Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο ΤΕΙ Ιονίων Νήσων Τμήμα Τεχνολόγων Περιβάλλοντος Κατεύθυνση Τεχνολογιών Φυσικού Περιβάλλοντος ΜΑΘΗΜΑ: Γενική Οικολογία 2 η Ενότητα Εισαγωγή στην επιστήμη της Οικολογίας Ανακύκλωση Θρεπτικών Βιογεωχημικοί κύκλοι Εισηγητής: Δρ. Γιώργος Καρρής (Καθηγητής Εφαρμογών) Το περιεχόμενο του μαθήματος διατίθεται με άδεια Creative Commons εκτός και αν αναφέρεται διαφορετικά Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.
Γενικά στοιχεία για την επιστήμη της Οικολογίας Οικολογία: Η επιστήμη που εξετάζει τις σχέσεις των ζωντανών οργανισμών με το περιβάλλον τους και πιο συγκεκριμένα με τους αβιοτικούς παράγοντες του περιβάλλοντος τους (π.χ. κλίμα, διαθεσιμότητα θρεπτικών στοιχείων, σύσταση εδάφους, αλατότητα νερού κλπ) τους άλλους βιοτικούς παράγοντες του περιβάλλοντος τους που ανήκουν στο ίδιο η σε διαφορετικό είδος από αυτούς Οικοσύστημα: Αυθαίρετο σύστημα μελέτης που περιλαμβάνει τους βιοτικούς και αβιοτικούς παράγοντες μιας περιοχής, καθώς και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους.
Γενική τοποθέτηση Ως επιστήµη, η Οικολογία έχει ορισµένες αρχές και παραδοχές, µια ιστορία µετατροπής των κυρίαρχων απόψεων και µια διαρκή ανάπτυξη του εµπειρικού της περιεχοµένου (διαρκώς περισσότερα πειράµατα και παρατηρήσεις, περισσότερα φαινόµενα προς εξήγηση κλπ). Επίσης, όπως κάθε επιστήµη, δεν είναι σε θέση να δώσει οριστικές απαντήσεις σε όλα τα ζητήµατα, αλλά απλώς τις πιο αξιόπιστες από οποιαδήποτε άλλη προσέγγιση.
Βασικές οικολογικές έννοιες Οικοσύστηµα: Το σύνολο των ζωντανών οργανισµών και των µη ζωντανών στοιχείων που βρίσκονται σε µια περιοχή και αλληλεπιδρούν µε τους ζωντανούς οργανισµούς. Αν και αποτελεί κεντρική έννοια για την οικολογία, είναι αρκετά ασαφής. Ως οικοσύστηµα µπορούµε να θεωρήσουµε τόσο ένα ολόκληρο δάσος, όσο και ένα δένδρο, µια πρόσκαιρη λιµνούλα, το σύνολο της θάλασσας, ή ακόµη και το σύνολο της βιόσφαιρας (η περιοχή του πλανήτη όπου υπάρχουν ζωντανοί οργανισµοί). Πληθυσµός: Το σύνολο των ατόµων ενός είδους που ζουν σε µια περιοχή και συνδέονται µέσω της ανταλλαγής γενετικού υλικού (αναπαραγωγή). Βιοκοινότητα (ή βιοκοινωνία): Το σύνολο των πληθυσµών που ζουν σε µια περιοχή και αλληλεπιδρούν. Βιότοπος: Μια περιοχή µε σχετικά οµοιόµορφα χαρακτηριστικά όπου ζουν ορισµένα είδη ή βιοικοινότητες. Ενδιαίτηµα: Η περιοχή και ο συγκεκριµένος τύπος περιβάλλοντος που εκµεταλλεύεται κάποιος οργανισµός. Πρόσφατα έχει αναφερθεί και ως οικότοπος, αλλά µε πιο χαλαρή έννοια. Θώκος: Το σύνολο των προτιµήσεων ενός είδους. Στην ουσία, αν περιγράφαµε µε ακρίβεια τις απαιτήσεις ενός είδους σε τροφή, θερµοκρασία, καταφύγια, υγρασία κλπ, θα περιγράφαµε το θώκο του. Οικοτόνος: Η συνοριακή περιοχή δύο βιοκοινοτήτων. Συνήθως, είναι πιο πλούσια από την κάθε µία βιοκοινότητα. Βιοποικιλότητα: Το σύνολο της ποικιλίας που εµφανίζουν οι ζωντανοί οργανισµοί σε όλα τα επίπεδα οργάνωσής τους. Μπορεί δηλαδή κανείς να αναφέρεται σε διαφορετικά επίπεδα, όπως για τη βιοποικιλότητα στο επίπεδο των βιοµορίων, των γονιδίων, των ατόµων, των πληθυσµών, των ειδών, των µεγαλύτερων ταξινοµικών οµάδων (γενών, οικογενειών κλπ), των βιοκοινοτήτων, των ενδιαιτηµάτων κλπ.
