Ecosistemul formă elementară de organizare a ecosferei.

Funcţiile ecosistemului:– energetică _ se referă la transferul energiei prin ecosistem, – de transport _ se referă la circuitul de substanţe prin ecosistem, – de autoreglare _ se referă la menţinerea stabilităţii ecosistemului

Ecosistem de padure de rasinoase Ecosistem de padure de foioase

Ecosistem acvatic

FUNCŢIA ENERGETICĂ A ECOSISTEMULUI

• Fluxul energetic continuu este o caracteristică a sistemelor vii şi poate fi definit ca fiind energia transferată de la un nivel trofic la altul în cadrul unui lanţ trofic.• În interiorul ecosistemelor, fluxul energetic se realizează prin relaţii trofo-dinamice între organisme, în timpul cărora energia suferă transformări permanente.• În natură, comportamentul oricărui sistem biologic sau nebiologic se desfăşoară conform principiilor termodinamicii clasice de conservare şi de transformare a energiei.• Principiul conservării energiei se referă la faptul că energia nu este nici creată şi nici distrusă ci doar transformată dintr-o formă în alta.– Intrările de energie într-un sistem trebuie să fie egale cu ieşirile.– Nimic nu se pierde, nimic nu se câştigă ci totul se transformă.– În orice proces energetic, o parte din energia potenţială se transformă şi se pierde sub formă de căldură.

FUNCŢIA ENERGETICĂ A ECOSISTEMULUI

• Sursele de energie ale unui ecosistem sunt :– energia electromagnetică a radiaţiilor solare – energia chimică a diferitelor substanţe

• Radiaţia solară constituie sursa primară de energie pentru biocenozele ecosistemelor.

• Plantele fotosintetizatoare (microfite, macrofite) şi bacteriile fotosintetizatoare transformă prin fotosinteză energia solară în energie chimică înglobată în legăturile chimice din substanţele organice sintetizate.

• Intrarea de energie în ecosistem are loc sub formă de energie calorică (radiaţii din zona IR) şi energie luminoasă (domeniul vizibil).– Energia calorică nu poate fi stocată dar facilitează stocarea energieiluminoase favorizând fotosinteza. – Energia luminoasă poate fi stocată şi utilizată de către organismele viidin ecosistem. Substanţele sintetizate se acumulează formândbiomasa.

BIOMASA

• Biomasa: Substanţele sintetizate şi acumulate de organismele vii– biomasa supraterană: se află deasupra solului şi este formată din frunzele, florile, seminţele şi tulpinile plantelor, microorganismele şi animalele care nu vieţuiesc permanent în sol– biomasa subterană: se găseşte în sol şi este formată din tulpinile şi rădăcinile subterane ale plantelor, animalele şi microorganismele care trăiesc permanent în sol– necromasa reprezintă cantitatea totală de masă organică moartă existentă în biocenoză

PRODUCTIVITATEA PRIMARĂ

• Producţia biologică reprezintă cantitatea de substanţă organică realizată de un sistem biologic (individ, populaţie sau biocenoză) într-un anumit interval de timp.• Producţia biologică primară (producţia primară) reprezintă cantitatea de substanţă organică sintetizată de plantele verzi (macrofite, microfite), de bacteriile fotosintetizatoare şi bacteriile chemosintetizatoare (sintetizează materie organică din substanţe anorganice sub acţiunea energiei chimice) într-un biotop terestru sau acvatic, corespunzătoare unei anumite perioade de timp.• Productivitatea primară brută PPB reprezintă cantitatea totală de energie fixată prin fotosinteză de organismele autotrofe (organismele care utilizează pentru hrană substanţele minerale, în general dizolvate în apă - dioxid de carbon, ioni carbonat, azotaţi, fosfaţi) din ecosistem şi se exprimă în J/m2·zi sau kg/ha·zi. Deoarece toată energia fixată de plante este convertită în zaharuri, este teoretic posibil ca energia fixată de plante să fie măsurată prin cantitatea de zaharuri produse. O parte din această energie este folosită de producătorii primari pentru desfăşurarea proceselor metabolice ale acestora (sinteze organice, reproducere,mişcare, respiraţie), iar o altă parte se acumulează sub formă de substanţă organică a celulelor şi ţesuturilor.• Productivitatea primară netă PPN reprezintă cantitatea de materie organică acumulată sub formă de biomasă prin sinteză (fotosinteză, chemosinteză) de către producătorii primari (PPB minus cantitatea de materie organică consumată prin respiraţie pentru desfăşurarea proceselor metabolice, notată cu R). Astfel PPN reprezintă substanţa organică acumulată sub formă de rezervă şi disponibilă ca hrană pentru nivelul trofic al fitofagilor.

