Ekosystem - struktura i zachodzące w nim zmiany

Ekosystem jest układem ekologicznym składającym się z dwóch podstawowych komponentów: biocenozy i biotopu. Biocenoza to całokształt ożywionej części ekosystemu – zespół populacji gatunków występujących na danym obszarze. Występowanie wielu gatunków w ekosystemie gwarantuje prawidłowe krążenie materii i regulację liczebności populacji, a w konsekwencji gwarantuje ich przetrwanie oraz zachowanie naturalności ekosystemu. Warunki i miejsce występowania organizmów w ekosystemie (nieożywiona część ekosystemu) to biotop, np. energia słoneczna, klimat, rzeźba terenu, dostępność wody.

Podział ekosystemów

Wyróżnia się kilka sposobów podziału ekosystemów ziemskich. Podstawowy to podział na ekosystemy lądowe i wodne (słono- i słodkowodne).

Ze względu na ingerencję człowieka (antropopresjęantropopresjaantropopresję) ekosystemy dzieli się na sztuczne, półnaturalne, naturalne oraz pierwotne.

Struktura ekosystemu

Struktura troficzna (pokarmowa) ekosystemu

Każdy ekosystem charakteryzuje się właściwą sobie strukturą troficzną, która bywa również określana mianem struktury pokarmowej. Populacje wchodzące w skład biocenozy tworzą grupy zwane poziomami troficznymi. Wyróżnia się trzy podstawowe piętra: producentów, konsumentów i destruentów.

• Producenci to rośliny i inne organizmy samożywne, które zapewniają sobie dopływ energii i materii bez udziału innych organizmów w procesach foto- lub chemosyntezy.

• Konsumenci są cudzożywnymi organizmami wyższych szczebli. Dzielą się na:
  – konsumentów I rzędu (tzw. fitofagi odżywiające się roślinami lub ich częściami); 
  – konsumentów kolejnych rzędów (tzw. zoofagizoofagizoofagi odżywiające się tkankami zwierzęcymi; w tej grupie wyróżnia się drapieżniki, pasożyty oraz padlinożerców).

• Destruencidestruenci (reducenci)Destruenci (inaczej reducenci) to organizmy odżywiające się martwą materią organiczną (detrytusemdetrytusdetrytusem). Rozkładają złożone związki organiczne, uwalniając do środowiska proste związki nieorganiczne i pierwiastki przyswajane następnie przez producentów.

Struktura przestrzenna ekosystemu

Struktura przestrzenna ekosystemu to sposób rozmieszczenia organizmów w ekosystemie. Struktura ta jest zależna od danego typu biocenozy i biotopu.

Należy pamiętać, że ekosystem zawsze dąży do stanu równowagi, czyli względnie stałego składu gatunkowego, przy czym im bardziej skomplikowana sieć pokarmowa, tym stabilniejszy będzie ekosystem, bo wahania liczebności jednego z gatunków, nie wpłyną na kondycję innych organizmów, zdolnych do znalezienia innych źródeł pokarmu.

Struktura przestrzenna ekosystemu lądowego na przykładzie lasu

Struktura przestrzenna ekosystemu leśnego ma charakter warstwowy. Wynika to przede wszystkim ze zróżnicowania warunków oświetlenia, które powodują, że największa liczba producentów jest skoncentrowana w górnych warstwach ekosystemu – najbardziej nasłonecznionych, a z kolei destruenci zasiedlają dolne warstwy, gdzie opada martwa materia organiczna. Rozmieszczenie konsumentów zależy od ich specyficznych wymagań pokarmowych i tolerancji w stosunku do różnego rodzaju czynników.

Struktura przestrzenna ekosystemu wodnego na przykładzie oceanu

Ekosystemy wodne – oceany, morza, jeziora, rzeki itp. – to ekosystemy, których biotop stanowi środowisko wodne. Występuje w nich strefowość: zarówno pozioma – od brzegu do środka zbiornika wodnego, jak i pionowa – od powierzchni do dna. Główny wpływ na strefowość pionową ma światło, które dociera z różnym natężeniem do poszczególnych stref.

Podobnie jak w przypadku ekosystemów leśnych, w ekosystemach wodnych organizmy będące producentami są zazwyczaj rozmieszczone w górnych strefach ekosystemu, ponieważ tam mają większy dostęp do energii świetlnej, której potrzebują do przeprowadzania fotosyntezy. Analogicznie do dolnych warstw ekosystemu leśnego w dolnych strefach ekosystemu wodnego występują destruenci żywiący się martwą materią organiczną.

Przemiany ekosystemów

Ekosystemy narażone są na zmiany warunków, w których funkcjonują, ale mimo to dążą do zachowania stanu wewnętrznej równowagi. Proces stopniowych, kierunkowych zmian prowadzących do powstania nowego lub przeobrażenia istniejącego ekosystemu nazywamy sukcesją.

