UNIVERZITET U SARAJEVUPRIRODNO-MATEMATIKI FAKULTETODSJEK ZA BIOLOGIJU

PROMET MATERIJE I PROTOK ENERGIJE U EKOSISTEMU-seminarski rad-

Student: Alen Sui Predmetni profesor: prof.dr. Rifat krijelj, prof.dr. Sadbera Troi-Borovac prof.dr. Samir ug

Sarajevo, 2014.

Sadraj

Uvod3Promet materija i njegov znaaj u ekosistemu4Biogeohemijski ciklusi elemenata5Ciklus kruenja vode (hidroloki ciklus)5Ciklus kiseonika6Ciklus ugljika7Ciklus azota8Protok energije u ekosistemu9Bioloki produktivitet10Zakljuak11Literatura........................................................................................... 12

Uvod Ekosistem se najjednostavnije definira kao sloena i dinamina razina ekolokog proimanja meusobnog utjecaja ivih bia grupisanih u populacijama, povezanih u ivotnoj zajednici, na njihovom stanitu. Ekosistem je svaka prirodna cijelina koja se sastoji od ivotne zajednice (biocenoze) i njenog neivog okruenja (skupa dejstva ekolokih faktora-biotopa). Termin ekosistem je prvi put uveo britanski ekolog Tansley 1935 godine. Ekosistem se odrava na principu meuzavisnosti i jedinstva, uz neprekidni kruni tok materija izmeu ivog i neivog dijela, koji je praen protokom energije. Kruenje materije i protok energije u ekosistemu (i cjelokupnoj biosferi) predstavlja izuzetno znaajan i sloen proces u kojem skoro uravnoteena koliina materija krui u biolokim i ekolokim sistemima i izmeu njih i neive okoline. U ekosistemu materija krui a energija protie (Slika 1). Promjene koje trpi materija su reverzbilne, a protok energije je ireverzibilan. Metabolizam ekosistema slian je u naelu ekosistemu jedinke. U metabolizmu ekosistema odigravaju se reakcije izgradnje (anabolizma) i procesi izgradnje (katabolizam). Proizvodi se energija pohranjena u biomasi (npr. u ugljikohidratima, celulozi, proteinima, mastima).

Slika 1. Opti prikaz protoka energije (isprekidane strelice) i kruenja materije (pune strelice).Promet materija i njegov znaaj u ekosistemu

Smisao krunog toka materija je u tome da se za izgradnju ivih bia i njihovu aktivnost iskoristi odreena koliina materija koja je inae ograniena na Zemlji, a neophodna je za ivot, te da se te iste materije trajno ne veu za ive sisteme. Umiranjem ivih bia ona prelazi u neivi oblik, koji se zatim ponovno ukljuuje u promet. Da ovakav kruni tok materija ne postoji ubrzo bi mogunosti ivota na Zemlji bile iscrpljene. Kruenje materija koje je praeno protokom energije ini osnovu odravanja ivota. U toku duge historije ivog svijeta na Zemlji skoro ista koliina materija krui kroz ive sisteme, zato to na nau planetu ne dolaze nove koliine materija, a takoer ni materije ne odlaze sa Zemlje. Svi bioloki i ekoloki sistemi odravaju se u ivotu zahvaljujui neprekidnom krunom prometu materija i protoku energije. Promet materija u ekosistemu se ostvaruje u nizu hemijskih procesa iji je rezultat preobrazba tih materija. Zelene biljke uzimaju neorganske materije i procesom fotosinteze stvaraju organske materije. ivotinjski organizmi se hrane biljkama (i drugim ivotinjama) i vre dalji preobraaj organskih materija. Bakterije i gljive razlau organsku materiju, reducirajui je u oblik koji je ponovno pristupaan biljkama, tj. u mineralne materije. Tako kretanje materija ima ciklian karakter, odnosno obavlja se kruno, obuhvatajui biotop i biocenozu, osnovne komponente ekosistema (Slika 2).

