną, czyli biotop; na ożywioną część roślinną, czyli fitocenozę oraz część ożywioną zwierzęcą, czyli zoocenozę, łącznie nazywanymi biocenozą.

Pojęcie ekosystemu jest zbyt obszerne żeby je dokładnie określić, ponieważ zależy tylko i wyłacznie od punktu który chcemy go obserwować. Może to być np.: staw, las, pole, łąka, dżungla, moczary, rafa koralowa, plantacja sosnowa, ocean, morskie wybrzeże, brzeg rzeki, miasto, wieś itp.
Biomem, nazywamy duży obszar o jednakowym klimacie, charakterystycznej szacie roślinnej i szczególnym świecie zwierzęcym. Typ roślinności biomu jest charakterystyczny, choć skład gatunkowy może być różny w zależności od położenia geograficznego. Biom również jest
ekosystemem. Np. tundra, tajga.
W dokładniejszy skład ekosystemu wchodzą elementy biotyczne (żywe) i abiotyczne (nieożywione). Elementami biotycznymi, nazywamy wszystkie żywe organizmy, zarówno rośliny jak i zwierzęta, pozostające między sobą w różnego rodzaju zależnościach. Zaś elementami abiotycznymi nazywamy np. wodę, glebę, gazy atmosferyczne, rzeźbę terenu, klimat oraz temperaturę na danym obszarze.
Większą ilość niewielkich ekosystemów w konkretym układzie, określa się jako krajobraz ekologiczny. W polsce takim przykładem jest Puszcza Kampinowska, w skład której wchodzi wiele różnych ekosystemów.
Wszystkie razem wzięte krajobrazy ekologiczne i ekosystemy tworza biosferę (rys.2).

1.2 Cechy populacji.
Rozróżniamy dwa rodzaje podziału cech populacji. Podział ten zdefionowany jest przez rodzaj nauki na jakiej jest on oparty. Zatem cechy populacji dzielimy według schemtau:
Cechy typowo biologiczne:
v Odziedziczalność,
v powtarzalność,
v podobieństwo fenotypowe krewnych,
v korelacje genetyczne,
v korelacje fenotypowe,
v korelacje środowiskowe.
Istnieje rówież pojęcie parametrów grupowych do których należą m.in.:
m Rozrodczość i śmiertelność
m Imigracja i emigracja
m Krzywa wzrostu populacji
m Liczebność i areał
m Rozmieszczenie
m Warstwowa budowa lasu
m Struktura wiekowa i płciowa, piramida wiekowa
m Krzywe przeżywania
Najważniejszą cechą populacji jest rozrodczość, czyli liczba osobnikó urodzonych w pewnym czasie w przeliczeniu na ogólną liczbę osobników w danego populacji. Cechą odwrotną od rozrodczości jest śmiertelność, przez którą rozumiemy liczbę osobników ginących w danym czasie w konkretnej populacji. Różnicą pomiędzy rozrodczością a śmiertelnością nazywamy przyrostem naturalnym. Równie ważne jest również struktura wiekowa, oznaczająca proporcję pomiędzy osobnikami młodymi, dorosłymi i starymi. Określenie struktury wiekowej pozwala nam również określić rodzaj populacji według podziału na populacje: rozwijającą się, ustabilizowaną oraz wymierającą (rys.3). Na typ struktury wiekowej ma wpływ tzw. opór środowiska, czyli wszelkie oddziaływania środowiska nieożywionego np. klimat i jego czynniki, typ podłoża, ukrztałtowanie powierzchni, dostępność wody oraz oddziaływanie innych populacji w tym czynnik ludzki. Rosnąca liczebność populacji może osiągnąć tzw. maksymalną pojemość środowiska lub pułap wydolności. Jednak owa liczebność nie utrzymuje się w tej granicy długo i wykazuje stałe wachania, zależne od warunków środowiska. Wyjątkiem od tej reguły jest jednak rodzaj ludzki który już dawno przekroczył pułap wydolności środowiska.

