Ekologia — czym jest, a czym nie jest

Ekologia to dział biologii badający oddziaływania organizmów między sobą oraz organizmów ze środowiskiem, w którym żyją. Ogólniej to nauka o strukturze i funkcjonowaniu przyrody. Ekologów interesuje przede wszystkim, co decyduje o liczebności i rozmieszczeniu organizmów. Organizmy, dzięki mechanizmom ewolucji, są przystosowane do swojego środowiska: korzystają z jego zasobów i zależą od panujących w nim warunków.

Ponieważ te zależności są złożone, ekologia czerpie z wielu nauk, m.in. z biologii, fizyki, chemii i geografii. Stosuje też metody statystyczne, które służą do analizy zmienności osobników i do sprawdzania, czy badany czynnik naprawdę istotnie wpływa na organizm lub grupę organizmów.

Słowem „ekologia” nazywa się również ruch społeczny działający na rzecz rozsądnego korzystania z zasobów przyrody i życia z nią w harmonii. Stąd potoczne „ekologiczne” opakowania z recyklingu czy żywność wytwarzana w określony sposób. Ekologia nie jest synonimem ochrony przyrody ani ochrony środowiska, choć wiedza ekologiczna jest konieczna, by obie były skuteczne. Przykład z zimorodkiem (Alcedo atthis), ptakiem żyjącym nad brzegami rzek i jezior:

Poziomy organizacji badane przez ekologię

Ekologia zajmuje się przyrodą na kolejnych poziomach — od jednego organizmu po biosferę (w podręczniku ilustruje je lis rudy, Vulpes vulpes).

Środowisko: czynniki abiotyczne i biotyczne

Środowisko to wszystkie czynniki wpływające na procesy życiowe organizmu. Dzielimy je na dwie grupy:

• czynniki abiotyczne — elementy przyrody nieożywionej, np. temperatura i wilgotność powietrza, struktura gleby i jej żyzność;
• czynniki biotyczne — zależności między organizmami zamieszkującymi ten sam teren, np. konkurencja o pokarm, drapieżnictwo.

Nisza i zakres tolerancji

Nisza ekologiczna to całokształt wymagań życiowych gatunku wobec środowiska (nie samo miejsce — to byłoby siedlisko). Według podręcznika wymagania organizmu wyznaczają jego miejsce w biocenozie, a nisza to zakres zmienności warunków, w których organizm jest w stanie przeżyć, rozwijać się i rozmnażać.

Na niszę składają się m.in.:

• warunki środowiska — np. temperatura wody lub powietrza;
• dostępne zasoby — np. pokarm, sole mineralne;
• oddziaływania z innymi organizmami — np. konkurencja, drapieżnictwo.

Gatunki o podobnych niszach żyjące w tej samej biocenozie często konkurują o zasoby (np. o pokarm). Większość organizmów łagodzi tę konkurencję, w toku ewolucji nieznacznie zmieniając wymagania lub zachowania. Przykładem są różne pory żerowania u niektórych organizmów. Nisza nie jest też stała: zmienia się np. z porami roku albo w trakcie rozwoju osobniczego (larwa owada ma inną niszę niż dorosły owad).

Zakres tolerancji to przedział wartości czynnika (np. temperatury, wilgotności, pH, stężenia SO₂), w którym gatunek może żyć. Ma minimum i maksimum (granice) oraz optimum, czyli najkorzystniejszy przedział wewnątrz zakresu (szczegóły niżej, przy prawie tolerancji).

Nisza podstawowa a nisza realizowana

Powód różnicy: gatunki o podobnych niszach rywalizują o zasoby. Nisza, którą gatunek mógłby zająć, nie pokrywa się więc z tą, którą zajmuje naprawdę.

Siedlisko

Siedlisko to fizyczna przestrzeń, w której organizm występuje — fragment lądu albo wody, wyodrębniony na podstawie cech:

• geograficznych (np. ukształtowanie terenu),
• klimatycznych (np. roczna suma opadów),
• glebowych (np. żyzność gleby).

W jednym siedlisku mogą żyć organizmy o różnych niszach. Przykład: sawanna to jedno siedlisko, a mieści wiele nisz zajmowanych przez różne gatunki (np. żyrafy, słonie, antylopy).

Pojęcia pokrewne — nie pomyl

Czynniki ograniczające (prawo minimum) i prawo tolerancji

Większość czynników środowiska zmienia się okresowo, np. z porami roku. Tolerancja ekologiczna to zdolność organizmu do przystosowania się do zmian tych czynników.

Czynnik ograniczający to ten, który najbardziej ogranicza życie organizmu — nawet gdy pozostałe warunki są korzystne. Może występować w niedoborze (ujęcie Liebiga) albo, w ujęciu Shelforda, w niedoborze lub w nadmiarze, czyli poza granicami zakresu tolerancji. Do tego pojęcia prowadzą dwa prawa:

Przykład: mimo dobrej temperatury i światła roślina nie urośnie, jeśli zabraknie wody albo składnika mineralnego. To on staje się wtedy czynnikiem ograniczającym.

