Ekosystem – obieg materii i przepływ energii

Organizmy żyjące na Ziemi są ze sobą powiązane różnymi zależnościami, m.in. pokarmowymi. Znaczącą rolę odgrywają tutaj producenci, którzy są pokarmem dla konsumentów. Ich szczątki są z kolei podstawowym pożywieniem dla destruentów. Wszystkie potrzeby organizmów mogą zostać zaspokojone dzięki stabilnym procesom umożliwiającym przepływ substancji i energii w łańcuchu pokarmowym.

Rallbo7FjSh3J

Schemat przedstawia obieg materii i przepływ energii przez ekosystem. Zarówno przepływ energii, jak i obieg materii odbywają się w jednym kierunku – związki nieorganiczne pobierane są przez producentów. Następnie producenci ci są zjadani przez konsumentów (roślinożercy, mięsożercy) bądź rozkładani przez destruentów (bakterie, grzyby), do prostych związków nieorganicznych. Proces przepływu energii przez poszczególne poziomy troficzne łańcucha pokarmowego jest związany ze stratami energii. Starty energii następują między producentami a konsumentami, między konsumentami a destruentami oraz między destruentami a związkami nieorganicznymi. Porcje energii w obiegu uzupełniane są przez producentów, którzy wykorzystują energię słoneczną (przekształcając ją w energię chemiczną) i zużywają ją na swoje potrzeby życiowe.

1. Rodzaje łańcuchów troficznych

W naturze można wyróżnić dwa rodzaje łańcuchów troficznychłańcuch troficznyłańcuchów troficznych:

• Łańcuch spasania- rozpoczyna się zawsze od producentaproducenciproducenta, a jego kolejne ogniwa stanowią: konsumentkonsumencikonsument I rzędu (np. roślinożerca), konsument II rzędu (np. mięsożerca zjadający roślinożercę) i konsument III rzędu (np. mięsożerca zjadający innych mięsożerców).

• Łańcuch detrytusowy - pierwszy poziom tworzą destruencidestruentdestruenci, a kolejne ogniwa łańcucha stanowią konsumenci kolejnych rzędów, podobnie jak w łańcuchu spasania.

W ekosystemach naturalnych łańcuchy pokarmowe przeplatają się wzajemnie, tworząc sieci pokarmowe, zwane też sieciami troficznymi. Dzieje się tak dlatego, że konsumenci zwykle odżywiają się pokarmem różnego rodzaju i mogą tym samym jednocześnie należeć do kilku poziomów troficznych. Im więcej gatunków tworzy biocenozębiocenozabiocenozę, tym bardziej skomplikowana jest sieć zależności pokarmowych.

2. Energia przepływa przez ekosystem

Podstawą funkcjonowania przyrody jest energia światła słonecznego. Rośliny przekształcają w energię chemiczną zaledwie 1 % energii światła, które dociera do ich powierzchni. Ten ułamek pobranej energii magazynowany jest w związkach organicznych i wystarcza do tego, by producenci co roku produkowali łącznie 150 mld ton (150 × 10Indeks górny 9⁹ kg) biomasybiomasabiomasy.

• Większość energii zmagazynowanej w związkach organicznych rośliny zużywają na swoje potrzeby życiowe, głównie oddychanie, syntezę potrzebnych związków organicznych i transport substancji. Żaden z procesów zachodzących w komórce nie przebiega ze stuprocentową wydajnością. W efekcie tylko ułamek energii świetlnej, którą rośliny zaabsorbowały podczas fotosyntezy, pozostaje zmagazynowany w wiązaniach chemicznych związków organicznych budujących ciało roślin. Znacznie większa część energii słonecznej docierającej do rośliny rozprasza się w otoczeniu.

• Zwierzęta roślinożerne nie zjadają roślin w całości, ponadto większość z nich nie potrafi strawić celulozy. Z tego powodu trafia do nich jedynie część energii zmagazynowanej w masie roślinnej. Zużywają tę energię do podtrzymania własnych czynności życiowych, czemu (podobnie jak w przypadku roślin) towarzyszy rozpraszanie energii. Zwierzęta roślinożerne rosną i rozmnażają się, stając się dla konsumentów II rzędu magazynem materii i energii.

• Konsumenci II rzędu wykorzystują ok. 10‑20 % energii zgromadzonej przez roślinożerców. Na każdym poziomie troficznym energii jest coraz mniej, więc tworzące dany poziom organizmy mogą wyżywić coraz mniejszą liczbę konsumentów. To wyjaśnia, dlaczego większość łańcuchów w ekosystemach składa się zaledwie z 4 lub 5 ogniw.

