Struktura ekosystemu.

Wstępna informacja: Podział ekosystemów.

Def. Struktura ekosystemu - jest to rozmieszczenie elementów specyficznego systemu, którym jest ekosystem, a także wzajemne powiązania między tymi elementami.

 Za najmniejsze elementy systemu uznaje się organizmy poszczególnych gatunków. Gatunki owe zajmuję określone nisze ekologiczne, które uważa się za komplet odpowiadających organizmom czynników abiotycznych i biotycznych (np. zależności międzygatunkowe, konkurencja wewnątrzgatunkowa, zależności w stadach). Zamieszkujące ten sam obszar populacje różnych gatunków wspólnie tworzą biocenozę, która jest zależna od swojego siedliska, a równocześnie je kształtuje, tworząc biotop. System biocenoza-biotop dąży do klimaksu, w którym osiągana  jest równowaga biocenotyczna - struktura optymalna pod względem rodzaju gatunków oraz liczebności i rozmieszczenia ich populacji. Zrównoważony ekosystem jest traktowany jak układ termodynamicznie zamknięty (zamknięty system ekologiczny). W takim systemie materia cyrkuluje dzięki dopływowi energii z zewnątrz, najczęściej pobieranej w postaci promieniowania słonecznego (patrz: fotosynteza). Energia jest oddawana na sposób ciepła. 

Źródło: opracowania.pl - Elementy budujące ekosystem.

Struktura ekosystemu ulega stopniowym przeobrażeniom. Jeżeli zmiany zewnętrzych warunków funkcjonowania danego systemu są powolne, nadąża za nimi jego ewolucyjna adaptacja biologiczna. Tego rodzaju przekształcenia zachodziły niejednokrotnie w historii Ziemi, np. pod wpływem powolnej wędrówki kontynentów przez strefy klimatyczne. Szybsze zmiany warunków życia, zachodzące lokalnie (np. wskutek wielkich pożarów lasów i innych klęsk żywiołowych) lub w skali globalnej (np. spowodowane katastrofami kosmicznymi), prowadzą do zniszczenia ekosystemu. Zmiany warunków spowodowane działalnością człowieka (np. tworzeniem budowli hydrotechnicznych i sieci autostrad, zanieczyszczaniem powietrza, wód i gleb) są zawsze na tyle szybkie, że naturalna adaptacja ekosystemu (patrz: sukcesja ekologiczna) nie jest możliwa.

System: System (stgr. σύστημα systema – rzecz złożona) to układ elementów powiązanych wzajemnymi zależnościami (tworzącymi jego strukturę). Dzięki tym specyficznym powiązaniom całość realizuje określoną funkcję nadrzędną. Miarą złożoności systemu jest liczba elementów składowych oraz liczba i rodzaj relacji między nimi. Od tych parametrów zależy liczba możliwych do wyróżnienia stanów wieloelementowej całości, w których system może się znaleźć. 

Ekosystem jest systemem zawierającym elementy żywe, a mianowicie organizmy, które są uzależnione wzajemnie od siebie (biocenoza) oraz od nieożywionych elementów układu (biotop). Zespół charakterystycznych oddziaływań odróżnia ekosystemy od "układów biotycznych", czyli fragmentów biosfery, w których występują organizmy należące do różnych gatunków (grupy, zespoły), jednak nie wytworzyła się charakterystyczna dla tego zbioru elementów sieć wzajemnych powiązań, umożliwiająca trwałość układu po jego zamknięciu (patrz: układ termodynamicznie zamknięty). 

Źródło: http://scholaris.pl

Źródło: Wikimedia. Biosfera 2 z zewnątrz w 2011r.

Gdy układ biotyczny jest zbudowany z niewielkiej liczby przypadkowo dobranych elementów (np. akwarium, pomarańczarnia), osiągnięcie równowagi ekologicznej jest mało prawdopodobne. Pierwsza próba zbudowania i eksploatacji przez ludzi dużego, wielogatunkowego sztucznego ekosystemu - zamkniętego systemu ekologicznego Biosfera 2 (grupa 8 osób, 2 lata) - została podjęta w Arizonie w latach 80-tych XX wieku. Analogiczne badania są kontynuowane (co prawda - w mniejszej skali), m.in. w związku z amerykańskimi planami eksploracji kosmosu (np. projekty baz marsjańskich). 

