FUNCTIILE ECOSISTEMULUI - functia energetica, functia de circulatie

FUNCTIILE ECOSISTEMULUI

Functionalitatea ecosistemului rezulta din relatiile existente intre speciile care-l compun si interactiunile acestora cu factorii abiotici.Esenta functionarii unui ecosistem consta in antrenarea energiei solare si a substantelor nutritive in circuitul biologic unde sunt transformate in substante organice ce intra in alcatuirea populatiilor din biocenoza. Astfel, ecosistemul apare ca o unitate productiva de substanta organica, materializata in organismele ce populeaza biotopul dat.

Principalele functiuni ale unui ecosistem sunt: functia energetica, functia de circulatie a materiei si functia de autoreglare.

1. Functia energetica

Ecosistemul functioneaza ca un laborator de acumulare si transformare a energiei. Nici un ecosistem de pe planeta noastra nu produce energie. Energia ecosistemului poate sa creasca numai pe baza importului din radiatiile solare. Viata este posibila pe Terra numai datorita faptului ca un flux continuu de energie solara intra zilnic in ecosistem, iar in acelasi timp, cantitati mari de energie termica (de pe Pamant) intra in cosmos. Ecosistemele isi mentin stabilitatea numai prin echilibrarea aportului continuu de energie radianta cu cel al eliminarii continue de caldura.

Transformarile energetice din ecosistem se desfasoara conform principiilor termodinamicii.

Primul principiu al termodinamicii (principiul conservarii energiei) stabileste ca intreaga energie de care dispune un ecosistem este inteme­iata pe tranformarea energiei initial intrate prin fotosinteza sau prin chemosinteza. Pe nici un nivel trofic al ecosistemului nu are loc o productie de energie, ci numai o transformare de energie.

Astfel, energia radianta care ajunge la plante este transformata, in prezenta clorofilei, in energie chimica pe care plantele o depoziteaza in molecule de glucide, lipide, protide etc., iar prin consumarea lor de catre animale energia trece in corpul acestora din urma. Atat in plante cat si in animale energia chimica continuta in molecule este eliberata in procesul respiratiei si utilizata in toate procesele vitale. O parte din aceasta energie se transforma in caldura, iar in final, dupa moartea organismelor, toata energia chimica a moleculelor organice este transformata de catre descompunatori in energie calorica.

Fig. 3. Transferul de energie intr-un ecosistem

Din primul principiu al termodinamicii reiese faptul ca intrarile de energie intr-un sistem trebuie sa fie egalate de iesiri, deci printr-un ecosistem energia se scurge intr-un flux continuu.

Al doilea principiu al termodinamicii este acela al degradarii energiei, care arata ca in orice proces de transformare a energiei, o parte din energia potentiala se degradeaza sub forma de caldura si este dispersata. De aici rezulta ca randamentul transformarii este < 1.

Pe ma­sura ce trecem de la nivelul producatorilor catre consumatori de rang tot mai inalt, o tot mai mare parte din energia asimilata este consumata pentru necesitatile proprii ale organismelor si deci o cantitate tot mai mica se acumuleaza in productie de biomasa (cantitatea de substanta organica acumulata intr-o perioada de timp si existenta la un moment dat) disponibila pentru nivelurile trofice urmatoare (fig. 3).

Aceasta legitate are o profunda semnificatie biologica daca tinem seama si de faptul ca, pornind de la producatori primari catre consuma­tori de un grad tot mai inalt, creste, in linii mari si nivelul evolutiv al apeciilor. Speciile mai evoluate desfasoara o activitate mai intensa si mai diversificata. Grupele evoluate de organisme desfasoara activitati calitativ superioare. De pilda, la pasari si mamifere o proportie importanta de energie este cheltuita nu numai pentru cautarea si capturarea prazii (la carnivori) dar mai ales pentru protectia, ingrijirea si educatia urmasilor.

De aici se vede ca fluxul de energie prin ecosistem nu este simplu transfer al energiei chimice de la un nivel trofic la a1tul, ci si un proces de schimbare a formelor de energie, aparitia si dezvoltarea unor forme superioare de energie ca, de pilda, energia nervoasa, energia psihica.

