Ekosystém a jeho vztah k trvalé udržitelnosti

„Vyměním se za hlínu, abych vyrostl z trávy, kterou miluji;
jestli mě chceš znovu, hledej mě pod podrážkami svých bot.“
– Walt Whitman

V této lekci se dozvíme odpovědi na následující otázky:

• Co je to ekosystém a jak ho můžeme západně studovat?
• Je Země otevřený nebo uzavřený systémvzhledem k energii a prvkům?
• Jak definujeme „biogeochemické cykly“ a jak jsou důležité pro ekosystémy?
• Jaké jsou hlavní kontrolní faktory fungování ekosystémů?
• Jaké jsou hlavní faktory odpovědné za rozdíly mezi ekosystémy na celém světě?

20.10.2017

Formát pro tisk

Úvod

V předchozích přednáškách jsme se seznámili se Zemí a jejím prostředím, dozvěděli jsme se o rozmanitosti života na planetě a o ekologických interakcích mezi druhy. Nyní tyto dvě základní složky spojíme a budeme se zabývat tím, jak se prostředí a život vzájemně ovlivňují v „ekosystémech“. Ještě předtím bychom se však měli vrátit k tématu, které jsme představili na samém začátku hodiny, a to k tématu udržitelnosti a k tomu, jak na ni nahlížíme z hlediska systémové vědy.

Udržitelnost a systémová věda – Příklad udržitelnosti použitý na začátku hodiny spočíval v úvaze, že každému dám dolar pokaždé, když přijdete do třídy. Otázka zněla: Je to udržitelné? Na přednášce jsme se shodli, že k zodpovězení této otázky je třeba více informací. Například jsme potřebovali vědět, kolik peněz mám, neboli „zásobu“ peněz (např. kdyby bylo ve třídě 100 studentů a já měl zásobu 100 dolarů, fungovalo by to jednou…). Co když peníze utratím za jiné věci, např. za jídlo? Jaký je „vstup“ nebo rychlost obnovy či „doba obratu“ peněz na mém bankovním účtu ve srovnání s tím, jak rychle peníze spotřebovávám? Co když velikost třídy vzroste, protože se zvýší obliba třídy? Hned vidíme, že se jedná o „systém“, který má v sobě bod rovnováhy, který závisí na mnoha dalších částech „systému“. Řešení tohoto problému je příkladem „systémového myšlení“ a my se musíme naučit, jak ho aplikovat na vědu a na problémy udržitelnosti.

Vědecké koncepty aplikované na ekosystémy a udržitelnost.

Práce na tomto jednoduchém příkladu ukazuje, jak složitá může být problematika udržitelnosti. Zjistíme však také, že ve všech takových problémech existuje společný soubor klíčových vědeckých pojmů a principů, které se v tomto kurzu naučíme chápat – tyto pojmy zahrnují následující (později budou uvedeny další konkrétní příklady):

Stav zásob = množství materiálu v „zásobníku“, například množství ropy v zemi nebo skleníkových plynů v atmosféře. „Stávající“ se vztahuje k množství v aktuálním čase (jako jaká je zásoba stromů stojících v lese právě teď).

Masová bilance = položení otázky „sedí čísla?“. Pokud potřebuji 100 dolarů na každou hodinu, abych je rozdal studentům, ale mám pouze 1 dolar, pak je hmotnostní bilance mimo. Rovnici hmotnostní bilance můžeme také použít k určení toho, jak se systém mění v čase (to uděláme v pozdější přednášce pro plyny zachycující teplo v atmosféře).

Rychlost toku materiálu = vstup nebo výstup materiálu ze systému, například množství ropy, které ročně vytěžíme ze země, nebo množství skleníkových plynů, které ročně vypustíme do atmosféry spalováním fosilních paliv.

Doba setrvání = stálá zásoba vydělená rychlostí toku, která udává průměrnou dobu, po kterou materiály cirkulují ve fondu – například doba setrvání metanu v atmosféře je přibližně 10 let.

Záporné a kladné zpětné vazby = záporné zpětné vazby mají tendenci proces zpomalovat, zatímco kladné zpětné vazby mají tendenci proces urychlovat. Například v oteplujícím se světě budou tát ledovce, což sníží albedo Země, zadržíme více sluneční tepelné energie, a to urychlí oteplování, které zase rozpustí více ledovců – to je pozitivní zpětná vazba.

