ΑΡΧΕΣ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ 2 η ΕΝΟΤΗΤΑ ΑΡΧΕΣ ΟΙΚΟΛΟΓΙΑΣ Δρ. Κώστας Ποϊραζίδης, Δασολόγος Γη Γη: βιο-αναγεννώμενο σύστημα Φυτά, ζώα, μικροοργανισμοί αναγεννούν και ανακυκλώνουν την ύλη και την ενέργεια Τεχνητό βιο-αναγεννώμενο σύστημα δεν έχει ως τώρα επιτευχθεί θί Παραγωγή αγαθών και υπηρεσιών Μηχανισμοί αγοράς (π.χ. πετρέλαιο, τροφή) Εκτός μηχανισμών αγοράς (π.χ. καθαρός αέρας, ποιότητα ζωής, προστασία από πλημμύρες) ΧΕΙΜΕΡΙΝΟ ΕΞΑΜΗΝΟ 2012-2013 Πολυπλοκότητα επιπέδων Πολυπλοκότητα αντιλήψεων & αξιών Τι είναι οικολογία; Heckel (1869): το σύνολο των σχέσεων ενός ζώου με το οργανικό και ανόργανο περιβάλλον Odum (1971): η μελέτη των σχέσεων των οργανισμών ή ομάδων ζώντων οργανισμών με το περιβάλλον τους Krebs (1994): η επιστημονική μελέτη των αλληλεπιδράσεων που καθορίζουν την κατανομή και αφθονία των οργανισμών Επίπεδα οργάνωσης Η ζωή είναι οργανωμένη σε συστήματα και επίπεδα Σύστημα: το σύνολο των συστατικών εκείνων τα οποία αλληλεξαρτώνται και αλληλεπιδρούν σχηματίζοντας ένα μοναδικό σύνολο (π.χ. γονιδιακό σύστημα, κυτταρικό σύστημα, κ.α.) Αλληλεπίδραση ζωής με την ύλη δημιουργεί χαρακτηριστικά επίπεδα 1
Οργάνωση βιολογικών συστημάτων Οικολογική ιεράρχηση Άτομο = οργανισμός Πληθυσμός = ομάδα οργανισμών του ίδιου είδους (στο ίδιο μέρος αναπαραγωγή) Βιοκοινότητα = όλοι οι πληθυσμοί μιας περιοχής Οικοσύστημα = το λειτουργικό σύστημα που περιλαμβάνει τη βιοκοινότητα και το αβιοτικό περιβάλλον Οικολογική ιεράρχηση Τοπίο = σύνολο οικοσυστημάτων μαζί με ανθρώπινες παρεμβάσεις Οικοπεριοχές = μεγάλα σύνολα ομοειδών οικοσυστημάτων (π.χ. Μεσογειακά δάση) Biome = ευρύ γεωγραφικό σύνολο τοπίων (π.χ. Ωκεανός, έρημος) Βιογεωγραφική περιοχή = ήπειροι και ωκεανοί Βιόσφαιρα = όλη η ζωή στη γη Οικόσφαιρα = όλα τα οικοσυστήματα της γης Ένα οικοσύστημα: κοραλλιογενής ύφαλος Χερσαίες οικοπεριοχές της γης Ένα τοπίο: δάσος Φρακτού Ν. Δράμας 2
Βιόσφαιρα Η γη από δορυφόρο Η βιόσφαιρα περιλαμβάνει στην ουσία όλα τα μέρη της γης που μπορούν να «κατοικηθούν» από οργανισμούς Λιθόσφαιρα Υδρόσφαιρα Ατμόσφαιρα Χρόνος και χώρος Η χρονική και η χωρική κλίμακα διαφέρει ανάμεσα στα επίπεδα οργάνωσης Διαρκής μεταβλητότητα - σε πιο μεγάλα (υψηλά) επίπεδα, οι διακυμάνσεις μειώνονται Διαφορετικές επιπτώσεις εξωγενών παραγόντων σε διαφορετικά επίπεδα Διαφορετική ποικιλότητα Αδυναμία σύνθεσης από απλούς παράγοντες κάθε επιπέδου στο επόμενο Υποδιαιρέσεις της οικολογίας Ανάλογα με τις μεγαδιαπλάσεις: Θαλάσσια οικολογία Οικολογία γλυκέων υδάτων Χερσαία οικολογία Έμφαση στους οργανισμούς Οικολογία ζώων Οικολογία φυτών Οικολογία μυκήτων Οικολογία μικροβίων Υποδιαιρέσεις της οικολογίας Με βάση την ιεραρχική οργάνωση: Οικολογία ατόμων Φυσιολογική οικολογία Οικολογία συμπεριφοράς Πληθυσμιακή οικολογία Εξελικτική οικολογία Οικολογία πληθυσμών Οικολογία βιοκοινοτήτων Οικολογία οικοσυστημάτων 3