Energia degradata sub forma de caldura nu mai poate fi reutilizata de catre ecosistem, ceea ce impune intrarea de noi cantitati de energie, deci fluxul de energie ce se scurge prin ecosistem este unidirectional.

Sursa principala de energie a unui ecosistem este energia solara, alcatuita din 45% radiatii din spectrul vizibil, 45% radiatii infrarosii si 10% radiatii ultraviolete. De mentionat este faptul ca, nu toata cantitatea de energie solara poate fi pusa la dispozitia vietuitoarelor. Astfel, din cele aproximativ 2 cal/cmp /min. (constanta solara), circa 42% este absorbita de ozon, vapori de apa, particule de praf etc. si este apoi radiata in spatiu sub forma de caldura si numai 58% ajun­ge la suprafata pamantului. Din aceasta cantitate numai 20% este absorbita de sol, apa si vegetatie, restul de 80% fiind reflec­tata in spatiu. Plantele verzi utilizeaza pentru fotosinteza si transforma in energie chimica numai 1-3% din energia luminoasa.

ANALIZA: Geomorfologia climatica – caracteristici generale ANALIZA: Masivul gilau-muntele mare - elemente fizico-geografice

Fotosinteza este procesul prin care sunt captate radiatiile solare cu ajutorul clorofilei iar aceasta energie este convertita in cea a legaturilor chimice din substantele organice. In procesul de fotosinteza sunt implicate si sarurile minerale (N, P, K, S etc.). Privita din punct de vedere chimic este o reactie reducatoare, in care CO₂ (acceptor de hidrogen - electroni) este redus, apa este sursa de hidrogen, iar radiatia luminoasa (fotonii) este sursa de energie necesara procesului de reducere.

Reactia extrem de simplificata a fotosintezei este:

clorofila

↓

6 CO₂ + 6 H₂O + energie solara  → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Energia chimica are o contributie modesta la bilantul energetic din ecosisteme, fiind folosita in principal de bac­teriile chemosintetizante: nitrificatoare, sulfuroase si feruginoase. In procesul de sinteza a substantelor organice, ca sursa de energie folosesc energia obtinuta prin oxidarea unor compusi anorganici (compusi ai sulfului, ai fierului) iar ca sursa de hidrogen pentru reducerea CO₂ este apa.

2. Functia de circulatie

Biocenoza, in baza structurii ei trofice, in procesul de hranire, realizeaza circulatia permanenta a materiei in ecosistem.

Substanta patrunde in biocenoza din biotop sub forma unor combinatii de atomi ai elementelor chimice.

Plantele folosesc aceste combinatii sub forma de solutii apoase, iar cu ajutorul energiei solare atomii asimilati sunt inclusi in structurile substantei organice prin procesul de fotosinteza.

Deci, plantele asigura intrarea selectiva a elementelor din biotop in biocenoza. Atat proportia cat si viteza de absorbtie a elementelor de catre biocenoza, constituie o caracteristica a fiecarui ecosistem.

Fig. 4. Bioamplificarea DDT

De la producatorii primari atomii elementelor respective trec la consumatori prin reteaua trofica, spre nivelurile superioare. Ajunse in organismul consumatorilor, elementele sunt scindate in radicali mai simpli, dintre care unii sunt eliminati sub forma de deseuri metabolice, altii sunt retinuti pentru a fi utilizati in noi sinteze, iar altii sunt depozitati fara a putea fi eliminati. In procesul de eliminare-retinere, unele elemente realizeaza concentratii crescande spre nivelurile superioare ale piramidei trofice. Acest proces poarta denumirea de concentrare-acumulare sau amplificare biologica. De exemplu, intr-un lant alimentar acvatic cu cinci verigi, concentratia de DDT creste de aproximativ de 10 milioane de ori, acumulandu-se in special in tesuturile grase ale organismelor (de la 0,000003 ppm DDT in apa, la 25 ppm in tesuturile pasarilor consumatoare de pesti carnivori (fig. 4).

