dr hab. inż. Tadeusz Przemysław Trzmiel
profesor nadzw. PŁ
Instytut Biochemii Technicznej
Wydział Biotechnologii i Nauk o Żywności
POLITECHNIKA ŁÓDZKA
EKOLOGIA BIOCHMICZNA
W górach jest wszystko, co kocham.
I wszystkie wiersze są w bukach
i zawsze kiedy tam wracam
biorą mnie klony za wnuka.
Dla Celiny-Kici Wuj Przem
ŁÓDŹ 2012
Ekologia biochemiczna jest dyscypliną naukową powstałą z połączenia się dwóch dziedzin naukowych: biochemii oraz ekologii. Pomimo, że obie te dziedziny nie mają ze sobą wiele wspólnego – bowiem ekologia opiera się głównie na obserwacjach i badaniach plenerowych, natomiast biochemia jest nauką ścisłą opartą o badania eksperymentalne – ich połączenie pozwoliło odpowiedzieć na wiele pytań z obu dziedzin nauki, które wcześniej pozostawały bez odpowiedzi.
Ekologia biochemiczna głównie zajmuje się wyjaśnieniem specyficznych cech równowagi ekologicznej w biosferze oraz mechanizmami jej podtrzymywania i zakłócania. Analizuje, jak wpływa na powiązania ekologiczne i na stabilność ekosystemów dostęp i krążenie pierwiastków biogennych oraz jaka jest rola metabolitów wtórnych. Bada m.in. budowę i funkcję tych biomolekuł, a także rozmaitych innych związków organicznych wytwarzanych przez komórki żywych organizmów podczas metabolizmu. Wskazuje jednocześnie, jak polutanty i ksenobiotyki mogą zakłócać procesy ekologiczne i zmieniać równowagę ekologiczną w ekosystemach. Dzięki temu ujawnia kompleksowość oddziaływań i przystosowań koewolucyjnych występujących pomiędzy organizmami żyjącymi we wspólnym środowisku. Nauka ta wyjaśnia również w sposób racjonalny i satysfakcjonujący przyczyny istnienia olbrzymiej różnorodności produktów wtórnego metabolizmu u mikroorganizmów, roślin oraz zwierząt.
Dla porządku, w tym miejscu zostaną zdefiniowane pojęcia używane w dalszej części tego skryptu.
Adaptacja – wytworzenie się zmian biochemicznych i fizjologicznych (zarówno strukturalnych jak i enzymatycznych) umożliwiających organizmowi lepsze wykorzystanie warunków środowiska zewnętrznego lub większe uniezależnienie się od jego szkodliwego wpływu
Biocenoza – zespół organizmów zwierzęcych, roślinnych i drobnoustrojów żyjących na określonym terenie (biotopie), stanowiący autonomiczną jednostkę ekologiczną o biologicznej równowadze dynamicznej.
Biochemia – nauka zajmująca się chemią w organizmach żywych, a w szczególności biosyntezą, strukturą, stężeniem, funkcjami (w tym skutkami niedoboru oraz nadmiaru) i przemianami substancji chemicznych w organizmach (z uwzględnieniem aspektów energetycznych).. Typowe związki chemiczne będące przedmiotem badań biochemicznych to białka (w tym enzymy), polisacharydy, kwasy nukleinowe (tj. RNA i DNA), aminokwasy, węglowodany, lipidy, nukleotydy, hormony i inne występujące naturalnie w środowisku.
Biosfera jest to przestrzeń (środowisko) bytowania organizmów.
Biotop to obszar jednorodny pod względem czynników abiotycznych i biotycznych, stanowiący środowisko życia biocenozy. Obecnie często rozumiany jest jako siedlisko nieożywione zmienione przez biocenozę. Zbliżonym terminem jest siedlisko (habitat), określane jako zespół czynników niezależnych od biocenozy.
Czynniki abiotyczne – czynniki nieożywione występujące w danym biotopie (podłoże życia danej biocenozy). Obejmują one fizyczne i chemiczne czynniki środowiska (temperaturę, światło, natlenienie, klimat, rzeźbę terenu, wody i gleby, a w nich stężenie biogenów, czyli pierwiastków niezbędnych do rozwoju żywych organizmów – makroelementy, mikroelementy i ultraelementy, itp.).
