Organizarea gruparilor de vietuitoare

Organizarea gruparilor de vietuitoare

Ideea ca intrega materie (vie si nevie) se bazeaza pe structuri aflate in interactiune a condus la introducerea conceptiei sistemice in biologie, de catre Ludwig yon Bertalanffy (1932). Organizarea sistemicii a materiei vii consta in constituirea unor ansambluri, in care conexiunile dintre componenti, functiile lor si relatiile spatiale confera ansamblului o calitate proprie si contribuie la mentinerea lui, la indeplinirea functiilor lui.

Functie de complexitatea lor, sistemele biologice au fost ierarhizate pe urmatoarele nivele de organizare: individual, populational (sau al speciei), biocenotic si al biosferei.

Ecologia este disciplina biologiei care se ocupa cu studiul sistemelor complexe alcatuite din sisteme biologice si mediul lor.

Ecologia, ca studiu al relatiilor complexe care se stabilesc intre vietuitoare si mediul inconjurator, intre populatiile diferitelor specii, cuprinde doua diviziuni: autecologia care studiaza relatiile fiecarei specii in parte cu mediul ei, si sinecologia, corespunzand etapei modeme, sintetice, din dezvoltarea ecologiei, care studiaza relatiile tuturor speciilor dintr-o comunitate biotica cu mediul lor (prin mediul natural intelegandu-se totalitatea conditiilor energetice, fizice, chimice si biologice care actioneaza asupra organismelor).

Ecologia se ocupa deci cu studiul sistemelor supraindividuale: populatie, biocenoza, ecosistem si biosfera (Fig. 22).

Acestea sunt sisteme deschise cu insusiri comune tuturor sistemelor biologice:

caracter istoric (avand o evolutie in timp, mostenesc de la sistemele precedente o serie de caracteristici);

caracter informational, posedand o cantitate de informatie in fiecare subsistem pe baza careia functioneaza si pe care o transmit fidel mai departe fara alterarea continutului ei;

integralitate, fiind constituite din ansambluri diferentiate cu functii proprii si dependente intre ele si fata de intreg (N. Botnariuc, 1976);

echilibru dinamic - sistemele biologice evolueaza mentinandu-si o stare apropiata de echilibrul ideal, numita stare mobila de echilibru sau echilibru dinamic;

autoreglare - capacitatea de a-si controla si corecta activitatea proprie cu ajutorul mecanismelor de autoreglare.

III. 1 . Populatia

Populatia este un sistem supraindividual cu caracter universal in lumea vie (nu exista specii care sa nu fie organizate macar intr-o singura populatie) si valoare de nivel de organizare, alcatuit dintr-o grupare de indivizi de aceesi specie, ce traiesc si actioneaza impreuna si in relatie cu aceleasi conditii de mediu intr-un spatiu determinat. Ca orice sistem deschis, prezinta schimb de energie si materie cu mediul inconjurator, mentinandu-se ca un intreg prin mecanisme de control si autoreglare. Speciile sunt reprezentate deci in natura de populatii asemanatoare, dar nu identice; acestea se dezvolta fiecare ca un tot unitar, izolat reproductiv de restul lumii biotice. De exemplu doua grupuri de soareci de camp (Microtus arvalis), care ocupa habitate diferite - unul in pajisti alpine, altul in culturile de camp, formeaza populatii diferite (Viorica Simionescu, 1980). In aceste comunitati reproductive, denumite si populatii locale, exista tendinta de uniformizare genetica si fenotipica. Aceasta se realizeaza prin selectia naturala, fiind avantajati acei indivizi, strict adaptati la conditiile habitatului respectiv.

Cum habitatele din arealul speciei prezinta o variabilitate a conditiilor de viata, are loc implicit o diversificare a populatiilor speciei intre ele; aceasta este cu atat mai evidenta cu cat arealul speciei este mai intins si mai variat.

Se ajunge astfel la populatii cu un grad mare de diferentiere intre ele, denumite populatii geografice (rase geografice), care pot fi descrise ca subspecii in cadrul speciei date cu patrimonii genetice, trasaturi fenotipice si caracteristici ecologice usor diferite (N. Ceapoiu, 1980). De exemplu, in unele masive muntoase (Ceahlau, Bucegi, Ciucas), la limita superioara a zonei forestiere, apar palcuri pure de larice - Larix decidua ssp. carpatica, conifer cu frunzele cazatoare, care contrasteaza cu molidisurile inconjuratoare, formand populatii carpatice de larice.

