Ekologia - Notatki z wykładu all PDF

Preview

Summary

krótkie notatki z wykładów i pomoce naukowe ...

Description

Cele edukacji ekologicznej Obserwowany od końca XIX wieku dynamiczny rozwój przemysłu i rolnictwa wraz z eksplozją demograficzną stały się przyczyną nadmiernego wykorzystywania zasobów naturalnych Ziemi oraz rabunkowej gospodarki zasobami odnawialnymi prowadzących do dewastacji środowiska. Pogarszający się stan miejsca, w którym żyje człowiek, oraz świadomość sytuacji zagrożenia, którego ludzkość jest w stanie uniknąć, zmieniając postępowanie wobec siebie i przyrody, wpłynęły na konieczność dostrzeżenia i potraktowania spraw ochrony środowiska jako jednego z podstawowych czynników determinujących dalszy rozwój społeczeństw. W dokumencie Polityka Ekologiczna Państwa (1991) określono, iż Polska winna podążać drogą trwałego i zrównoważonego rozwoju. Podobną wizję przemian społeczno–gospodarczych, z ukazaniem ról poszczególnych grup społecznych, przedstawiają dokumenty sygnowane przez Polskę podczas Konferencji Organizacji Narodów Zjednoczonych (ONZ) pt. Środowisko i Rozwój w Rio de Janeiro (1992), a zwłaszcza Agenda 21 (Globalny Program Działań). W dokumencie tym określono: środowisko, ekonomię i społeczeństwo jako wzajemnie powiązane, podstawowe elementy trwałego i zrównoważonego rozwoju. Głównym przesłaniem tej idei jest zależność i wzajemne uwarunkowania ochrony środowiska, wzrostu ekonomicznego i rozwoju człowieka (zarówno w wymiarze indywidualnym, jak i społecznym) [Ministerstwo Środowiska 2001]. Rozwój taki, zwany też ekorozwojem, powinien być rozumiany jako całokształt harmonijnych działań człowieka, korzystającego z zasobów środowiska przyrodniczego w sposób racjonalny, odpowiedzialny oraz gwarantujący ich zachowanie dla przyszłych pokoleń [Ministerstwo Środowiska 2001]. Edukacja na rzecz zrównoważonego rozwoju obejmuje następujące cele [Ministerstwo Środowiska 2001]: 1. Kształtowanie pełnej świadomości i budzenie zainteresowania społeczeństwa wzajemnie powiązanymi kwestiami ekonomicznymi, społecznymi, politycznymi i ekologicznymi. 2. Umożliwienie każdemu człowiekowi zdobywania wiedzy i umiejętności niezbędnych dla poprawy stanu środowiska. 3. Tworzenie nowych wzorców zachowań, kształtowanie postaw, wartości i przekonań jednostek, grup i społeczeństw, uwzględniających troskę o jakość środowiska. Osiąganie tak określonych celów wymaga: 1. Uznania, iż edukacja ekologiczna jest jednym z podstawowych warunków realizacji polityki ekologicznej państwa. 2. Wprowadzenia elementów edukacji ekologicznej do wszystkich sfer życia społecznego, przy jednoczesnym respektowaniu i wykorzystaniu wartości kulturowych, etycznych i religijnych. 3. Zapewnienia dostępu społeczeństwa do informacji o stanie środowiska przyrodniczego i edukacji ekologicznej. 4. Uznania, że edukacja ekologiczna jest podstawowym warunkiem zmiany konsumpcyjnego modelu społeczeństwa. „Według grupy Global Leaders for Tomorrow Environmental Task Force z Columbia University, która na Światowe Forum Gospodarcze 2002 dostarczyła drugi raport z prac nad Wskaźnikiem Zrównoważonego Rozwoju (Environmental Sustainability Index, ESI), w zakresie dbałości o środowisko Polska zajmuje pozycję 87. na 142 kraje sklasyfikowane (rok wcześniej była to pozycja 58.).” [Hałat 2002] „Tymczasem wiadomo, że Polacy wymierają, gdyż według ocen ONZ populacja Polski z 38,6 mln w 2000 r. spadnie do 38 mln już w 2015 r.; co godzina 12 z nas dowiaduje się, że ma raka, a 9 z tego powodu umiera, przy czym 1/3 przypadków dotyczy osób poniżej 60. roku życia; około miliona par cierpi na niepłodność, narasta częstość wad rozwojowych i upośledzeń, zaś pomimo drastycznego spadku urodzeń - a tym samym łatwiejszej opieki położniczej - utrzymuje się wysoka liczba dzieci przychodzących na świat z niską wagą urodzeniową; 15 20 proc. Polaków ma stałe objawy schorzeń alergicznych, a sporadyczne reakcje niepożądane na alergeny i czynniki drażniące mają charakter epidemii narastającej szybciej niż w innych krajach.” [Hałat 2002].