Co je to ekosystém?

Ekosystém se skládá z biologického společenstva, které se vyskytuje v určité lokalitě, a fyzikálních a chemických faktorů, které tvoří jeho neživé neboli abiotické prostředí. Existuje mnoho příkladů ekosystémů – rybník, les, ústí řeky, pastvina. Hranice nejsou nijak objektivně stanoveny, i když se někdy zdají být zřejmé, jako v případě břehové linie malého rybníka. Obvykle se hranice ekosystému volí z praktických důvodů, které mají co do činění s cíli konkrétního studia.

Studium ekosystémů spočívá především ve studiu určitých procesů, které spojují živé neboli biotické složky s neživými neboli abiotickými složkami. Dva hlavní procesy, které vědci zabývající se ekosystémy studují, jsou přeměny energie a biogeochemický cyklus. Jak jsme se již dříve dozvěděli, ekologie je obecně definována jako interakce organismů mezi sebou navzájem a s prostředím, ve kterém se vyskytují. Ekologii můžeme studovat na úrovni jedince, populace, společenstva a ekosystému.

Studie jedinců se většinou zabývají fyziologií, rozmnožováním, vývojem nebo chováním a studie populací se obvykle zaměřují na stanoviště a potřeby zdrojů jednotlivých druhů, jejich skupinové chování, růst populace a na to, co omezuje jejich početnost nebo způsobuje vymírání. Studie společenstevzkoumají, jak na sebe populace mnoha druhů vzájemně působí, například predátoři a jejich kořist nebo konkurenti, kteří sdílejí společné potřeby nebo zdroje.

V ekosystémové ekologii to vše spojujeme dohromady a pokud můžeme, snažíme se pochopit, jak systém funguje jako celek. To znamená, že místo abychom se zabývali především jednotlivými druhy, snažíme se zaměřit na hlavní funkční aspekty systému. Mezi tyto funkční aspekty patří například množství energie, které vzniká fotosyntézou, způsob toku energie nebo materiálů v mnoha stupních potravního řetězce nebo to, co řídí rychlost rozkladu materiálů nebo rychlost, s jakou jsou v systému recyklovány živiny (potřebné pro tvorbu nové organické hmoty).

Složky ekosystémuSložky ekosystému již znáte. Z tohoto předmětu a z obecných znalostí máte také základní představu o rozmanitosti rostlin a živočichů a o tom, jak rostliny a živočichové a mikrobi získávají vodu, živiny a potravu. Části ekosystému si můžeme objasnit tak, že je uvedeme pod hesly „abiotické“ a „biotické“.

.

ABIOTICKÉSLOŽKY	BIOTICKÉSLOŽKY
Sluneční světlo	Primární producenti
Teplota	Živočichové
Srážky	Živočichové
Voda nebo vlhkost	Živočichové
Chemie půdy (např.g., P, NO3, NH4)	Detritivoři
atd.	atd.
Všechny tyto složky se mění v prostoru/času

Všechny tyto složky a faktory prostředí jsou důležité téměř všude a ve všech ekosystémech.

Obvykle biologická společenstva zahrnují výše uvedená „funkční seskupení“. Funkční skupinaje biologická kategorie složená z organismů, které v systému vykonávají většinou stejný druh funkce; například všechny fotosyntetizující rostliny nebo primární producenti tvoří funkční skupinu. Příslušnost k funkční skupině příliš nezávisí na tom, kdo jsou skuteční hráči (druhy), pouze na tom, jakou funkci v ekosystému vykonávají.

Procesy ekosystémů

Tento obrázek s rostlinami, zebrou,lvem atd. ilustruje dvě hlavní myšlenky o fungování ekosystémů: ekosystémy mají toky energie a ekosystémycyklují materiály. Tyto dva procesy spolu souvisejí, ale nejsou zcela totožné (viz obrázek 1).

Obrázek 1. Toky energie a koloběh materiálů.