• Do ostatniego poziomu troficznego, czyli poziomu destruentów, trafia energia obecna w szczątkach martwych organizmów i odchodach, zwłaszcza w niestrawnych częściach ciała, takich jak pióra, kości i rogi.

Na każdym poziomie pokarmowym większość przyswojonej energii zostaje rozproszona i stracona. Szacuje się, że każdy kolejny poziom troficzny ma do dyspozycji o ok. 90 % mniej energii niż poziom poprzedni. Oznacza to, że energia przepływa przez ekosystem jednokierunkowo od producentów do konsumentów i destruentów, w którym zostaje wykorzystana i rozproszona.

R1LHZ6OLeYJe8

Schemat przedstawia przepływ energii: od Słońca (na dole schematu) i energii słonecznej, poprzez kolejne ogniwa łańcucha pokarmowego: producentów, konsumentów I rzędu, konsumentów II rzędu oraz konsumentów III rzędu. Energia zawarta w szczątkach roślin oraz w odchodach i szczątkach zwierząt dociera do destruentów. Na każdym etapie zachodzą straty energii, ze względu na procesy oddychania i termoregulacji.

Przepływ energii przez ekosystem można przedstawić graficznie w postaci piramidy energii. To rodzaj piramidy troficznej, której podstawę stanowi poziom troficzny producentów, a wyższe poziomy to konsumenci kolejnych rzędów. W piramidzie energii każdy poziom odpowiada ilości energii skumulowanej przez organizmy jednego poziomu troficznego.

RsJ4Ut6H2TMR9

Schemat przedstawia piramidę energii. U góry widoczny jest tekst: piramida energii odzwierciedla przepływ energii w ekosystemie. Uwzględnia ilość energii zgromadzonej na każdym poziomie troficznym oraz straty energii związane z oddychaniem. Pod spodem piramida składająca się z trzech prostokątów. Najniżej położony jest największy, zielony prostokąt. W jego centralnej części znajduje się zapis: producenci. Powyżej znajduje się środkowy prostokąt w kolorze fioletowym. W jego centralnej części znajduje się zapis: konsumenci roślinożercy. Najwyżej znajduje się najmniejszy, różowy prostokąt. W jego centralnej części znajduje się napis: konsumenci drapieżnicy. Po prawej stronie znajdują się: ustawiony pionowo pomarańczowy prostokąt z napisem konsumenci destruenci. Z każdego poziomu piramidy odchodzą w kierunku pomarańczowego prostokąta turkusowe strzałki oznaczające szczątki i odchody. Natomiast w lewą stronę odchodzą czerwone strzałki symbolizujące oddychanie. Żółte strzałki docierające tylko do najniższego poziomu piramidy oznaczają światło słoneczne.

3. Materia krąży w ekosystemie

Rośliny (i inni producenci) wiążą świat materii nieożywionej ze światem materii żywej. Z prostych substancji nieorganicznych tworzą materię organiczną, która buduje ich ciała. W postaci pokarmu wędruje ona wzdłuż łańcucha pokarmowego i dociera ostatecznie do destruentów. Tu następuje kolejny ważny etap krążenia materii: bakterie i grzyby przeprowadzają rozkład substancji organicznych do prostych związków mineralnych, które ponownie mogą zostać przyswojone przez producentów. Materia w ekosystemie nie ginie i nie rozprasza się, zmienia jedynie postać. Naturalne ekosystemy są samowystarczalne. Dzięki stałemu krążeniu materia jest nieustannie przetwarzana i ponownie wykorzystywana.

Produktywność ekosystemów

Ekosystemy, do których należą: łąki, lasy, pola uprawne, morza czy jeziora, produkują materię organiczną. Intensywność, z jaką w danym ekosystemie w określonej jednostce czasu wytwarzana jest materia lub magazynowana energia w związkach organicznych, nazywamy produktywnością ekosystemu. Całość wytworzonej materii lub zmagazynowanej energii jest nazywana produkcją pierwotną brutto. Produkcja pierwotna brutto pomniejszona o część, którą producenci zużywają w procesach życiowych, stanowi produkcję pierwotną netto. Ekosystemy wodne są mniej produktywne niż lądowe. Do najbardziej produktywnych ekosystemów należą ekosystemy bagienne, estuariaestuariumestuaria, rafy koralowe i pola uprawne, a najniższą produktywność wykazują oceany i pustynie. Wielkość produkcji pierwotnej zmniejsza się w miarę oddalania od równika, co wskazuje na istotny wpływ nasłonecznienia i temperatury na produktywność ekosystemów.

Głównymi czynnikami mającymi wpływ na produkcję pierwotną w ekosystemach są:

• warunki termiczne;

• dostępność światła;

• dostępność wody i soli mineralnych;

• skład gatunkowy ekosystemów.

