EKOLOŠKI SUSTAVI(EKOSUSTAV)

Ekološki sustav = životna zajednica (biocenoza) + stanište (biotop). Ekološki sustav : šuma, jezero, travnjak, rijeka itd. Ekološki sustav je dinamična cjelina, počiva na uzajamnim djelovanjima i interakcijama, između njegove žive (biotičke) i nežive (abiotičke) komponente; obavlja se stalna izmjena tvari i energije. Ekološki sustav je osnovna organizacijska jedinica prirode u kome su živa bića i njihov neživi okoliš prostorno i vremenski integrirani protokom energije i kružnim tokovima tvari (Glavač 1999, Ricklefs & Miller 2000). Ekološki sustav ima sposobnost samoobnove, samoorganizacije i samoodržanja.

Komponente ekološkog sustava: Abiotičke Biotičke Sunčeva svjetlost Primarni producenti Temperatura Biljojedi Voda Mesojedi Kemijska svojstva tla i vode Svejedi Mineralne tvari Razlagači

Osnovni proces koji karakterizira ekološki sustav kao funkcionalnu cjelinu sastoji se u stalnoj razmjeni tvari i energije između njegove žive (biocenoza) i nežive komponente (biotop). Tvari i energija u ekološkom sustavua) Primanje i vezivanje sunčeve energije fotosintezom (zelene biljke, autotrofne bakterije). b) Stvaranje primarne organske tvari od anorganskih spojeva (primarna produkcija)c) Potrošnja primarne organske tvari i s njom vezane energije (biljojedi, mesojedi)d) Razlaganje organske tvari uginulih organizama i njena mineralizacija (razlagači)e) Uporaba mineraliziranih tvari za stvaranje nove primarne organske tvari

Kruženje tvari u ekološkom sustavu je reverzibilnog karaktera. Energije protječe kroz ekološki sustav – tok energije je ireverzibilan proces.

Stvaranje i razlaganje organske tvari a) Zelene biljke →fotosinteza 6CO2 + 6H2O + sunčeva energije → 6O2 + C6H12O6

b) Fotoautotrofne bakterije (Thiorhodaceae – Rhodospirum ) redukcija CO2 (anaerobni uvjeti)

2CO2 + H2O + H2S → 2(CH2O) + H2SO4

c) Kemoautotrofne bakterije (aerobni uvjeti) Nitrosomonas i Nitrobacter NH3 + 3O → HNO2 + H2O + 79 Cal. HNO2 + O → HNO3 + 21,6 Cal. Željezne bakterije (Leptothrix ochracea, Spirophyllum ferrugineum) 4FeCO3 + O2 + 6H2O → 4Fe(OH)3 + 4CO2 + 81 Cal. H2S – oksidiraju bakterije (Beggiatoa, Chromatium) CH4 – Bacillus methanicus (Stanković 1961). Primarna organska tvar → potrošači – probava (šećeri, masne kiseline, aminokiseline). Razlaganje organske tvari → heterotrofni mikroorganizmi i gljive (mineralizacija). Kemoautotrofne bakterije → oksidacija mineraliziranog materijala →zelene biljke.Energetski aspekt metabolizma ekološkog sustava Zelena biljka (fotosinteza) – svjetlosna energija sunca – ugljikohidrati (kemijska energija) – oksidacija (oslobađanje kemijske energije) za biosinteze – životinje (biosinteza) – toplinska energija – odlazi iz organizma. Za sve žive organizme vrijedi prvi zakon termodinamike, zakon transformacije i konzervacije energije. Drugi zakon termodinamike, zakon entropije prilikom prenošenja i prelaska energije u drugi oblik uvijek određena količina energije biva izgubljena u vidu topline. Tok energije u ekološkom sustavu Nosilac energije u ekološkom sustavu je organska tvar.

