zoradene prednasky

Návrat na detail prednášky / Stiahnuť prednášku / Univerzita Komenského / Prírodovedecká fakulta / Ekologia

 

Eko 11 (ekologia_11.doc)

Ekológia 11

 

Všetky premeny látok, ako aj tok energie v ekosystémoch sa uskutočňujú v procesoch syntézy a rozkladu.

Syntéza organických látok (vytváranie biomasy) je proces, ktorý je energeticky náročný a je k nemu potrebný aj katalyzátor, pričom veľké množstvo energie sa viaže vo forme chemických väzieb.

Rozklad je proces, pri ktorom sa energia viazaná v biomase uvoľňuje, pričom dochádza k rozkladu organických látok.

Všeobecný zápis asimilácie - pozri obrázok

Pri fotosyntetickej asimilácii sa jej zúčastňuje O2

Pri chemosyntetickej - baktérie (Chlorobacteriaceae, Thiodoraceae) - H2S (anaeróbne podmienky) a lebo (Athiodoraceae) rôzne organické radikály

Fotosyntetizujúce sírne baktérie vytvárajú vo väčšine jazier len 3-5 % celkovej ročnej produkcie, v stojatých vodách bohatých na H2S až 25 %.

C3, C4 a CAM: regulácia aktivity fotosyntézy

Viaceré rastliny dokážu za silného slnečného žiarenia (zvýšený prísun svetla) zvýšiť účinnosť fotosyntézy. Dobrým príkladoom sú Gramineae (“trávy”) s teplých oblastí - kukurica alebo cukrová trsť.

Začiatkom 60. rokov H. Kortschack zistil, že prvým produktom fotosyntézy trste cukrovej nie je C3 látka 3-fosfoglycerát - látky so 4 atómami C. Neskôr bola táto identifikovaná ako oxaloacetát (OAA). Vzniká pridaním jednej molekuly oxidu uhličitého k fosfoenolpyruvátu (PEP). Tento cyklus sa nazýva Hatch-Slackov cyklus alebo jednoducho C4.

Rastliny s takýmto cyklom sa nazývajú C4 (s podskupinou CAM), na rozdiel od C3 rastín, pri ktorých sa CO2 realizuje cez Calvinov cyklus.

The oxaloacetate is usually converted into malate of which the carbon dioxide is split off again with the help of an enzyme.

 

The reversible binding of carbon dioxide has the function to accumulate and store CO2. The process consumes energy, so that it could also be spoken of a carbon dioxide pump. It should be mentioned that the HATCH-SLACK cycle requires two molecules of ATP are per fixed carbon dioxide.

Fotosyntéza C4 rastlín. CO2 sa viaže na fosfoenolpyruvát (PEP) v mezofylných bunkách. Vzniká tak oxaloacetát. V ďalšom kroku sa tvorí malát. V puzdrových bunkách cievnych zväzkov (Kranzove bunky), sa CO2 oddeľuje z malátu a vstupuje do CALVINovho cyklu. Pyruvát sa transportuje sp§ť do mezofylných buniek (aktívny transport) a s pomocou ďalšieho ATP fosforyluje na PEP.

The anatomy of C4 leaves with so-called 'Kranz' cells differs fundamentally from that of C3 plants. The chloroplasts of C3 plants are of homogeneous structure, while two types of chloroplasts occur in C4 plants. The mesophyll cells contain normal chloroplasts, that of the vascular bundle sheath have chloroplasts without grana , i.e. they are partially impaired in function. This peculiarity does not affect the CALVIN cycle, it concerns only the light reactions of photosynthesis. The first binding of carbon dioxide (the HATCH-SLACK reaction) occurs in the mesophyll cells, the incorporation into carbohydrates (the CALVIN cycle) in the cells of the vascular bundle sheath. Both processes of photosynthesis are spatially separated.

Which Metabolism Goes With Which Conditions?

Carbon dioxide yield of C4 and C3 plants of open grasslands in different parts of the world. In temperate regions is the rather low light intensity decisive for the disadvantage of C4 plants. C3 plants have an advantage due to their low rate of photorespiration and because they need no energy for the previous fixation of CO2. (J. R. EHRLICHER, 1978).