Populatiile din cadrul unei specii se pot delimita si ca urmare a adaptarii lor la conditiile particulare ale biotopului; in acest caz iau nstere populatii ecologice, apoi subspecii care diferentiindu-se si mai mult intre de ajung sa se izoleze reproductiv si astfel sa dea nastere la specii noi.

Dintre elementele principale ale organizarii populatiei, care se constituie de fapt in caracteristicile acesteia, amintim:

structura demografica, ce se refera la elementele cantitative ale populatiei, ca efectiv numeric, densitate;

structura spatiala, ce se refera la elemente privind spatiul cum ar Ii dispersia (modul de repartitie al indivizilor in spatiullocuit);

structura ecologica, reprezentata prin diferite grupe ecologice de varsta si sex;

structura functionala, care se refera la anumite capacitati sau potente ale populatiei, reprezentate prin natalitate si mortalitate.

III. 2 . Biocenoza

Rolul populatiei in cadrul biocenozei poate fi apreciat prin evaluarea fluxului de energie care se scurge prin acea populatie in unitatea de timp, activitate ce presupune cunosterea numarului de generatii pe an, dinamica efectivului, densitatea si biomasa, productivitatea si respiratia. Viteza de asimilare obtinuta din marimea productiei si respiratiei ofera date despre fluxul de energie la nivelul populatiei. Bugetul energetic al populatiei se exprima in calorii raportate la unitatea de timp, iar formula de calcul al bugetului energetic al unei populatii este urmatoarea:

C = P + R + F + V,

in care:

C = energia consumata sau ingerata;

P = productia;

R = cheltuiala de energie;

F = egesta, reprezentata de fecale;

U = excreta, respectiv excretata prin urina si piele (C.Pfuvu, 1999).

Pentru evolutia speciei, populatia este foarte importanta deoarece este sediul in care se produce selectia naturala, proces care elimina de la reproducere indivizii mai putin adaptati conditiilor de mediu, pastrandu-i pe cei ale caror caractere fenotipice si genetice sunt cel mai bine armonizate mediului.

Nisa ecologica reprezinta unitatea de distributie a speciei, determinata de resursele de hrana, de factorii abiotici si componentele spatiale. Se admite ca intr-o biocenoza, o populatie ocupa o nisa. Doua populatii, apartinind la doua specii diferite, nu pot avea nise identiee privind toate componentele; pot coexista in aceleasi locuri, dar folosesc hrana diferita. De exemplu: speciile de biban Lepomis si bibanul negro cogum mare: Micropterus salmoides traiesc in acelesi locuri dar folosesc hrana diferita. Alte specii pot coexista in acelasi spatiu dar au ore diferite de activitate (M. Berea, 2000).

Populatiile diferitelor specii de plante, animale si microorganisme formeaza in natura asociatii in baza acelorasi preferinte pentru conditiile mediului fizic.

Biocenoza este o grupare de fiinte vii, corespunzand prin pozitia sa, prin numarul de specii si de indivizi la anumite conditii de mediu, grupare de fiinte legate printr-o dependenta reciproca si care se mentin pentru reproducere intr-un anumit loc in mod permanent. Structura biocenozelor este rezultatul interferentei atat a factorilor abiotici cat si biotici. Conditiile de mediu pot permite intrarea unor noi specii in biocenoza, cand ele se suprapun cu preferintele acestora, dar instalarea lor definitiva depinde de interferenta cu competitorii.

Biocenoza reprezinta un nivel de organizare a naturii vii, foarte mobil, istoric constituit in biosfera, in care populatiile sunt interdependente nu numai teritorial ci si functional. Relatiile trofice leaga direct sau indirect toate speciile intr-o populatie unica. Aceste legaturi trofice asigura circuitul substantelor din mediul neviu in cel viu si invers.

Rolul biocenozei in asigurarea continuitatii circuitului substantei si implicit al transferului energetic in natura, a subliniat ideea ca biocenoza reprezinta o unitate inseparabila cu mediul ei, impreuna formand un sistem. Biocenoza se prezinta deci ca un ansamblu de populatii de specii diferite, traind pe un teritoriu determinat si care reprezinta o unitate organizata, la care apar trasaturi caracteristice in plus fata de componentele ei populationale, unitate care functioneaza ca un intreg.

Biocenoza este alcatuita dintr-o fitocenoza, zoocenoza si o microcenoza sau microbocenoza (ce include si micocenoza), ale caror combinatii de specii sunt determinate de proprietatile biotopului.

Biotopul este constituit din elemente ale litosferei, hidrosferei, atmosferei si energiei de origine solara, din elemente concretizate in substrat si regimul climateric. Substratul reprezinta suportul material al biocenozei sau habitatul, respectiv solul in ecosistemele terestre si cele de pe fundul apelor si masele de apa din largul marilor sau apelor dulci.