Z lewej strony widoczny jest EKOSYSTEM W STANIE RÓWNOWAGI EKOLOGICZNEJ, zaś z prawej strony widoczny jest EKOSYSTEM W STANIE BRAKU RÓWNOWAGI EKOLOGICZNEJ.

W Polsce działaniem systemów o różnym stopniu złożoności zajmuje się m.in. Instytut Badań Systemowych PAN, prowadzący badania w dziedzinie nauk podstawowych i stosowanych np. dotyczące modelowania i optymalizacji systemów w różnych dziedzinach nauki i techniki. Jednym z obszarów działalności są zastosowania analizy systemowej w ochronie środowiska. Badania wykonywane w Centrum Zastosowań Informatyki w Inżynierii Środowiska obejmują m.in oceny stanu i kierunków zmian poszczególnych parametrów ekosystemów naturalnych i antropogenicznych, modelowanie i projektowanie systemów wodnych (hydrografia) lub modelowanie i symulacje w meteorologii (np. prognozowanie pogody i zmian klimatu). 

Typy układów sterowania ekosystemem: Podejmując poszukiwania odpowiedzi na pytania, gdzie oraz w jakich liczebnościach występują organizmy, przyjmuje się, że system-biosfera jest złożony z wielu podsystemów - mniejszych ekosystemów o zróżnicowanej wielkości i strukturze, łatwiejszych do jednoznacznego formalnego opisania (umożliwiających opracowywanie matematycznych modeli). W każdym z podsystemów wyodrębnia się dwie podstawowe części:

• biocenoza - zespół wszystkich populacji zamieszkujących siedlisko,
• biotop - wszystkie abiotyczne czynniki ekologiczne (np. rodzaj gleby, dostęp do zasobów wody, nasłonecznienie).

Wewnątrz każdego z ekosystemów materia cyrkuluje dzięki pobieraniu energii z zewnątrz. Jeżeli ekosystem jest zrównoważony, taka sama ilość energii jest - po przepłynięciu przez system - oddawana do otoczenia. Przyjmuje się, że regulację tych procesów, związaną ze zmianami liczebności i rozmieszczenia organizmów, zapewniają trzy podstawowe typy układów strukturalnych biocenozy (wzajemnie nakładające się):

• układ I rzędu (struktura troficzna) - powiązania pokarmowe (oparte na koncepcji "elementów strukturalnych" Eltona), tworzące łańcuchy i sieci troficzne oraz piramidy pokarmowe,
• układ II rzędu (struktura konkurencyjna) - realizowana wewnątrz elementów bardziej złożonych biocenoz, w których występują gatunki o podobnych wymaganiach pokarmowych, 
• układ III rzędu (struktura paratroficzna) - powiązania pokarmowe, które nie mają charakteru eksploatacyjnego (zasoby pokarmowe dawcy nie są zmniejszane, np. melitofagizm, allelopatia) [Melitofagiem zwiemy organizm (gatunek), odżywiający się okresowo lub  w całym cyklu życiowym pyłkiem kwiatowym. Wiele owadów w stadium imago odżywia się nektarem i pyłkiem (patrz: motyle, chrząszcze), niektóre - takie jak pszczoły - odżywiają się pyłkiem zarówno w stadium larwalnym, jak i imaginalnym)]. 

Odpowiedzi na pytanie o zasady działania poszczególnych układów oraz całego systemu poszukują przedstawiciele różnych dyscyplin naukowych, rozpatrując problem z różnych punktów widzenia, np. z punktu widzenia:

• pojedynczego organizmu lub grup organizmów - oddziaływania organizm-otoczenie, organizm-organizm (autekologia i synekologia), 
• pojedynczej populacji - struktura populacji i zależności populacja-otoczenie (ekologia populacyjna, populacjologia), 
• pojedynczej biocenozy - struktura biocenozy i zależności biocenoza-otoczenie (biocenologia), 
• całego systemu (ekologia, sozologia).