Czynniki toksyczne (substancje toksyczne) to szkodliwe czynniki fizyczne lub trujące substancje chemiczne, przenikające ze środowiska do organizmu (czy całej populacji). Wywołują zaburzenia procesów życiowych a nawet śmierć.
Ekologia – nauka zajmująca się głównie obserwacją i badaniem oddziaływań pomiędzy żywymi organizmami w ich środowisku naturalnym, badająca zachowania organizmów różnych gatunków oraz zależności występujące w grupach organizmów tego samego gatunku.
Ekosystem to układ ekologiczny obejmujący żywe organizmy (biocenozę) i środowisko nieożywione (biotop), w którym zachodzi obieg materii i przepływ energii.
Ekotoksyny – substancje chemiczne (nieorganiczne i organiczne) nagromadzone w nadmiarze w biotopie w wyniku degradacji środowiska naturalnego, mający negatywny wpływ na cały ekosystem. Hamują zazwyczaj procesy metaboliczne.
Ksenobiotyki to substancje obce i szkodliwe dla środowiska naturalnego, syntetyzowane sztucznie przez człowieka i nie występujące naturalnie w przyrodzie.
Metabolity wtórne to substancje o różnorodnej budowie chemicznej wytwarzane podczas metabolizmu komórkowego w szlakach peryferyjnych i wydzielane przez żywe organizmy do środowiska w niewielkich ilościach, nie będące dla nich źródłem energii ani składnikiem strukturalnym, a odgrywające głównie rolę nośników informacji lub regulatorów procesów ekologicznych, w tym w oddziaływaniach pomiędzy żywymi organizmami.
Patotoksyny (fitotoksyny), to metabolity grzybów lub bakterii patogenicznych dla roślin, toksyczne dla roślin i odpowiedzialne za wywołanie choroby lub jej określonych objawów.
Polutanty to substancje szkodliwe (często o charakterze toksycznym) zawarte w odpadach przemysłowych lub powstające w wyniku ich biodegradacji, które zanieczyszczają (skażają) i niszczą środowisko przyrodnicze.
Synekologia – dział ekologii, który bada zjawiska zachodzące w biocenozie w zbiorowiskach organizmów oraz zależności między zbiorowiskami a ich siedliskiem (m.in. synergizm – współdziałanie).
Wszystkie organizmy żywe zamieszkujące naturalne ekosystemy wypełniają ściśle określone funkcje:
· producenci – przetwarzają energię słoneczną i gromadzą ją w substancjach chemicznych,
· konsumenci – zużywają te substancje i nagromadzoną w nich energię,
· destruenci – zapewniają mineralizację substancji organicznej i tym samym zamykają krążenie materii i energii w ekosystemach.
Sukcesja ekologiczna to naturalne następstwo (po sobie) wybranych gatunków roślin i zwierząt, a także drobnoustrojów. Np. niektóre grupy mikroorganizmów występują kolejno po sobie prowadząc sukcesywną przemianę materii. Proces kolejnych dominacji drobnoustrojów z różnych grup powtarza się, aż do całkowitego rozkładu substratu – występuje m.in. przy samooczyszczaniu wód.
Środowisko naturalne to część środowiska przyrodniczego obejmująca ogół ożywionych i nieożywionych składników przyrody znajdujących się w stanie naturalnym – inaczej: natura, dzika przyroda lub Środowisko Naturalne – zgodnie z propozycją pisane przez duże N, dla odróżnienia od pojęcia środowisko naturalne, czyli środowisko przyrodnicze przekształcone przez człowieka, w którym sam zamieszkuje.
Ogólnie środowisko naturalne można traktować jako ekosystem czy też mikro-, mini-, makro- autonomiczne ekosystemy (np. palmiarnia, akwarium, itp.).
Toksyny to substancje chemiczne wytwarzane przez organizmy żywe (np. niektóre bakterie i pleśnie), mające właściwości trujące dla innych organizmów (np. antybiotyki). Stąd niemożność występowania pewnych gatunków organizmów obok siebie.