Υποδιαιρέσεις της οικολογίας Προέλευση της οικολογίας Αυτοοικολογία: η συμπεριφορά ενός είδους ως προς το περιβάλλον του Συνοικολογία: αλληλεπιδράσεις μεταξύ διαφορετικών ειδών που ζουν στο ίδιο περιβάλλον Θεωρητική οικολογία Εφαρμοσμένη οικολογία Φυτογεωγραφία ή Γεωβοτανική Συνοικολογία Οικολογία τοπίου Εξελικτική βιολογία Πληθυσμιακή Εξελικτική οικολογία οικολογία Οικολογία οικοσυστημάτων Φυσιολογία Φυσιολογική οικολογία Οικολογική έρευνα Αυτή γίνεται σε τρία επίπεδα: Στη θεωρία με μαθηματικά μοντέλα (κυρίως με τη βοήθεια Η/Υ) Στο εργαστήριο (ενέργεια, συστατικά, συχνότητες αλληλομόρφων,, ρύπανση κ.α.) ) Στο πεδίο (παρατηρήσεις, μετρήσεις, απογραφές, παρακολούθηση ατόμων, ομάδων, στοιχείων κ.α.) Οι δύο πρώτες μέθοδοι είναι πιο αποτελεσματικές (ταχείς - απλές), αλλά χρειάζονται επιβεβαίωση στο πεδίο Προσέγγιση της οικολογίας Ολιστική προσέγγιση: το σύστημα είναι κάτι παραπάνω από το σύνολο των συστατικών του, αφού η αλληλεπίδραση των συστατικών αυτών δημιουργεί νέες ιδιότητες Αφαιρετική προσέγγιση: μελέτη ενός συστήματος μέσα από τη μελέτη των μερών του 4
5
ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΠΑΡΑΓΩΓΙΚΟΤΗΤΑ ΟΙΚΟΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΠΑΡΑΓΩΓΙΚΟΤΗΤΑ ΣΤΑ ΟΙΚΟΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Τί είναι το οικοσύστημα? Σύστημα = Ένα ενοποιημένο σύνολο αλληλεξαρτημένων αντικειμένων που αλληλεπιδρούν σε τακτική βάση Οικοσύστημα = ένα οικολογικό σύστημα Οικοσύστημα Ένα σύστημα όπου οι πληθυσμοί των ειδών ομαδοποιούνται σε κοινότητες και αλληλεπιδρούν μεταξύ τους αλλά και με το αβιοτικό περιβάλλον Ή, ΠΙΟ ΑΠΛΑ ένα οικοσύστημα αποτελείται από τους οργανισμούς και το φυσικό περιβάλλον σε μια προσδιορισμένη έκταση. ΜΕΓΕΘΟΣ: μικρό σε μέγιστο Το συνολικό βιοτικό και αβιοτικό περιεχόμενο ενός βιότοπου Η μικρότερη γεωγραφική μονάδα που μπορεί να οριστεί με συγκεκριμένα όρια = + 6
Επίπεδο οργάνωσης Οργανισμός Πληθυσμός Βιοκοινότητα Οικοσύστημα ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΤΗΣ ΖΩΗΣ Περιγραφή Ένα άτομο ενός είδους Ομάδα ατόμων ενός μόνο είδους σε συγκεκριμένη περιοχή Όλοι οι πληθυσμοί συγκεκριμένης περιοχής Βιοκοινότητα και φυσικό περιβάλλον - αλληλεπιδράσεις Προβλήματα με την έννοια «οικοσύστημα» Δεν υπάρχει εσωτερική ομοιομορφία Δεν ορίζονται ρζ εύκολα τα όρια στο χώρο Μεγαδιάπλαση Βιόσφαιρα Οικοσυστήματα παρόμοιων συνθηκών σε μεγάλες γεωγραφικές περιφέρειες Σύνολο βιοκοινοτήταν και μεγαδιαπλάσεων Πολύ σύνθετη έννοια για να αναλυθεί Οικόσφαιρα Γη Βιόσφαιρα και φυσικό περιβάλλον αλληλεπιδράσεις Περιλαμβάνει πολλούς απρόβλεπτους παράγοντες Προβλήματα με την έννοια «οικοσύστημα» Οικοσύστημα Οργάνωση ζωής σε επίπεδο οικοσυστήματος Οριοθέτηση οικοσυστήματος αυθαίρετη, αναλόγως ερευνητικού ενδιαφέροντος - φυσικά όρια, π.χ. ένα νησί. ολόκληρη λ βιόσφαιρα Ολόκληρη η γη Μία λίμνη ένα νησάκι μέσα στη λίμνη Ένας απλός νερόλακκος ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΡΟΗ ΣΤΑ ΟΙΚΟΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Όλοι οι οργανισμοί απαιτούν ενέργεια, για αύξηση, διατήρηση, αναπαραγωγή, μετακινήσεις κλπ. Επομένως, για όλους τους οργανισμούς πρέπει να υπάρχει: Μια πηγή ενέργειας ΤΥΠΟΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Ηλεκτομαγνητική ενέργεια Φωτεινή ενέργεια του ήλιου Χημική ενέργεια Η ενέργεια που βρίσκεται αποθηκευμένη η στους δεσμούς των ιστών Κινητική ενέργεια (+ ενέργεια της βαρύτητας κλπ) Ένα χάσιμο της μη χρησιμοποιούμενης ενέργειας Θερμική ενέργεια Απελευθερώνεται σε κάθε περίπτωση παραγωγής έργου 7