PPN = PPB – R

PRODUCTIVITATEA PRIMARĂ• Eficienţa ecologică a producţiei primare este definită ca fiind raportul dintre energia consumată pentru fotosinteză sau chemosinteză şi energia primită.• Eficienţa producţiei nete (%) reprezintă raportul dintre energia consumată (intrată) şi energia asimilată. Pentru păsări eficienţa producţiei nete este mai mică de 1%, pentru mamifere mici mai mare de 6%. Eficienţa producţiei nete este invers proporţională cu activitatea nivelului trofic respectiv. Astfel pentru organismele endoterme (organismele care au o temperatură a corpului mare şi constantă, care nu depinde de temperatura mediului, numite uneori „organisme cu sânge cald”) eficienţa producţiei nete este 1-6%, iar pentru cele ectoterme (organismele care au o temperatură a corpului variabilă apropiată uneori de cea a mediului „organisme cu sânge-rece”) eficienţa producţiei nete poate ajunge la 75%.• Eficienţa producţiei brute EPB (%) poate fi calculată ca produsul dintre eficienţa asimilării şi eficienţa producţiei nete, adică:EPB= [(asimilare/ingerare)x100]x[(producţie/asimilare)x100] = producţie/ingerare• Eficienţa producţiei brute pentru animale terestre cu sânge este mai mare de 5%, pentru unelepăsări şi mamifere de talie mare este mai mică de 1%, pentru insecte este 5-15%, iar pentru unele animale acvatice este mai mare de 30%.• Eficienţa producţiei nete a plantelor reprezintă raportul dintre productivitatea primară netă şi productivitatea primară brută. Pentru cele mai multe plante, domeniul de valori al eficienţei producţiei nete este 30-85%, pentru plantele din zona temperată care au o creştere foarte rapidă valoarea eficienţei este 75-85%, iar pentru plantele din zona tropicală este 40-60%.• Eficienţa de exploatare reprezintă proporţia producţiei unui nivel trofic care este consumată de organismele situate pe nivelul trofic superior.• Eficienţa ecologică poate fi definită şi ca produsul dintre eficienţa de exploatare şi eficienţa producţiei brute.• Rata acumulării de biomasă (ani) reprezintă raportul dintre cantitatea de biomasă din ecosistem (kg/m2) şi viteza producerii biomasei (kg/m2.an) = rezervor/flux.

PRODUCTIVITATEA SECUNDARĂ

•Productivitatea secundară reprezintă energia acumulată în biomasa organismelor heterotrofe (organisme care îşi sintetizează materia celulară din materie organică, care reprezintă atât sursă de energie cât şi sursă de carbon).•Productivitatea secundară reprezintă producţia realizată de consumatori. Productivitatea secundară provine din productivitatea primară netă realizată de plantele fotosintetizante, bacteriile fotosintetizante şi chemosintetizante.•Energia stocată în biomasa producătorilor primari este transferată sub formă de hrană pe nivelurile trofice următoare reprezentate de consumatori şi descompunători.•O parte din hrană este asimilată şi utilizată pentru sinteza propriilor compuşi, iar o altă parte este eliminată sub formă de fecale şi urină.•O parte din substanţele asimilate serveşte pentru nevoile energetice ale consumatorilor (metabolism), iar altă parte se acumulează sub formă de biomasă.•Viteza de acumulare a substanţei şi energiei sub formă de biomasă la nivelul consumatorilor prin intermediul lanţurilor trofice reprezintă productivitatea secundară.•Eficienţa producţiei secundare (nete) este dată de raportul dintre productivitatea secundară şi energia asimilată.•La animalele fitofage eficienţa este mai mare faţă de animalele carnivore deoarece animalele fitofage se deplasează mai puţin în căutarea hranei (plante) şi deci energia consumată este mică.•Eficienţa unui nivel trofic al consumatorilor constituie eficienţa ecologică dată de raportul dintre productivitatea secundară a nivelului trofic respectiv şi productivitatea nivelului precedent.•Eficienţa depinde de structura nivelurilor trofice şi este mai mare în cazul în care nivelul trofic conţine un număr mai variat de specii fitofage deoarece productivitatea unui astfel de nivel va fi mai mare faţă de nivelul în care speciile de animale sunt mai puţin diversificate.•Eficienţa ecologică are valori cuprinse între 5 şi 20%.