Ekologia Ekologia jest nauką biologiczną. Pojęcie ekologia wprowadził E. Haeckel w roku 1869, określając ekologię jako naukę o wpływie środowiska na ustroje żywe i ich wzajemnych zależnościach. Dzisiaj dodaje się: „oraz oddziaływania tych ustrojów na środowisko” [Kurnatowska 1997]. Synonimem Nauki Ekologia jest Bionomika.

Termin ekologia pochodzi od greckich słów: oikos (dom, miejsce życia) i logos (słowo, nauka), tak więc jest to nauka o miejscu życia organizmów (środowisku). Pełniejszą definicje proponuje amerykański Instytut Studiów nad Ekosystemami (Institute of Ecosystem Studies, Millbrook New York): „Ecology is the scientific study of the processes influencing the distribution and abundance of organisms, the interactions among organisms, and the interactions between organisms and the transformation and flux of energy and matter.” W tłumaczeniu definicja ta brzmi następująco: Ekologia jest nauką zajmującą się badaniami procesów wpływających na rozmieszczenie i liczebność organizmów, ich wzajemnych interakcji i relacji oraz zależności pomiędzy organizmami a transformacją przepływającej energii i materii. Niezwykle zwięzłą definicję pojęcia „ekologia” podaje A. Mackenzie [Mackenzie 2005]: Ekologia jest nauką zajmującą się badaniem wzajemnych oddziaływań między organizmami i ich środowiskiem . Można zatem powiedzieć, że ekologia to nauka o organizmach i ich środowisku. [1]

Obszar zainteresowań ekologii, a także jej miejsce w stosunku do innych nauk (chemii, mikrobiologii, medycyny itd.) może być określony poprzez wskazanie jej miejsca wynikającego z poziomów organizacji żywej materii (Rys. 1).

Rys. 1. Zakres zainteresowań ekologii na tle poziomów organizacji żywej materii Źródło: opracowanie na podstawie [Wiśniewski 1997, Pyłka Gutowska 1998]. Wzajemne powiązania między poszczególnymi elementami w tej hierarchii przedstawia Rys. 2.

Rys. 2. Elementy składowe ekosystemu/środowiska na przykładzie ekosystemu lądowego. Źródło: opracowanie własne. Środowisko to ogół elementów przyrodniczych ożywionych (świat zwierzęcy i roślinny) i nieożywionych (zwłaszcza powierzchnia Ziemi łącznie z wodą, glebą, kopalinami i powietrzem), a także krajobraz - naturalny bądź też użytkowany i zmieniany przez człowieka. W węższym znaczeniu „środowisko” to zespół czynników abiotycznych i biotycznych, w którym żyje dany organizm[Wiem 2002]. Środowisko można utożsamiać z ekosystemem [Skinder 1995]. Wyróżnia się dwa rodzaje środowiska: abiotyczne i biotyczne. Na środowisko abiotyczne składają się czynniki ekologiczne abiotyczne, natomiast na środowisko biotyczne - czynniki ekologiczne biotyczne[Mackenzie]. Czynniki abiotyczne i biotyczne tworzą grupę ograniczających czynników ekologicznych. Całość abiotycznych i biotycznych warunków środowiskowych, w których żyje zespół organizmów nazywa się siedliskiem lub środowiskiem życia gatunku (według innych autorów i biocenozy) [Banaszak 2003]. Pojęcia siedlisko i środowisko są stosowane zamiennie, choć środowisko jest pojęciem szerszym i obejmuje pojęcie siedliska [Banaszak 2003]. Biotop (ekotop) z kolei to zespół czynników abiotycznych ulegających przekształceniom pod wpływem organizmów żyjących na tym terenie. Jest to nieożywiona część ekosystemu [Banaszak 2003]. Habitat natomiast – to środowisko życia zbiorowiska; całokształt warunków środowiskowych, w których organizmy mogą istnieć [Banaszak 2003]. Biotop i habitat są używane często zamiennie, jednak nie są to synonimy. Habitat jest częścią biotopu, którą zasiedlają organizmy jednego gatunku [Banaszak 2003]