 

The Crassulacean Acid Metabolism (CAM)

CAM is the abbreviation of Crassulacean acid metabolism. The name points at the fact that this pathway occurs mainly in Crassulacean species (and other succulent plants). The chemical reaction of the carbon dioxide accumulation is similar to that of C4 plants but here are carbon dioxide fixation and its assimilation not separated spatially but in time. CAM plants occur mainly in arid regions. The opening of the stomata to take up carbon dioxide is always connected with large losses of water. To inhibit this loss during intense sun (the transpiration via the cuticle remains intact) has a mechanism developed that allows the uptake of carbon dioxide during the night. The prefixed carbon dioxide is stored in the vacuoles as malate (and isocitrate) and is used during the daytime for photosynthesis.

 

Rozklad

Dýchanie - respirácia, môže byť aeróbne alebo anaeróbne

Aeróbne dýchanie prebieha za prítomnosti kyslíka, ktorý je akceptorom elektrónov, ide o opačný proces asimilácie. Nie vždy prebehne až do konca, takže u niektorých organizmov sa štiepenie cukrov končí organickými látkami.

Anaeróbne dýchanie prebieha bez prítomnosti kyslíka, akceptorom elektrónov sú zväčša organické, niekedy aj anorganické látky. Vyskytuje sa najmä u saprofágov, je typické napríklad pre metánové baktérie, ktoré rozkladajú organické látky za vzniku metánu.

Kvasenie - rozklad organikých látok na jednoduchšie organické látky, pričom sa uvoľňuje CO2. V prírode prebieha samovoľne.

Požiar - pyrolýza - prudká oxidácia, rozklad, uvoľňovanie veľkého množstva energie vo forme tepla.

Medzi syntézou a rozkladom je z ekologického hľadiska principiálny rozdiel. Zatiaľ čo syntéza prebieha vždy v jednom organizme, rozklad nikdy neprebehne v jednom organizme - vždy sa v ňom uskutoční len časť rozkladu. Inými slovami organická hmota sa nasyntetizuje z jednoduchých látok v jednom jedincovi v jednom procese, kým rozklad sa uskutočňuje “na etapy” - podieľajú sa na ňom rôzne skupiny organizmov, ktoré sú substrátovo špecifické.

Pri rozklade vzniká určitá sukcesia organizmov, pričom sa vytvára reťazec. Rýchlosť rozkladu jednotlivých látok je rôzna. Bielkoviny, tuky a cukry sa rozkladajú pomerne rýchlo, ale štruktúrne, stavebné látky, ako sú celulóza, lignín, chitín, keratín, kosti, sa rozkladajú pomaly.

Stavovce sa rozložia po smrti priemerne do 2 mesiacov (okrem chlpov, peria, kostí…), za rovnaké obdobie sa rozloží 1/4 sušiny tráv, do 10 mesiacov asi 60 % sušiny tráv, zvyšok sa rozkladá dlhšie.

Najtrvalejším produktom rozkladu je humus.

Ako prvé sa do prostredia dostanú rozpustné látky, následne sa vytvorí humus (je to rýchly proces) a napokon humus mineralizuje (pomalý proces)

 