ENERGIA ÎN ECOSISTEM

• Capacitatea unor anumite molecule de a capta şi utiliza eficient cantităţi mici de energie reprezintă caracteristica principală a vieţii.• Totalitatea reacţiilor chimice care au loc într-un organism se numeşte metabolism.• Acumularea şi utilizarea energiei sunt bazele metabolismului.• Aproape toată cantitatea de energie necesară vieţii provine de la soare prin fotosinteza plantelor.• Energia este acumulată ca energie potenţială în legăturile chimice ale compuşilor chimici.

CIRCULAŢIA ENERGIEI ÎN ECOSISTEM•În lanţurile şi în reţelele trofice viteza de transfer a energiei are valori diferite, caracteristice. După ce energia radiantă a ajuns la sol şi, astfel, la ecosistem, viteza de transfer al energiei se reduce, în funcţie de dinamica ecosistemului receptor în momentul respectiv. În fiecare organism, energia se acumulează într-un anumit interval de timp, după care traversează lanţurile, respectiv reţelele trofice, cu viteze bine definite, caracteristice mediului traversat.•Viteze mari de transfer al energiei se înregistrează în cazul ecosistemelor tinere şi cu un număr mic de specii. În ecosistemele mature, cu număr mare de specii şi cu o configuraţie complexă a reţelelor trofice, datorită faptului că fluxul de energie se "ramifică" ca urmare complexităţii reţelei trofice, viteza de transfer al energiei scade. Datorită acestui fapt între ecosistemele acvatice şi cele terestre apar diferenţe în ceea ce priveşte viteza de transfer al energiei. Prin utilizarea fosforului marcat (32P) s-a demonstrat că în cazul ecosistemelor acvatice fluxul energetic se realizează într-un număr mic de zile. În cazul ecosistemelor terestre viteza de transfer al energiei este mai mică decât în cele acvatice. •Transportul energiei prin ecosistem se supune următoarelor principii:– productivitatea netă scade de la nivelul producătorilor la cel al consumatorilor, raportul dintre niveluri fiind de 1/10;– raportul dintre cantitatea de energie care se pierde prin respiraţie şi productivitatea brută creşte de la nivelul producătorilor primari spre cel al consumatorilor terţiari sau de vârf;– eficienţa utilizării energiei disponibile creşte de la nivelul producătorilor primari spre cel al consumatorilor terţiari sau de vârf.

CIRCULAŢIA MATERIEI ÎN ECOSISTEM

•Circulaţia materiei într-un ecosistem depinde de structura ecosistemuluideci de structura biocenozei şi biotopului. Circulaţia materiei se realizeazăîn ambele sensuri.•La nivelul biotopului circulaţia elementelor chimice se realizează prinintermediul soluţiilor apoase sau al gazelor, iar la nivelul biocenozei prinlanţurile trofice.•Organismele vii acumulează elementele chimice din mediul înconjurător, lereţin o perioadă de timp, şi apoi le eliberează din nou în natură.•Importanţă prezintă modul în care organismele vii (biocenoza) dintr-unanumit biotop (suprafaţă de pământ sau volum de apă) acumulează,transformă şi transportă materia.•Trecerea elementelor chimice din biotop în biocenoză se face selectiv. Selectivitatea este realizată de producătorii primari.•O parte din elementele chimice sunt reţinute şi utilizate în sinteze pe nivelurile trofice superioare, iar o altă parte este eliminată sub formă de deşeuri metabolice.•Eliminarea este, de asemenea, un proces selectiv. Transferul elementelor chimice din biotop în biocenoză are loc prin procese de respiraţie, transpiraţie, excreţie, fecale, prin organismele animale sau vegetale moarte, iar transferul elementelor chimice din biocenoză în biotop se realizează prin mineralizarea substanţelor organice de către descompunători.