Czynniki ekologiczne Czynniki abiotyczne Czynniki abiotyczne to czynniki odnoszące się do nieożywionych elementów środowiska, które wpływają na funkcjonowanie organizmów. Wyróżnia się wiele różnego rodzaju czynników abiotycznych, z których do ważniejszych należą:            

ciśnienie, stężenie dwutlenku węgla, ilość składników pokarmowych - pierwiastków biogennych (makroelementów i mikroelementów), pH (odczyn) środowiska wodnego, ilość rozpuszczonego tlenu w środowiskach wodnych, skład powietrza atmosferycznego, wilgotność, skład wody, zawartość substancji toksycznych (np. metali ciężkich), natężenie światła, temperatura, wiatr,

  

ogień, zasolenie gleby, wody, natężenie promieniowania.

Warunki optymalne dla różnych organizmów zależą od miejsca ich występowania. Na przykład większość organizmów lądowych przystosowana jest do ciśnienia zbliżonego do 1000 hPa, temperatury 20°C, wilgotności względnej 60%, stężenia CO2 w powietrzu 0,03% itd. Organizmy przystosowane w drodze ewolucji do warunków ekstremalnych określonych czynników ekologicznych zwane są ekstremofilami. I tak, barofile to organizmy rosnące przy wysokim ciśnieniu otoczenia; psychrofile to organizmy, dla których optymalną temperaturą rozwoju jest temperatura bliska 0°C; termofile to mikroorganizmy żyjące w wysokiej temperaturze; acidofile - organizmy preferujące środowisko kwaśne, a halofile to organizmy rozwijające się w wysoce zasolonych środowiskach.

Pierwiastki troficzne Pierwiastkami najbardziej rozpowszechnionymi w przyrodzie są w kolejności: H, He, O, C, N, Ne, Mg, Si, Fe, S, Ar, Al., Co, Na, Cu, P, Cl, K [Weiner 1999]. Z wymienionych pierwiastków podstawowymi tworzącymi żywą materię są C, H, N, O, S, P. Pierwiastki niezbędne do funkcjonowania żywych organizmów nazywane są pierwiastkami troficznymi, biogennymi, biofilnymi lub odżywczymi. Środowiska, w zależności od zawartości w nich składników dzielą się na:    

oligotroficzne - ubogie w składniki odżywcze (pustynia, torfowiska wysokie), mezotroficzne - o umiarkowanej obecności pierwiastków troficznych, eutroficzne - bogate w składniki odżywcze dla producentów (las liściasty), dystroficzne - o znacznej zawartości kwasów organicznych kompleksujących składniki troficzne, powodując ich nieprzyswajalność dla producentów.