Energie vstupuje do biologického systému jako světelná energie neboli fotony, je přeměněna na chemickou energii v organickýchmolekulách buněčnými procesy včetně fotosyntézy a dýchání a nakonec je přeměněna na tepelnou energii. Tato energie se rozptýlí, což znamená, že se v systému ztratí jako teplo; jakmile je ztracena, nelze ji recyklovat. Bez trvalého přísunu sluneční energie by biologické systémy rychle přestaly fungovat. Země je tedy otevřeným systémem, pokud jde o energii.

Prvky jako uhlík, dusík nebo fosfor vstupují do živých organismů různými způsoby. Rostliny získávají prvky z okolní atmosféry, vody nebo půdy. Živočichové mohou také získávat prvky přímo z fyzikálního prostředí, ale obvykle je získávají hlavně v důsledku konzumace jiných organismů. tyto materiály se v tělech organismů biochemicky přeměňují, ale dříve nebo později se v důsledku vylučování nebo rozkladu vracejí zpět do anorganického stavu (tj. anorganický materiál, jako je uhlík, dusík a fosfor, místo aby byly tyto prvky vázány v organické hmotě). Tento proces často dokončují bakterie, a to prostřednictvím procesu zvaného rozklad nebo mineralizace (viz příští přednáška o mikrobech).

Při rozkladu nejsou tyto materiály zničeny ani ztraceny, takže Země je uzavřeným systémem, pokud jde o prvky (s výjimkou meteoritu, který do systému tu a tam vstoupí…). Prvky se v ekosystémech nekonečně cyklicky mění mezi biotickým a abiotickým stavem. Ty prvky, jejichž přísun má tendenci omezovat biologickou aktivitu, se nazývají živiny.

Přeměny energie

Přeměny energie v ekosystému začínají nejprve přísunem energie ze Slunce. Energieze slunce je zachycena procesem fotosyntézy. Oxid uhličitýse spojuje s vodíkem (získaným štěpením molekul vody)za vzniku sacharidů (zkrácený zápis je „CHO“). Energie je uložena ve vysokoenergetických vazbách adenosintrifosfátu neboli ATP (viz přednáška o fotosyntéze).

Prorok Izaiáš řekl, že „všechno tělo je tráva“, čímž si vysloužil titul prvního ekologa, protože prakticky veškerá energie dostupná organismům pochází z rostlin. Protože se jedná oprvní krok ve výrobě energie pro živé organismy, nazývá se prvovýroba (základní informace o fotosyntéze naleznete zde). Býložravci získávají energii konzumacírostlin nebo rostlinných produktů, masožravci se živí býložravci adetritivoři konzumují trus a mršiny nás všech.

Obrázek 2 znázorňuje jednoduchý potravní řetězec,v němž energie ze slunce, získaná fotosyntézou rostlin, proudí ztrofické úrovně na trofickou úroveň prostřednictvím potravního řetězce. Trofickouúroveň tvoří organismy, které se živí stejným způsobem, tj. všichni jsou primárními producenty (rostliny), primárními konzumenty (býložravci) nebo sekundárními konzumenty (masožravci). na všech úrovních vznikají mrtvé tkáně a odpadní produkty. Mrchožrouti, detritivoři a rozkladači se společně podílejí na využití všech těchto „odpadů“ – konzumenty mršin a spadaného listí mohou být i další živočichové, například vrány a brouci, ale nakonec jsou to mikrobi, kteří rozklad dokončí. Není překvapivé, že množství primární produkce se na různých místech velmi liší, což je způsobeno rozdíly v množství slunečního záření a dostupnosti živin a vody.

Z důvodů, které podrobněji prozkoumáme v následujících přednáškách, je přenos energie potravním řetězcem neefektivní. To znamená, že na úrovni býložravců je k dispozici méně energie než na úrovni primárních producentů, na úrovni masožravců ještě méně atd. Výsledkem je energetická pyramida, která má důležité důsledky pro pochopení množství života, které lze udržet.

Obvykle si při představě potravních řetězců představujeme zelené rostliny, býložravce atd. Ty se označují jako pastevní potravní řetězce, protože živé rostliny jsou přímo konzumovány. Za mnoha okolností nejsou hlavním zdrojem energie zelené rostliny, ale odumřelá organická hmota. Těm se říká detritové potravní řetězce. příkladem může být lesní půda nebo lesní potok v zalesněné oblasti, slaný močál a samozřejmě dno oceánu ve velmi hlubokých oblastech, kde veškeré sluneční světlo zhasíná o 1000 metrů výše. V dalších přednáškách se k těmto důležitým otázkám týkajícím se toku energie vrátíme.

