Magdalena Bakoń

XXXV LO im. Bolesława Prusa w Warszawie
Koło Naukowe Biologii Molekularnej UW

Ekologia — temat na lekcjach biologii najczęściej traktowany po łebkach. Nie oznacza to jednak, że to mniej ważne zagadnienie. CKE nie waha się pytać o ekologię, często jako ostatnie zadanie arkusza, wprowadzając przy tym pogrom!

Czym jest ekologia?

Najprościej mówiąc, jest to nauka zajmująca się badaniem wzajemnych oddziaływań między organizmami a ich środowiskiem biotycznym i abiotycznym, czyli ekosystemem. Ekologia może być badana na różnych poziomach organizacji biologicznej – zaczynając od poziomu molekularnego, przez poziom osobniczy, a kończąc na poziomie biosfery. Jest kilka zasad, których trzeba przestrzegać przy nauce ekologii. 

Po pierwsze: aby zrozumieć ekologię, należy ją postrzegać w aspekcie ewolucyjnym. Przy próbach zrozumienia różnorodności przystosowań, ich całkowite zrozumienie jest możliwe, gdy zna się historię ewolucji gatunków. 

Po drugie: warunki środowiska w szczególności kształtują przystosowanie osobników. 

Po trzecie: aby dobrze zrozumieć pewne zjawisko, trzeba je analizować z uwzględnieniem szerszego kontekstu.

Po czwarte: ekologia jest nauką interdyscyplinarną. Przy zgłębianiu jej tajników potrzebna jest niekiedy znajomość geografii, matematyki, czy nawet chemii i fizyki.

Przystosowanie organizmów do środowiska

Ziemia obfituje w bardzo różnorodne środowiska i dzięki odpowiedniemu dostosowaniu się organizmy mogą przeżyć niemal w każdym z nich. Miarą dostosowania się organizmów jest liczba wydanego przez nie potomstwa. Dostosowanie się umożliwiają adaptacje – są każde dziedziczne cechy organizmu, które korzystnie wpływają na jego przeżycie. Nie można tutaj zapominać o doborze naturalnym, który wyraźnie wspiera osobniki z odpowiednimi przystosowaniami.

Jak zostało wspomniane na wstępie, środowisko i jego cechy są kluczowe podczas ich kształtowania i nabywania nowych przystosowań. Kilka kluczowych pojęć:

• Warunki środowiskowe – warunki tworzone przez zespół zmiennych czynników środowiska, na które reagują organizmy. Są one niewyczerpalne – nie mogą być konsumowane. Są to np. temperatura, zasolenie, itp.
• Zasoby środowiska – wszystko, co organizm zużywa i może się wyczerpać, np. pożywienie, woda, itp.

Duża liczba organizmów żyje w środowiskach nieustannie zmieniających się. Mogą to być zmiany, które trwają wiele lat albo zaledwie kilka czy kilkadziesiąt minut. Dobrym przykładem „szybko” zmieniającego się środowiska jest ilość światła słonecznego w czasie dnia, a następnie w nocy. Organizmy przystosowują się do tych zmiennych. Wszystkie organizmy mają swój zakres tolerancji, czyli wartości od minimalnych do maksymalnych warunków środowiska, w których mogą przeżyć. Zakres ten jest bardzo różnorodny wśród gatunków zamieszkujących Ziemię. Gatunki kosmopolityczne mają bardzo szerokie występowanie i mają największy zakres tolerancji.

Nisza ekologiczna a środowisko

Można zauważyć prostą zależność, aby nie mylić tych dwóch pojęć – środowisko, to FIZYCZNE miejsce, które organizm zamieszkuje, natomiast nisza ekologiczna to miejsce, które jest określane przez warunki i zasoby, jakich wymaga on do przeżycia. Nisza ekologiczna dzieli się na dwa rodzaje:

• Nisza podstawowa – przestrzeń określana tylko przez warunki środowiska abiotycznego.
• Nisza realizowana – przestrzeń określana przez warunki środowiska i oddziaływania między innymi organizmami. Często pokrywa się ona z niszą podstawową.