Pomiędzy organizmami żyjącymi we wspólnym środowisku na drodze ewolucji wytworzyło się mnóstwo zależności nazwanych w tym rozdziale oddziaływaniami wewnątrz ekosystemu. Organizmy stanowiące biocenozę wpływają na siebie wzajemnie oraz na biotop na ściśle określonych zasadach, w ten sposób formuje się tak zwana równowaga ekologiczno-biochemiczna, każda obca ingerencja w ekosystem może zakłócać tę równowagę i doprowadzić do trwałych szkód w środowisku.
Wzajemne zależności w ekosystemie możemy podzielić na trzy grupy:
1. konkurencja pomiędzy organizmami ekosystemu o terytorium bytowania, dostęp do światła, wody i składników odżywczych (m.in. pierwiastków biogennych).
2. oddziaływania mające na celu wzajemną komunikację i przekazywanie informacji pomiędzy osobnikami tego samego gatunku, a także oddziaływania pomiędzy organizmami różnych gatunków.
3. oddziaływania w sferze psychologicznej - zależności takie można zaobserwować wśród zwierząt, ale przede wszystkim to człowiek wykształcił w sobie możliwość wpływania na innych poprzez praktyki psychologiczne.
Zarówno w pierwszej jak i w drugiej grupie ogromną rolę odgrywają związki chemiczne, można więc podzielić oddziaływania pomiędzy organizmami na dwie podstawowe grupy pod katem substancji chemicznych biorących udział w tych oddziaływaniach:
W kolejnych rozdziałach skryptu będę omawiała oddziaływania pomiędzy organizmami pod kątem związków biorących w nich udział.
Równowaga ekologiczna (biologiczna) w ekosystemach wynika ze wzajemnych oddziaływań żywych organizmów (czyli biocenozy) z czynnikami danego biotopu (np. z pH, temperaturą, nasłonecznieniem, natlenieniem, dostępem do zasobów wody i pierwiastków biogennych) oraz ingerencją człowieka w te oddziaływania (przykładowo: nadmierną emisją spalin). Wspólnie razem te czynniki wpływają selektywnie na skład gatunkowy biocenozy oraz kształtują rozmieszczenie i obfitość gatunków. Jeżeli działalność człowieka nie powoduje degradacji środowiska przyrodniczego i zbyt daleko idących zaburzeń w jego funkcjonowaniu mówimy o równowadze środowiska (kształtuje się „nowe” środowisko naturalne). Warunkiem istnienia trwałej równowagi środowiska (w tym ekologicznej) jest dopasowanie szybkości przemian antropogenicznych do tempa dostosowania się do nich środowiska. Długotrwałe zaburzenie równowagi ekologicznej może doprowadzić do stanu klęski ekologicznej, czyli stanu nieodwracalnej degradacji środowiska.
Można uogólnić, iż całe środowisko naturalne znajduje się w równowadze dynamicznej, to znaczy ciągle ulega zmianom w sposób naturalny. Zmiany te często są odwracalne. W przypadku organizmów żywych mówimy o tzw. homeostazie, czyli tendencji organizmów do ustabilizowania cech wewnętrznych pozwalająca im na przeżycie, wbrew zmieniającym się czynnikom otoczenia (np. zima-lato, itp.). Oznacza to, że na określonym obszarze istnieje równowaga we wzajemnym oddziaływaniu człowieka, składników przyrody żywej i układu warunków siedliskowych tworzonych przez składniki przyrody nieożywionej. Równowaga biologiczna wyraża się utrzymaniem liczby i liczebności poszczególnych gatunków na poziomie zapewniającym im dostępność pokarmową, miejsce schronienia, gniazdowania, a także miejsce dla człowieka!.
Równowaga biologiczna w akwarystyce to stan, w którym mikrosystem akwarium, w długim okresie zachowuje dynamiczną równowagę pomiędzy biocenozą i biotopem w sposób zapewniający utrzymanie w dobrym stanie zwierząt i roślin zgodnie z zamierzeniami i celem akwarysty, co do kształtu i składników tworzonego w akwarium środowiska.