Λ1 – proizvođači (fitoplankton, zelene biljke). Λ2 – primarni potrošači biljne hrane (zooplankton) Λ3 – sekundarni potrošači (mesojedi) Tercijarni potrošači – bakterije Na svakom trofičkom stupnju hranom prenijeta energija ide u tri smjera: ■ jedan dio energije ostaje i akumulira se u tijelu organizama odgovarajućeg stupnja ■ drugi dio transformira se u slobodnu energiju kroz proces disanja (životne funkcije) – toplina ■ treći dio napušta odgovarajući trofički stupanj vezan za degradiranu organsku tvar (ekskrementi, ekskreti)

Energetska bilanca jednog trofičkog stupnja: N = C + O + E N – energija primljene hrane C – energija koja u obliku topline napušta organizam O – akumulirana potencijalna energija u organizmu E – energija sadržana u ekskrementima i uginulim organizmima

trofička struktura i energetski promet ekosustava (Silver Springs, SAD) topli mineralni izvor (22 do 230C) glavni producent; vodena biljka Sagittaria lorata (6.400g suhe biomase na m2 za godinu) ukupna biomasa biocenoze: 760g/m2 suhe težine, obnavlja se 8 puta godišnje kornjače rastu brzinom 7% (najsporije) ribe rastu brzinom od 110 do 140%

perifitske alge rastu brzinom od 254% biljka Sagittaria lorata raste brzinom od 317% bakterije rastu brzinom od 230.000% biomasa bakterija 5g/m2 suhe tvari količina svjetlosne energije (fotosinteza) 2.100 cal/cm2 godišnje, to je 1,6% ukupne sunčeve energije koja dopire do ekosustava biljke utroše u procesu disanja 1.200 cal/cm2 godišnje, 57% za biljojede preostaje 337 cal/cm2

za mesojede 38 cal/cm2

razlagači (bakterije) 500 cal/cm2, 13 puta više energije nego mesojedi (3 puta veća biomasa), (Stanković 19161).

Silver springs (SAD) – progresivni gubitak energije pri prijenosu s jednog trofičkog stupnja na drugi – mesojedi 2% od ukupne energije asimilirane u procesu fotosinteze (producenata).

Organska produkcija ekološkog sustava Neprekidni tok stvaranja odnosno trošenja organske tvari. Tvari neprekidno kruže u ekološkom sustavu. Energija protječe kroz ekološki sustav. Biomasa populacije jedne organske vrste ili populacija svih vrsta jednog trofičkog stupnja (biljojedi, mesojedi) u datom trenutku predstavlja trenutnu količinu producirane organske tvari populacije ili trofičkog stupnja. Količina producirane organske tvari u jedinici vremena (intenzitet produkcije) – suština organske produkcije Biomasa nije pouzdano mjerilo za ocjenu organske produkcije osim za (biljnu biomasu – poljoprivredne kulture, i veće životinje).

Primarna i sekundarna produkcija.

Produkcija na stupnju proizvođača - primarna produkcija.

Primarna produkcija je stopa kojom je energija u procesu fotosinteze akumulirana i vezana za novo stvorene organske tvari koje se koriste kao hranjivi materijal. Ostali trofički stupnjevi - sekundarna produkcija. Na stupnjevima potrošača nema nove produkcije nego samo asimilacija već producirane hrane.

Bruto primarna produkcija - ukupna količina akumulirane energije u fotosintezi.

Neto primarna produkcija - energija akumulirana u biljkama (rast biljka) – na raspolaganju trofičkim stupnjevima potrošača.

I = ukupni unos svjetlosne energije LA = apsorbirana svjetlost

(vegetacija) PG = primarna produkcija A= ukupna asimilacija PN = neto produkcija P= sekundarna bruto produkcija potrošača NU = neiskorištena energija NA = neasimilirana energija od strane potrošača (neapsorbirana) R = gubitak pri disanju

Osnovna karakteristika produkcijskog procesa: 0 1 2….....n. progresivno opadanje količine energije prilikom njenog prelaska s jednog trofičkog stupnja na drugi. Gubitci nastaju u procesu disanja, razlaganja uginule ili neasimilirane organske tvari. Količina energije je manja ukoliko je trofički stupanj viši. Na svakom trofičkom stupnju (∆n) nastupa razmjena energije: prijelaz s prethodnog stupnja (∆n - 1) i otpuštanje energije slijedećem stupnju (∆n + 1) brzina te razmjene :

stopa produkcije: d∆n/ dt = n2 + n

1

n2 brzina prijelaza energije s prethodnog trofičkog stupnja n1 brzina otpuštanja energije slijedećem stupnju n stvarna produkcija jednog trofičkog stupnja