CIRCUITUL MATERIEI ÎN ECOSISTEMELE TERESTRE

• Elementele chimice se găsesc sub formă de combinaţii în patru sfere (rezervoare) diferite:– atmosfera constă dintr-un amestec de gaze şi aerosoli şi reprezintă masa de aer ce înconjoară planeta (carbonul din dioxiul de carbon, azotul în stare gazoasă)– geosfera include solul, sedimentele şi rocile care formează partea solidă a Pământului (calciul din carbonatul de calciu, potasiul din feldspat)– hidrosfera reprezintă masa de apă (solidă şi lichidă) situată la suprafaţa sa şi caretraversează întreaga geosferă (azotul din azotaţii dizolvaţi, fosforul din fosfaţi, carbonul din carbonaţi etc)– biosfera reprezintă masa vie a Pământului (carbonul din celuloză sau grăsimi, azotul din proteine, fosforul din ATP, etc.). Organismele vii, cadavrele şi corpurile aflate în descompunere pot fi considerate compartimente care conţin elemente în formă organică• Studiul proceselor chimice care au loc între aceste compartimente şi în mod deosebit studiul fluxurilor dintre elemente sunt realizate în cadrul ştiinţei care se numeşte biogeochimie.• Răspândirea substanţelor naturale sau poluante la suprafaţa pamântului se analizează prin intermediul modelelor geochimice sau a circuitelor elementelor, care prezintă o deosebită importanţă în evaluarea modificărilor ce pot surveni în urma intervenţiei umane în fluxul acestora.• Circuitele biogeochimice reprezintă un concept care reflectă dinamismul unor procese complexe de transport, transfer, transformare şi înmagazinare a elementelor chimice, a compuşilor sub forma cărora se găsesc acestea, în geosferă, atmosferă, hidrosferă şi biosferă.• Termenul de circuit bio-geo-chimic exprimă interacţiunea dintre lumea organică (bio-) şi anorganică (geo-) şi este bazat pe chimismul (chimic) şi transferul (circuit) elementelor chimice şi a compuşilor.• Prin circuitul materiei în biosferă se realizează perpetuarea stării de echilibru a acesteia.

CIRCUITUL ELEMENTELOR•Substanţele nutritive sunt asimilate şi apoi eliminate de către ecosistemele terestre într-o varietate de forme. Rezerva de substanţe nutritive s-ar putea evalua prin identificarea şi caracterizarea cantitativă a proceselor la care acestea participă.– Rezervele în anumite elemente chimice din unele ecosisteme pot fi mai mult sau mai puţin înechilibru, cantităţile intrate fiind egale cu cele ieşite (intrări = ieşiri). – În alte cazuri intrările depăşesc ieşirile, iar substanţele nutritive se acumulează încompartimentele biomasei şi a materiei organice moarte (intrări - ieşiri = rezervă). – Un alt caz este acela în care ieşirile depăşesc intrările dacă organismele (ecosistemele) sunt afectate de un eveniment cum ar fi focul, o desfrunzire masivă provocată de o invazie de lăcuste, defrişări pe scară largă sau strângerea recoltelor de către om (ieşiri - intrări = pierderi).•Raportul dintre intrările şi ieşirile elementelor chimice din ecosistem variază în funcţie de anotimp, de biocenoză şi de stadiul succesional al ecosistemului. Astfel în funcţie de anotimp, intrările cele mai mari de elemente nutritive în ecosistemele terestre se realizează primăvara şi vara.•Pentru sinteza materiei organice, organismele vii au nevoie de circa 40 de elemente chimice pe care şi le asimilează din atmosferă, precipitaţii, aerosoli, din dezagregarea rocilor, eroziunea solului şi descompunerea organismelor moarte. Unele dintre aceste elemente sunt folosite în cantitate mai mare (C, N, H, O, K, P, S), iar altele în cantitate mai mică (Ca, Fe, Mg, Na, Mn, Co, Ni).– În orice ecosistem terestru există un circuit local al elementelor prin reciclarea materiei organicemoarte şi spălarea, de pe frunze sau alte părţi ale plantelor de către precipitaţii a substanţelorminerale rezultate din transpiraţie. – Descompunerea materiei organice se realizează cu viteză mai mică într-o pădure faţă de opajişte. – Intrările de elemente minerale din biotop în biocenoză şi revenirea lor în biotop depind de stadiulde maturare al ecosistemului. De exemplu, în biocenozele tinere, aflate în creştere are locacumularea şi stocarea unei cantităţi mari de elemente nutritive.