Sluneční energie Slunce je ústrední teleso sluneční soustavy. Jeho hmotnost je cca 333 000krát vétší než hmotnost Zeme. Stred Slunce tvorí horké slunečné jádro (teplota 15milionú °C), na které navazuje 680 000km silná plynná vrstva. Celkový prúmér Slunce činí 696 000km. Teplota na povrchu Slunce se pohybuje okolo 5 000°C. Vzdálenost Slunce od Zeme je 150 000 000km. Radiační sluneční energie, která se dostává k Zemi, pochází z jaderné energie uložené v jádrech vodíkových atomú prítomných ve stredu Slunce. Pri obrovské teplote slunečního jádra jsou atomy v tomto prostoru rozbity na základní částice; protony se ve stredu Slunce pohybují rychlostí nékolika set km/sec, prítomné elektrony mají rychlost okolo 10 000km/sec. Pri vzájemných nárazech protonu nastává tzv. jaderná fúze. V tomto procesu se spojují čtyŕi vodíková jádra a vytváŕejí jedno heliové jádro. Hmotnost vzniklého heliového jádra je zhruba o 0,7% menší než hmotnost čtyr púvodních vodíkových jader. Tato hmotnostní ztráta je prevedena do energetického kvanta ve forme elektromagnetického záŕení; sluneční záŕení pak „prosakuje“ plynnou obalovou vrstvou Slunce na jeho povrch. Toto „prosakování k povrchu trvá asi 1 000 000 let. K Zemi je záŕení emitováno ve forme fotonu, které povrch Zeme dosáhnou za pouhých 8 minut. Prostrednictvím slunečního záŕení je pŕenášena hlavné svetelná a tepelná energie, což umožňuje život na Zemi. Nejvétší príkon solární radiace do pozemských ekosystému je pak realizován prostŕednictvím fotosyntézy. V souvislosti s dopadající sluneční energií je definována solární konstanta. Solární konstanta je množství energie, které dopadá béhem dne na povrch zemské atmosféry na plochu 1m2 kolmou ke smeru dopadajících paprskú za jednotku času Má hodnotu 1,38kJm-2s-1. Tato hodnota mírné kolísá v závislosti na periodicite sluneční aktivity, která má 11-letý cyklus, což je príčinou klimatických i ekologických zmén na Zemi. Sluneční záŕení je atmosférou odráženo, pohlcováno, kvalitativne ménéno rozptylem nebo atmosférou prosté prochází. Pohlcování je selektivní, jednotlivé plynné molekuly atmosféry pohlcují určitý pro ne charakteristický interval vlnových délek. V čisté atmosfére činí pohlcování 6-9%, zvyšuje se se stoupajícím množstvím vodních par a kontaminací ovzduší. Rozptyl záŕení nastává na molekulách a atomech plynú (tzv. molekulární rozptyl, který zpúsobuje modré zabarvení oblohy) i na vétší ch tuhých a kapalných částečkách v atmosfére (tzv. aerosolový rozptyl, který je príčinou bílého a šedého zabarvení oblohy).

Bilance slunečního záŕení Ze 100% radiace dopadající na povrch atmosféry pronikne na povrch Zeme 51%.Z toho se od povrchu Zeme odrazí 4%, to zn., že do zemských ekosystému vstupuje prúmérné 47% energie púvodního záŕení, což v našich zemepisných šírkách odpovídá hodnote 0,65kJm-2s-1 (zhruba polovina hodnoty sluneční konstanty). Množství dopadající záŕivé energie je závislé na zemepisné šíŕce, ročním období a denní dobé. Na horách je hustota záŕení vyšší. Pro celou ozáŕenou polovinu povrchu Zeme se udává prúmérné množství záŕivé energie 0,25kJm-2s-1 (asi 20% solární konstanty). Ve stŕedních zemepisných šírkách bylo naméŕeno maximální množství záŕivé energie na úrovni more v poledních hodinách a činilo 0,9kJm-2s-1(asi 66% solární konstanty).

Albedo Sluneční záŕení , které dopadne na zemský povrch se částečné odráží zpét do vesmírného prostoru. Pomer odrazeného záŕení ku dopadajícímu záŕení je označován termínem albedo. Albedo je proménlivé napr. v závislosti na vlastnostech povrchu, na lokalite, aktuálním postavení Zeme a Slunce atd. Jeho prúmérná hodnota je 0.39.

Ekológia 11

10

Sluneční záŕení z hlediska jeho spektrálního složení

Sluneční záŕení pronikající k povrchu Zeme má rozmezí elektromagnetických vln od 290 nm do 5000 nm. Je prevážne trojího typu:

- UV-záŕení -jedná se asi o 7-9% z celkového dopadajícího záŕení; ultrafialové záŕení je krátkovlnné v rozmezí vlnových délek 100-380nm. Prúchodem atmosférou je pohlcováno. Nejvíce zaniká v ozonosféŕe, pŕedevším co se týče nejkratších vlnových délek. Na Zemi proniká UV záŕení o      =290 - 380nm. Ve vétších dávkách je tato složka záŕení škodlivá pro organismy.