Kolejną ważną cechą populacji jest struktura przestrzenna, czyli areał, obszar na którym te osobniki się znajdują, oraz rozmieszczenie. Ogólnie wyróżnia się trzy sposoby rozmieszczenia : rozmieszczenie skupiskowe (stada np. szpaków lub ławice np. sardynek), rzadziej występuje rozmieszczenie losowe (np. biedronki na łące) oraz najrzadsze rozmieszczenie równomierne ( np. kaktusy - opuncje lub sady stworzone przez ludzi) (rys.4).


1.3 Oddziaływania pomiędzy populacjami.
Zależności między gatunkami dzielimy na trzy grupy. Są to oddziaływania przyjazne, czyli nieantagonistyczne (protekcjonistyczne), antagonistyczne, czyli wrogie oraz neutralne. Wszystkie te grupy są absolutnie niezbędne w funkcjonowaniu biocenozy.
Pierwszą grupę, oddziaływań nieantagonistycznych nazywamy również zależnościami przyjaznymi ponieważ przynajmniej jedna ze stron odnosi w ich czasie korzyści.
Należy do nich m.in. komensalizm, tzw. współbiesiadnictwo jest najbardziej pierwotnym typem tego rodzaju oddziaływania. Polega ono na symbiozie pomiędzy dwoma lub więcej gatunkami, przy czym jeden z nich czerpie z tej zależności wyraźne korzyści nie szkodząc przy tym pozostałym i nie uzależniając się od siebie nawzajem. Np. rekin i podnawka, lew i hiena, ptaki i owady żyjące w ich gniazdach.
Kolejnym oddziaływaniem protekcjonistycznym jest protokooperacja. Jest typem symbiozy, inaczej nazywaną symbiozą fakultatywną lub przygodową, polegającą na współpracy dwóch populacji odnoszących wzajemne korzyści, lecz mogących żyć samodzielnie. Np. związek jamochłonów (ukwiałów) z pustelnikami. Na muszlach pustelników żyją przytwierdzone różne jamochłony. Ułatwiają one krabom maskowanie się i pełnią funkcję obronną, otrzymując w zamian niedojedzone resztki pokarmu pustelnika. Jednak ani pustelnik, ani jamochłon nie są ściśle zależne od swego partnera. Innymi słowy, protokooperacja to współżycie korzystne lecz niekonieczne.
Istnieje również zależność nazywana mutualizmem. charakteryzuje się obopólnymi korzyściami (symbioza) o takim stopniu, który praktycznie wzajemnie uzależnienia istnienie obu populacji
.Np. przeżuwacze i ich bakterie jelitowe, rośliny bobowate i bakterie asymilizujące azot,storczyki i grzyby,termity i ich fauna jelitowa (wiciowce rozkładające celulozę).
Specyficzną odmianą mutualizmu jest helotyzm, czyli niewolnictwo lub kontrolowane pasożytnictwo. Występujewtedy gdy jeden z gatunków jest całkowicie uzależniony od drugiego (glon), ale drugi - grzyb, w niesprzyjających warunkach może żywić się glonem (zabić go). Helotyzm występuje również między niektórymi gatunkami mrówek.
Kolejną grupą są zależności antagonistyczne lub inaczej wrogie, nazywane w ten sposób ponieważ w każdym z tych oddziaływań przynajmniej jedna ze stron ponosi jakąś szkodę.
Pierwszą z nich jest drapieżnictwo. Metoda pobierania pokarmu polegająca na zjadaniu osobników innego bądź tego samego gatunku (kanibalizm). Przy czym osobniki jednej populacji – ofiary, są zabijane i stanowią pożywienie dla osobników drugiej (drapiżnik). Ten rodzaj zależności jest wbrew pozorom jest dobry, ponieważ usuwając z populacji słabe i chore osobniki umacnia ją.
Następną grupą jest pasożytnictwo, bardzo zbliżone do drapieżnictwa, przy czym ofiara nie koniecznie musi zginąć aby przetrwał drapiżnik - pasożyt. Osobnika, który czerpie korzyści z pasożytnictwa nazywamy pasożytem, a tego, który ponosi szkody - żywicielem. Istnieją dwa rodzaje pasożytnictwa - pasożytnictwo zewnętrzne i wewnętrzne.Pasożyt zewnętrzny przyczepiony do skóry żywiciela pobiera z organizmu substancje odżywcze niezbędne mu do życia. Pasożyty te nie żerują zwykle tak długo, jak pasożyty wewnętrzne. Przykłady: pchły, kleszcze, pijawki, wszy. Natomiast pasożyt wewnętrzny przyczepiony do organu wewnątrz organizmu żywiciela skąd pobiera substancje niezbędne mu do życia. Ten typ pasożytów żeruje zwykle przez dłuższy okres, lub nawet przez całe życie żywiciela. Przykłady: tasiemce, glista ludzka, owsiki.
Kolejnym rodzajem oddziaływania jest konkurencja. W porównaniu z drapieżnictwem i pasożytnictwem konkurencja międzygatunkowa jest łagodną formą współżycia w której dwie populacje tego samego lub różnych gatunków, zazwyczaj o podobnych wymaganiach środowiskowych, rywalizują o tę samą niszę ekologiczną. Dochodzi do współzawodnictwa o ograniczone zasoby środowiska, np. o pożywienie, miejsce do życia. W wyniku tego oddziaływania obie populacje tracą. W przypadku populacji tego samego gatunku mówi się o konkurencji wewnątrzgatunkowej. Konkurencja ta redukuje szybkość wzrostu populacji proporcjonalnie do częstości spotkań osobników tego samego gatunku. Może doprowadzić do zajęcia przez słabszą populację niszy o mniej optymalnych warunkach. W przypadku populacji różnych gatunków mówi się o konkurencji międzygatunkowej. Konkurencja ta redukuje szybkość wzrostu populacji proporcjonalnie do częstości spotkań osobników różnych gatunków. Może doprowadzić do zrównoważonego dopasowania się gatunków lub do tego, że jedna populacja zastąpi drugą albo zmusi ją do zajęcia innej niszy ekologicznej (np. inne pożywienie, okresy aktywności).
Ostatnim rodzajem tego typu zależności jest amensalizm, w którym obecność i czynności życiowe jednego gatunku wpływają niekorzystnie na gatunek drugi, przy czym jest to relacja jednostronna, czyli obecność tego drugiego gatunku dla pierwszego jest obojętna. Przykładem może być amensala jest pędzlak - grzyb, który produkując antybiotyk (penicylinę) - ogranicza rozwój bakterii.
Pozostały tylko oddziaływania neutralne, czyli neutralizm, w którym jeden gatunek nie wpływa w żaden sposób na drugi inny gatunek. W zasadzie neutralizm jest brakiem odziaływań między gatunkami. Przykładem może być bocian i sikorka.