Substratul contine substantele anorganice incluse in circuite si combinatiile organice care leaga direct partea biotica de cea abiotica. Regimul climateric rezulta din interactiunea macroclimei regionale cu biocenoza si substratul constituind clima totala (Viorica Simionescu, 1980).

Din punct de vedere functional, prin intermediul relatiilor trofice, elementele biocenotice apar impartite in organisme autotrofe, constituind producatorii, si organisme heterotrofe care pot fi consumatoare de organisme vii (biofag) sau consumatoare de substanta organica moarta (saprofag).

Complexitatea structurii biocenozei, care cuprinde de obicei specii de origini diferite, permite ca fiecare forma de trai sa fie reprezentata prin cateva specii ecologic apropiate. Eliminarea uneia sau mai multor specii din biocenoza nu duce la pieirea ei, tipul de asociatie pastrandu-se chiar daca componenta pe specii nu se pastreaza constanta.

Una din trasaturile caracteristice sistemului biocenotic este productivitatea, insusire pe care o poseda fiecare populatie in parte, dar care nu se poate realiza in afara biocenozei.

III.3. Ecosistemul

Ecosistemul este un sistem complex alcatuit din biocenoza si biotop, adica un fragment de scoarta terestra populat si transformat de o biocenoza.

Considerat parte structurala si functionala a naturii, ecosistemul este unitatea de baza a ordinii in natura, conturat multimilenar in complexul interactiunilor ecologice. Ecosistemele sunt deci unitati fundamentale functionale ale biosferei caracterizate printr-o structura spatiala definita, prin interactiuni definite intre biotop si organismele vii, prin circulatia, transformarea si pierderea energiei. Cu alte cuvinte, ecosistemul este un ansamblu format din elemente vii, vegetale (fitocenoza), animale (zoocenoza) si microorganisme (microbocenoza), care constituie biocenoza si mediul fizic sau biotopul in care acestea traiesc (Fig. 24). Privite sub aspect functional, organismele vii sunt verigi ale lanturilor trofice (Fig. 25) si se clasifiea in organisme autotrofe (capabile sa-si elaboreze hrana din substante anorganice simple) si organisme heterotrofe (se hranesc cu organisme vii sau materie organica provenita prin moartea acestora). Din prima categorie fac parte plantele verzi si reprezinta producatorii, iar din a doua categorie fac parte animalele, care pot fi macroconsumatori sau biofagi, cand se hranesc cu organisme vii si microconsumatori sau saprofagi, care se hranesc cu substanta organica moarta.

Functiile de baza ale eeosistemului sunt: functia energetica, de circulatie a materiei si de autoreglare. Altfel spus "esenta functionarii unui ecosistem eonsta in antrenarea energiei solare si a substantelor nutritive in cireuitul biologic, unde sunt transformate in sub stante organice ce intra in alcatuirea populatiilor din biocenoza' (Gh.Mohan, A.Ardelean, 1993).

Ecosistemele sufera o serie de procese evolutive incepand cu stadiul de pionierat pana la saturarea habitatului cu specii, numit stadiu de climax.

Fig. 24. Schema rela!iilor intre componentele biogeocenozei (dupii Y.N. Sukacev, 1964, din D.Ivan, 1969)

Festuca rubra, fag Iepure, caprine leu, ras

Producatori    consumatori primari consumatori secundari

Fig. 25. Lan! trofic simplificat intr-un ecosistem terestru (dupii G.T. Miller, Jr., 1990)

In acest stadiu se realizeaza o stare optima a ecosistemului prin mentinerea unui echilibru mobil amt in interactiunea dintre partea vie si cea nevie, cat si in interactiunea componentilor autotrofi si heterotrofi.

Interactiunea dintre partea vie si cea nevie este inteleasa ca o conditionare continua si reciproca a celor doua componente - biocenoza si biotopul ei -, posibila prin fluxul de materie intre viu si neviu care asigurasi un schimb de informa!ie in acelasi timp. Pentru evaluarea interactiunii biotop-biocenoza la un moment dat este necesara estimarea informatiei totale a ecosistemului identificata ca negentropie, adica valoarea negativa a entropiei fizice (a dezordinii sistemului). Conform legii entropiei, in univers exista o degradare calitativa continua a energiei libere (structura ordonata) in energie legata (structura dezordonata), cu alte cuvinte, o transformare continua a ordinii in dezordine, deoarece caldura se deplaseaza de la corpul cald la cel rece si niciodata invers.

