Ekosystem jest układem ekologicznym, który składa się z biocenozy oraz biotopu. Biocenozę stanowią organizmy żywe, biotopem jest środowisko abiotyczne. W ekosystemie biocenoza jest ściśle powiązana z biotopem i tworzy z nim funkcjonalną całość. Ekosystemy posiadają określoną strukturę, a ich funkcjonowanie uwarunkowane jest dopływem energii z zewnątrz i jej przepływem przez ekosystem oraz obiegiem materii. Ekosystemy podlegają rozwojowi, którego przejawem jest sukcesja ekologiczna. Uszkodzenie nawet jednego elementu w ekosystemie powoduje zaburzenie w jego funkcjonowaniu.
Charakterystycznymi cechami ekosystemu jest:
• struktura przestrzenna,
• struktura troficzna,
• przepływ energii i obieg materii,
• rozwój ekosystemu,
• zdolność do samoregulacji i względna stabilność.
Struktura przestrzenna ekosystemu
Każdy ekosystem zajmuje określony obszar i jest wydzielony przestrzennie. Wielkość tego obszaru uwarunkowana jest jednolitością i rozkładem warunków biotopowych w przestrzeni, stąd ekosystemem jest zarówno las lub morze, jak i źródło czy zagajnik. Granicę między ekosystemami stanowi przejściowy pas o różnej szerokości zwany ekotonem charakteryzujący się dużą różnorodnością gatunkową. Ekosystemy, będąc układami otwartymi, są ze sobą powiązane.
Wyróżnia się ekosystemy lądowe i wodne. Ich struktura przestrzenna wynika ze zróżnicowania warunków środowiska abiotycznego powiązanego z biocenozą. Zróżnicowanie przestrzenne ekosystemów dotyczy zarówno zróżnicowania w płaszczyźnie poziomej, jak i pionowej. Zróżnicowanie w płaszczyźnie poziomej wynika ze zróżnicowania podłoża i przejawia się mozaikowatością siedlisk. Zróżnicowanie pionowe związane jest zwłaszcza z oświetleniem, do którego przystosowują się organizmy tworzące biocenozę w danym ekosystemie. Efektem jest warstwowość ekosystemu. W ekosystemach lądowych mówi się o warstwach /piętrach/, w ekosystemach wodnych o strefach.
Struktura troficzna ekosystemu
Struktura troficzna dotyczy powiązań pokarmowych w obrębie ekosystemu. Ze względu na podobną rolę w procesach energetycznych zachodzących w obrębie ekosystemu wyróżnia się dwie grupy organizmów: producentów i konsumentów, przy czym spośród konsumentów wyodrębnia się grupę destruentów.
Producenci stanowią pierwszy poziom troficzny. Są to organizmy autotroficzne, wśród których wyróżnia się fotoautotrofy /glony, rośliny zielone i bakterie fotosyntetyzujące/ oraz chemoautotrofy /bakterie chemosyntetyzujące/. Organizmy te w procesie fotosyntezy lub chemosyntezy wytwarzają ze związków nieorganicznych substancje organiczne wykorzystywane jako budulec własnego ciała lub źródło energii.
Konsumenci tworzą kolejne poziomy troficzne. Są to organizmy heterotroficzne, które pobierają gotową materię organiczną uzyskiwaną bezpośrednio lub pośrednio od producentów. Stąd wyróżnia się konsumentów I rzędu odżywiających się roślinami oraz konsumentów kolejnych rzędów, którzy odżywiają się innymi zwierzętami.
Destruenci są wydzieloną grupą konsumentów, która w łańcuchach pokarmowych stanowi ogniwo łączące konsumentów z producentami, dzięki czemu możliwy jest obieg materii w przyrodzie. Jako organizmy saprofityczne rozkładają szczątki roślinne i zwierzęce do prostych związków nieorganicznych.
Zależności pokarmowe
Organizmy w ekosystemie powiązane są ze sobą różnymi zależnościami pokarmowymi, które obrazują łańcuchy troficzne.
Wyróżnia się dwa rodzaje łańcuchów pokarmowych:
– łańcuchy biofagów /spasania/ prowadzące od roślin przez roślinożerców do drapieżników;
– łańcuchy detrytusowe biegnące od martwej materii organicznej przez mikroorganizmy i saprofagi do drapieżników. Łańcuchy pokarmowe danego ekosystemu tworzą sieć pokarmową, w której jeden gatunek może wchodzić w skład różnych łańcuchów pokarmowych.