Cunoasterea acestui proces are o importanta deosebita pentru ca unele substante toxice ce au in biotop concentratii reduse (pesticide, metale grele etc.) pot ajunge la unii consumatori din varful piramidei trofice (rapitoare, om) la concentratii foarte mari ce pot deveni letale.     

Descompunatorii grefati la fiecare nivel trofic, mineralizeaza substantele organice din organismele moarte si asigura astfel transferul elementelor din biocenoza in biotop (fig. 5).

Fig.  Transferul elementelor in ecosistem prin ciclu trofic

O caraceristica importanta a circulatiei substantelor in ecosistem este viteza de desfasurare a procesului. Astfel, in ecosistemele padurii ecuatoriale umede, materia organica lipsita de viata este rapid descompusa si reabsorbita, in timp ce, in ecosistemele naturale din zonele temperate se acumuleaza o mare cantitate de materie moarta la suprafata solului (litiera, turba) sau in sol (humus). Formarea humusului determina o incetinire a ciclurilor biogeochimice si asigura eliminarea lenta a elementelor repuse la dispozitia plantelor. In acest fel, sistemele capabile de o mai rapida reciclare a elementelor si substantelor au o productivitate sporita pe unitatea de suprafata si timp.

Circulatia substantelor la nivelul biosferei formeaza cicluri circuite biogeochimice globale. Ele se pot imparti in doua tipuri fundamentale: tipul sedimentar (fosfor si sulf) si tipul gazos (azot, oxigen, carbon). La circuitele sedimentare, rezervorul principal il constituie litosfera, iar la circuitele gazoase rezervorul principal il constituie atmosfera. De asemenea, un rol major la nivelul biosferei il reprezinta circuitul apei.

2.1. Circuitul carbonului

Carbonul este introdus in corpul plantelor prin dioxidul de carbon, in procesul de fotosinteza si este fixat apoi in substantele organice care alcatuiesc corpul tuturor plantelor si celorlalte organisme care compun lanturile trofice din ecosisteme si biosfera (fig. 6).

Plantele ca si producatori sunt consumate de animale (consumatori), si astfel materia organica vegetala se transforma in componenti orga­nici specifici organismului animal.

Dupa moartea plantelor si animalelor; substantele organice sunt descompuse sub actiunea bacteriilor si a altor organisme saprofite care populeaza solul, si se ajunge la bioxid de carbon, apa si saruri mine­rale; deci la materia anorganica de la care s-a pornit.

Unele dintre substantele anorganice de natura gazoaza, rezultate, trec in atmosfera, altele raman in sol si formeaza substantele hranitoare pentru generatiile noi de plante.

Interventia omului in circuitul biogeochimic al carbonului consta in crestererea concentratiei dioxidului de carbon in atmosfera prin: extinderea terenurilor agricole, in defavoarea padurilor; incendieri, utilizarea lemnului drept combustibil, utilizarea pe scara larga a combustibililor fosili. Adaosul de CO₂  in atmosfera nu poate fi compensat prin cresterea ratei de fixare fotosintetica de unde rezulta accentuarea efectului de sera.

Fig. 6. Circuitul carbonului in natura

2.2. Circuitul azotului in natura

Circuitul azotului in natura are ca baza de pornire azotul atmosferic care poate fi fixat pe mai multe cai: in atmosfera, la inaltimi mari, sub influenta radiatiilor UV se produc NH₃ si nitrati iar la inaltimi mai mici, sub influenta fulgerelor iau nastere cantitati mici de NH_3. Acesti compusi sunt antrenati pe suprafata Pamantului. Fixarea biologica a N atmosferic este cea mai importanta cale de intrare a acestui element in circuitul biosferei. Astfel, azotul ajunge in sol sau direct in radacinile plantelor leguminoase (sau alte angiosperme) si de aici in planta verde. Fixarea azotului atmosferic se face cu ajutorul microorganismelor fixatoare de azot (Rhizobium, Azotobacter etc.).

Din plante, unde azotul intra in compozitia substantelor proteice, se intoarce in sol in mod direct, prin corpul plantelor moarte sau prin corpul animalelor moarte. Toate aceste surse asigura materia organica a solu­lui, necesara formarii humusului si nutritiei bacteriilor din sol. Prin putrezire, azotul din materia organica ajunge in compusi nitrici si de aici, fie in nutritia minerala a plantelor, fie in atmosfera, ca azot gazos (fig. 7).