Dla odpowiedniego funkcjonowania roślin wyższych (głównych producentów ekosystemów) potrzebnych jest 18 pierwiastków chemicznych [Skinder 1995. Są to: C, O, H, N, S, P, Na, K, Mg, Ca, Mn, Fe, Cu, Zn, B, Si, Mo i Cl. Natomiast do życia zwierząt (i ludzi) potrzebne są 24 pierwiastki. Dzieli się je na dwie podstawowe grupy: makroelementy i mikroelementy. W skład mikroelementów wchodzą także tzw. pierwiastki śladowe (trace elements). Makroelementy są pobierane przez organizmy w największych ilościach, natomiast zapotrzebowanie na mikroelementy jest znacznie mniejsze. Do makroelementów zaliczane są: C, O, H, N, Na, K, Mg, Ca, P, S i Cl, a do mikroelementów: Cu, Zn, V, Cr, Mo, Mn, Fe, Co, Si, Sn, Se, F i I. Pierwiastki te odgrywają zasadniczą rolę w funkcjonowaniu organizmów żywych, spełniając w nich określone funkcje, np.: 1. C – podstawa budowy wszystkich związków organicznych, 2. H – podstawa budowy wszystkich związków organicznych, ważny element wymiany jonowej układów biologicznych, 3. N – aminokwasy, białka, enzymy, DNA, RNA, 4. O – podstawa budowy wszystkich związków organicznych, 5. S – aminokwasy, białka, koenzymy (CoA), witaminy: tiamina, biotyna, 6. P – ATP, ADT, AMP, a także DNA, RNA, fosfolipidy, koenzymy, 7. K – koenzymy wielu enzymów, np. kinaza pirogronowa, 8. Ca – składnik kości, wakuoli, ściany komórkowej, amylaz, 9. Mg – enzymy, syntezy kwasów tłuszczowych, DNA, RNA, dehydrogenaza izocytrynianowa w cyklu Krebsa, fotosynteza, 10. Si – szkielet roślin, 11. Fe – chlorofil – fotosynteza, cytochromy – oddychanie, hemoglobina, witaminy, 12. Cl – fotosynteza, 13. I – synteza hormonów tarczycowych, 14. B – rola boru w organizmach nie jest dokładnie znana, 15. Mn – enzymy oksydoredukcyjne, hormony, regulator cyklu Krebsa, 16. Zn – aktywator enzymów: dehydrogenaza alkoholowa, karboksypeptydaza, hydrogenaza mleczanowa, 17. Cu – nośnik elektronów, fotosynteza, wiązanie azotu, 18. Mo – nośnik elektronów, wiązanie azotu, 19. nietypowe pierwiastki śladowe: Si, Ni, Co, Se, Pt. Oprócz odpowiedniego składu mineralnego podłoża podstawowymi elementami wzrostowymi producentów (roślin) są:

  

dostateczna wilgotność (zawartość wody), odpowiednie pH warunkujące dostępność podstawowych składników odżywczych ( 1), obecność tlenu.

Ilość i dostępność pierwiastków biogennych w biosferze jest ograniczona. Zatem dla prawidłowego funkcjonowania ekosystemów konieczna jest obecność reducentów, których zadaniem jest uwolnienie z martwej materii organicznej pierwiastków biogennych niezbędnych do zachowania obiegu materii w ekosystemach, a więc utrzymania życia na Ziemi.

Zasolenie Ekstremofile Halobacterium halobium wykazują optimum rozwoju w 20 – 30 % roztworze wodnym NaCl. Żyją w tzw. słonych jeziorach. Giną przy stężeniu soli niższym od 10 % [Bednarczuk 1994].

Odczyn środowiska Oprócz odpowiedniego składu mineralnego podłoża podstawowymi elementami wzrostowymi producentów (roślin) są: dostateczna wilgotność (zawartość wody) oraz odpowiednie pH warunkujące dostępność podstawowych składników odżywczych (Rys. 1),

Rys. 1. Kwasowość środowiska glebowego a dostępność pierwiastków troficznych Źródło: [Wiąckowski 1998] . (rysunek zmodyfikowany).