Jak czytać krzywą tolerancji (w podręczniku oś pionowa to „funkcjonowanie organizmu”, pozioma — natężenie czynnika ekologicznego):

• cały zakres od minimum do maksimum — organizm tylko przeżywa;
• węższy przedział — organizm także rośnie i się rozwija;
• najwęższy, środkowy przedział, czyli optimum — warunki najkorzystniejsze, organizm również się rozmnaża;
• im dalej od optimum, tym organizm najpierw przestaje się rozmnażać i rosnąć, a za granicą tolerancji może zginąć.

Zasada współdziałania czynników i czynniki osobnicze

Na organizm działa naraz wiele czynników. Zasada współdziałania czynników mówi, że minimum, maksimum i optimum jednego czynnika (np. dostępności wody) nie są stałe dla osobnika. Przesuwają się, gdy zmieniają się inne czynniki (np. temperatura powietrza). Łączny efekt kilku czynników działających jednocześnie może też przewyższać sumę ich pojedynczych efektów. Zasada ta uzupełnia prawo tolerancji ekologicznej.

Zakres tolerancji zależy też od cech samego osobnika, m.in.:

Dlatego zakres tolerancji podawany dla gatunku jest średnią z zakresów jego osobników.

Doświadczenie: tolerancja siewek pieprzycy siewnej na zasolenie

Eurybionty i stenobionty — nazwy zależą od czynnika

Do nazwy dokłada się przedrostek eury- (szeroki zakres tolerancji) lub steno- (wąski zakres) w odniesieniu do konkretnego czynnika. Zakres tolerancji gatunku określa się m.in. względem:

Na wykresie eury- to krzywa szeroka i płaska (znosi duże wahania czynnika), a steno- to krzywa wąska i wysoka (wymaga stabilnych warunków). Stenobiont może mieć swój wąski zakres przy niskich albo przy wysokich natężeniach czynnika. Np. roślina rosnąca tylko w głębokim cieniu, przy słabym świetle, jest stenofotyczna.

Jeden gatunek może być eurybiontem wobec jednego czynnika i stenobiontem wobec innego — np. szeroka tolerancja na temperaturę, a wąska na wilgotność.

Te różnice wpływają na rozmieszczenie gatunków na Ziemi. Gatunki o szerokiej tolerancji na wiele czynników, obecne prawie we wszystkich strefach klimatycznych, to gatunki kosmopolityczne (np. szczur wędrowny, mucha domowa). Stenobionty mają zasięg ograniczony do stosunkowo małych obszarów (np. sowa śnieżna, koral szlachetny).

Aklimatyzacja i adaptacje

• Aklimatyzacja — przystosowanie się organizmu do nowych warunków w środowisku naturalnym; może do pewnego stopnia zmienić zakres tolerancji. U ludzi wywołuje ją zwykle zmiana miejsca pobytu, u innych organizmów — przesiedlenie na nowy teren. Polega na zmianie stanu fizjologicznego, np. dopasowaniu do długości dnia, klimatu, wysokości nad poziomem morza. Jej możliwości zależą od puli genowej organizmu oraz od tempa i rozmiaru zmiany. Przykład: człowiek przebywający dłużej wysoko w górach lepiej znosi niskie stężenie tlenu w powietrzu, m.in. dzięki wzrostowi liczby erytrocytów we krwi.
• Dobór naturalny może zwężać lub poszerzać zakres tolerancji. W toku ewolucji powstają adaptacje (przystosowania) — zmiany budowy lub funkcji organizmu zwiększające szanse przeżycia i rozmnażania w jego środowisku.
• Konwergencja — organizmy z podobnych siedlisk wykształcają podobne przystosowania; jej efektem są narządy analogiczne, np. skrzydła owadów i ptaków, wąsy czepne grochu i winorośli.

Formy ekologiczne roślin (tolerancja na dostępność wody)

Forma ekologiczna to grupa gatunków o zbliżonym zakresie tolerancji na natężenie danego czynnika. Względem wody wyróżnia się cztery:

Rośliny wysokogórskie

W wysokich górach gleby bywają ubogie, a gruby, długo leżący śnieg skraca okres wegetacji. Do tego dochodzą duże wahania temperatury, gwałtowne zmiany pogody i silny wiatr. Przystosowania, dzięki którym rośliny zasiedliły te tereny:

• niski wzrost → przetrwanie pod grubą pokrywą śnieżną;
• duże (względem rośliny), często mocno pachnące kwiaty → zwabianie zapylaczy, których ubywa w miarę wzrostu wysokości;
• gęste skupienie pędów → osłona przed wiatrem i zimnem;
• kutner (martwe włoski na pędach) → ochrona przed utratą wody i zimnem.