Σχολές Οικολογίας Η µελέτη της φύσης, είτε από µεγαλύτερα σύνολα, αναλύοντάς τα στα επιµέρους στοιχεία τους, είτε αντίστροφα από τα βασικά στοιχεία, τους πληθυσµούς, και να προχωρήσουµε σε πιο σύνθετες δοµές οργάνωσης, όπως οι βιοκοινότητες ή τα οικοσυστήµατα. Αυτές οι εναλλακτικές δυνατότητες προσέγγισης της φύσης, οδήγησαν στη δηµιουργία δύο σχολών οικολογίας: Της Πληθυσµιακής Οικολογίας που εστιάζει την προσοχή της στους µεµονωµένους πληθυσµούς και όχι στο οικοσύστηµα ως σύνολο. Η πληθυσµιακή οικολογία προσπαθεί να προβλέψει ή/και να ερµηνεύσει την εξέλιξη του µεγέθους ενός πληθυσµού στο χρόνο. της Συστηµικής Οικολογίας η οποία εστιάζει την προσοχή της στο οικοσύστηµα ως αδιαίρετο σύνολο και όχι στα επιµέρους στοιχεία του. Επειδή ακριβώς η ουσία αυτής της προσέγγισης είναι το ενδιαφέρον για το «όλο», ονοµάστηκε και ολιστική οικολογία.
Διάκριση οργανισμών στο Οικοσύστημα ανάλογα με τον τρόπο που εξασφαλίζουν την τροφή τους A. Παραγωγούς ή αυτότροφους (πολυκύτταροι φυτικοί οργανισμοί, φύκη και κυανοβακτήρια) που φωτοσυνθέτουν, δηλαδή που έχουν την ικανότητα να δεσμεύουν την ηλιακή ενέργεια και να την αξιοποιούν για την παραγωγή χημικών ενώσεων (π.χ. γλυκόζη) από απλά οργανικά μόρια B. Καταναλωτές που τρέφονται με φυτικούς ή άλλους ζωικούς οργανισμούς C. Αποικοδομητές (βακτήρια του εδάφους, μύκητες κλπ) που τρέφονται με τη νεκρή οργανική ύλη (φύλλα καρπούς, απεκκρίσεις, τρίχες, σώματα νεκρών οργανισμών) και τη μετατρέπουν σε ανόργανη, ικανή να επαναχρησιμοποιηθεί από τους φυτικούς οργανισμούς Καταναλωτές και αποικοδομητές αναφέρονται ως ετερότροφοι
Trechispora vaga (Τρεχίσπορα η περιπλανώμενη) Κίτρινος μύκητας με βαμβακένια υφή που αναπτύσσεται σε πεσμένα κλαδιά δένδρων
Προϋποθέσεις για την ύπαρξη ενός οικοσυστήματος Τρεις είναι οι απαραίτητες προϋποθέσεις για την ύπαρξη ενός οικοσυστήματος I. Είσοδος ενέργειας στο οικοσύστημα μέσω των αυτότροφων οργανισμών που φωτοσυνθέτουν II. Ροή της εισερχόμενης ενέργειας μέσω των τροφικών πλεγμάτων που σχηματίζονται στα υπόλοιπα βιοτικά στοιχεία του οικοσυστήματος III. Ανακύκλωση θρεπτικών στοιχείων μέσω της δραστηριότητας των αποικοδομητών (μικροοργανισμοί του εδάφους)
Ανακύκλωση Θρεπτικών Η τροφοδοσία των οικοσυστημάτων περιλαμβάνει: Ηλιακή ενέργεια (θεωρητικώς μία ανεξάντλητη πηγή ενέργειας) Τα χαρακτηριστικά της ηλιακής ενέργειας: «ρέει» μονόδρομα μέσω των τροφικών αλυσίδων εφόσον αρχικά μετατραπεί σε χημική απομακρύνεται από το οικοσύστημα με τη μορφή θερμότητας δεν ανακυκλώνεται Θρεπτικά στοιχεία (π.χ. C, H, O, N, S, P, κ.ά) Τα χαρακτηριστικά των θρεπτικών στοιχείων: η διαθέσιμη ποσότητα τους στη βιόσφαιρα είναι περιορισμένη είναι απαραίτητα στη δομή και τις λειτουργίες των οργανισμών πρέπει να ανακυκλώνονται με τη συνδρομή των αποικοδομητών μέσα από τους βιογεωχημικούς κύκλους των χημικών στοιχείων ώστε να γίνουν εκ νέου διαθέσιμα