Slika 2. Kruni tok materija u ekosistemu.Biogeohemijski ciklusi elemenata

Opti tok kruenja materija u ekosistemu moe se pratiti ako se slijedi promet pojedinih hemijskih elemenata. Tok kretanja elemenata otkriva njihove specifine puteve kroz ivu i neivu komponentu ekosistema pa se zato naziva biogeohemijski ciklus elemenata. Osnovni elementi u prirodi, ugljik, kiseonik, vodonik i azot neprestano mijenjaju svoj oblik kroz uestvovanje u lancu ishrane i izgradnju organskih i neorganskih jedinjenja. Za razliku od energije koja neprekidno stie sa Sunca, koliina materije na Zemlji je ograniena, te je zbog toga razvijen mehanizam prirodne obnove odnosno biogeohemijski ciklusi. Kada ne bi bilo ovih ciklusa CO2 bi se npr. potroio za samo 35 godina.

Ciklus kruenja vode (hidroloki ciklus)

Voda je jedan od najbitnijih elemenata biosfere, bez kojeg ne bi bilo ivog svijeta na Zemlji. U prirodi se javlja se u tri agregatna stanja: tenom, vrstom (led) i gasovitom (vodena para). Prelazei iz jednog agregatnog stanja u drugo, ona konstantno krui izmeu atmosfere, povrinskih i podzemnih voda, tla i ivog svijeta. Ovaj proces zove se ciklus kruenja vode u prirodi ili hidroloki ciklus (Slika 3).

Slika 3. Osnovni procesi kruenja vode u zemljinom hidrolokom sustavu.

Proces kruenja vode poinje njenim isparavanjem sa povrine mora i okeana, kao i kopna i kopnenih voda pod uticajem Suneve toplote. Isparavanjem se voda pretvara u vodenu paru. Vodena para se u atmosferi hladi, kondenzuje, stvarajui oblake i ponovo se vraa na Zemljinu povrinu u obliku razliitih padavina (kia, snijeg, grad). Jedan dio padavina dospijeva direktno na povrinu mora i okeana, dok drugi otie po povrini kopna, sakuplja se u vodotoke (potoke i rijeke), kojima se zatim vraa u more i okeane. Aktivnu ulogu u kruenju vode imaju i iva bia. Voda im je potrebna za odvijanje svih ivotnih procesa, a mnogi organizmi ive u njoj. Biljke upijaju vodu iz zemljita, a zatim je transpiracijom vraaju opet u atmosferu. ivotinje je piju ili unose hranom, a potom je znojem, izluivanjem i disanjem ponovo vraaju u okolinu. Voda se ispravanjam ponovo vraa u atmosferu, nastavljajui svoj proces kruenja u prirodi. Voda pokriva 71 % povrine Zemlje i predstavlja najrasprostranjeniju materiju na planeti. Od ukupne koliine vode, preko 96% predstavlja slana, dok je samo 2,45 % slatka voda.

Ciklus kiseonika

Kiseonik se nalazi u atmosferi (ima ga oko 21%) i rastvoren u vodi. Od nekih 10 %- nivo pri kome su cvjetali dinosaurusi procenat kiseonika je porastao na 17 % prije 50-ak miliona godina, a onda na 23 % prije 40 miliona godina. Tokom posljednjih 10 miliona godina, procenat kiseonika u atmosferi smanjio se na 21 %. Mnogi strunjaci vjeruju da su veliki poari koji su bili uestali na Zemlji prije nekih 10 miliona godina smanjili brojnost drvea a samim time intenzitet fotosinteze i koliinu kiseonika u atmosferi. Kiseonik koriste biljke i ivotinje u procesu respiracije, a koriste ga i bakterije i gljive za proces razgraivanja otpadnih materija (Slika 4). Za sagorijevanje drveta i drugih vrsta goriva takoer je neophodan kiseonik. Biljke isputaju kiseonik u atmosferu kao nusprodukt procesa fotosinteze. Ciklus ugljika i ciklus kiseonika u prirodi su meusobno vrsto vezani - za proces fotosinteze neophodan je ugljen-dioksid pri emu se stvara kiseonik, a za proces respiracije (disanje) neophodan je kiseonik pri emu se stvara ugljen-dioksid.