Ekstremofile 



Środowiskokwaśne. Bakterie Thiobacillus thiooxidans utleniające siarkę do kwasu siarkowego wykazują optimum rozwoju przy wartości pH w zakresie 2,0 – 2,8. Wytrzymują także pH = 1 (kilkuprocentowy kwas siarkowy) [Bednarczuk 1994]. Bakterie Metallosphaera sedula żyją w wodach kopalnianych, których odczyn jest równy 2,0 jednostki pH [Fikus 1996]. Środowiskozasadowe. Bakterie z rodzaju Nitrosomonas i Nitrobacter rosną przy pH = 10, Clostridium paradoxum (w ściekach) - przy pH = 10,1 [Fikus 1996], Agrobacterium tumefaciens - pH = 12, a sinice Plectonema rosną przy pH = 12 (kilkuprocentowy roztwór amoniaku) [Bednarczuk 1994].

Temperatura Przejawy życia obserwowane są w bardzo szerokim zakresie temperatur, tj. od – 200°C do około +150°C. Jednak znakomita większość organizmów przejawia aktywność życiową w strefach geograficznych, gdzie temperatury mieszczą się w przedziale od 0°C do +30°C. Dolną granicę życia stanowi zazwyczaj temperatura zamarzania wody, a więc około 0°C dla wód słodkich, górną zaś temperatura, w której zachodzi proces denaturacji białka (40 – 45°C) [Pyłka Gutowska 1998]. Istnieją także i takie organizmy, które przystosowały się do skrajnych temperatur, zarówno wysokich, jak i niskich.

Ekstremofile 



Niskie temperatury. Bakterie Polaromonas vacuolata wykazują optimum rozwoju przy 4°C. Minimalną temperaturą rozmnażania jest 0°C. Salamandra syberyjska znosi temperatury do blisko –35°C bez zamarznięcia [Bednarczuk 1994]. Formy przetrwalne niektórych drobnoustrojów mogą przebywać latami w temperaturze ciekłego powietrza (–192°C), a godzinami w temperaturze zera bezwzględnego (– 273°C) [Bednarczuk 1994]. Wysokie temperatury. Organizmy termofilne wykazują optimum rozwoju przy 50°C. Natomiast niektóre sinice[1] preferują temperatury na poziomie 85°C [Bednarczuk 1994]. Pyrolobus fumarii (z grupy Archaebacteria), tj. hipertermofil odkryty w 1996 r., wykazuje optimum rozwoju w 106°C, a dzieli się jeszcze w temperaturze 113°C [Madigan 1997][Blochl 1997].

Ciśnienie Ekstremofile  

Niskie ciśnienia. Gęsi dolatują do wysokości 10 km, gdzie ciśnienie atmosferyczne wynosi około 300 hPa [Bednarczuk 1994]. Wysokie ciśnienia. Methanococcus janashii (Archaebacteria) żyje w głębokich, gorących źródłach (85°C) pod ciśnieniem 250 atm. [Fikus 1996]. Małże, ryby wytrzymują 1000 atm. Endospory, wegetatywne komórki rozrodcze Bacillus subtilis, są w stanie przeżyć 20 000 atm. przez 45 minut [Bednarczuk 1994].

Wilgotność Ekstremofile Nasiona lotosu zachowują zdolność kiełkowania po 2000 lat przebywania w środowisku pozbawionym wody [Bednarczuk 1994].

Środowisko beztlenowe Ekstremofile Żółwie mogą przebywać bez tlenu około 24 godzin [Bednarczuk 1994].