Geografia w ekologii

Ekologia jest nauka interdyscyplinarną. Niekiedy znajomość podstawowych informacji z geografii może być kluczowa podczas poznawania ekologii. Ziemia jest podzielona na 6 stref klimatycznych: od stref równikowych w okolicy równika do okołobiegunowych na obu biegunach Ziemi. Typy tych klimatów są opisywane na podstawie temperatury, wilgotności czy nawet gleb, jakie się tam znajdują. W każdym z nich znajduje się inny rodzaj gleby, a jak inny rodzaj gleby, to będą tam rosły inne rośliny oraz żyły inne zwierzęta. Tworzą się tam określone biomy. Czasem może występować lokalna zmienność klimatu, np. na pewnej wysokości czy w okolicy miast. Zmienia się wtedy w tych okolicach temperatura, wilgotność i inne czynniki kształtujące klimat. Mówimy wtedy o lokalnych mikroklimatach.

Truizmem jest stwierdzenie, że woda jest niezbędna do życia. W miejscach, gdzie jest jej pod dostatkiem, życie lepiej się rozwija i występuje większa różnorodność gatunkowa. Temperatura również wpływa na rozmieszczenie gatunków – na pustyniach, gdzie są wysokie temperatury, przeżywają tylko organizmy do nich przystosowane. Dostępność światła też warunkuje występowanie określonych gatunków.

Materia krąży, energia przepływa

Gdy zaczniemy śledzić losy jednego atomu danego pierwiastka chemicznego, to zaobserwujemy bezustanne jego krążenie, w zmiennych postaciach, w różnych elementach ekosystemu. Dlatego w przypadku takiego krążenia pierwiastków mówimy o cyklach biogeochemicznych. Najczęściej cykle te opisuje krążenie pierwiastków biogennych, takich jak węgiel, siarka czy azot. Wszystkie cykle materii rozpoczynają się od pierwszego poziomu troficznego, czyli producentów, którzy włączają te pierwiastki w większe związki. Ta ilość materii i suma energii zasymilowanej nazywa się produkcją pierwotną brutto. Natomiast część produkcji pierwotnej, która może zostać przekazana następnemu poziomowi troficznym, to produkcja pierwotna netto. Następnie materia przechodzi do konsumentów, a finalnie do destruentów, którzy rozkładają tę materię z powrotem na pierwiastki i cykl zatacza koło.

Z energią jest troszkę inna historia, ponieważ jej przepływ jest jednokierunkowy. Energia, którą używają rośliny i bakterie fotosyntetyzujące, pochodzi ze słońca. Zostaje ona zasymilowana w procesie fotosyntezy, a następnie jest oddawana w postaci ciepła przez organizmy kolejnego poziomu troficznego. Każdy ekosystem ma swoją piramidę ekologiczną:

• Piramida energii – odzwierciedla przepływ energii przez kolejne poziomy troficzne. Zawsze u podstawy jest najszersza.
• Piramida biomasy – ukazuje produkcję biomasy na każdym poziomie troficznym. Może być ona odwrócona, wtedy gdy producent jest mniejszy, ale produkuje materię o wiele szybciej.
• Piramida liczebności – ukazuje liczbę osobników na każdych poziomach troficznych. Ona również może być odwrócona, gdy jeden producent może wyżywić dużą liczbę konsumentów.

Łańcuchy i sieci troficzne, czyli kto kogo zjada

Najczęściej zależności między organizmami układają się w specyficzne sieci. Łańcuchy te zaczynają się od organizmów autotroficznych, czyli producentów. Pobierają one związki mineralne i wbudowują je w komponenty związków organicznych własnego ciała. Następni w kolejce są konsumenci I, II i III rzędu. Niestety kolejność nie jest oczywista, ponieważ konsumenci I rzędu to najczęściej roślinożercy, a oni mogą być pokarmem na konsumentów wyższych rzędów. Dodatkowo z każdego ogniwa łańcuch można wyróżnić jeszcze trzy drogi prowadzące do następnego ogniwa. Na końcach tych dróg mogą być pasożyty, destruenci i konsumenci wyższych rzędów. Wyróżnia się dwa rodzaje łańcuchów troficznych:

• Łańcuch spasania – rozpoczyna się od producentów, przez konsumentów I, II i III rzędu, aż do destruentów.
• Łańcuch detrytusowy – ten z kolei zaczyna się od martwej materii (detrytus) lub organizmów żywiących się nim.

Kilka ważnych pojęć:

• Producenci – organizmy autotroficzne, są to najczęściej rośliny i niektóre bakterie.
• Konsumenci – organizmy cudzożywne. Konsumentami I rzędu najczęściej są organizmy roślinożerne, następne rzędy zajmują drapieżnicy i pasożyty.
• Destruenci – organizmy rozkładające martwą materię organiczną, czyli detrytus, na materię nieorganiczną w procesach mineralizacji.
• Detrytusofagi – organizmy żywiące się detrytusem.
• Polifagi – organizmy bez specjalizacji pokarmowej.
• Monofagi – organizmy o wąskiej specjalizacji pokarmowej.