Βιογεωχημικός κύκλος (γραμμοσκιασμένος κυκλικός δακτύλιος) επάνω σε ένα απλοποιημένο διάγραμμα ενεργειακής ροής
Απαιτούμενα θρεπτικά και χρήση τους Από τα 92 γνωστά στοιχεία στη φύση τα 30-40 είναι απαραίτητα για τους ζωντανούς οργανισμούς τα οποία μπορούν να καταχτούν σε δύο κύριες ομάδες Μακροθρεπτικά Χρειάζονται σε μεγάλες ποσότητες Η, C, O και Ν αποτελούν μαζί το 95% της ζώσας ύλης. Άλλα σημαντικά στοιχεία είναι τα: Κ, S, P Η, C, O: συστατικά στοιχεία λιπών, υδατανθράκων και κυτταρίνης (+) Ν και S: δομικά στοιχεία των πρωτεϊνών (+) Ρ: βάση των νουκλεϊκών οξέων (DNA και RNA Μικροθρεπτικά Χρειάζονται σε πολύ μικρές ποσότητες Τα φυτά χρειάζονται τουλάχιστον 10 διαφορετικά μικροθρεπτικά π.χ. Fe, Cu, Zn και B Αποτελούν βασικά χαρακτηριστικά των κυτταρικών δομών όπως: Μg παραγωγή χλωροφύλλης Άλλα μικροθρεπτικά εντοπίζονται σε ένζυμα και επηρεάζουν θετικά τη λειτουργικότητα τους
Αφθονία των θρεπτικών στους οργανισμούς Α. Ποσότητες που βρίσκονται στη βιομάζα Όλα τα στοιχεία με εξαίρεση τον άνθρακα, το οξυγόνο και το υδρογόνο με τη μορφή του νερού, βρίσκονται στη βιομάζα σε μικρές ποσότητες Β. Ποσότητες που προσλαμβάνονται από τους οργανισμούς Τα περισσότερα στοιχεία απορροφούνται από τους ζωντανούς οργανισμούς είτε σε αέρια μορφή (Ο2, CΟ2) είτε με τη μορφή υδροδιαλυτών αλάτων (ΝaCl) Αναφέρονται διαφορές στην πρόσληψη συγκεκριμένων στοιχείων από διαφορετικούς τύπους οργανισμών ως αποτέλεσμα της επίδρασης αβιοτικών παραγόντων ή του διαφορετικού μεταβολισμού των φυτών και των ζώων Γ. Φαινόμενο επιλεκτικού χημικού εμπλουτισμού: Ικανότητα κάποιων οργανισμών να συσσωρεύουν στοιχεία στο σώμα τους, σε συγκεντρώσεις που υπερβαίνουν τις επικρατούσες στο άμεσο περιβάλλον (π.χ. θαλάσσιοι οργανισμοί που συσσωρεύουν μεγάλες ποσότητες ανθρακικού ασβεστίου και πυριτίου)
Ρυθμός ανακύκλωσης θρεπτικών Οι ρυθμοί ανακύκλωσης των θρεπτικών παρουσιάζουν μια χωροχρονική διακύμανση. Οι κυριότεροι παράγοντες που τους επηρεάζουν είναι: Η φύση του στοιχείου (λόγω των χημικών χαρακτηριστικών τους και του τρόπου χρησιμοποίησης τους) Ο ρυθμός ανάπτυξης των φυτών και των ζώων (επηρεάζεται ο ρυθμός πρόσληψης και κυκλοφορίας των θρεπτικών μέσα στα τροφικά πλέγματα) Ο ρυθμός αποσύνθεσης της οργανικής ύλης (καθορίζεται από το κλίμα και τον τύπο του εδάφους) Οι ανθρώπινες δραστηριότητες π.χ. η γεωργία, η υπερβόσκηση και η καύση ορυκτών καυσίμων
Βιογεωχημικοί κύκλοι ΟΡΙΣΜΟΣ Βιογεωχημικός κύκλος είναι η επαναλαμβανόμενη κυκλική πορεία ενός χημικού στοιχείου σε ένα οικοσύστημα (από το αβιοτικό περιβάλλον στους οργανισμούς και πάλι στο αβιοτικό περιβάλλον). Ο χαρακτηρισμός βιογεωχημικός υποδηλώνει ότι ο κύκλος αυτός διεκπεραιώνεται με τη συμμετοχή βιολογικών, γεωλογικών και χημικών διαδικασιών.