Obieg materii i przepływ energii
Ekosystem jest układem otwartym, który wymaga ciągłego dopływu energii z zewnątrz i nieustannie wymienia materię i energię między swoją częścią biotyczną a abiotyczną, jak również między sąsiednimi ekosystemami.
Produktywność ekosystemów to wskaźnik szybkości magazynowania energii zawartej w materii organicznej. Wyróżnia się produktywność pierwotną i produktywność wtórną.
Produktywność pierwotną określa szybkość, z jaką producenci gromadzą energię świetlną w materii organicznej, która zawarta jest w ich biomasie.
Produktywność wtórna to szybkość kumulowania energii w biomasie konsumentów.
Przepływ energii z jednego poziomu troficznego na drugi zachodzi w biocenozie poprzez łańcuchy pokarmowe. Ze względu na straty energetyczne związane z przechodzeniem na coraz wyższe poziomy troficzne, na każdym poziomie ilość energii przeznaczonej na produkcję jest mniejsza niż ilość energii pobranej.
Cykle biogeochemiczne
W ekosystemie między biocenozą a biotopem odbywa się ciągłe krążenie materii. Obiegi pierwiastków w przyrodzie noszą nazwę cykli biogeochemicznych. Szczególną uwagę poświęca się obiegowi węgla i azotu.
W obieg węgla włączona jest fotosynteza i oddychanie wewnątrzkomórkowe. Węgiel pobrany przez organizmy autotroficzne w postaci dwutlenku węgla, jest wykorzystywany do syntezy związków organicznych, a następnie służy organizmom na kolejnych poziomach troficznych jako składnik materiałów budulcowych i energetycznych. Powrót dwutlenku węgla do atmosfery odbywa się dzięki oddychaniu wewnątrzkomórkowemu w żywych organizmach.
Obserwuje się podwyższanie ilości CO2 w atmosferze ustalonej w toku ewolucji na stałym poziomie. Przyczyną jest efekt cieplarniany spowodowany nadmiernym spalaniem paliw kopalnych.
Obieg azotu uwarunkowany jest przez kilka procesów:
– wiązanie azotu atmosferycznego przez bakterie oraz sinice i przetwarzanie go w azotany dostępne roślinom;– wytwarzanie organicznych związków azotowych przez rośliny oraz pobieranie i przetwarzanie ich przez zwierzęta;
– uwalnianie amoniaku ze szczątków organicznych przez bakterie i grzyby;
– nitryfikację prowadzoną przez bakterie, które umożliwiają przetworzenie amoniaku w azotany;
– denitryfikację polegająca na rozkładzie przez bakterie azotanów do azotu atmosferycznego.
Sukcesja ekologiczna
Sukcesja jest uporządkowanym procesem przekształcania się ekosystemu, podczas którego zachodzą stopniowe zmiany jego składu gatunkowego i warunków środowiska abiotycznego pod wpływem biocenozy.
W przemianach sukcesyjnych kolejne zespoły organizmów zastępowane są przez inne o coraz większym stopniu złożoności. Sukcesję rozpoczyna stadium pionierskie, po którym następują stadia pośrednie, zwane seralnymi, prowadzące do stadium trwałego i w pełni ustabilizowanego, zwanego klimaksem. Wyróżnia się sukcesję pierwotną i wtórną.
Sukcesja pierwotna rozpoczyna się na terenie uprzednio niezasiedlonym przez żadną inną biocenozę, np. na piaskach odsłoniętych przez cofające się morze, nagiej skale.
Sukcesja wtórna odbywa się na terenie zajętym wcześniej przez inną biocenozę, np. podczas zarastania jeziora, na terenach zniszczonych przez pożar.
Równowaga ekologiczna
Ustabilizowany ekosystem ma zdolność do wyrównania różnych zakłóceń uwarunkowanych jego otwartym charakterem, zmianami czynników środowiskowych lub działalnością człowieka. Stan równowagi wewnętrznej ekosystemu nosi nazwę homeostazy. Cechuje ją równowaga w stosunkach między populacjami /ilościowych i jakościowych/ oraz niezakłócony przepływ energii i obieg materii.