1 1. Organizacja i przedmiot kursu 2. EkosystemyEkologia Prof. dr hab. Ryszard Laskowski Instytut Nauk o Środowisku ul. Gronostajowa 7, pok konsultacje: wtorki, 10:30-12:00 1. Organizacja i przedmiot kursu 2. Ekosystemy

2 Organizacja kursu Wykłady: 25 godz. (11 spotkań, każde ok. 105 min)Wtorki 8:00 – 10:00; INoŚ UJ, sala 1.0.2 30 godz. zajęć laboratoryjnych, 10 godz. ćwiczeń terenowych. I ćwiczenia – proszę przygotować rozdziały 1.1 i 1.2 ze skryptu "Ćwiczenia z ekologii" pod redakcją A. Góreckiego, J. Kozłowskiego i M. Gębczyńskiego". Obowiązkowe zeszyty na notatki z ćwiczeń! Prowadzący ma obowiązek wyprosić z zajęć osoby nieprzygotowane.

3 Harmonogram ćwiczeń Nr Data Tematyka zajęć 1 7 IIIWpływ czynników abiotycznych na organizmy żywe 2 14 III Produkcja pierwotna drzew - zajęcia laboratoryjne 3 21 III Przepływ energii przez ekosystemy lądowe i wodne 4 28 III Przepływ energii przez ekosystemy - prezentacje. Biomy 5 4 IV Metabolizm zwierząt - pomiar respiracji 6 11 IV Bioenergetyka zwierząt - bomba kalorymetryczna 7 18 IV przerwa - Święta Wielkanocne 8 25 IV Wstęp do oceny zagęszczenia zwierząt 9 9 V Metody oceny zagęszczenia zwierząt cd, typy rozmieszczenia 10 16 V Modele wzrostu liczebności populacji 11 23 V Konstruowanie tabel przeżywania 12 30 V Macierze 3 VI Zajęcia terenowe (10 h, 8.00 – 18.00) 13 6 VI Modelowanie układu drapieżnik-ofiara 14 13 VI Wskaźniki bioróżnorodności. 15 20 VI Zaliczenie ćwiczeń 27 VI Egzamin (9.00 – 10.30)

4 Organizacja wykładów, 2016/201728.02 – W1: Ekosystemy: wprowadzenie, definicje 07.03 – W2: Ekosystemy: termodynamika ekosystemów, produktywność 14.03 – W3: Biogeochemia: obiegi pierwiastków 21.03 – W4: Biogeochemia: dekompozycja materii organicznej 04.04 – W5: Ekologia zespołów 11.04 – W6: Biogeografia wysp 16.05 – W7: Klimat, biomy, gleby 23.05 – W8: Sukcesja, hipoteza Gai 30.05 – W9: Organizm w środowisku – ekologia fizjologiczna 06.06 – W10: Populacja: tabele przeżywania, dynamika 13.06 – W11: Populacja: konkurencja, model Lotki-Volterry

5 Studiowanie (na Uniwersytecie Jagiellońskim)Ustawa z dnia 7 września 1991 o systemie oświaty: nauka jest obowiązkowa od 6 do 18 roku życia studia NIE SĄ obowiązkowe! Student – studiosus – studium – studere Uniwersytet Jagielloński jest uczelnią elitarną Słownik wyrazów obcych i zwrotów obcojęzycznych Władysława Kopalińskiego: „elitarny – dostępny wybranym; uprzywilejowany; elita – grupa ludzi przodujących pod względem prestiżu, kwalifikacji...”. Z uwag studentów w systemie USOS: „Potrzebna większa dyscyplina. Ciężko się było skupić przy rozmowach dochodzących z tyłu”.

6 Tematyka kursu ekologia ekosystemów (przepływ energii, obieg materii, struktura troficzna, produkcja i dekompozycja, obiegi pierwiastków chemicznych, sukcesja) ekologia globalna (warunki życia na Ziemi, klimat, biomy) ekologia populacji (gatunek a populacja, dynamika populacji, rozmieszczenie przestrzenne, interakcje) ekologia fizjologiczna (metabolizm, budżety energetyczne, tolerancja na czynniki środowiskowe) ekologia ewolucyjna (pula genowa, dostosowanie, dobór, specjacja) wpływ człowieka na środowisko (zjawiska lokalne i globalne) (powstanie Wszechświata i życia na Ziemi)