Interacfiunea componentilor autotrofi si heterotrofi se realizeaza in asa fel incat intre consumul heterotrof si producerea autotrofii sa fie un decalaj; acest decalaj apare si ca urmare a separarii spatiale in spatiu si timp a autotrofilor si heterotrofilor, prin dispunerea acestora in straturi suprapuse, diferite ca tip de metabolism si intensitate a acestuia. Astfel, in stratul superior, numit si ,,zona verde" predomina cu eficien!a maxima metabolismul autotrof, in timp ce in stratele de jos, numite si ,,zona brunii", domina metabolismul heterotrof, o mica parte din productia vegetala intrand in consumul direct si imediat, restul acumulandu-se la nivelul solului si fiind supus unei descompuneri lente prin actiunea microconsumatorilor.

III.4. Ecosfera

Ecosfera este sistemul ce integreaza intreg substratul abiotic al Pamantului (alcatuit din stratul inferior al atmosferei, stratul superior al litosferei si hidrosfera), denumit si toposfera (N. Botnariuc, 1976), si biosfera sau invelisul viu al Pamantului, alcatuita din totalitatea biocenozelor, respectiv a biomurilor. Intre componenta vie si cea nevie a ecosferei exista o stransa interdependenta, aceasta manifestand insusirile comune tuturor sistemelor biologice: integralitate, echilibru dinamic si autoreglare.

Toposfera asigura prin componentele sale mentinerea vietii pe Pamant, fiicand parte efectiv din structura ecosistemelor si a ecobiomurilor.

Atmosfera este importanta pentru invelisul viu prin stratul sau inferior - troposfera - inalta de 10-11 km si continand 79 % din masa totala de aer, strat care prin temperatura si umiditatea pe care le realizeaza si le repartizeaza diferit pe suprafata globului, are un rol ecologic determinant in geneza si evolutia biomurilor si a vietii in general.

Litosfera este importanta pentru mentinerea vietii prin stratul ei superficial, indiferent daca acesta este uscat sau acoperit de apa, indiferent de forma de relief si de solul care o acopera si care este rezultatul interactiunii dintre partea minerala, aer, apa si fiintele vii.

Hidrosfera, sau invelisul de apa, acoperind 71 % din suprafata globului - de unde numele de "Planeta albastra' dat Pamantului -, este componenta de care se leaga aparitia si evolutia vietii, fiind constituentul de baza al materiei vii, suportul tuturor functiilor organismelor vii.

Prezenta in trei stari de agregare, in mari si oceane, rauri si lacuri, subteran si in atmosfera, in calota glaciara, apa se gaseste intr-un circuit continuu, conditionat de energia solara si de fortele gravitationale.

Biosfera ocupa "locul cel mai inalt in ierarhia nivelurilor de organizare a sistemelor biologice, iar sub aspect ecologic, reprezinta clementul de referintii primordial at mediului abiotic generat de litosfera, hidrosfera, atmosfera si fara de care nu poate exista". (C.Parvu, 1999).

Interactiunea permanenta intre componenta abiotica si sistemele biologice reprezentate prin biomuri se reflectii in circuitul materiei, energiei si informatiei, desfasurat la scara planetara, circuit in care materia se transforma, evolueaza, cu cheltuiala de energie provenitii de la Soare si control informational cu autoreglare tip feed-back.

Cireuitele biogeoehimice se desfasoara amt la nivelul ecosistemelor, unitatile functionale elementare, concrete ale ecosferei, cat si la nivelul biomurilor si biosferei si sunt de doua tipuri:

- circuite gazoase, care sunt inchise sau perfecte, avand in altmosfera rezerorul principal al elementelor chimice (C, N, O);

- circuite sedimentare, care sunt deschise sau imperfecte, avand intrarile si iesirile de elemente chimice neechilibrate.

Circuitul biogeochimic al carbonului de la un rezervor la altul se face prin intermediul proceselor biologice si al interactiunilor cu procesele fizico-chimice. Carbonul este luat de plantele autotrofe din troposfera sub forma de CO₂ si prin fotosinteza este tixat in substantele organice care alcatuiesc corpul plantei. Plantele reprezinta astfel prima veriga a lanturilor trofice (aceea a producatorilor) si constituie hrana animalelor (consumatorii) care transforma materia organica vegetala in componenti organici specifici organismului animal. Dupa moartea organismelor vegetale si animale resturile organice sunt descompuse si mineralizate (ia dioxid de carbon, apa si saruri minerale) de catre microorganismele heterotrofe ce constituie veriga descompunatorilor. Prin respiratia organismelor vegetale, animale si a descompunatorilor atmosfera se imbogateste in CO₂ (Fig. 26).