Μετασχηματισμοί της ενέργειας Πως η ηλιακή ενέργεια μετατρέπεται σε χημική ενέργεια; Πως αυτή η διαδικασία επηρεάζει τη ζωή όπως την ξέρουμε στη γη; Οι μετασχηματισμοί της ενέργειας από την ηλιακή ακτινοβολία σε χημική και κινητική ενέργεια και τελικά πίσω σε θερμότητα είναι ένα από τα παραδοσιακά χαρακτηριστικά της Οικοσυστημικής Οικολογίας. Ένα οικοσύστημα έχει αβιοτικά και βιοτικά συστατικά: ΑΒΙΟΤΙΚΑ συστατικά: Η ηλιακή ενέργεια παρέχει πρακτικά όλη την ενέργεια για τα οικοσυστήματα. Ανόργανες πηγές, π.χ. θείο, φώσφορος έχουν την τάση να ανακυκλώνονται μέσα στα οικοσυστήματα. ΒΙΟΤΙΚΑ συστατικά: Τα βιοτικά συστατικά ενός οικοσυστήματος μπορούν να ταξινομηθούν ανάλογα με το τύπο της ενεργειακής απόκτησης τους. Σε αυτό το τύπο της ταξινόμησης υπάρχουν: Αυτότροφοι (Autotrophs) και Ετερότροφοι (Ηeterotrophs) Αυτότροφοι Αυτότροφοι καλούνται πρωταρχικοί παραγωγοί. Φωτοαυτότροφοι μετατρέπουν την ενέργεια από τον ήλιο και την αποθηκεύουν σε σύνθετες οργανικές ενώσεις εώσες (= πράσινα φυτά, πλακτόν, μερικά βακτήρια) ΦΩΣ Απλές ανόργανες πηγές Φωτοαυτότροφοι Σύνθετες οργανικές ενώσεις Χημειο-αυτότροφοι (χημειο-συνθέτες) είναι βακτήρια Αζωτοποιούχα βακτήρια στο έδαφος κάτω από τα πόδια μας Που οξειδώνουν απλές ανόργανες πηγές (κυρίως ενώσεις θείου και αζώτου) και παράγουν σύνθετες οργανικές ενώσεις Οξυγόνο Ανόργανες πηγές Χημειο-αυτότροφοι Σύνθετες Οργανικές ενώσεις 8
Ετερότροφοι Οι ετερότροφοι δεν μπορούν να παράγουν τη δική τους τροφή από τον ήλιο + τις ανόργανες πηγές. Απαιτούν ενέργεια αποθηκευμένη από πριν σε σύνθετα μόρια. Σύνθετες οργανικές ενώσεις Ετερότροφοι θερμότητα Απλές οργανικές ενώσεις Οι Ετερότροφοι μπορούν να ταξινομηθούν σε: Καταναλωτές Αποδομητές (αυτό μπορεί να περιλαμβάνει πολλά στάδια, με αρκετά διαφορετικούς τύπους οργανισμών) ΚΑΤΑΝΑΛΩΤΕΣ ΦΥΤΟΦΑΓΟΙ Ειδικές μορφές: Σποροφάγοι Φρουτοφάγοι Aσπόνδυλα που τρέφονται με οργανικά υπολλείματα και νεκρούς οργανισμούς (τρίμματα) από όλα τα τροφικά επίπεδα ΣΑΡΚΟΦΑΓΟΙ ΠΑΜΦΑΓΟΙ ΣΑΠΡΟΦΑΓΟΙ ΑΠΟΔΟΜΗΤΕΣ (DECOMPOSERS) Οι αποσυνθετές εκμεταλλεύονται σύνθετες ενώσεις σε νεκρό πρωτόπλασμα (σαπροφυτικοί οργανισμοί) και τα αποσυνθέτουν (ανοργανοποιούν) σε και τα αποσυνθέτουν (ανοργανοποιούν) σε απλά ανόργανα στοιχεία ξανά διαθέσιμα για τα φυτά. 9
Συστατικά οικοσυστήματος Τα Βακτήρια και οι μύκητες είναι οι κύριες ομάδες των αποσυνθετών (Decomposers). Τα βακτήρια είναι οι κύριοι καταναλωτές στη ζωϊκή ύλη. Οι μύκητες τρέφονται κυρίως με φυτά, αν και τα βακτήρια είναι επίσης σημαντικά για την αποδόμηση μερικών φυτικών διαδικασιών. ΑΠΟΔΟΜΗΤΕΣ (DECOMPOSERS) Ανακύκλωση της ύλης (ανοργανοποίηση) Η γη κλειστό σύστημα από άποψη υλικών (ανοικτό από ενεργειακή άποψη ύψιστης σπουδαιότητας) προβλήματα που απορρέουν από την ανικανότητα αποδομητών ποσότητες αστικών λυμάτων πλαστικά Ενεργειακή ροή Απλουστευμένα: θερμότητα Παραγωγοί γ Καταναλωτές Αποδομητές θερμότητα Σχέσεις μεταξύ παραμέτρων Σχέσεις μεταξύ παραμέτρων 10
Συστατικά οικοσυστήματος Οργάνωση ζωής σε επίπεδο οικοσυστήματος Διαμορφώστε μερικά παραδείγματα απλών οικοσυστημάτων: Για λίμνη Για δάσος Η εξέταση σε επίπεδο οικοσυστήματος και όχι απλά σε επίπεδο φυτών ή ζώων βασική για τη διαχείριση και τη διατήρηση του περιβάλλοντος Τροφικά στάδια Ακατέργαστη μάζα ΕΙΔΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙ ΟΙΚΟΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Ατελή οικοσυστήματα: απουσία κάποιου συστατικού βιοτικού παράγοντα Βιομάζα Βιομάζα Βιομάζα Βιομάζα Νεκρομάζα αβυσσαία συστήματα, βάθη ωκεανών: απουσία παραγωγών, καταναλωτές-αποδομητές, α