Przykłady: dębik ośmiopłatkowy (Dryas octopetala) żyje w symbiozie z bakteriami wiążącymi azot atmosferyczny, więc rośnie na glebach ubogich w azot; rojnik górski (Sempervivum montanum) to sukulent gromadzący wodę w liściach w miękiszu wodnym.

Bioindykatory (organizmy wskaźnikowe)

Gatunki o wąskim zakresie tolerancji (stenobionty) są czułe na zmiany środowiska, więc ich obecność lub brak wskazuje stan środowiska. Przykłady: pstrąg i larwy jętek — czysta, natleniona woda; porosty — czystość powietrza.

Bioindykator (gatunek wskaźnikowy, biowskaźnik) to gatunek o dobrze poznanych wymaganiach, którego obecność lub nieobecność informuje o warunkach w środowisku. Bioindykacja to ocena stanu powietrza, wody i gleby na podstawie żyjących w nich organizmów. Przykłady ze źródła:

• porosty — są wrażliwe na skażenie powietrza tlenkami siarki, a ich obecność lub brak pokazuje stopień zanieczyszczenia atmosfery;
• organizmy wodne — służą do oceny czystości wód;
• soliród zielny (Salicornia europaea) — gatunek wskaźnikowy rosnący na zasolonych glebach.

Skala porostowa: porosty są wrażliwe na dwutlenek siarki (SO₂, tlenek siarki(IV)). Im czystsze powietrze, tym bardziej wrażliwe na SO₂ gatunki porostów mogą rosnąć i tym częściej są to formy listkowate oraz krzaczkowate. W silnym zanieczyszczeniu przeżywają tylko formy skorupiaste (np. misecznica proszkowata) lub porostów brak („pustynia porostowa”).

Skala porostowa — 7 stref

Porosty to organizmy dwuskładnikowe: strzępki grzyba (luźne i zbite, z chwytnikami od spodu) oraz komórki zielenic lub sinic. Gatunki ułożone od najmniej do najbardziej wrażliwych na SO₂ tworzą siedmiostopniową skalę, którą ocenia się zanieczyszczenie powietrza na danym terenie.

System saprobowy — bioindykacja czystości wód

Czystość wód ocenia się parametrami chemicznymi i fizycznymi, ale też bioindykatorami. Metod biologicznej klasyfikacji jest wiele; za jedną z najlepiej dopracowanych uchodzi system saprobowy. Wykrywa się w nim gatunki wskaźnikowe, których obecność lub brak pokazuje, jak bardzo woda jest zanieczyszczona martwą materią organiczną lub produktami jej gnilnego rozkładu. Bioindykacja jest często stosowana do oceny stanu rzek.

• oligosaprobowe — żyją w wodach najmniej zanieczyszczonych;
• mezosaprobowe — w wodach średnio zanieczyszczonych;
• polisaprobowe — w wodach najbardziej zanieczyszczonych.

Wody mało zanieczyszczone mają dużą bioróżnorodność, ale niską liczebność. Wody silnie zanieczyszczone mają małą bioróżnorodność, ale wysoką liczebność.

Jak wybrać bioindykatora z wykresu

Najlepszy bioindykator ma najwęższy zakres tolerancji — na wykresie jest to krzywa najwęższa i najwyższa. Taki gatunek szybko reaguje nawet na niewielką zmianę czynnika (pojawia się lub znika), więc dobrze „mierzy” stan środowiska. Gatunek o szerokim zakresie (eurybiont) toleruje zanieczyszczenia i rośnie niemal wszędzie, więc nie nadaje się na wskaźnik.

Nie myl tolerancji z zasięgiem: dobry bioindykator ma wąski zakres tolerancji, ale najlepiej szeroki zasięg geograficzny. Wtedy można go stosować na dużym obszarze (np. pstrąg potokowy w czystych rzekach).

Sprawdź się

1. Opisz niszę ekologiczną i siedlisko wybranego gatunku.
2. Czym są gatunki wskaźnikowe? Podaj przykład ich praktycznego użycia.
3. Przyporządkuj każde stwierdzenie do prawa minimum, prawa tolerancji lub zasady współdziałania czynników:
   a) rośliny w cieniu potrzebują mniej cynku niż rośliny w pełnym świetle;
   b) zbyt mała ilość związków azotu w glebie hamuje wzrost roślin, choć innych soli mineralnych jest pod dostatkiem;
   c) wzrost roślin słabnie zarówno przy nadmiarze, jak i przy niedoborze wody w podłożu.
   Nasza odpowiedź (wniosek z definicji, nie z klucza): a — zasada współdziałania czynników (światło zmienia zapotrzebowanie na cynk), b — prawo minimum, c — prawo tolerancji.