Količina sunčeve energije na dan po m2 iznosi 3,000.000 kalorija. Planktonske alge koriste 0,3% energije za fotosintezu planktonske životinje 0,015% početne treći trofički stupanj 0,00025%. Osnovne karakteristike procesa produkcije u ekosustavu: 1. iskorištenje sunčeve energije od strane proizvođača je malo 2. količina energije opada idući od nižeg ka višem trofičkom stupnju 3. produkcija, stopa produkcije naglo opada s trofičkim stupnjem. Primarna produkcija jako varira u prirodnim ekosustavima. Primarna bruto produkcija (gram suhe organske tvari na m2 po danu) a) pučina Tihog oceana 0,2 b) zagađene rijeke (SAD) 5,7 c) Srebrni izvori (SAD) 17,5 d) koraljni greben 18,2

Neto primarna produkcija za kultivirane ekosustave (žitarice) a) 1,13 g/m2/ dan (kukuruz) b) 3,95 g/m2/dan (riža) c) 3,43 g/m2/dan (pšenica) d) 18,35 g/m2/dan (šećerna trska, Havaji)

e) listopadne plantaže 3 g/m2/dan, borove plantaže 6 g/m2/dan (Engleska).

Ekološka učinkovitost Izražava se kod producenata: ▪ odnosom apsorbirane i ukupne količina sunčeve energije ▪ odnosom rasta biljaka i stvorenih ugljikohidrata ▪ odnosom stvorenih ugljikohidrata i apsorbirane svjetlosti. Potrošači: odnosom vlastitog rasta i asimilirane hrane.

Stupanj korištenja energije veći je na višim trofičkim stupnjevima. Kopnene zelene biljke vežu 1% ukupne sunčeve svjetlosti u fotosintezi. kulture kukuruza 1,6% planktonske alge 0,1 - 0,4% oceani 0,18%.

Neto produkcija 1kg tjelesne mase goveda 40kg biljne hrane, 2,5% hrane je upotrebljeno za biosinteze, ostalo je utrošeno u procesima disanja.

Ribe 1kg tjelesne mase 5-6 kg hrane životinjskog porijekla – efikasnost korištenja hrane za neto produkciju riba iznosi 16 do 20%. Mjerenje primarne produkcije Mjerenje toka energije kroz trofičke stupnjeve: 1. Metoda žetve - mjerenje producirane biljne biomase na kraju vegetacijskog razdoblja - poljoprivredne kulture: stopa produkcije u vrijeme sjetve (0) žetva (maksimum) - predstavlja neto biljnu produkciju.

3. Mjerenje produkcije kisika - u procesu fotosinteze između producirane organske tvari i oslobođenog kisika - postoji određeni odnos, stopa produkcije kisika (biljke) osnova je za utvrđivanje primarne bruto produkcije - primjena u vodenim ekosustavima (jezera, mora).

4. Mjerenje utroška kisika - mjerenje utroška kisika u vodi dubljih jezera procesom disanja i razlaganja uginule organske tvari - količina utrošenog kisika u jedinici vremena razmjerna je produkciji te se može izračunati stopa neto produkcije čitavog vodenog ekosustava.

5. Mjerenje CO2

- akumulirani CO2 na dnu jezera (disanje, razlaganje uginule

organske tvari) stopa produkcije proporcionalna je produkciji jezera 6. Klorofilna metoda - klorofil (zelene biljke) - primarna produkcija (vodenih i kopnenih ekosustava) - klorofil 0,1 - 3 g/m2 vodeni ekosustavi; 1 - 1,2 g/m2 kopneni ekosustavi - koeficijent asimilacije (odnos produciranog kisika prema sadržaju klorofila na sat).

7. Metoda primjene radioizotopa - radioaktivni ugljik C14 određuje količinu CO2 fiksiranu u fotosintezi fitoplanktona u jedinici vremena, i time se određuje stopa neto produkcije - primjena radioaktivnog fosfora P32.

Visina organske produkcije: a) najniže vrijednosti: pustinjska područja, otvoreni dijelovi oceana, duboka jezera (0,1 g/m2/dan) - ograničavajući čimbenici su: soli P, N (oceani, jezera) i voda (pustinje) b) srednje vrijednosti: 1 g/m2/dan pašnjaci, plitka mora i jezera c) najviše vrijednosti: 10 - 20 g/m2/dan morski zaljevi, koraljni grebeni, vlažne šume, aluvijalne ravnice.