α α ές, κατακρημνίσματα ααρημ σμαα πόλη: παρουσία μόνον καταναλωτών ζωολογικός κήπος σπήλαια Οι νόμοι της Θερμοδυναμικής Μορφές ενέργειας Η ροή ενέργειας είναι μια διαδικασία μιας κατεύθυνσης Σημαντικές μορφές ενέργειας για τη λειτουργία των οικοσυστημάτων: ήλιος---> θερμότητα (ευρύ φάσμα ηλεκτομαγνητικών κυμάτων) Ο πρώτος νόμος της Θερμοδυναμικής: Η ενέργεια μπορεί να μετατραπεί από μια μορφή σε άλλη, αλλά δεν μπορεί να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί. Φωτεινή ενέργεια (ηλιακή) σε μορφή φωτονίων που έρχονται μέσω της ηλιακής ακτινοβολίας Χημική ενέργεια που υπάρχει στους δεσμούς μεταξύ των ατόμων των μορίων. Θερμότητα συνήθως δηλώνει την απώλεια ενέργειας 11
Ο δεύτερος νόμος της Θερμοδυναμικής: Κατά την μετατροπή της ενέργειας από τη μία μορφή στην άλλη έχουμε πάντα απώλεια σε μορφή θερμότητας. Στις ενεργειακές ανταλλαγές σε ένα κλειστό σύστημα, η δυνητική ενέργεια στο τελικό στάδιο θα είναι μικρότερη από αυτό του αρχικού σταδίου. ή Η εντροπία (ακαταστασία ακανονιστία) τείνει να αυξηθεί (εντροπία = ποσότητα μη διαθέσιμης ενέργειας σε ένα σύστημα) Σε κάθε κλειστό σύστημα η εντροπία τείνει να αυξάνει τα οικοσυστήματα χρειάζονται συνεχή εισροή ενέργειας για να λειτουργήσουν. Παράδειγμα Οι μηχανές εσωτερικής καύσης στα αυτοκίνητα χρησιμοποιούν μόνο το 25% της χημικής ενέργειας σε κινητική ενέργεια. ΤΡΟΦΙΚΗ ΑΛΥΣΙΔΑ Τροφική αλυσσίδα (Food chain): απλό διάγραμμα ροής ενέργειας μεταξύ παραγωγών καταναλωτών Το υπόλοιπο είτε δεν χρησιμοποιείται είτε χάνεται ως θερμότητα. Σαρκοφάγο Φυτοφάγο Παραγωγός ΤΡΟΦΙΚΗ ΑΛΥΣΙΔΑ Απλή γραμμική μορφή: φυτά φυτοφάγα σαρκοφάγα αποδομητές Σε λιβάδι χορτάρι αρουραίοι νυφίτσες σκουλήκια & βακτήρια Στη θάλασσα: φυτοπλαγκτόν ζωοπλαγκτόν φάλαινες - βακτήρια Πιο πολύπλοκο: φυτά φυτοφάγα σαρκοφάγα (1) σαρκοφάγα (2) σαρκοφάγα (3) αποδομητές 12
ΤΡΟΦΙΚΗ ΑΛΥΣΙΔΑ Τροφική αλυσσίδα (Food chain): απλό διάγραμμα ροής ενέργειας μεταξύ παραγωγών καταναλωτών Τροφικό επίπεδο (trophic level): τμήμα τροφικής αλυσσίδας, όπου ανήκουν οργανισμοί με ίδιες ανάγκες, λειτουργικότητα & τρόπους διασφάλισης ενέργειας στο ίδιο τροφικό επίπεδο ανήκουν: 1. όλα τα φυτά (παραγωγοί) 2. όλα τα ζώα (μεγάλα ή μικρά, σπονδυλωτά ή μη) που τρώνε μόνο φυτά (φυτοφάγα) 3. όλα τα ζώα που τρώνε μόνο φυτοφάγα ζώα Τροφικές αλυσίδες Τροφικά επίπεδα αριθμός βημάτων μεταφοράς ενέργειας από την αρχική της πηγή: 1. παραγωγοί 2. πρωτογενείς καταναλωτές = φυτοφάγοι 3. δευτερογενείς καταναλωτές = σαρκοφάγοι 4. τριτογενείς καταναλωτές = σαρκοφάγοι Παραγωγοί Καταναλωτές φυτοφάγοι 1ο επίπεδο Σαρκοφάγοι 3ο επίπεδο Καταναλωτές σαρκοφάγοι 2ο επίπεδο Στη φύση, τα πράγματα σπάνια είναι τόσο απλά όπως το χορτάρι, ο λαγός και το γεράκι, ή κάθε απλή γραμμική αλληλουχία των οργανισμών. Σαρκοφάγο Φυτοφάγο Παραγωγός 13
ΤΡΟΦΙΚΗ ΑΛΥΣΙΔΑ ΤΡΟΦΙΚΗ ΑΛΥΣΙΔΑ Κάποια ζώα δεν ανήκουν σε ένα μόνο τροφικό επίπεδο Τροφικό πλέγμα ή δίκτυο (food web, trophic structure): σύνολο τροφικών επιπέδων ενός οικοσυστήματος Μία αλεπού ανήκει στο επίπεδο του φυτοφάγου καταναλωτή (1ο επίπεδο) όταν τρέφεται με καρπούς-φρούτα και στο επίπεδο του σαρκοφάγου καταναλωτή (2ο επίπεδο) όταν τρέφεται με κοτόπουλα.. Τότε και η αλυσίδα γίνεται πλέγμα (πολλαπλές αλληλεπιδράσεις) Μεταφορά ενέργειας μέσω τροφής Από τους παραγωγούς, η ενέργεια περνά πλέον στους καταναλωτές