1.4 Struktura pokarmowa (troficzna).
Pod względem sposobu odżywiania się populacje podzielono na dwie grupy, tzw. poziomami troficznymi. Są o producenci i konsumenci. Producentami są organizmy samożywne (rośliny zielone i niektóre bakterie bądź protisty), które z prostych związków nieorganicznych przy pomocy energii słonecznej wytwarzają złożone związki organiczne - cukry, w procesie fotosyntezy. Osobniki , żywiące się wyłącznie producentami nazywamy konsumentami pierwszego rzędu. Są nimi roślinożercy tacy jak krowa czy jeleń. Oczywiście konsumenci pierwszego rzędu sami są zjadani przez inne organizmy. Organizmy te określane są jako konsumenci drugiego rzędu. Martwymi szczątkami producentów, konsumentów (roślinożerców i drapieżników) żywi się liczna grupa saprofagów, czyli szczątkojadów. Grupy organizmów wchodzące w skład ekosystemu , sklasyfikowane według przedstawionego schematu tworzą poziomy troficzne lub inaczej pokarmowe.
Sieci troficzne są tworzone przez wzajemnie przeplatające się łańcuch pokarmowy. Sieci mogą być mniej lub bardziej złożone, a wynika to głównie z obecności w danej biocenozie organizmów o różnych poziomach troficznych oraz przedostawania się do niej organizmów ze środowisk sąsiednich (rys.5).
Jednak zdarzają się biocenozy proste, które sztucznie utworzył człowiek. Tam istnieje większe prawdopodobieństwo zaistnienia łańcucha
pokarmowego. Przykładowo pole uprawne czy monokultury leśne, gdzie istnieje tylko jeden gatunek producentów. Gdy pojawi się tam groźny pasożyt lub roślinożerca, to zostanie zachwiana równowaga co może grozić „plagami” owadów lub gryzoni wyniszczających plantacje i uprawy człowieka.