W ekosystemach sztucznych, np. na polach uprawnych, krążenie materii jest zaburzone. Człowiek zbiera i wywozi niemal cały plon. W przypadku pszenicy są to zarówno owoce (zboże), jak i łodygi (słoma). Taki ekosystem nie może funkcjonować bez dostarczania do gleby nawozów mineralnych.

Ogrodnicy sami produkują naturalny nawóz, przyspieszając procesy zachodzące w przyrodzie. Gromadzą oni szczątki roślin w kompostownikach, gdzie układają je warstwami, dbając, by były dobrze przewietrzone i wilgotne. Obsypują je bardzo żyzną glebą, zawierającą duże ilości bakterii glebowych, albo zaszczepiają specjalnymi preparatami zawierającymi takie bakterie. Wytworzony nawóz może zostać rozsypany na glebę już w następnym roku.

Piramida biomasy przedstawia ilość materii wbudowanej w ciała osobników na każdym poziomie pokarmowym (troficznym) określonej biocenozy. Określa masę producentów, konsumentów pierwszego i wyższych rzędów w biocenozie. Na przykład w biocenozie lądowej zwykle biomasa producentów jest największa, mniejszą stanowią konsumenci pierwszego rzędu, a jeszcze mniejszą - konsumenci drugiego rzędu.

RJ3DgpP0KmUyw

Schemat przedstawia piramidę biomasy. U góry znajduje się tekst: piramida biomasy pokazuje biomasę wszystkich gatunków składających się na dany poziom troficzny. Na każdym poziomie troficznym widoczny jest spadek biomasy. Pod spodem piramida składająca się z trzech prostokątów. Najniżej położony jest największy, zielony prostokąt. W jego centralnej części znajduje się zapis: 8222, oznaczający liczbę kilogramów. Powyżej znajduje się środkowy prostokąt w kolorze fioletowym. W jego centralnej części znajduje się zapis: 1025, oznaczający kilogramy. Najwyżej znajduje się najmniejszy, różowy prostokąt. W jego centralnej części znajduje się zapis: 51, oznaczający liczbę kilogramów. Po prawej stronie znajdują się miniaturki zdjęć, od których odchodzą różowe strzałki do poszczególnych prostokątów, tworzących poziomy piramidy. Z fotografii przedstawiającej trawę odchodzi strzałka do najniższej warstwy piramidy. Z fotografii przedstawiającej krowę odchodzi strzałka do środkowego prostokąta piramidy. Na najwyżej położoną i najmniejszą część piramidy wskazuje strzałka odchodząca od fotografii przedstawiającej człowieka.

Podsumowanie

• Podstawą funkcjonowania przyrody jest energia światła słonecznego.

• Energia przepływa przez wszystkie poziomy pokarmowe ekosystemu i stopniowo jest rozpraszana w środowisku; jej straty uzupełniane są przez stały dopływ energii pochodzącej ze Słońca.

• W ekosystemach materia krąży między żywą i nieożywioną częścią ekosystemu.

Praca domowa

Słownik

Zadania

3

Ćwiczenie 5

ROWgtB3JM5M3B

Z lewej strony schematu widoczne jest słońce, od którego odbiega żółta strzałka opisana cyfrą 1, skierowana w stronę prostokąta opisanego literą A. Od niego, w prawą stronę, do prostokąta opisanego literą B, biegnie granatowa strzałka opisana cyfrą 2. Taka sama strzałka, tym razem wychodząca z prostokąta B, skierowana jest w stronę prostokąta opisanego literą C. nad obiema tymi strzałkami znajdują się dwie mniejsze, nieopisane, żółte strzałki, skierowane do góry. Od prostokąta C w stronę prostokąta opisanego literą D, a także od prostokąta D w stronę prostokąta A biegną dwie grube, nieopisane, żółte strzałki. Nad strzałką pomiędzy prostokątami C i D widnieje mniejsza żółta strzałka, ukazująca stratę energii.