ΤΡΟΦΙΚΕΣ ΠΥΡΑΜΙΔΕΣ Η αποτελεσματικότητα της μεταφοράς της ενέργειας ανάμεσα σε τροφικά επίπεδα μας δίνει μια τροφική πυραμίδα. Η μεταφορά γίνεται μέσω της τροφής Τροφικά δίκτυα και τροφικές πυραμίδες Τροφικές Πυραμίδες Εξαιτίας των νόμων της Θερμοδυναμικής, κάθε υψηλότερο επίπεδο πρέπει να είναι μικρότερο από τα χαμηλότερα επίπεδα, εξαιτίας της απώλειας ενέργειας ως θερμότητα (μέσω αναπνοής) μέσα σε κάθε επίπεδο. Ο αριθμός των τροφικών επιπέδων σε μια τροφική αλυσίδα περιορίζεται από την ενέργεια Σαρκοφάγα Φυτοφάγα Παραγωγοί Πυραμίδες αριθμών Η πυραμίδα των αριθμών δείχνουν τον αριθμό των ατόμων σε κάθε τροφικό επίπεδο. Επειδή το μέγεθος των ατόμων μπορεί να διαφέρει έντονα και δε λαμβάνουν υπόψη το μέγεθος των οργανισμών, δεν μας λένε πολλά πράγματα για την ποσότητα της ενέργειας που μεταφέρεται μέσα στο οικοσύστημα. (σεγκόια φυτοπλανκτον) # σαρκοφάγων # φυτοφάγων # παραγωγών 14
Πυραμίδες βιομάζας (standing crop) Οι πυραμίδες βιομάζας υποδεικνύουν το πόσο βιομάζα είναι παρών σε κάθε τροφικό επίπεδο κάθε συγκεκριμένη χρονική στιγμή. Όπως και οι πυραμίδες αριθμών, μια πυραμίδα βιομάζας μπορεί να μην αντανακλά καλά τη ροή ενέργειας στο σύστημα, εξαιτίας των διαφορετικών μεγεθών και ρυθμών αύξησης των οργανισμών. Βιομάζα σαρκοφάγων Βιομάζα φυτοφάγων Βιομάζα παραγωγών (σε μια χρονική στιγμή) Αναστροφή πυραμίδας Μια πυραμίδα Βιομάζας (ή αριθμών) μπορεί να αντιστραφεί, π.χ. Ένα υψηλότερο τροφικό επίδεδο να έχει περισσότερη βιομάζα από ένα χαμηλότερο. Αυτό μπορεί να συμβεί όταν στα χαμηλότερα επίπεδα έχουμε υψηλούς ρυθμούς ανανέωσης των πληθυσμών τους. Βιομάζα σαρκοφάγων Βιομάζα φυτοφάγων Βιομάζα παραγωγών (σε μια χρονική στιγμή) Αναστροφή πυραμίδας Νόμος της αντίστροφης σχέσης μεγέθους μεταβολικού ρυθμού Κατάσταση διατηρείται αν τα φυτά παράγουν βιομάζα με ένα πολύ γρήγορο ρυθμό > από τη μέση ποσότητα υδατανθρακών που χρειάζονται οι καταναλωτές. Βιομάζα σαρκοφάγων Βιομάζα φυτοφάγων Βιομάζα παραγωγών Πυραμίδες βιομάζας (standing crop) Οι πυραμίδες βιομάζας χρήσιμες στη μέτρηση ενέργειας αποθηκευμένη σε κάθε τροφικό επίπεδο διαφορές μικρές Ενεργειακό περιεχόμενο ανά γραμμάριο ξηρού βάρους Φυτά = 4 χιλιοθερμίδες Ζώα = 5 χιλιοθερμίδες (σε μια χρονική στιγμή) Πυραμίδα ενέργειας Στις πυραμίδες ενέργειας υπολογίζονται τα ποσά της ενέργειας που χρησιμοποιούνται από τους οργανισμούς σε δεδομένο χώρο (π.χ. 1m 2 ) και για δεδομένη χρονική περίοδο (π.χ. ένας χρόνος). Ανταλλαγές ενέργειας ανάμεσα στα τροφικά επίπεδα Πόση ενέργεια περνάει από το ένα τροφικό επίπεδο στο επόμενο; Πόσο αποτελεσματική είναι αυτή ανταλλαγή; 15
ΠΥΡΑΜΙ ΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1 Kcal 3 0 επίπεδο καταναλωτών Κυρίως σαρκοφάγα και λίγα παμφάγα 1 Kcal 0.01% Λιγότερη διαθέσιμη ενέργεια λιγότερη βιομάζα 10 Kcal 10 Kcal 0.1% 100 Kcal 2 ο επίπεδο καταναλωτών σαρκοφάγα & παμφάγα 100 Kcal 1% 1000 Kcal 1 ο επίπεδο καταναλωτών φυτοφάγα 1000 Kcal 10% 10,000 Kcal Παραγωγοί: Πράσινα φυτά φτιάχνουν τη δική τους ενέργεια από το ηλιακό φως. 10,000 Kcal 100% Kcal: Χιλιοθερμίδα = ποσό θερμότητας για αύξηση 1 λίτρου νερού κατά 1 0 C. Ψαροφάγα Πλανκτοφάγα Ζωοπλανκτόν Φυτοπλανκτόν Άνθρωπος Ανώτεροι θηρευτές 0.01 unit 0.1 unit 1 unit 10 units 100 units 1000 units Αποτελεσματικότητα ανταλλαγής 10% 16