A konečně, ačkoli jsme hovořili o potravních řetězcích, ve skutečnosti je uspořádání biologických systémů mnohem složitější, než lze znázornit jednoduchým „řetězcem“. V ekosystému existuje mnoho potravních vazeb a řetězců a všechny tyto vazby označujeme jako potravní síť. Potravní sítě mohou být velmi komplikované, zdá se, že „všechno souvisí se vším ostatním“ (to je hlavní bod této přednášky), a je důležité pochopit, jaké jsou nejdůležitější vazby v každé konkrétní potravní síti. Další otázkou je, jak určíme, které procesy nebo vazby jsou v potravních sítích nebo ekosystémech důležité? Vědci zabývající se ekosystémy používají několik různých nástrojů, které lze obecně popsat pod pojmem „biogeochemie“.

Biogeochemie

Jak můžeme studovat, které z těchto vazebv potravní síti jsou nejdůležitější? Jedním ze zřejmých způsobů je studium toku energie nebo koloběhu prvků. Například koloběh prvků je zčásti řízen organismy, které prvky ukládají nebo přeměňují, a zčásti chemií a geologií přírody. Termínbiochemie je definován jako studium toho, jak živé systémy (biologie) ovlivňují a jsou řízeny geologií a chemií Země. Biogeochemie tak zahrnujemnoho aspektů abiotického a biotického světa, ve kterém žijeme.

Existuje několik hlavních principůa nástrojů, které biogeochemici používají ke studiu zemských systémů. Většinu hlavních environmentálních problémů, kterým v dnešním světě čelíme, lze analyzovat pomocí biogeochemických principů a nástrojů. Mezi tyto problémy patří globální oteplování, kyselé deště, znečištění životního prostředí a rostoucí množství skleníkových plynů. Principy a nástroje, které používáme, lze rozdělit do tří hlavních částí: poměry prvků, hmotnostní bilance a koloběh prvků.

1. Poměry prvků

V biologických systémech označujeme důležité prvky jako „konzervativní“. Tyto prvky jsou často živinami. Slovem „konzervativní“ máme na mysli, že organismus může měnit jen nepatrně množství těchto prvků ve svých tkáních, má-li zůstat v dobrém zdravotním stavu. Nejjednodušší je uvažovat o těchto konzervativních prvcích ve vztahu k ostatním důležitým prvkům v organismu. Například ve zdravých řasách mají prvky C, N, P a Fe následující poměr, nazývaný Redfieldův poměr podle oceánografa, který ho objevil. Poměr počtu atomů těchto prvků (vztažený na 1 atom P) je následující:

C : N : P : Fe = 106 : 16 : 1: 0,01

Jakmile tyto poměry známe, můžeme je porovnat s poměry, které naměříme ve vzorku řas, abychom zjistili, zda řasám nechybí některá z těchto limitujících živin.

2. Hmotnostní bilance

Dalším důležitým nástrojem, který biogeochemici používají, je jednoduchá rovnice hmotnostní bilance pro popis stavu systému. Tímto systémem může být had, strom, jezero nebo celá zeměkoule. Pomocí přístupu hmotnostní bilance můžeme určit, zda se systém mění a jak rychle se mění. Rovnice zní:

SÍŤOVÁ ZMĚNA = VSTUPY + VÝSTUPY + VNITŘNÍ ZMĚNA

V této rovnici je čistá změna v systému z jednoho časového období do druhého určena tím, jaké jsou vstupy, jaké jsou výstupy a jaká byla vnitřní změna v systému.Příklad uvedený v hodině se týká okyselování jezera, přičemž se uvažují vstupy a výstupy a vnitřní změna kyseliny v jezeře.

3. Cyklování prvků

Cyklování prvků popisuje, kam a jak rychle se prvky v systému pohybují. Existují dvě obecné třídy systémů, které můžeme analyzovat, jak bylo uvedeno výše: uzavřené a otevřené systémy.