Slika 4. hematski prikaz ciklusa kiseonika. Ciklus ugljika

Ugljik predstavlja jedan od najvanijih elemenata za ivot na Zemlji, jer ulazi u grau svih elija ivih organizama. Atomi, odnosno jedinjenja, ugljika konstantno krue kroz atmosferu, vodu, zemljite, razliite stijene i iva bia u procesu koji se naziva proces kruenja ugljika (Slika 5). Ugljikov ciklus je otkrio Antoine Lavoisire i Joseph Priestley, a kasnije je razvio Humphry Davy. Proces kruenja poinje u atmosferi, gde se ugljik nalazi u obliku neorganskog jedinjenja, ugljen-dioksida (CO). U procesu fotosinteze biljke koriste ugljik-dioksid i pretvaraju ga iz neorganskog u organski oblik (eere, masti, proteine, nukleinske kiseline). Organski oblik ugljika putem lanca ishrane koriste i sva ostala iva bia. Ugljik se u spoljanju sredinu vraa na nekoliko naina. Tokom disanja ivih organizma, jedan dio organskog ugljika se ponovo pretvara u ugljen dioksid i kao takav vraa u atmosferu. Drugi, najvei dio ugljika u spoljanju sredinu dospijeva razlaganjem organske materije, koju vre gljive i bakterije. U procesu razlaganja dio ugljika ostaje vezan u fosilnim gorivima ili nataloen u sedimentnim stijenama. Danas, razvojem industrijske proizvodnje, poveanom potronjom uglja i nafte, kao i njihovim sagorijevanjem, poveava se koliina ugljen-dioksida koji odlazi u atmosferu. Sve ovo ima negativne posljedice po biosferu i naruava prirodnu ravnoteu kruenja ugljika u prirodi i koliinu ugljen-dioksida u atmosferi.

Slika 5. Kruenje ugljika.

Ciklus azota

Azot je osnovni gradivni element svih ivih bia, koji ulazi u sastav nukleinskih kiselina i proteina. On konstantno krui kroz atmosferu, vodu, zemljite i iva bia, pretvarajui se iz neorganskog oblika u organski i obrnuto. Ovaj proces naziva se proces kruenja azota (Slika 6). U atmosferi se nalazi velika koliina azota u gasovitom stanju (oko 78 %). To je interan gas (ne reaguje sa drugim supstancama), bez boje i mirisa. Veina ivih organizama ovakav azot ne moe koristiti. To mogu samo odreene bakterije, koje se nazivaju azotofiksatori. Ciklus kruenja azota poinje kada bakterije azotofiksatori apsorbuju atmosferski azot, vezujui ga u organska jedinjenja. Truljenjem i razlaganjem ovih jedinjenja, azot prelazi u neorganski oblik (nitrate), koji tako dospijevaju u zemljite. Biljke, koristei nitrate iz zemljita u procesu fotosinteze ga ugrauju u svoja organska jedinjenja (proteine i nukleinske kiseline). Dalje, lancem ishrane azot dospijeva u organizme ivotinja i ovjeka. Razlaganjem uginulih organizama, od aminokiselina, kao osnovnih sastojaka proteina, prvo nastaje neorgansko jedinjenje- amonijak, a od njega azotne soli- nitriti i nitrati. Na taj nain omoguava se ponovno korienje neorganskih jedinjenja azota od strane biljaka.

Slika 6. Proces kruenja azota.

Protok energije u ekosistemu

Energija protie kroz biotike sisteme mijenjajui svoj oblik. Svi procesi u ekosistemu (fiziki, hemijski i bioloki) zahtjevaju energiju. Osnovni izvor energije na Zemlji predstavlja Sunce, ija se svjetlosna energija zraenja procesima fotosinteze pretvara u hemijsku energiju organskih spojeva. ivotne aktivnosti svih organizama odvijaju se na bazi hemijske energije koja se oslobaa razgradnjom organskih jedinjenja. Hemijska energija organskih produkata fotosinteze protie kroz ekosisteme putem lanaca ishrane. U svakoj sljedeoj karici lanca ishrane, energija se transformie i iskoritava, a samo djelimino se gubi toplotnim zraenjem. Pri svakom prelasku energije iz jednog oblika u drugi, te pri pretvaranju energije u radne aktivnosti, dio energije se gubi naputajui biotike sisteme u vidu toplote (Slika 7). Zbog toga je opstanak ekosistema uslovljen neprekidnim dotokom energije.

Slika 7. Protok energije. Oko 90% energije je izgubljeno u prelaenju iz jedne u drugu trofiku razinu.