7 Podręczniki obowiązkowe:„Ekologia – krótkie wykłady”, A. MacKenzie, A. S. Ball, S. R. Virdee, PWN 2000 „Życie i ewolucja biosfery”, J. Weiner, PWN 2003

8 Podręczniki dla ambitnych i zainteresowanych...„Ekologia populacji – studium porównawcze zwierząt i roślin”, M. Begon, M. Mortimer, D. J. Thompson, PWN 1999; „Ekologia”, Ch. J. Krebs, PWN 1996; ...oraz do ćwiczeń „Ćwiczenia z ekologii” pod red. A. Góreckiego, J. Kozłowskiego i M. Gębczyńskiego, UJ – UW 1987.

9 Inne kursy i możliwości zdobywania wiedzy czyli autoreklama (ale nie tylko)Globalne problemy ekologii (WBNZ-840) Tropical ecology (WBNZ-849) Tropical ecology – field course, Wenezuela/Ekwador (WBNZ-850) Ekotoksykologia i ocena skutków zanieczyszczenia... (WBNZ-844) Fotografia przyrodnicza (WBNZ-810)

10 EKOLOGIA (E. Haeckel, 1869) Nauka biologiczna o gospodarce przyrody w jej ekosystemach, o strukturze i funkcjonowaniu żywej przyrody; obejmuje całość zjawisk dotyczących wzajemnych zależności między organizmami i ich zespołami a ich żywym i martwym środowiskiem. [...] Ekologia stosuje metody obserwacji i eksperymentu w terenie i w laboratorium, posługując się m. in. metodami statystyki matematycznej. Celem badań współczesnej ekologii [...] jest wykrycie prawidłowości i praw rozwoju różnych ekosystemów. (Encyklopedia Powszechna PWN, 1973) Nauka biologiczna o gospodarce przyrody w jej ekosystemach, o strukturze i funkcjonowaniu żywej przyrody; obejmuje całość zjawisk dotyczących wzajemnych zależności między organizmami i ich zespołami a ich żywym i martwym środowiskiem. [...] Ekologia stosuje metody obserwacji i eksperymentu w terenie i w laboratorium, posługując się m. in. metodami statystyki matematycznej. Celem badań współczesnej ekologii [...] jest wykrycie prawidłowości i praw rozwoju różnych ekosystemów. (Encyklopedia Powszechna PWN, 1973) Nauka biologiczna o gospodarce przyrody w jej ekosystemach, o strukturze i funkcjonowaniu żywej przyrody; obejmuje całość zjawisk dotyczących wzajemnych zależności między organizmami i ich zespołami a ich żywym i martwym środowiskiem. [...] Ekologia stosuje metody obserwacji i eksperymentu w terenie i w laboratorium, posługując się m. in. metodami statystyki matematycznej. Celem badań współczesnej ekologii [...] jest wykrycie prawidłowości i praw rozwoju różnych ekosystemów. (Encyklopedia Powszechna PWN, 1973)

11 Ekologia a ochrona środowiska i ochrona przyrodydziałalność mająca na celu ochronę wszystkich elementów otoczenia przed niekorzystnym wpływem działalności człowieka, jak też zachowania tych obiektów przyrody, które utrzymały w większym lub mniejszym stopniu swój charakter naturalny... (Encyklopedia Powszechna PWN, 1973) OCHRONA PRZYRODY: działalność mająca na celu zachowanie, restytuowanie i zapewnienie trwałości użytkowania tworów i zasobów przyrody żywej i nieożywionej, podejmowana ze względów naukowych, gospodarczych, społecznych, kulturowych, estetycznych, zdrowotnych i in.; zapoczątkowanie nowoczesnej ochrony przyrody w XIX w. wiąże się ze skutkami nie przemyślanej, często rabunkowej działalności człowieka...