Primjer: - intervencija čovjeka u vidu ribolova u dinamici ribljih populacija: a) izlovljava se dio populacije S sastavljen od jedinki iznad minimalne veličine “l” - biomasa tog dijela populacije: 1. ostat će u životu i porasti težinski i veličinski 2. biti izlovljena 3. uginuti uslijed prirodnih uzroka b) biomasa S2 dijela populacije na kraju godine koji je dostupan lovu:

S2 = S1 + (A + G) - (C + M)

S1 biomasa lovljenog dijela populacije na početku ribolovne godine A biomasa mladih jedinki koje su dostigle veličinu “l” G suma prirasta koji su postigle sve neulovljene jedinke tijekom godine C suma svih ulovljenih primjeraka tijekom godine M suma jedinki uginulih prirodnom smrću A + G pozitivna veličina predstavlja ukupni prirast početne biomase S1

C + M negativna veličina predstavlja ukupni gubitak biomase izlovljenog dijela riblje populacije - biomasa ribljeg naselja ostaje nepromijenjena ako je A + G = C + M kroz duži niz godina.

SUKCESIJE I PREOBRAŽAJI EKOLOŠKOG SUSTAVA

Dinamika ekološkog sustava – preobražaji i sukcesije odnosno njihovo smjenjivanje u funkciji vremena. Naseljavanje vulkanskog otočja Krakatau u Tihom oceanu (40 km zapadno od Jave). - kolovoz 1883. vulkanska erupcija uništila svaki trag života na otoku - debljina pepela iznosila je 30-60 m - tri godine poslije - tlo - modrozelene alge (Cyanophyceae), mahovine, bakterije paprati, trave, pojava kukaca (Diptera, Coleoptera) - 10 godina poslije - travna zajednica (50 vrsta zeljastih cvjetnica) - 25 godina poslije - šumska zajednica (Stanković 1961).

Sukcesije: biljke prethode životinjskim oblicima. Saprofagne vrste, omnivorne, eurifagni biljojedi, grabljivice i paraziti. Glavni stupnjevi razvitka životne zajednice na praznom prostoru: a) migracija (aktivna ili pasivna) – naseljavanje praznog prostora b) ecezis - organska vrsta osigurava stanište, zaklon, ishranu i razmnožavanje c) kompeticija (intraspecijska i interspecijska) d) reakcija (promjena prvobitnih ekoloških uvjeta) e) stabilizacija (usporeni razvoj nove zajednice).

Primarne sukcesije - na praznom prostoru na kome nije bilo života. Sekundarne sukcesije - djelovanje čovjeka (požar, sječa šume), (Ricklefs & Miller 2000).

Primarna sukcesija na pokretnoj pjeskovitoj podlozi (SAD) a) pješčane dine pješčarske trave (Ammophila, Agropyron, Calamovilfa) b) zajednica američke topole c) zajednica bora d) zajednica hrasta e) zajednica javora i bukve

Svaka zajednica ima posebno životinjsko naselje.

Sekundarne sukcesije - napuštenih farmi i poljskih kultura u šumskom pojasu, naprimjer u SAD:

Čimbenici sukcesija

Endodinamički: sadrže čimbenike koji proizlaze iz spleta uzajamnih odnosa i djelovanja unutar samog ekosustava (biocenoza - biotop)

Egzodinamički: sadrže čimbenike izvan okvira ekosustava: klima (klimatogene sukcesije), erozije (edafogene sukcesije), čovjek (antropogene sukcesije). Jezero bara kopno.

Pojam klimaksa

Živo naselje teži prema završnom stupnju razvitka koji odgovara klimi tog područja što je označeno kao stupanj klimaksa. Sukcesije sadrže početne, prijelazne i završne stupnjeve zajednice označene kao klimaks (npr. ekosistem tundre, listopadne šume, stepe, pustinje, vlažne prašume). Razvoj živog naselja uvjetovan klimom. Klimaks je trenutni zastoj u neprekidnoj promjeni živog naselja zemlje.

Integracija ekosustava

Akcije (abisal - ocean: niska temperatura, nedostatak svjetlosti, nepokretnost vodenih masa, homogena muljevita podloga; fauna; nedostatak pigmenata, očiju, razvijena kemijska osjetila) – prilagodba uvjetima biotopa. Reakcije – dabar (Castor fiber L.) aktivno mijenja fizičke uvjete biotopa (tekućice). Koakcije – uzajamni odnosi između organizama (složeni splet hranidbenih lanaca). Pojam ravnoteže u ekosustavu. Ekosustav - otvoreni sustav. Stacionarno stanje odnos primarne produkcije i respiracje (P/R = 1), (Odum 1971).