Energija Sunca u vidu svjetlosti svakodnevno predstavlja izvor energije za sva iva bia na Zemlji. Sunevo zraenje zagrijava planetu, ukljuujui i atmosferu do temperature koja omoguava ivot. Bez ove energije, temperatura bi bila oko -273 C i voda bi bila zamrznuta. Sposobnost organizma da vee, deponuje, iskoristi, transformie i oslobaa energiju predstavlja osnovu cijelog ivota, pri emu je razmjena energije visokoregulatoran proces u vremenu i prostoru. Sunce predstavlja jedan ogroman nuklearni reaktor koji procesima fisije oslobaa oko 5 milijardi kilograma mase konvertovane u energiju svake sekunde. Od koliine suneve energije koja dospijeva na Zemlju svega se 3% koristi u procesima fotosinteze. Iz vidljivog dijela spektra biljni organizmi koriste samo crveni i plavi dio spektra. Sunevu energiju koja dospijeva u ekosistem, kroz proces fotosinteze vezuju autotrofni organizmi u vidu primarne organske materije. Ovu energiju koriste organizmi potroai i ona se u skladu sa fizikim zakonima termodinamike oslobaa iz ekosistema u vidu toplote.

Bioloki produktivitet

Bioloka produkcija obuhvata niz sloenih procesa u biolokim sistemima kojima se obezbjeuje stvaranje organske materije, a pod pojmom bioloki produktivitet se podrazumijeva brzina stvaranja organske materije u konkretnim uslovima datog ekosistema. Rezultat ovog procesa je organska materija, pa se esto koristi i termin organski produktivitet. Postoje dva oblika biolokog produktiviteta: primarni i sekundarni.Primarni produktivitet se odnosi na proces proizvodnje organske materije u okviru biljnih organizama kroz autotrofnu ishranu. Sekundarni produktivitet se odnosi na transformaciju ranije nastalih organskih materija u druge oblike, djelatnou razlagaa i potroaa. Primarni produktivitet se smatra pravom i stvarnom mjerom ukupnog biolokog produktiviteta ekosistema.

Zakljuak

Ekosistem se odrava na principu meuzavisnosti i jedinstva, uz neprekidni kruni tok materija izmeu ivog i neivog dijela, koji je praen protokom energije.U ekosistemu materija krui a energija protie.Kruenje materija koje je praeno protokom energije ini osnovu odravanja ivota. Promjene koje trpi materija su reverzbilne, a tok energije je ireverzibilan.Smisao krunog toka materija je u tome da se za izgradnju ivih bia i njihovu aktivnost iskoristi odreena koliina materija koja je inae ograniena na Zemlji, a neophodna je za ivot, te da se te iste materije trajno ne veu za ive sisteme.Da kruni tok materija ne postoji ubrzo bi mogunosti ivota na Zemlji bile iscrpljene. Kretanje materija ima ciklian karakter, odnosno obavlja se kruno, obuhvatajui biotop i biocenozu, osnovne komponente ekosistema. Osnovni elementi u prirodi, ugljik, kiseonik, vodonik i azot neprestano mijenjaju svoj oblik kroz uestvovanje u lancu ishrane i izgradnju organskih i neorganskih jedinjenja. Za razliku od energije koja neprekidno stie sa Sunca, koliina materije na Zemlji je ograniena, te je zbog toga razvijen mehanizam prirodne obnove odnosno biogeohemijski ciklusi.Energija protie kroz biotike sisteme mijenjajui svoj oblik. Energija Sunca u vidu svjetlosti svakodnevno predstavlja izvor energije za sva iva bia na Zemlji. Sunevu energiju koja dospijeva u ekosistem, kroz proces fotosinteze vezuju autotrofni organizmi u vidu primarne organske materije. Ovu energiju koriste organizmi potroai i ona se u skladu sa fizikim zakonima termodinamike oslobaa iz ekosistema u vidu toplote.

Literatura

Briki, F. (2012): Zatita okolia. Sveuilite u Zagrebu: Fakultet kemijskog ininjerstva i tehnologije.krijelj, R., ug, S. (2009): Uvod u ekologiju ivotinja. Prirodno-matematiki fakultet Sarajevo.krijelj, R., Sofradija, A., Masli, E. (2001): Biologija za 4. razred ope gimnazije. Sarajevo: Svjetlost.

12