Sukcesja to jedna z najważniejszych form zmienności ekosystemu w czasie. Jest procesem kierunkowym, podczas którego dochodzi do stopniowych zmian w składzie gatunkowym i w warunkach biotycznych danego ekosystemu. Proces przebiega etapami od stadium początkowego, poprzez stadia pośrednie do klimaksuklimaksklimaksu. Stadium klimaksu w danych warunkach klimatyczno‑siedliskowych można uznać za stadium stabilne i zrównoważone. Charakteryzuje się ono różnorodnością gatunkową oraz rozwiniętymi i ustabilizowanymi związkami pomiędzy poszczególnymi populacjami tworzącymi ekosystem. 

Wyróżnia się dwa rodzaje sukcesji: pierwotną i wtórną.

• Sukcesja pierwotna
• Sukcesja wtórna

Sukcesja pierwotna10

Sukcesja pierwotna zachodzi w miejscu, w którym dotychczas nie występowały organizmy (np. piaski wydm, pustynie, skały) i prowadzi do powstania pierwszej biocenozy. Sukcesja pierwotna jest bardzo powolna. Niezasiedlony dotąd obszar kolonizują tzw. organizmy pionierskie – porosty, mchy, niektóre gatunki traw. Gatunki pojawiające się jako pierwsze muszą umieć korzystać z ubogich zasobów nowego środowiska. Ich obecność przygotowuje kolejne stadium sukcesji. Podłoże zostaje wzbogacone o materię organiczną i biogeny. Takie warunki sprzyjają wkraczaniu kolejnych gatunków, które mają większe wymagania środowiskowe.

Po etapie pionierskim następuje etap migracyjny, czyli napływania nowych gatunków, a potem etap kolonizacyjny, w którym wolna przestrzeń jest stopniowo zapełniania przez organizmy. Rozpoczyna się stadium współzawodnictwa – przybyłe gatunki zaczynają rywalizować ze sobą o przestrzeń oraz o czynniki niezbędne do przetrwania. Relacje międzygatunkowe zaczynają się zagęszczać, ale i stabilizować. Pełna stabilizacja i równowaga w powstałym ekosystemie to stadium klimaksu.

Rp2VgnSC4gCho

Na obrazku kamienie pokryte mchami i porostami. Skały szare, mchy w kolorze czarnym, szarozielonym i jasnozielonym, tworzą kolorową mozaikę.

Przykład sukcesji pierwotnej

Początkowo na nagiej skale osiedlają się najprostsze organizmy, czyli porosty. Porosty wytwarzają tzw. kwasy porostowe, które zaczynają przekształcać skałę – żłobić ją i kruszyć (erozja chemiczna skały). Tak przygotowana powierzchnia jest odpowiednia dla rozwoju nowych organizmów, np. mchów, które są w stanie zatrzymywać spadającą na skałę wodę deszczową. Na skale zaczynają się gromadzić szczątki organiczne wymieszane z drobnymi odłamkami skalnymi. Tworzą się w ten sposób warunki sprzyjające wzrostowi traw oraz turzyc (roślin trawiastych). Trawy zaczynają produkować większe ilości biomasy – ilość próchnicy zwiększa się, co daje dobre podłoże do dalszych przekształceń. Nowe rośliny mają też lepiej rozwinięty i wrastający głębiej system korzeniowy. Dzięki temu mogą rozwinąć się bardziej wymagające gatunki, na przykład krzewy. Z czasem w tym miejscu mogą powstać zarośla, a w kolejnej fazie rozwinie się las.

Sukcesja wtórna40

Sukcesja wtórna to proces przekształcania istniejącego ekosystemu w inny; to proces odbudowywania się biocenozy, która uległa zniszczeniu. Zniszczenia mogą mieć charakter antropogeniczny, jak i naturalny, abiotyczny, np. pożar, powódź, huragan. O sukcesji wtórnej możemy mówić wyłącznie w kontekście terenu, na którym obecny był już wcześniej inny ekosystem. Sukcesja wtórna zachodzi znacznie szybciej niż pierwotna i kończy się powstaniem ekosystemu stabilnego dla danych warunków klimatycznych