Χαρακτηριστικά Βιογεωχημικών Κύκλων I. Εμπλοκή αλληλεπιδράσεων ανάμεσα στο έδαφος και στην ατμόσφαιρα II. Λαμβάνουν χώρα σε όλα τα επίπεδα τη βιόσφαιρας αν και οι περισσότερες ανταλλαγές θρεπτικών στους κύκλους εντοπίζονται στη ζώνη επαφής της ατμόσφαιρας με την επιφάνεια του εδάφους III. Αποτελούνται από δύο βασικά μέρη, μία δεξαμενή αποθήκευσης η οποία είναι συνήθως απρόσιτη στους οργανισμούς και μία δεξαμενή ανταλλαγής ή δεξαμενή θρεπτικών όπου τα θρεπτικά ανταλλάσσονται ανάμεσα στα βιοτικά και αβιοτικά στοιχεία του οικοσυστήματος
Σημείωση: Στους αέριους κύκλους, η ανταλλαγή των θρεπτικών ανάμεσα στα αβιοτικά και βιοτικά στοιχεία του οικοσυστήματος είναι πιο πλήρης, ενώ οι ιζηματογενείς παρουσιάζουν μεγαλύτερη ευαισθησία σε ανθρώπινες παρεμβάσεις Τύποι Βιογεωχημικών κύκλων Οι κύκλοι μπορούν να χωριστούν σε δύο ομάδες, με βάση το που εντοπίζεται η δεξαμενή αποθήκευσης τους Αέριοι κύκλοι (π.χ. C, O, H) Η δεξαμενή αποθήκευσης τους είναι η ατμόσφαιρα και τα θρεπτικά μετακινούνται από και προς τη βιόσφαιρα σε αέρια μορφή Ιζηματογενείς κύκλοι (π.χ. P,S) Η δεξαμενή αποθήκευσης τους είναι ο φλοιός της Γης και τα θρεπτικά εισέρχονται στη βιόσφαιρα από τα πετρώματα που αποσαθρώνονται και εξέρχονται ως ιζήματα
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο ΤΕΙ Ιονίων Νήσων» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.
Επεξήγηση όρων χρήσης έργων τρίτων διαθέσιμο με άδεια CC-BY διαθέσιμο με άδεια CC-BY-SA διαθέσιμο με άδεια CC-BY-ND διαθέσιμο με άδεια CC-BY-NC διαθέσιμο με άδεια CC-BY-NC-SA διαθέσιμο με άδεια CC-BY-NC-ND διαθέσιμο με άδεια CC0 Public Domain διαθέσιμο ως κοινό κτήμα Δεν επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου, παρά μόνο εάν ζητηθεί εκ νέου άδεια από το δημιουργό. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου και η δημιουργία παραγώγων αυτού με απλή αναφορά του δημιουργού. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού, και διάθεση του έργου ή του παράγωγου αυτού με την ίδια άδεια. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού. Δεν επιτρέπεται η δημιουργία παραγώγων του έργου. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού. Δεν επιτρέπεται η εμπορική χρήση του έργου. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού και διάθεση του έργου ή του παράγωγου αυτού με την ίδια άδεια. Δεν επιτρέπεται η εμπορική χρήση του έργου. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού. Δεν επιτρέπεται η εμπορική χρήση του έργου και η δημιουργία παραγώγων του. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου, η δημιουργία παραγώγων αυτού και η εμπορική του χρήση, χωρίς αναφορά του δημιουργού. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου, η δημιουργία παραγώγων αυτού και η εμπορική του χρήση, χωρίς αναφορά του δημιουργού. χωρίς σήμανση Συνήθως δεν επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου.
Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους.
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο ΤΕΙ Ιονίων Νήσων» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.