Circuitul biogeochimic al azotului are ca baza de plecare tot rezerva atmosferica. Azotul elementar din aer este luat de catre bacteriile fixatoare de azot din sol (libere si simbionte) si transformat in forme accesibile plantelor (nitrati, nitriti, ionul amoniu). Acestea folosesc azotul pentru elaborarea substantelor proteice. Din plante 0 mica parte trece 'in corpul animalelor, iar restul ajunge in sol si participa la nutritia micrunrganismelor si formarea humusului. Azotul din compusii organici vegetali si animali este mineralizat pana la amoniac (prin amonificare) de catre micrunrganismele proteolitice. Apoi amoniacul este oxidat pana la nitrati de catre micrunrganismele nitrificatoare, forma sub care sunt absorbiti de plante.

Acest proces se desfasoara deosebit de intens in conditii aerobe.

In solurile slab aerisite, cu apa stagnanta mineralizarea azotului se opreste la faza de amoniac si este absorbit de plantele specializate in folosirea acestei forme. Amonificarea si nitrificarea reprezinta fenomene de baza in circuitul biologic al azotului. In anaerobioza intervine si denitrificarea (reducerea nitratilor pana la azot molecular), proces invers celui de fixare a azotului atmosferic, pus pe seama activitatii bacteriilor denitrificatoare.

Circuitul biogeochimic al fosforului. Fosforul mineral dizolvat in apa intra in circuitul ecosistemului care cuprinde un circuit biologic la nivelul algelor fitoplanctonice si al animalelor si un circuit geochimic la nivelul interactiunii sedimentelor cu compusii fosforului din apa. Plantele absorb fosforul sub forma de ioni ai acidului ortofosforic (monofosfat: P0₄); acesti ioni se mentin in solutia solului daca pH-ul este acid (1,8-6,2), in conditii de aciditate mai mare, ionii trec in forme greu solubile.

Circuitul biogeochimic al calciului are ca plecare rezervele minerale din sol si cele organice rezultate prin descompunerea organismelor moarte. Plantele absorb calciul sub forma de cation (Ca₂₊), fiind absolut necesar in functionarea celulelor prin asigurarea echilibrului hidric celular incorelatie cu prezenta potasiului.

Fluxurile energetice. Soarele reprezinta sursa principala de energie pentru intreaga biosfera, energia chimica obtinuta de unele micrunrganisme aerobe si anaerobe prin oxidarea un or compusi chimici avand o pondere neglijabila in comparatie cu prima. Fluxul de energie solara incident pe atmosfera terestra de 1,34 x 1024 cal/an este utilizat in proportie de cca. 4 % de plantele verzi (producatorii primari) pentru fixarea in procesul de fotosinteza a unei cantitati de aprox. 5 x 1013 kg carbon in materie organica. Aceasta materie organica este folosita sub forma de hrana de catre organismele heterotrofe fitofage reprezentate de animale si unele microrganisme, care prin metabolizare, stocheaza energia in compusi organici specifici organismului lor. Transferul de energie de la producatori la consumatorii de diferite ranguri din lanturile trofice si apoi la descompunatori se desfasoara conform legilor termodinamicii, insa la trecerea de la o veriga la alta au loc pierderi de energie calorica deoarece din fluxul de energie, numai o mica parte este transferata altei verigi. Fluxurile de carbon si de energie libera se desfasoara intr-o singura directie, materia reciclandu-se.

In cadrul ecosistemelor cantitatea de substanta organica produsa reprezinta productia bruta (energia libera stocata). O parte din aceasta este folosita ca sursa de energie pentru desfasurarea activitatii plantelor (concretizata prin pierderi in procesul respiratiei), iar o alta parte, reprezentand productia neta este pusa la dispozitia nivelului trofic urmator; aceeasi nota functionala are loc la fiecare nivel trofic (C.Parvu, 1999). in fig. 28 este reprezentata productivitatea primara/an a biomurilor terestre si acvatice de pe glob.

In natura au loc schimburi respectiv importuri si exporturi de energie intre ecosistemele unui biom. Exemplu: biomul lotic reprezentat de un parau primeste energie libera stocata sub forma de materie organica transportata de torenti din zonele inconjuratoare si la randul lui exporta energie sub forma de organisme vii si aluviuni organice raului in care se varsa. Aceste transferuri de materie si energie sunt caracteristice tuturor sistemelor biologice si ecologice, numite in consecinta sisteme deschise, indiferent de complexitatea lor.