1.5 Obieg materii i przepływ energii w ekosystemie.
Kluczowym zagadnieniem funkcjonowania ekosystemów jest dopływ energii napędzającej ekosystem oraz przemiany jednych związków chemicznych w drugie , jakie towarzyszą przepływowi energii.
Organizmy żyjące w ekosystemie można podzielić na autotrofy , które mają zdolność wytwarzania związków organicznych z nieorganicznych oraz heterotrofy. Synteza związków organicznych jest procesem wymagającym energii. W przypadku większości autotrofów źródłem tej energii jest słońce. Do organizmów mających tę zdolność – nazywamy je fotoautotrofami – należy większość roślin , sinice , i niektóre fotosyntetyzujące bakterie. Inną grupą która ma podobne zdolności są chemoautotrofy. Różnią się one od fotoautotrofów źródłem energii , której używają do napędzania procesu syntezy związków organicznych. Pochodzi ona z utleniania związków nieorganicznych , na przykład związków siarki. Należą do nich niektóre bakterie.
Organizmy , które nie posiadają zdolności produkcji związków nieorganicznych z organicznych , a zdobywają je zjadając inne organizmy lub ich obumarłe szczątki , nazywamy heterotrofami.
Energia , która umożliwia producentom wytwarzanie związków organicznych „napędza” cały ekosystem.Większa część tej energii docierającej do ekosystemu jest w czasie kolejnych procesów biochemicznych zamieniona na ciepło i rozpraszana w otoczeniu.
Do funkcjonowania ekosystemu potrzebny jest więc stały dopływ energii słonecznej i stały wysiłek producentów zamieniających tę energie w energie wiązań chemicznych.
Z części nieożywionej ekosystemu stale dopływa materia do ożywionej. Proces ten nie jest jednokierunkowy. Materia organiczna jest rozkładana w procesie oddychania komórkowego na związki nieorganiczne. Istnieje więc stała dwukierunkowa wymiana materii między biotyczną a abiotyczna częścią ekosystemu. Można ją przedstawić w formie zamkniętego cyklu (rys.6).

W ekosystemie energia krąży również pomiędzy poziomami troficznymi biocenozy, a biotopem. Mianowicie związki organiczne wyprodukowane przez producentów są ważniejszym źródłem substancji odżywczych dla roślinożerców. Roślinożercy są zjadani przez konsumentów II rzędu, a ci przez konsumentów III rzędu (drapieżniki I i II rzędu), a wszyscy łącznie, po obumarciu, przez saprofagi. Reducenci przekształcają część materii w związki nieorganiczne dostępne producentom, część zaś magazynują w tkankach i mogą zostać zjedzeni przez konsumetów. W ten sposób cykl się zamyka i materia ponownie wraca do obiegu (rys.7).