Παραγωγοί πηγή ενέργειας κατανάλωση Περίσσια Τροφή Ομογενοποίηση Έκκριση Χώνευση & ομογενοποίηση Παραγωγή Αναπνοή Νεκρομάζα Αύξηση και αναπαραγωγή Δάση Λιβάδια καταναλωτές σαπρόφυτα καταναλωτές σαπρόφυτα παραγωγοί νεκρομάζα παραγωγοί νεκρομάζα 17
Πλανκτονικές κοινότητες Ποτάμια οικοσυστήματα καταναλωτές σαπρόφυτα καταναλωτές σαπρόφυτα παραγωγοί νεκρομάζα παραγωγοί νεκρομάζα Συνολική αποτελεσματικότητα καταναλωτών (οικολογική αποτελεσματικότητα) Αποτελεσματικότητα = παραγωγή / διαθέσιμη ενέργεια Ηενέργεια μεταφέρεται από το επίπεδο των παραγωγών γ στο επίπεδο των καταναλωτών Γενικά μικρές τιμές στα χερσαία οικοσυστήματα (10 20%) ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΗ ΘΡΕΠΤΙΚΩΝ ΒΙΟΓΕΩΧΗΜΙΚΟΙ ΚΥΚΛΟΙ Περιορίζουν τα επίπεδα των καταναλωτών «αρχή του 10%» ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΗ ΘΡΕΠΤΙΚΩΝ - ΒΙΟΓΕΩΧΗΜΙΚΟΙ ΚΥΚΛΟΙ ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΗ ΘΡΕΠΤΙΚΩΝ - ΒΙΟΓΕΩΧΗΜΙΚΟΙ ΚΥΚΛΟΙ Η ηλιακή ενέργεια που δεσμεύεται από τα φυτά, καταναλώνεται γρήγορα μέσα από τις τροφικές αλυσίδες και τελικά διαφεύγει από το σύστημα. Αντίθετα, τα θρεπτικά τα οποία είναι αναγκαία για την παραγωγή της οργανικής ύλης, κυκλοφορούν μέσα στο σύστημα και ξαναχρησιμοποιούνται αρκετές φορές. 18
ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΗ ΘΡΕΠΤΙΚΩΝ - ΒΙΟΓΕΩΧΗΜΙΚΟΙ ΚΥΚΛΟΙ ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΗ ΘΡΕΠΤΙΚΩΝ - ΒΙΟΓΕΩΧΗΜΙΚΟΙ ΚΥΚΛΟΙ Αποσύνθεση απελευθέρωση θρεπτικών στο αβιοτικό περιβάλλον. Για τα στοιχεία διατηρείται μία δεξαμενή η ενέργεια αποβάλλεται Στο έδαφος η απελευθέρωση στοιχείων Μέσω των φυτών η είσοδος ενέργειας και θρεπτικών στο σύστημα ΟΙ ΔΥΟ ΘΕΜΕΛΙΩΔΕΙΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΤΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑΣ ΤΩΝ ΘΡΕΠΤΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΓΙΑ ΟΛΗ ΤΗ ΒΙΟΣΦΑΙΡΑ ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΗ ΘΡΕΠΤΙΚΩΝ - ΒΙΟΓΕΩΧΗΜΙΚΟΙ ΚΥΚΛΟΙ ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΗ ΘΡΕΠΤΙΚΩΝ - ΒΙΟΓΕΩΧΗΜΙΚΟΙ ΚΥΚΛΟΙ Από τα 92 στοιχεία της φύσης τα 30-40 είναι απαραίτητα για τη ζωή Μακροθρεπτικά = μεγάλες ανάγκες Μικροθρεπτικά (σίδηρος, χαλκός, ψευδάργυρος, βόριο) Αποσάθρωση πετρωμάτων Υδρογόνο, άνθρακας, οξυγόνο, άζωτο = 95% του ξηρού βάρους της ζώσας ζωής Ατμόσφαιρα Κάλιο, θείο, φώσφορος έδαφος ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΗ ΘΡΕΠΤΙΚΩΝ - ΒΙΟΓΕΩΧΗΜΙΚΟΙ ΚΥΚΛΟΙ ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΗ ΘΡΕΠΤΙΚΩΝ - ΒΙΟΓΕΩΧΗΜΙΚΟΙ ΚΥΚΛΟΙ C, O, H (ατμοσφαιρικά) N (75% της ατμόσφαιρας + αζωτοδέσμευση από μικροοργανισμούς) P, Ca, S, Mg, K, Na, Cl (κυρίως ιζηματογενείς κύκλοι) B, Si, V, Mn, Fe, Co, Zn, Mo, I (από αποσάθρωση πετρωμάτων - κυρίως ιζηματογενείς κύκλοι ) ΒΙΟΓΕΩΧΗΜΙΚΟΙ ΚΥΚΛΟΙ καθορίζουν τη διαθεσιμότητα θρεπτικών υλικών ποικίλες φάσεις: αέρια, ιζηματογενής, υδάτινη, βιολογική 19
ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΗ ΘΡΕΠΤΙΚΩΝ - ΒΙΟΓΕΩΧΗΜΙΚΟΙ ΚΥΚΛΟΙ ΒΙΟΓΕΩΧΗΜΙΚΟΙ ΚΥΚΛΟΙ Ο ΚΥΚΛΟΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ Αέριοι κύκλοι μεγαλύτερη ικανότητα αυτορύθμισης ταχύτερη η ανακύκλωση Ιζηματογενείς κύκλοι διαταράσσονται εύκολα τοπικές διακυμάνσεις δεν αντιμετωπίζονται εύκολα πολύ αργή η αντικατάσταση στοιχείου που χάνεται στη δεξαμενή αποθήκευσης δεξαμενή αποθήκευσης ο φλοιός της γης εισέρχονται από τα πετρώματα, εξέρχονται ως ιζήματα Ο ΚΥΚΛΟΣ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ Ο ΚΥΚΛΟΣ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ Ο ΚΥΚΛΟΣ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ Ο ΚΥΚΛΟΣ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ 20