Uzavřený systém se týká systému, kde jsou vstupy a výstupy zanedbatelné ve srovnání s vnitřními změnami. Příkladem takového systému může být láhev nebo zeměkoule. Existují dva způsoby, jak můžeme popsat koloběh materiálův tomto uzavřeném systému, buď se podíváme na rychlost pohybu, nebo na dráhy pohybu.

1. Rychlost = počet cyklů /čas . S rostoucí rychlostí se zvyšuje produktivita
2. Dráhy – důležité kvůli různým reakcím, které mohou probíhat po různých drahách

V otevřeném systému existujívstupy a výstupy a také vnitřní cyklování. Můžeme tedy popsat rychlosti pohybu a cesty, stejně jako jsme to udělali pro uzavřený systém,ale můžeme také definovat nový pojem zvaný doba pobytu (jeden z našich vědeckých pojmů zmíněných na začátku přednášky). doba pobytu udává, jak dlouho v průměru prvek zůstává v systému, než jej opustí.

1. Rychlost
2. Cesta
3. Doba pobytu, Rt

Rt = celkové množství hmoty/výstupní rychlost hmoty

(všimněte si, že „jednotky“ v tomtovýpočtu se musí správně zrušit)

Kontrola funkce ekosystému

Teď, když jsme se dozvěděli něco o tom, jak jsou ekosystémy sestaveny a jak materiály a energie proudí ekosystémy, můžeme lépe řešit otázku „co řídífunkci ekosystému“? Existují dvě dominantní teorie řízeníekosystémů. První z nich, nazývaná řízení zdola nahoru, říká, že je to přísun živin primárním producentům, který v konečném důsledku řídí, jak ekosystémy fungují. Pokud se zvýší přísun živin, výsledné zvýšení produkce autotrofů se šíří potravním řetězcem a všechny ostatní trofické úrovně budou reagovat na zvýšenou dostupnost potravy (energie a materiály budou kolovat rychleji).

Druhá teorie, tzv. top-downcontrol, říká, že predace a spásání vyššími trofickými úrovněmina nižších trofických úrovních v konečném důsledku řídí funkci ekosystému. Pokud například dojde k nárůstu predátorů, bude mít tento nárůst za následek menší počet spásajících živočichů a pokles počtu spásajících živočichů bude mít zase za následek větší počet prvovýrobců, protože jich spásající živočichové sežerou méně. Řízení počtu populací a celkové produktivity se tak „kaskádovitě“ přesouvá z nejvyšších úrovní potravního řetězce dolů na nejnižší trofické úrovně. V dřívějších přednáškách byla tato myšlenka také představena a vysvětlena jako „trofická kaskáda“.

Takže, která teorie je správná? No,jak už to tak bývá, když je na výběr jasná dichotomie, odpověď leží někde uprostřed. Z mnoha studií ekosystémů vyplývá, že do určité míry fungují OBĚ kontroly, ale že ani jedna z nich není úplná. Například efekt „shora dolů“ je často velmi silný na trofických úrovních v blízkosti vrcholových predátorů, ale kontrola slábne, jakmile se posunete dále v potravním řetězci směrem k primárním producentům. Podobně efekt „zdola nahoru“ přidávání živin obvykle stimuluje primární produkci, ale stimulace sekundární produkce dále v potravním řetězci je méně silná nebo chybí.

Zjistíme tedy, že obě tyto kontroly působí v každém systému v každém okamžiku a musíme pochopit relativní význam každé z nich, aby nám pomohly předpovědět, jak se bude ekosystém chovat nebo měnit za různých okolností, například tváří v tvář měnícímu se klimatu.

Geografie ekosystémů

Existuje mnoho různých ekosystémů:deštné pralesy a tundra, korálové útesy a rybníky, pastviny a pouště. klimatické rozdíly mezi jednotlivými místy do značné míry určují typy ekosystémů, které vidíme. To, jak se nám suchozemské ekosystémy jeví, je ovlivněno především převládající vegetací.

Slovem „biom“ se označuje hlavní typ vegetace, jako je tropický deštný les, pastviny, tundra atd. rozkládající se na velkém geografickém území (obrázek 3). Nikdy se nepoužívá pro vodní systémy, jako jsou rybníky nebo korálové útesy. Vždy se vztahuje ke kategorii vegetace, která je dominantní ve velmi velkém geografickém měřítku, a je tedy geograficky poněkud širší než ekosystém.