Ekologia populacji

Populacja to grupa osobników tego samego gatunku wspólnie zasiedlająca dany obszar w tym samym czasie. Ich struktura może być oceniana na podstawie liczebności osobników, ich wieku lub rozmieszczenia. Gdy mówimy o liczebności, najczęściej podajemy zagęszczenie. Struktura wieku i płci jest ważna do określenia, w jakim stadium rozwoju jest populacja. Gdy piramida wiekowa jest szeroka przy podstawie, mówimy wtedy, że populacja jest rozwijająca. Gdy największa liczba osobników jest na szczycie piramidy oraz wąska przy podstawie, mówimy wtedy o populacji zanikającej. Na wszystkie te struktury wpływa wiele czynników, takich jak rozrodczość, śmiertelność, przeżywalność oraz migracje (emigracje i imigracje). Przeżywalność ma trzy podstawowe typy krzywych:

• Typ I – osobniki młode mają duże szanse przeżycia, maleją one dopiero w podeszłym wieku osobników.
• Typ II – przeżywalność osobników spada wraz ze wzrostem wieku.
• Typ III – młode osobniki mają bardzo niskie szanse przeżycia.

Struktura przestrzenna informuje nas o rozmieszczeniu pojedynczych osobników. Można z niej wyczytać zagęszczenie populacji oraz oddziaływania wewnątrzgatunkowe. Rozpoznajemy trzy podstawowe struktury: równomierną, losową oraz skupisko. Pierwszy typ charakteryzują organizmy z silną konkurencją wewnątrzgatunkową, natomiast ostatnia wskazuje na stadny charakter gatunku.

W każdej populacji występują pewne interakcje, czy to w obrębie jednego gatunku, czy też międzygatunkowe. Istnieje podział interakcji na:

• Antagonistyczne – najczęściej któraś ze stron ponosi koszty: konkurencja, amensalizm, drapieżnictwo, pasożytnictwo.
• Protekcyjne – najczęściej obie strony odnoszą korzyści: komensalizm, protokooperacja, mutualizm.

Mówiąc o ekologii, powinno się też wspomnieć o ochronie środowiska. Wielkim zdziwieniem nie jest, że to głównie ludzie są odpowiedzialni za niszczenie planety. Dlatego też wprowadzono kilka elementów ochrony przyrody. Można wyróżnić jej dwie zasadnicze formy: ochronę gatunkową oraz ochronę biocenotyczną.

Ochrona gatunkowa

Ochrona ta może być całkowita (ścisła) lub częściowa, czyli np. podczas okresu lęgowego. Nieustannie zmniejsza się liczba gatunków zwierząt i roślin, dlatego zostały podjęte działanie ochrony ex situ oraz in situ:

• Ochrona ex situ – ochrona polegająca na przeniesieniu zagrożonych gatunków poza ich miejsce zamieszkania, np. do ogrodów zoologicznych czy botanicznych, banków genów.
• Ochrona in situ – ochrona gatunków w naturalnym miejscu ich występowania poprzez np. tworzenie parków narodowych.

Ochrona biocenozy

Podlegają jej najcenniejsze zabytki przyrody. Należą do nich:

• Parki narodowe – obszar powyżej 1000 ha, na jego terenie nie można prowadzić żadnej działalności gospodarczej.
• Rezerwat przyrody – teren, na którym zachowały się w stanie naturalnym lub mało zmienionym ekosystemy, określone gatunki, mające dużą wartość dydaktyczną.
• Park krajobrazowy – obszar chroniony ze względu na krajobrazy, można tam prowadzić niewielką działalność gospodarczą.
• Pomniki przyrodnicze – cenne obiekty przyrody ożywionej lub nieożywionej o szczególnej wartości edukacyjnej lub kulturowej.
• Stanowiska dokumentacyjne – elementy przyrody nieożywionej o dużej wartości edukacyjnej.
• Użytki ekologiczne – ochrona pozostałości ekosystemów, które mają znaczenie dla zachowania unikatowych typów środowisk.
• Natura 2000 – Europejska Sieć Obszarów Chronionych.
• UNESCO „Człowiek i Biosfera”.