- „viditelné“ svetlo -jedná se asi o 48% dopadající radiace; viditelné záŕení je krátkovlnné

v rozmezí vlnových délek 380 - 750nm. Je základním energetickým zdrojem pro fotosyntézu (tzv. fotosynteticky aktivní záŕení - FAR). Rovnéž se ale účastní nežádoucích fotochemických reakcí v atmosfére (tvorba smogu a pŕízemního ozonu).

-.IR-záŕení tvorí asi 45% dopadajícího záŕení; infračervené záŕení je dlouhovlnné v rozmezí vlnových délek 750 - 5.103nm. Je nositelem tepelné energie - je pohlcováno tély organismú i neživými predmety a zahŕívá je. Mimo jiné je však významné pohlcováno molekulou CO2 a proto vzrústající množství oxidu uhličitého v atmosfére vede ke zvyšování prúmérné teploty atmosféry.

 

Jedným z ukazovateľov primárnej produkcie je hrubá primárna produkcia (brutto - BPP) čiže úplné množstvo látok vytvorených asimiláciou vrátane energie viazenej v týchto látkach. Rastliny sa nesprávajú čisto ako producenty, pretože aj ony potrebujú energiu na vlastné procesy, takže časť energie z fotosyntézy sa ihneď spotrebuje.

Ak od BPP odčítame respiráciu, zostane zvyšok, ktorý rastliny navydýchajú, t.j. čistá primárna produkcia (netto - NPP). Tá je základom všetkých ďalších procesov v ekosystéme.

V prípade maximálneho využitia žiarenia, ktoré dopadá na rastliny, dosahuje BPP max. 5 % z tohto žiarenia. Výnimkou je Arktída, kde môže účinnosť využitia žiarenia výnimočne a krátkodobo stúpnuť na 10 %. Keď sa 5 % slnečnej energie využije na BPP, 70 % z toho sa môže preniesť na NPP, t.j. 4 % celkovej energie slnečného žiarenia dopadajúceho na rastliny. V normálnych podmenkach sú tieto hodnoty ešete nižšie - BPP 1%, NPP 0,5 %. Celkovo pre biosféru vrátane oblastí s nevhodnými podmienkami platí BPP 0,2%, NPP 0,1 %.

 

Sekundárna produkcia sa týka konzumentov. Každý konzument má k dispozícii čistú produkciu z predchádzajúcej trofickej úrovne. Istú časť z toho vôbec nespotrebuje, pretože tá ide do mŕtvej organickej hmoty, ďalšiu časť príjme vo forme potravy.

Zo skonzumovanej potravy organizmus metabolizuje (asimiluje) opäť len časť, zvyšok odchádza v podobe výkalov do neživej organickej hmoty.

 

Miera využitia prijatej potravy sa vyjadruje ako účinnosť (eficiencia) asimilácie. Je to pomer medzi asimilovanou potravou a prijatopou potravou (A/I). Prijatá energia sa hneď spotrebúva - získava sa dýchaním - zvyšok, čo zostane, sa ukladá do organických látok, zásobných látok alebo prechádza do potomstva.

Podstatná časť prijatej energie je viazaná v organizme - to je čistá sekundárna produkcia na danej trofickej úrovni.

Pomer medzi čistou produkciou a asimiláciou sa nazýva účinnosť produkcie (P/A). Táto účinnosť sa mení a závisí od postavenia organizmu v potravnom reťazci.

U herbivorov dosahuje účinnosť asimilácie asi 40%. Inými slovami, 60 % prijatej energie spotrebujú na vlastnú existenciu. Účinnosť asimilácie je však premenlivá podľa toho, či ide o bezstavovce, ektotermné stavovce, alebo endotermné stavovce.

Bezstavovce: P/A = 40 %

Ektotermné stavovce P/A = 10 % (na dýchanie ide až 90% prijatej energie)

Endotermné stavovce P/A = 2 %, zvyšok sú straty

U karnivorov, pokiaľ ide o bezstavovce, dosahuje pomer medzi asimilovanou a prijatou potravou (A/I) zhruba 80 %, pomer P/A asi 30%.

V prípade ektotermných stavovcov sú pomery A/I = 80%, P/A = 10 % a v prípade endotermných stavovcov A/I = 80%, ale P/A = 2%.