Przykład sukcesji wtórnej

Przykładem sukcesji wtórnej jest przekształcanie się jeziora w las na skutek procesu eutrofizacji. Eutrofizacja to zagęszczanie materii organicznej w obrębie jeziora. Jest to proces czasem przyśpieszany, np. przez niekorzystną działalność człowieka (wprowadzanie ścieków). W jeziorze, w którym postępuje eutrofizacja, zaczyna intensywnie rozwijać się fitoplankton, który pokrywa taflę jeziora. Wzrasta także rozwój roślinności obrastającej brzegi jeziora. Do głębszych warstw jeziora z trudnością docierają promienie słoneczne. Na dnie zbiornika zaczyna osiadać muł gnilny i rozwijają się bakterie beztlenowe, które produkują siarkowodór. W tym momencie jezioro staje się zanieczyszczone, a życie w nim jest coraz trudniejsze. W dalszej kolejności następuje wypłycanie się jeziora. Ponadto zaczyna zarastać ono szuwarami (np. trzcinami). W rezultacie z jeziora powstaje bagno, z bagna torfowisko, z czasem następuje całkowity zanik jeziora poprzez jego zarośnięcie. Zarośnięta powierzchnia powoli przekształca się w krzewiaste zarośla, a tak zmodyfikowany obszar stanowi już świetne podłoże dla rozwoju lasu. To samo dzieje się, gdy na pola czy łąki leżące odłogiem zaczyna wstępować nowa roślinność trawiasta, a następnie powstają zarośla i zaczyna kształtować się las.

RDP5fRAtmgCJY

Na ilustracji brzeg naturalnego zbiornika wodnego. Jasnozielona woda przechodzi w kamienisty brzeg. Na brzegu rosną drzewa, których gałęzie zwieszają się nad wodą. W  zbiorniku widoczne również kilka wpół zanurzonych przewróconych pni.

Dla zainteresowanych

Gradacja

Gradacja to masowe rozmnożenie się osobników oraz wzrost liczebności populacji gatunku (np. szkodników roślin uprawnych, gryzoni). Zjawisko to wywołane jest korzystnymi warunkami ich rozwoju. Liczba osobników należących do określonej populacji wzrasta, przekraczając pojemność środowiska – osiąga wielokrotności wartości przeciętnych. Prowadzi to do wyczerpania zasobów w ekosystemie, wyniszczenia środowiska oraz do katastrofalnego naruszenia równowagi środowiska, w tym do zakłócenia mechanizmów ograniczania liczebności szkodników przez inne populacje biocenozy. Po gradacji pierwotnej często pojawiają się gradacje wtórne, co może prowadzić do zniszczenia całego ekosystemu. Gradacja często występuje w monokulturowych uprawach rolnych i lasach jednogatunkowych. Przykładem są owady, szkodniki leśne, np. strzygonia choinówka, brunatnica mniszka, które atakują drzewa i załamują równowagę biocenotyczną.

Rh48xx3IX2cU6

Ilustracja przedstawia martwy las, zniszczony przez kornika drukarza. Na pierwszym planie widać przewrócone pnie drzew. Spomiędzy nich prześwitują pojedyncze zielone krzewy i fragmenty mchu. Dalszy plan zajmują stojące pnie drzew ogołocone z liści, z pojedynczymi, sterczącymi na boki uschniętymi gałęziami.

Podsumowanie

• Ekosystem to układ złożony z części ożywionej (biocenozy) oraz nieożywionej (biotopu), pomiędzy którymi zachodzi stała wymiana materii i energii. Różnorodność gatunkowa oraz złożona struktura troficzna i przestrzenna sprzyjają stabilności ekosystemu.

• Ekosystemy mogą być lądowe lub wodne oraz – ze względu na wpływ człowieka – sztuczne, półnaturalne, naturalne i pierwotne. Niezależnie od typu, każdy ekosystem dąży do zachowania równowagi dynamicznej.

• Ważnym elementem funkcjonowania ekosystemu jest jego struktura troficzna, czyli układ zależności pokarmowych. Tworzą ją producenci, konsumenci różnych rzędów oraz destruenci, którzy rozkładają martwą materię organiczną i umożliwiają krążenie pierwiastków w przyrodzie.

• Ekosystemy charakteryzują się także strukturą przestrzenną, czyli sposobem rozmieszczenia organizmów w środowisku. W ekosystemach lądowych, takich jak las, ma ona często charakter warstwowy, natomiast w ekosystemach wodnych występuje strefowość pionowa i pozioma, zależna głównie od dostępu światła.

• Sukcesja to proces stopniowych, kierunkowych przemian ekosystemu w czasie, polegający na zmianach składu gatunkowego biocenozy oraz warunków środowiska. Przebiega etapami – od stadium początkowego, przez stadia pośrednie, aż do stadium klimaksu, czyli stanu względnej stabilności.

• Wyróżnia się dwa typy sukcesji:
  - sukcesję pierwotną, zachodzącą na obszarach wcześniej niezasiedlonych przez organizmy, zapoczątkowaną przez organizmy pionierskie;
  - sukcesję wtórną, polegającą na odbudowie ekosystemu na terenach wcześniej zasiedlonych, po ich zniszczeniu.

• Sukcesja pokazuje, że ekosystemy nie są strukturami stałymi, lecz dynamicznymi układami podlegającymi ciągłym przemianom, które prowadzą do powstania coraz bardziej złożonych i stabilnych form życia.

Ćwiczenia utrwalające