12 SOZOLOGIA (W. Goetel, 1965) Nauka zajmująca się podstawami ochrony przyrody i jej zasobów oraz zapewnieniem trwałości ich użytkowania; w szczególności nauka o przyczynach i następstwach przemian w naturalnych lub uprzednio odkształconych układach przyrodniczych na mniejszych lub większych obszarach biosfery, zachodzących w wyniku działalności człowieka [...]; sozologia jest nauką kompleksową, związaną ściśle z takimi naukami, jak: ekologia, geografia, geologia. (Encyklopedia Powszechna PWN, 1973)

13 NAUKA fakt poznania; nauka może oznaczać poznanie zarówno teoretyczne, jak i sprawność praktyczną, technikę [...]. Rozróżnia się nauki o przyrodzie (naturze) i nauki o człowieku: pierwsze z nich są analityczne, a ich celem jest wyrażenie formułami matematycznymi praw, czyli stałych związków między zjawiskami; drugie są oparte na zrozumieniu (komprehensywne) i związane z odczuciami, a nie obiektywną miarą. (Słownik filozofii, 1984)

14 BADANIA NAUKOWE prace naukowo-badawcze dokonywane za pomocą metod nauki (rozumowania, obserwacji, eksperymentu itd..), zmierzające do rozwiązania jakiegoś zadania teoretycznego lub praktycznego [...]. Badania naukowe podstawowe są podejmowane w celu osiągnięcia postępu wiedzy w określonej dziedzinie przez odkrycie nowych prawd (twierdzeń, uogólnień, praw nauki) o zależnościach przyrody lub faktach społecznych [...]. Badania naukowe stosowane zmierzają, na podstawie rezultatów badań podstawowych, do ułatwienia realizacji jakiegoś celu praktycznego w zakresie techniki (technologii) lub organizacji... (Encyklopedia Powszechna PWN, 1973)

15 Podstawowe terminy ekologicznePopulacja: zbiór osobników jednego gatunku zdolnych do wymiany informacji genetycznej; w ujęciu najszerszym populacją mogą być wszystkie żyjące osobniki danego gatunku. Biocenoza: wszystkie organizmy żywe zamieszkujące określony teren. Ekosystem: biocenoza wraz z jej nieożywionym środowiskiem fizyko-chemicznym. Biosfera: obszar kuli ziemskiej zamieszkały przez organizmy żywe, obejmujący powierzchniową warstwę litosfery, hydrosferę oraz dolną warstwę troposfery. Nisza ekologiczna: wielowymiarowa przestrzeń obejmująca zespół wszystkich warunków środowiskowych (abiotycznych i biotycznych), w jakich żyje dany organizm.

16 Problemy z definicją populacji osobnika ekosystemu? populacja gatunekgenet (sekset) ramet (weget) ekosystemu?

17 BIOCENOZY I EKOSYSTEMYBiocenoza – właściwości: formy wzrostu zróżnicowanie dominacja względna liczebność gatunków struktura troficzna Ekosystem = biocenoza + nieożywione środowisko Ekosystemy: autotroficzne heterotroficzne

18 Osobnik i ekosystem

19 Termodynamika ekosystemówI zasada termodynamiki (zachowania energii): Ilość energii pozostającej w układzie (ekosystemie) jest różnicą między energią doprowadzoną do układu a energią utraconą (rozproszoną w postaci energii cieplnej) wskutek wykonania pracy. II zasada termodynamiki (entropii): Naturalnym kierunkiem przemian energetycznych we Wszechświecie jest wzrost entropii (stopnia nieuporządkowania). Ilość energii dostępnej dla kolejnych poziomów troficznych jest ograniczona („zasada 10%”) Energia przepływa przez ekosystemy

20 Co dzieje się z energią skonsumowaną?

21 Schemat przepływu energii przez osobnikaKonsumpcja (C) Asymilacja (A) energia kału (F) energia moczu (U) Produkcja (P) (przyrost biomasy, reprodukcja) respiracja (R)

22 Osobniki w ekosystemie – przepływ energii0,1 0,1

23 Energia w ekosystemie – „piramidy Lindemana”Biomasa (kcal m-2) R=5 K1 = 37 K2 = 11 K3 = 1.5 K = 21 P = 4 P = 20810 K1 = 3368 R = 5060 Przepływ energii (kcal m-2 rok-1) K2 = 383 K3 = 21

24 Skąd biorą się odwrócone piramidy biomas?Biomasa = „plon” (ang. "standing crop", Sc) Plon można uzyskać kilkakrotnie w ciągu roku tempo rotacji biomasy (B) produkcja = plon × tempo rotacji P = Sc × B B = P/ Sc populacji = 1/tśr

25 Produkcja ekosystemu Produkcja pierwotna Produkcja wtórnabrutto (GPP, ang. Gross Primary Production) całkowita ilość energii związana przez autotrofy netto (NPP, ang. Net Primary Production) energia związana i zgromadzona przez autotrofy po odjęciu energii zużytej na oddychanie Produkcja wtórna całość produkcji wszystkich konsumentów ekosystemu