 

Biosféra

Soubor všech ekosystémú na Zemi se nazývá biosféra. Biosféra je z ekologického hlediska pojímána jako nejširší uspofádání, které zahrnuje tu část obalu planety Zeme, jejíž struktura, složení a energetické pomery jsou podmínény činností živých organismú. Zahrnuje atmosféru do výšky cca 20 km, celou hydrosféru (nejvétší hloubka 11 km) a litho sféru do hloubky cca 5 km.

Biogeochemické cykly

Živou hmotu organismú tvorí v podstate 6 hlavních prvku: H, C, O, N, S, P. Jejich protonové číslo nepresahuje 16.

Na tvorbe života se podílí dále vétšina prvku s protonovým číslem < 30 (napr. Cu, Na, K, Ca, Mg, Cl). Tyto esenciální prvky jsou uloženy v základních zásobnících:atmosféra, hydrosféra, litosféra) => odtud cirkulace do biotiky a zpét. Patrí sem pŕedevším cykly uhlíku, kyslíku, vody, dusíku, fosforu, síry a biogenních kationtú + kontaminujících prvku Hg, As, Hg a Cd.

Transport biogenních i ostatních chemických látek probíhá dvéma cestami - cykly (Ovington, 1968): biotickým cyklem a geochemickým cyklem, které se propojují jako biogeochemický cyklus - vyjádrení skutečnosti, že cirkulace určitého prvku se odehrává pomocí abiotického i biotického prostredí - prvek pŕechází pŕes anorganické i organické složky, z abiotického prostredí do organismú a zpét.

Pro funkci ekosystému má vétší význam rychlost kolobehu než množství živin, z obsahu živin je významná pouze jejich

ekologicky dostupná část.

Kolobeh prekursorú v atmosfére

prekursory - základní zdroje stavebního materiálu

Vlastní aktivní část biogeochemického cyklu je výmenný zásobník, kde dochází k rychlé výmene mezi organismy a jejich bezprostŕedním okolím. Cykly neprobíhají vždy pravidelné - múze nastat i období stagnace, cyklus se múze dočasné docela zastavit (dojde napr. k nahromadení organické hmoty, prvky se v tomto stadiu zdrží nékdy na velmi dlouhá období. Stagnaci vyvolává zejména proces sedimentace pevných částic, tvorba ložisek fosilních paliv.

Podle základního zásobníku existují 3 typy biogeochemických cyklu:

1.                        hydrologický typ - základním zásobníkem je hydrosféra, patrí sem velký a malý

kolobeh vody

2.                          plynný typ - základním zásobníkem je atmosféra, napr. O, C, N, dlouho platilo, že tyto cykly jeví obecné malé zmeny v rozložení a množství prvku, jsou ovládány samoregulačními (homeostatickými) mechanismy, dnes silné ovlivnéno antropogenními vlivy.

3.                          sedimentární typ - základním zásobníkem je lithosféra, cykly napr. P, S. Tyto prvky se z lithosféry uvolňují zvetráváním, jsou jen nepatrné ovládány samoregulačními mechanismy, mají pŕirozenou tendenci stagnovat.

 

Kolobeh vody

Celkové množství na Zemi je 1400 miliónu km3, z toho 97% je v oceánech, všechna voda pŕichází z oceánu a dŕíve nebo pozdéji se tam vrací v kontinuálním cyklu vody. Cyklus je uvádén do chodu sluneční energií, která zpúsobí vyparování vody (tedy zmenu jejího skupenství).

Velký kolobeh vody probíhá v rámci celé atmosféry, z oceánu je to v objemu cca 450 000 km3/rok, z toho 90% spadá ve forme srážek zpét do oceánu (405 000 km3), jen 10% je zahnáno vzdušnými proudy nad kontinenty (45 000 km3).

voda je pŕenášena ve forme mraku => páry jsou ochlazeny na srážky => srážková voda je absorbována púdou nebo odtok po povrchu.

Malý kolobeh vody, část vody vázána biotikou, probíhá v rámci krajiny nebo vétších vyčlenených zemepisných celku.

Povrchové a podzemní vody jsou nutné pro existenci pevninských ekosystémú. Voda se vždy účastní ostatních biogeochemických cyklu.

 

 

2