Promieniowanie Promieniowanie słoneczne stanowi niezbędny czynnik istnienia życia na Ziemi. Stanowi także jego element ograniczający. Promieniowanie widzialne (400 – 750 nm), potocznie zwane światłem, jest niezbędne do przebiegu procesów fotosyntezy. Fale dłuższe od 750 nm nazywa się promieniowaniem podczerwonym.W zakresie niższych wartości długości fali wyróżniane są mikrofale i fale radiowe. Fale krótsze od 400 nm zwane są promieniowaniem ultrafioletowym lub nadfioletowym. Jeszcze krótsze są promienie Rentgena, a najkrótsze Gamma. Promieniowanie ultrafioletowe (UV) to promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwościach pomiędzy zakresem światła widzialnego a promieniowaniem rentgenowskim[2]. Odpowiada długości fali w zakresie od 390 do około 10 nm i dzieli się na ultrafiolet bliski (390 – 190 nm) i ultrafiolet daleki (190 – 10 nm) [Wiem 2002]. UV dzieli się na promienie UV–A, UV–B, UV–C. Do powierzchni ziemi dociera 72% emisji słonecznej promieniowania UV–A, 23% UV–B, natomiast promieniowanie UV–C jest całkowicie pochłanianie przez atmosferę. Niewielkie dawki UV–A wpływają korzystnie na wzrost roślin. Odgrywają też ważną rolę w syntezie witaminy D, leczą niektóre choroby skóry (np. łuszczycę) itd. [Wiąckowski 1998]. Promienie UV–B docierające do powierzchni Ziemi są natomiast niebezpieczne dla większości organizmów żywych. Ekstremofile Bakterie Micrococcus radiodurans bytują w wodzie chłodzącej reaktora jądrowego [Bednarczuk 1994].

Czynniki biotyczne Mianem czynników biotycznych określane są żywe składniki środowiska (drobnoustroje, rośliny, zwierzęta, ludzie) wywierające bezpośredni lub pośredni wpływ na siebie wzajemnie i na otaczające abiotyczne składniki środowiska. Oddziaływania te mają charakter interakcji neutralnych, nieantagonistycznych i antagonistycznych. Zagadnienia te omówiono w punkcie Błąd! Nie można odnaleźć źródła odwołania..

Nisza ekologiczna i siedlisko Nisza ekologiczna definiowana jest jako miejsce organizmu w środowisku determinowane przez [X]:   

warunki, w jakich występuje, zasoby, jakie wykorzystuje i czas, w jakim jest tam obecny.

Każdy z czynników lub zasobów środowiska opisujący niszę ekologiczną organizmu charakteryzuje się zmiennością w jednym wymiarze, wyznaczającą zakres (grupę) warunków, w których organizm może żyć [Mackenzie 2000]. Nisza ekologiczna jest więc przestrzenią n–wymiarową wyznaczaną przez zakres warunków, w których organizm może funkcjonować. Przykłady nisz 2 i 3 wymiarowych przedstawia Rys. 2. Niszę ekologiczną dzieli się na niszę potencjalną, czyli taką, która wynika z oddziaływania czynników abiotycznych środowiska, i tzw. niszę realizowaną, wynikającą z ograniczenia niszy podstawowej na skutek oddziaływania czynników biotycznych środowiska. Nisza realizowana zawiera się w niszy podstawowej. Należy odróżnić pojęcie niszy ekologicznej od terminu siedlisko. Siedlisko odnosi się do środowiska fizycznego, w którym występuje organizm, i może składać się z wielu nisz ekologicznych [Mackenzie 2000].. Przykładem siedliska jest las liściasty.

Rys. 2. Graficzna interpretacja niszy ekologicznej (nisza ekologiczna 1-, 2- i 3- wymiarowa) Źródło: opracowanie na podstawie [Wiąckowski 1998].

Fig: The above diagram shows a hypothetical situation where a species distribution is controlled by just two environmental variables: temperature and moisture. The green and yellow areas describe the combinations of temperature and moisture that the species requires for survival and reproduction in its habitat. This resource space is known as the fundamental niche. The green area describes the actual combinations of these two variables that the species utilizes in its habitat. This subset of the fundamental niche is known as the realized niche. Source: www.physicalgeography.ne

Tolerancja organizmów Definicja Pojęcie tolerancja organizmów definiowane jest jako możliwość występowania organizmu w określonej przestrzeni, uwarunkowane czynnikami środowiska abiotycznego i biotycznego, wykształcone w trakcie ewolucji i uwarunkowane genetycznie [Wiśniewski 1997]. Inna definicja określa tolerancję jako zdolność organizmu do przystosowania się do zmian określonego czynnika ekologicznego [Pyłka Gutowska 1998]. Z tolerancją organizmów związane są takie pojęcia, jak [Wiśniewski 1997, [Pyłka Gutowska 1998]:

Podstawowe określenia   

...