26 Produktywność ekosystemów w skali globalnej

27 Stosunek reflektancji IR/RStosunek natężenia promieniowania odbitego w zakresie bliskiej podczerwieni (IR) i odbitego w zakresie czerwieni (R) koreluje ze wskaźnikiem powierzchni liści (LAI, ang. Leaf Area Index) Stosunek reflektancji IR/R LAI

28 Korelacja między biomasą liści i ilością chlorofilu na jednostkę powierzchniWskaźnik znormalizowanej różnicy dla wegetacji (ang. Normalized Difference Vegetation Index):

29 Produkcja ściółki jest dobrą miarą produktywności ekosystemówSzerokość geograficzna Produkcja ściółki (t ha-1 rok-1)

30 Od czego zależy produktywność ekosystemów lądowych? TEMPERATURAProdukcja pierwotna (t km-2 rok-1) Temperatura (oC) za Weinerem, 1999

31 Od czego zależy produktywność ekosystemów lądowych? OPADYProdukcja pierwotna (t km-2 rok-1) Opady (mm/rok) za Weinerem, 1999

32 Od czego zależy produktywność ekosystemów lądowychOd czego zależy produktywność ekosystemów lądowych? DŁUGOŚĆ OKRESU WEGETACYJNEGO Produkcja pierwotna (t km-2 rok-1) Długość okresu wegetacyjnego (dni) za Weinerem, 1999

33 Ewapotraspiracja (mm) Produkcja pierwotna (kg m-2 rok-1)Ewapotranspiracja jest dobrą miarą sumującą łączne oddziaływanie temperatury, dostępności wody, rodzaju gleby, okrywy roślinnej i ukształtowania terenu. Ewapotraspiracja (mm) Produkcja pierwotna (kg m-2 rok-1)

34 W ekosystemach wodnych jest inaczej...Zależność produkcji pierwotnej netto od stężenia fosforu w jeziorach świata (wg Schindlera, 1978).

35 Czynniki limitujące produktywność ekosystemówEkosystemy lądowe: temperatura dostępność wody światło Ekosystemy wodne (strefa eufotyczna): dostępność biogenów (P, Fe, inne)

36 Mapa produktywności globu: lądy i oceany

37 Lasy tropikalne wilgotne 2,3 23 Lasy umiarkowane liściaste 1,3 3,9 Ekosystem NPP (kg m-2 rok-1) Całkowita produkcja (t  109) Lasy tropikalne wilgotne 2,3 23 Lasy umiarkowane liściaste 1,3 3,9 Lasy borealne 0,75 7,1 Sawanna trawiasta 13,8 Sawanna sucha krzewiasta 1,2 8,4 Pustynie piaszczyste gorące 0,01 0,08 Pustynie piaszczyste zimne 0,05

38 Moczary i bagna tropikalne 4,0 6 Moczary i bagna umiarkowane 2,5 1,25 Ekosystem NPP (kg m-2 rok-1) Całkowita produkcja (t  109) Moczary i bagna tropikalne 4,0 6 Moczary i bagna umiarkowane 2,5 1,25 Uprawy: tropikalne, byliny 1,6 0,8 Uprawy: umiarkowane, byliny 1,5 0,75 Uprawy: tropikalne, jednoroczne 0,7 6,3 Uprawy: umiarkowane, jednor. 1,2 7,2 LĄDOWE ŁĄCZNIE: 0,9 132,3 Morza i oceany 0,25 91,6 Jeziora i rzeki 0,4 WODNE ŁĄCZNIE: 0,26 92,4 CAŁKOWITA PROD. PIERW. 0,44 224,6

39 Podsumowanie Ekosystem – wyodrębniona jednostka funkcjonalna, składająca się z biocenozy i nieożywionego środowiska Energia związana przez autotrofy jest rozpraszana na kolejnych poziomach troficznych  zasada 10% Produktywność ekosystemów zależy od klimatu (ewapotranspiracja!) Najwyższa produktywność – tropikalne bagna (do 4 kg/m2 rocznie); najniższa – pustynie (0,01 kg/m2) Morza i oceany: niska produktywność, duża łączna produkcja (obszar!) Czynniki ograniczające produktywność inne na lądach niż w ekosystemach wodnych