Biocenozy i ekosystemy: Biocenozy są układami biotycznymi złożonymi z wielu różnych populacji, wspólnie zamieszkujących jeden biotop i tworzących - wraz z nim - ekosystem. Biocenozy są wyróżniane w oparciu o kilka podstawowych kryteriów. Powinny się charakteryzować:

• specyficznym składem gatunkowym o znacznej stałości liczebności poszczególnych populacji (skład przystosowany do warunków siedliskowych i rozpowszechniony w danym krajobrazie),
• składem pełnym z punktu widzenia obiegu materii i przepływu energii, 
• dużą trwałością (długowiecznością),
• możliwością wyznaczenia granic, np. na podstawie określenia składu gatunkowego biocenozy lub analiz czynników środowiskowych. 

Autor ilustracji: Joanna Kośmider - Przykład podziału 

siedliska w wyniku konkurencji. Nisze ekologiczne dwóch z

pięciu żerujących w lesie szpilkowym gatunków lasówek z 

rodzaju Setophaga (Dendroica, Setophaga) - Dendroica tigrinai 

i Dendroica castanea): 1, 2, 3... - numery stref wysokości (po 3 m).

Spełnienie tych kryteriów nie jest wymagane bezwarunkowo, ponieważ opisywane układy ulegają naturalnym zmianom w czasie i przestrzeni. Przykładami są sezonowe zmiany struktury istniejących ekosystemów, pojawianie się gatunków inwazyjnych lub introdukowanych lub długotrwałe, powolne procesy sukcesji ekologicznej, np. rozpoczynającej się od zasiedlania nieożywionego środowiska (np. nowo powstała wyspa) przez organizmy pionierskie, które stopniowo tak przekształcają siedlisko (np. proces glebotwórczy), że możliwe staje się zasiedlenie przez kolejne gatunki i kształtowanie się zależności między nimi. Za zakończenie sukcesji uważa się osiągnięcie klimaksu - stosunkowo stałej struktury biocenozy i całego ekosystemu. 

Ze względu na często obserwowany brak wyraźnej granicy między ekosystemami wprowadzono pojęcie ekotonu - zwykle bogatszej gatunkowo strefy przejściowej o zróżnicowanej szerokości, np. strefa przejściowa między tundrą i tajgą, wybrzeże, okrajek, miedza. 

Źródło: https://www.pmfias.com - Ekoton.

O liczebności i rozmieszczeniu każdej z populacji ekosystemu decydują cechy gatunku, właściwości biotopu i rodzaj interakcji z innymi populacjami biocenozy. Wyróżnia się zależności:

• nieantagonistyczne - symbioza (mutualizm, protokooperacja), komensalizm,
• antagonistyczne - konkurencja (zob. m.in zasada Gaussego), pasożytnictwo, drapieżnictwo (zob. równanie Lotki-Volterry), allelopatia, amensalizm. 

Brak wzajemnych oddziaływań - neutralizm - jest stwierdzany rzadko. Bardzo silne oddziaływania antagonistyczne mają charakter eksploatacji populacji. Do tej grupy oddziaływań międzygatunkowych zalicza się eksploatację przyrody przez człowieka. 

O różnorodności ekosystemowej i charakterystyce poszczególnych biomów polecam poczytać na stronie epodreczniki.pl ---> kliknij i zobacz! 

Przekształcenia ekosystemów oraz ich skutki: (źródło: Scholaris.pl)

Więcej informacji na temat struktury ekosystemu znajdziesz w prezentacji dot. Ekologii Wydziału Chemii Politechniki Krakowskiej z zajęć prowadzonych przez prof. zw. dr hab. inż. Zygmunta Kowalskiego oraz dr inż. Katarzyny Gorazdy ---> KLIKNIJ I OBEJRZYJ.

Bibliografia i wykorzystane źródła:
1) Podręcznik "Biologia na czasie 3" - F. Dubert, M. Jurgowiak, M. Marko-Worłowska, W. Zamachowski. Numer ewidencyjny w wykazie MEN: 564/3/2014.
2) Epodreczniki.pl - "Świat pod lupą" - Podręcznik do nauki biologii dla szkół ponadgimnazjalnych,