Ο ΚΥΚΛΟΣ ΤΟΥ ΦΩΣΦΟΡΟΥ Ο ΚΥΚΛΟΣ ΤΟΥ ΦΩΣΦΟΡΟΥ Ο ΚΥΚΛΟΣ ΤΟΥ ΘΕΙΟΥ ΠΑΡΑΓΩΓΙΚΟΤΗΤΑ ΠΑΡΑΓΩΓΙΚΟΤΗΤΑ ΠΑΡΑΓΩΓΙΚΟΤΗΤΑ Η ροή της ενέργειας και η κυκλοφορία των θρεπτικών είναι δύο ζωτικής σημασίας διαδικασίες Για την ανάπτυξη των οργανισμών και τη λειτουργία των οικοσυστημάτων. Σημαντικό ρόλο στο ρυθμό παραγωγής νέας οργανικής ύλης = ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΠΑΡΑΓΩΓΙΚΟΤΗΤΑ Παραγωγικότητα γ = ο ρυθμός παραγωγής γής βιομάζας και ιστάμενη μάζα = ποσότητα βιομάζας μια δεδομένη στιγμή 21
ΠΑΡΑΓΩΓΙΚΟΤΗΤΑ Πρωτογενής παραγωγικότητα Πρωτογενής παραγωγικότητα ΠΠ = φυτά Δευτερογενής παραγωγικότητα ΔΠ = ζώα Ενέργεια που αποθηκεύεται από τους παραγωγούς (φυτά) στη μονάδα του χώρου / στη μονάδα του χρόνου Μικτή πρωτογενής παραγωγικότητα ΜΠΠ = σύνολο Καθαρή πρωτογενής παραγωγικότητα ΚΠΠ ΚΠΠ = ΜΠΠ αναπνοή ΚΠΠ συνήθως εκφράζεται ως βιομάζα (g/m 2 /yr) Κλίμα και παραγωγικότητα Βροχόπτωση και παραγωγικότητα Σε παγκόσμια κλίμακα, το κλίμα είναι καλός τρόπος εκτίμησης της παραγωγικότητας Σε τοπικό επίπεδο είναι σημαντική και η κατάσταση του εδάφους. Θερμοκρασία και παραγωγικότητα Εξατμισοδιαπνοή και παραγωγικότητα Εξατμισοδιαπνοή = το ποσό του νερού που επιστρέφει στην ατμόσφαιρα 22
Παραγωγικότητα χερσαίων οικοσυστημάτων Διαδικτυακές πηγές Ecology web page Phil Ganter http://www.tnstate.edu/ganter/ecologypage.html Peter Stiling: Ecology, Theories and Application http://www.prenhall.com/stiling/ Principles of Ecology Dr. Markham http://www.umanitoba.ca/faculties/science/botany/faculty_staff/m arkham/principles/principles.html EKKE / Περιβαλλοντική γωνιά http://www2.ekke.gr/estia/gr_pages/gr_index.htm Είδη, Πληθυσμός, Αλληλεπιδράσεις και Κοινότητες Γιατί τα είδη ζουν σε διαφορετικές τοποθεσίες; Πως η αλληλεπίδραση ανάμεσα στα είδη επηρεάζει την τύχη τους και αυτό τις κοινότητες τους; Εάν τα είδη έχουν δυνητικά απεριόριστες δυνατότητες αύξησης γιατί δεν έχουν καταλάβει όλη τη Γη; Ποια η σχέση ανάμεσα στην ποικιλότητα ειδών και τη σταθερότητα των κοινοτήτων; Τι είναι η όχληση και πως επιδρά στις κοινότητες; Γιατί ορισμένα είδη ζουν σε ένα μέρος και όχι αλλού; Γιατί ορισμένα είδη ζουν σε ένα μέρος και όχι αλλού; Φυσική επιλογή και προσαρμογή http://www.youtube.com/watch?v=rxb9koo8lzs Φυσική επιλογή και προσαρμογή 23
ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗ Είναι μια από τις πιο σημαντικές όψεις της βιολογίας ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗ Άλλος τύπος προσαρμογής είναι η μεταφορά γενετικών γνωρισμάτων από γενιά σε γενιά. Η ΘΕΩΡΙΑ ΤΗΣ ΕΞΕΛΙΞΗΣ - Charles Darwin (1809 1882) Ένας ανεξάρτητος οργανισμός μπορεί να ανταποκριθεί αμέσως σε ένα μεταβαλλόμενο περιβάλλον, σε μια διαδικασία που ονομάζεται ΕΓΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΣ. ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗ Η βασική ιδέα της εξέλιξης είναι ότι τα είδη αλλάζουν διαμέσου των γενεών επειδή τα άτομα ανταγωνίζονται για σπάνιους πόρους. Δηλαδή; Η διαδικασία των καλύτερα επιλεγόμενων ατόμων που περνούν τα γνωρίσματα τους στην επόμενη γενεά καλείται: ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ Κωδικοποιούνται στο DNA ΌΛΑ ΤΑ ΕΙΔΗ ΖΟΥΝ ΜΕΣΑ ΣΤΑ ΟΡΙΑ ΤΟΥΣ ΌΛΑ ΤΑ ΕΙΔΗ ΖΟΥΝ ΜΕΣΑ ΣΤΑ ΟΡΙΑ ΤΟΥΣ Οι περιβαλλοντικοί παράγοντες ασκούν πίεση επιλογής και επηρεάζουν την ικανότητα των ατόμων και των απογόνους τους. Η φυσιολογία και η συμπεριφορά ενός οργανισμού του επιτρέπει να επιβιώνει μόνο σε ορισμένα περιβάλλοντα. Κάθε περιβαλλοντικός παράγοντας έχει τόσο ελάχιστο και ανώτατα όρια, που ονομάζονται όρια ανοχής, πέρα από τα οποία ένα συγκεκριμένο είδος δεν μπορεί να επιβιώσει ή να είναι σε θέση να αναπαραχθεί. Οι βασικοί περιοριστικοί παράγοντες είναι: 1. Φυσιολογικό στρες εξαιτίας ακατάλληλων επιπέδων κρίσιμων περιβαλλοντικών παραγόντων, όπως η υγρασία, το φως, η θερμοκρασία, το ph, ή θρεπτικά. 2. Ανταγωνισμός με άλλα είδη 3. Θήρευση, συμπεριλαμβανομένων του παρασιτισμού και ασθενειών 4. Τύχη (μετά από περιβαλλοντικές καταστροφές) 24
ΌΛΑ ΤΑ ΕΙΔΗ ΖΟΥΝ ΜΕΣΑ ΣΤΑ ΟΡΙΑ ΤΟΥΣ Όρια ανοχής Environmental Gradient Τα όρια ανοχής υπάρχουν για όλους τους σημαντικούς περιβαλλοντικούς παράγοντες ΌΛΑ ΤΑ ΕΙΔΗ ΖΟΥΝ ΜΕΣΑ ΣΤΑ ΟΡΙΑ ΤΟΥΣ ΌΛΑ ΤΑ ΕΙΔΗ ΖΟΥΝ ΜΕΣΑ ΣΤΑ ΟΡΙΑ ΤΟΥΣ Μερικές φορές οι απαιτήσεις και οι ανοχές των ειδών είναι χρήσιμοι ΔΕΙΚΤΕΣ ειδικών περιβαλλοντικών χαρακτηριστικών. Μερικές φορές οι απαιτήσεις και οι ανοχές των ειδών είναι χρήσιμοι ΔΕΙΚΤΕΣ ειδικών περιβαλλοντικών χαρακτηριστικών. Λειχήνες και ρύπανση αέρα = διοξείδιο θείου - όζον Υπερβόσκηση ------------------ Ερημοποίηση Η Οικολογική θέση Η Οικολογική θέση είναι ο ρόλος του είδους και του Περιβάλλοντος ΟΙΚΟΘΕΣΕΙΣ: Γενικευτές και εξειδικευμένα είδη Habitat περιγράφει τον τόπο ή ένα σύνολο από περιβαλλοντικές ρβ συνθήκες στην οποία ένα συγκεκριμένος οργανισμός ζει. Οικοθέση, περιγράφει τόσο το ρόλο που «παίζεται» από ένα είδος σε μια βιολογική κοινότητα, και τη συνολική δέσμη από περιβαλλοντικούς παράγοντεςπου καθορίζουν την κατανομή ένα είδος 25
Διαχωρισμός των πόρων ΟΙΚΟΘΕΣΕΙΣ: Γενικευτές και εξειδικευμένα είδη Νόμος του Ανταγωνιστικού αποκλεισμού - Δεν μπορεί να υπάρχουν δύο είδη που θα καταλάβουν την ίδια θέση και θα ανταγωνίζονται για ακριβώς ρβ τους ίδιους πόρους - Εξαφάνιση ενός από αυτούς - Διαχωρισμός θέσεων (χωρικές, χρονικές) Διαχωρισμός οικοθέσεων και Νόμος του Ανταγωνιστικού αποκλεισμού Chthamalus Balanus Διαχωρισμός οικοθέσεων και Νόμος του Ανταγωνιστικού αποκλεισμού Chthamalus Balanus ΟΙΚΟΘΕΣΕΙΣ: Γενικευτές και εξειδικευμένα είδη ΤΕΛΙΚΑ η ειδογένεση διατηρεί την ποικιλότητα των ειδών ΕΡΩΤΗΣΗ ΓΙΑ ΤΟ ΣΠΙΤΙ: ΓΙΑΤΙ ΟΙ ΓΕΝΙΚΕΥΤΕΣ ΚΑΙ ΤΑ ΕΙΣΒΟΛΙΚΑ ΕΙΔΗ ΕΙΝΑΙ ΤΟΣΟ ΠΕΤΥΧΗΜΕΝΑ ΕΙΔΗ; 26
ΤΕΛΙΚΑ η ειδογένεση διατηρεί την ποικιλότητα των ειδών ΤΕΛΙΚΑ η ειδογένεση διατηρεί την ποικιλότητα των ειδών Ειδογένεση Τρεις Πρότυπα Απόκλισης ειδών Γεωγραφική απομόνωση που έχει ως αποτελέσματα Αλλοπατρική ειδογένεση- είδη που προκύπτουν από μη εκαλυπτόμενες γεωγραφικές περιοχές. Απομόνωση ως αποτελέσματα συμπεριφοράς Συμπατρική ειδογένεση- είδη προκύπτουν στον ίδιο χώρο από πρόγονα είδη. Από μια αρχική σειρά χαρακτηριστικών, η μετατόπιση μπορεί να είναι προς μια από τις ακραίες τιμές του χαρακτηριστικού (επιλογή κατεύθυνσης), Η αλλαγή μπορεί να μειώσει το εύρος ενός χαρακτηριστικού (επιλογή σταθεροποίησης), Ή μπορεί να προκαλέσει χαρακτηριστικά για να αποκλίνουν στα άκρα (διασπαστική επιλογή). 27