RZGXQ7w8f7MbA

Schemat przedstawia krążenie materii i przepływ energii w ekosystemie. Podaj nazwy grup organizmów oznaczonych literami A,B,C i D oraz określ rodzaje energii oznaczone cyframi 1 i 2. A - 1. Producent (roślina), 2. Konsument II rzędu (roślinożerca), 3. Energia świetlna, 4. Konsument I rzędu (roślinożerca), 5. Konsument I rzędu (wszystkożerca), 6. Producent (bakterie), 7. Konsument II rzędu (mięsożerca), 8. Energia fizyczna, 9. Destruent, 10. Energia chemiczna
B - 1. Producent (roślina), 2. Konsument II rzędu (roślinożerca), 3. Energia świetlna, 4. Konsument I rzędu (roślinożerca), 5. Konsument I rzędu (wszystkożerca), 6. Producent (bakterie), 7. Konsument II rzędu (mięsożerca), 8. Energia fizyczna, 9. Destruent, 10. Energia chemiczna
C - 1. Producent (roślina), 2. Konsument II rzędu (roślinożerca), 3. Energia świetlna, 4. Konsument I rzędu (roślinożerca), 5. Konsument I rzędu (wszystkożerca), 6. Producent (bakterie), 7. Konsument II rzędu (mięsożerca), 8. Energia fizyczna, 9. Destruent, 10. Energia chemiczna
D - 1. Producent (roślina), 2. Konsument II rzędu (roślinożerca), 3. Energia świetlna, 4. Konsument I rzędu (roślinożerca), 5. Konsument I rzędu (wszystkożerca), 6. Producent (bakterie), 7. Konsument II rzędu (mięsożerca), 8. Energia fizyczna, 9. Destruent, 10. Energia chemiczna
1 - 1. Producent (roślina), 2. Konsument II rzędu (roślinożerca), 3. Energia świetlna, 4. Konsument I rzędu (roślinożerca), 5. Konsument I rzędu (wszystkożerca), 6. Producent (bakterie), 7. Konsument II rzędu (mięsożerca), 8. Energia fizyczna, 9. Destruent, 10. Energia chemiczna
2 - 1. Producent (roślina), 2. Konsument II rzędu (roślinożerca), 3. Energia świetlna, 4. Konsument I rzędu (roślinożerca), 5. Konsument I rzędu (wszystkożerca), 6. Producent (bakterie), 7. Konsument II rzędu (mięsożerca), 8. Energia fizyczna, 9. Destruent, 10. Energia chemiczna

Schemat przedstawia krążenie materii i przepływ energii w ekosystemie. Podaj nazwy grup organizmów oznaczonych literami A,B,C i D oraz określ rodzaje energii oznaczone cyframi 1 i 2. A - 1. Producent (roślina), 2. Konsument II rzędu (roślinożerca), 3. Energia świetlna, 4. Konsument I rzędu (roślinożerca), 5. Konsument I rzędu (wszystkożerca), 6. Producent (bakterie), 7. Konsument II rzędu (mięsożerca), 8. Energia fizyczna, 9. Destruent, 10. Energia chemiczna
B - 1. Producent (roślina), 2. Konsument II rzędu (roślinożerca), 3. Energia świetlna, 4. Konsument I rzędu (roślinożerca), 5. Konsument I rzędu (wszystkożerca), 6. Producent (bakterie), 7. Konsument II rzędu (mięsożerca), 8. Energia fizyczna, 9. Destruent, 10. Energia chemiczna
C - 1. Producent (roślina), 2. Konsument II rzędu (roślinożerca), 3. Energia świetlna, 4. Konsument I rzędu (roślinożerca), 5. Konsument I rzędu (wszystkożerca), 6. Producent (bakterie), 7. Konsument II rzędu (mięsożerca), 8. Energia fizyczna, 9. Destruent, 10. Energia chemiczna
D - 1. Producent (roślina), 2. Konsument II rzędu (roślinożerca), 3. Energia świetlna, 4. Konsument I rzędu (roślinożerca), 5. Konsument I rzędu (wszystkożerca), 6. Producent (bakterie), 7. Konsument II rzędu (mięsożerca), 8. Energia fizyczna, 9. Destruent, 10. Energia chemiczna
1 - 1. Producent (roślina), 2. Konsument II rzędu (roślinożerca), 3. Energia świetlna, 4. Konsument I rzędu (roślinożerca), 5. Konsument I rzędu (wszystkożerca), 6. Producent (bakterie), 7. Konsument II rzędu (mięsożerca), 8. Energia fizyczna, 9. Destruent, 10. Energia chemiczna
2 - 1. Producent (roślina), 2. Konsument II rzędu (roślinożerca), 3. Energia świetlna, 4. Konsument I rzędu (roślinożerca), 5. Konsument I rzędu (wszystkożerca), 6. Producent (bakterie), 7. Konsument II rzędu (mięsożerca), 8. Energia fizyczna, 9. Destruent, 10. Energia chemiczna

R1CWmubYXJjZj1

Ćwiczenie 5

Uporządkuj elementy tak, aby przedstawiały kolejne etapy łańcucha pokarmowego. Elementy do uszeregowania: 1. Konsumenci drugiego rzędu, 2. Destruenci, 3. Konsumenci pierwszego rzędu, 4. Producenci

Uporządkuj elementy tak, aby przedstawiały kolejne etapy łańcucha pokarmowego. Elementy do uszeregowania: 1. Konsumenci drugiego rzędu, 2. Destruenci, 3. Konsumenci pierwszego rzędu, 4. Producenci