Fig. 7. Circuitul azotului in natura

Omul intervine in circuitul azotului prin ingrasamintele naturale (gunoi de grajd) si artificiale (ingrasaminte obtinute prin fixarea industriala a azotului liber) utilizate pentru fertilizarea culturilor agricole. Cantitatea de N atmosferic fixat pe cale artificiala se ridica la circa 50 milioane tone pe an reprezentand circa 1/3 din azotul fixat pe cale biologica. Aceasta conduce la dereglari profunde a circuitului azotului pe scara planetara. Efectele cresterii  necontrolate a concentratiei de azot se manifesta regional prin poluarea straturilor acvifere si eutrofizarea apelor continentale.

2.3. Circuitul fosforului

Principalele rezerve de fosfor in natura sunt reprezentate de apatit (fosfat natural de Ca care contine si F si Cl), in rocile magmatice si in depozitele de excremente ale pasarilor acvatice (guano). Circuitul P nu are componenti gazosi, este indisolubil legat de circuitul hidrologic. P din rocile sedimentare si eruptive de pe uscat este eliberat de dezagregare chimica, este spalat de ape de precipitatie si transportat treptat, prin rauri spre mari si oceane unde se depune in sedimente.P de la mare adancime, practic ramane pierdut pentru biosfera (fig. 8). O revenire partiala a fosforului se realizeaza are loc prin depunerea excrementelor pasarilor marine (cca 10 mii tone anual) si prin pescuitul realizat de om (cca 60 mii tone anual).

In ecosistemele terestre o parte din P eliberat prin dezagregarea rocilor este preluat de plante; de la plante este preluat de animale. Excrementele ca si cadavrele plantelor si animalelor sunt degradate prin activitatea microbiana care duce la eliberare de P. O parte din acesta reintra in circuit, alta parte formeaza compusi solubili.

Permanentele pierderi de P din circuit fac ca acest element sa devina un factor limitant al productivitatii biologice.

Omul intervine in circuitul fosforului, in sensul cresterii ratei de scurgere a fosforului spre oceane,  prin accelerarea proceselor de eroziune datorate restrangerii vegetatiei naturale, prin utilizarea pe scara larga a fertilizantilor fosfatici in agricultura si in urma extinderii detergentilor. Circa 5-6 milioane t de fosfor mineral sunt introduse in circuit, prin ingrasamintele minerale obtinute din exploatarea rocilor fosfatice. Cantitatile excesive de fosfor ajunse in apa lacurilor

(ingrasaminte, ape uzate) contribuie la fenomenul de eutrofizare a apelor.

Fig. 8. Circuitul fosforului in natura

2.4. Circuitul apei in natura

In cursul ciclului sau, apa se deplaseaza in mod neintrerupt din ocean spre atmosfera: O mare parte a apei de ploaie care ajunge intrr-un ecosistem terestru, se evapora in atmosfera, o alta parte este absorbita de radacinile plantelor, o alta parte este absorbita de radacinile plantelor si reapare in atmosfera prin efectul transpiratiei plantelor; in sfarsit, o alta parte se scurge la suprafata solului sau ajunge in panza de apa freatica (fig. 9).

Scurgerea apei este cu atat mai mare cu cat ecosistemul are mai^­ putina vegetatie, solul este mai putin permeabil si inclinatia terenului este mai mare. In miscarea sa la suprafata solului, apa nemaiintalnind nici o rezistenta erodeaza si distruge treptat solul. Ecosistemele cu ierburi dese, dar mai ales cele forestiere, compacte sunt cele mai eficace impo­triva fenomenului de eroziune. Astfel, in ecosistemele forestiere, cantitatea de apa retinuta poate fi de 5-25 de ori mai mare comparativ cu pajistile. In schimb, in paduri creste cantitatea de apa infiltrata avand un dublu efect: reducerea eroziunii solului si alimentarea panzei de apa freatica.

Fig. 9. Circuitul apei in natura