Obrázek 3: Rozložení biomů.

Můžeme vycházet z předchozích přednášek a připomenout si, že teplotní a srážkové poměry pro danou oblast jsou charakteristické. na každé místo na Zemi dopadá každý rok stejný celkový počet hodin slunečního svitu, ale ne stejné množství tepla. Sluneční paprsky dopadají na nízké zeměpisné šířkypřímo, ale na vysoké zeměpisné šířky šikmo. Toto nerovnoměrné rozložení tepla způsobuje nejen teplotní rozdíly, ale i globální větrné a oceánské proudění, které má zase velký vliv na to, kde se vyskytují srážky. Když k tomu připočteme ochlazující účinky nadmořské výšky a vliv pevninských mas na teplotu a srážky, získáme komplikovaný globální vzorec klimatu.

Schematický pohled na Zemi ukazuje, že i když je klima komplikované, mnohé jeho aspekty jsou předvídatelné (obrázek 4). Vysoká sluneční energie dopadající v blízkosti rovníku zajišťuje téměř konstantně vysoké teploty a vysokou míru výparu a transpirace rostlin. teplý vzduch stoupá, ochlazuje se a zbavuje se vlhkosti, což vytváří právě podmínky pro tropický deštný les. Porovnejte stabilní teplotu, ale proměnlivé srážky na lokalitě v Panamě s relativně stálými srážkami, ale sezónně se měnící teplotou na lokalitě ve státě New York. Každé místo má graf závislosti srážek na teplotě, který je typický pro širší oblast.

Obrázek č. 4. Podnebíovlivňujerozšířeníbiomů.

Můžeme vycházet z fyziologie rostlin, abychom věděli, že určité rostliny jsou charakteristické pro určité podnebí, což vytváří vzhled vegetace, který nazýváme biomy. Všimněte si, jak dobře rozložení biomů kopíruje rozložení podnebí (obr. 5). Všimněte si také, že některá podnebí jsou nemožná, alespoň na naší planetě. Vysoké množství srážek není možné při nízkých teplotách – není zde dostatek sluneční energie, která by poháněla koloběh vody, a většina vody je zmrzlá, a tudíž biologicky nedostupná po celý rok. Vysoká tundra je stejnou pouští jako Sahara.

Obrázek 5. Rozloženíbiomů v závislosti na teplotě a srážkách.

Shrnutí

• Ekosystémy se skládají z abiotických (neživých, environmentálních)a biotických složek a tyto základní složky jsou důležité téměř pro všechnytypy ekosystémů. Ekosystémová ekologie se zabývá přeměnami energie a biogeochemickými cykly v ekosystémech.
• Energie je do ekosystému neustále přiváděna ve formě světelné energie a část energie se ztrácí při každém přenosu na vyšší trofickou úroveň. Naproti tomu živiny jsou v ekosystému recyklovány a jejich přísun obvykle omezuje biologickou aktivitu. Takže „energie proudí, prvky kolují“.
• Energie se v ekosystému pohybuje prostřednictvím potravní sítě, která je tvořena vzájemně propojenými potravními řetězci. Energie je nejprve zachycena fotosyntézou (primární produkce). Množství primární produkce určuje množství energie dostupné pro vyšší trofické úrovně.
• Studium koloběhu chemických prvků v ekosystému se nazývá biogeochemie. Biogeochemický cyklus lze vyjádřit jako soubor zásob (poolů) a přenosů a lze jej studovat pomocí pojmů „stechiometrie“, „hmotnostní bilance“ a „doba setrvání“.
• Funkce ekosystému je řízena především dvěma procesy, řízením „shora dolů“ a „zdola nahoru“.
• Biom je hlavní typ vegetace rozkládající se na velkém území. Rozložení biomů je do značné míry určeno teplotními a srážkovými poměry na zemském povrchu.

Přehled a autotest

• Přehled hlavních pojmů a konceptů v této přednášce.

Navržená literatura:

Všechny materiály © the Regents of the University of Michigan, pokud není uvedeno jinak.

Všechny materiály © the Regents of the University of Michigan.