Circuitele potasiului, calciului, fierului, magneziului şi siliciului

• Eroziunea rocilor şi a solurilor este sursa principală din care provin elementele nutritive cum ar fi potasiul, calciul, fierul, magneziul şi fosforul care pot fi preluate de rădăcinile plantelor.• Eroziunea mecanică este cauzată de procese cum ar fi îngheţarea apelor şi creşterea rădăcinilor în crevase (crăpături). Totuşi mult mai importante pentru eliberarea elementelor nutritive sunt procesele de eroziune (alterare) chimică.– De o însemnătate deosebită este carbonatarea, în care acidul carbonic reacţionează cu mineralelepentru a elibera ionii de calciu şi potasiu, de exemplu. – Simpla dizolvare a mineralelor în apă eliberează substanţe nutritive din roci şi din sol. – Acelaşi rezultat se obţine şi în urma reacţiilor de hidroliză care implică acizii organici eliberaţi derădăcinile plantelor, ciuperci sau licheni.• Intrările de calciu în ecosistem se mai realizează prin descompunerea organismelor moarte.• Accesibilitatea potasiului în plante şi biocenoză este influenţată de excesul de umiditate din sol. Prin schimb cationic potasiul trece din soluţia solului în complexul adsorbitiv.– Acesta se găseşte în sol sub formă de ioni K+ care reacţionează cu anionii sulfat, azotat şi formează compuşi solubili ce sunt asimilaţi de microorganisme şi plantele superioare.– Potasiul este indispensabil vieţii plantelor având următoarele funcţii: realizează metabolismul substanţelor, stimulează sinteza proteinelor şi activarea a 40 de enzime, stimulează sinteza clorofilei şi intensitatea fotosintezei, translocarea substanţelor organice prin fotosinteză în alte organe, măreşte rezistenţa plantelor la ger şi boli criptogamice, influenţează pozitiv productivitatea primară.• Calciul este esenţial pentru creşterea şi funcţionarea vârfului rădăcinilor, asigură echilibrul hidric celular, neutralizează unii acizi organici (unii dintre ei fiind toxici - acidul oxalic), înlătură acţiunea unor ioni în exces.• Siliciul stimulează procesul de creştere şi de rezistenţă.

INFLUENTA ACTIVITATILOR UMANE

• Activităţile umane determină un aport de materiale în acest circuit, materiale care se integrează mai mult sau mai puţin în circulaţia naturală. Efectul perturbator al materialelor care conţin aceleaşi specii chimice cu cele care există şi în circuitul natural depinde de cantitatea eliberată în mediu raportată la cea din circuitul natural.• Poluarea, ca fenomen de dereglare a circuitului natural, este cea mai gravă în cazul introducerii în acest circuit de compuşi sintetici, cu structuri diferite de cele ale compuşilor produşi de natură.• Prin incendiere materialele vegetale ale unui ecosistem terestru se pot transforma în dioxid de carbon într-un timp foarte scurt şi deci astfel emisiile vor fi mai mari faţă de capacitatea ecosistemul respectiv de a-l asimila. In cazul azotului pierderea sub formă gazoasă poate fi de asemenea impresionantă.• Perturbări ale circuitelor naturale au loc şi prin defrişări şi recoltări.• Introducerea de către om de noi specii exotice într-un alt biotop a alterat deseori funcţionarea ecosistemului caracteristic biotopului respectiv şi implicit circuitul materiei în ecosistemul respectiv.• Alte activităţi antropice importante care contribuie la modificarea circuitului natural al materiei prin ecosistem se referă la eliminările în atmosferă de gaze poluante (oxizi ai azotului, oxizi ai sulfului, materii organice volatile, CO, CO2), pulberi în suspensie.

AUTOREGLAREA ŞI STABILITATEA ECOSISTEMULUI

•Autoreglarea ecosistemului este o condiţie esenţială şi necesară pentru menţinerea stabilităţii acestuia. Prin autoreglare, ecosistemele îşi menţin relativ constante structura şi funcţiile chiar în condiţii de mediu variabile.•Pentru menţinerea stabilităţii, mecanismele de autoreglare sunt rezultatul conexiunilor directe dintre subsisteme, respectiv conexiunile dintre speciile componente ale biocenozei şi dintre biocenoză şi biotop.•Efectele de perturbare determinate de anumiţi factori ecologici biotici şi abiotici pot fi înlăturate prin mecanisme de prevenire (feed-before) şi mecanisme de corectare (feed-back).•Mecanismele de corectare a perturbărilor produse constau în modelarea răspunsurilor biocenozei la acţiunea stimulilor recepţionaţi de elementele sale componente. Mecanismele de autoreglare de natură trofică sunt cele mai importante. În cazul în care nivelul trofic al consumatorilor este ocupat de organismele polifage (specii animale care se hrănesc cu un număr mare de organisme vegetale sau animale), presiunea exercitată de aceştia creşte stopând tendinţa de creştere numerică a unei specii, iar la scăderea numerică a speciei, presiunea exercitată de polifagi se va deplasa spre alte specii. Mecanismele de autoreglare asigură evitarea situaţiilor în care ar avea loc epuizarea totală a resurselor alimentare pentru o populaţie şi dispariţia ei din ecosistem. •Stabilitatea unui ecosistem este asigurată de o diversitate populaţională mare. Aceasta se înregistrează pentru ecosistemele la care cantitatea de energie pierdută prin respiraţie creşte la nivelurile trofice superioare. La aceste niveluri organismele depun o activitate mai intensă pentru procurarea hranei decât cele de pe nivelurile trofice inferioare, iar energia consumată de un nivel trofic nu se mai transferă la nivelul precedent.