Akwarium osiąga równowagę biologiczną po pewnym okresie od założenia. Czas po jakim powinna ona zaistnieć średnio określa się na około sześć tygodni, czyli czas, w którym w pełni rozwiną się procesy nitryfikacyjne i cykl azotowy i/lub ustabilizują się procesy związane z zalaniem podłoża wodą, a tym samym bezpośrednie odcięcie dostępu. Do tego momentu mogą w akwariach zachodzić gwałtowne procesy biologiczne i chemiczne, a w szczególności:
· gwałtowne wahania poziomu związków azotowych amoniaku, azotynów, azotanów włącznie z osiąganiem przez nie stężeń niebezpiecznych dla zwierząt,
· inwazyjne zakwity glonów,
· gwałtowne wahania odczynu pH wody,
· gwałtowne wydzielanie metali ciężkich z podłoża.
Jeżeli po upływie tego czasu akwarysta stwierdza objawy świadczące o tym, że równowaga biologiczna w akwarium nie została osiągnięta, najczęściej świadczy to o popełnionych błędach w momencie zakładania akwarium oraz błędach pielęgnacyjnych w okresie, gdy akwarium się stabilizuje; w takim wypadku należy podjąć zabiegi mające na celu stworzenie warunków sprzyjających powstaniu równowagi.
Objawy świadczące o równowadze biologicznej w akwarium
· Zdrowy wzrost, wygląd i zachowanie zwierząt zgodne z cechami przypisanymi danemu gatunkowi,
· zdrowy wzrost i wygląd roślin zgodne z cechami przypisanymi danemu gatunkowi,
· utrzymywanie się glonów w ilości nie stanowiącej zagrożenia dla innych organizmów i niemających wpływu na pogorszenie wrażenia estetycznego,
· stabilne parametry wody, takie jak twardość, odczyn, stężenie związków azotowych (wartości mierzalne testami akwarystycznymi).
Objawy świadczące o braku lub zachwianiu równowagi biologicznej w akwarium
Równowaga biologiczna w akwarium jest stanem bardzo delikatnym i łatwo ulegającym zaburzeniu przez nawet pozornie błahe czynniki (np. wprowadzenie do akwarium nowych ryb, roślin, zmiany filtracji, natężenia oświetlenia itp.) Zwykle jako oznaka braku lub zachwiania równowagi uważane są gwałtowne, inwazyjne zakwity glonów stwarzające zagrożenie dla zwierząt, roślin i niszczące efekt estetyczny akwarium, jednak o jej braku mogą świadczyć też następujące objawy:
· gwałtowny zakwit pierwotniaków objawiający się mlecznym zmętnieniem wody,
· dziwne, niezgodne z cechami gatunku, zachowanie ryb,
· śnięcie ryb,
· zły wzrost roślin lub jego stagnacja,
· zapach zgnilizny lub siarkowodoru wyczuwalny nad akwarium.
Oddziaływania z udziałem substancji stanowiących źródło energii lub składników strukturalnych dla komórki jest podstawowym czynnikiem utrzymania równowagi w ekosystemie.
Krążenie pierwiastków w przyrodzie - zjawisko, stałego, cyklicznego krążenia niektórych pierwiastków chemicznych w przyrodzie. Zjawisko to jest sumą procesów biologicznych, hydrologicznych i atmosferycznych, a także w pewnym stopniu geologicznych. Na krążenie pierwiastków w przyrodzie składają się cykle biogeochemiczne poszczególnych substancji.
Zjawisko to dotyczy m.in:
· azotu - cykl azotowy
· węgla - obieg węgla w przyrodzie
· siarki - cykl siarki
· tlenu i wodoru, a także wody jako takiej - cykl hydrologiczny
· fosforu - cykl fosforu
· innych pierwiastków o mniejszym znaczeniu biologicznym (np. żelaza).
Na skutek naturalnego obiegu materii w ekosystemach znajdujące się w nich pierwiastki chemiczne krążą po właściwych sobie torach obiegu, przemieszczając się ze środowiska abiotycznego do organizmów (gdzie są wbudowane w ich tkanki lub krążą w płynach ciała) i z organizmów do środowiska. Tak więc, w przyrodzie występuje krążenie tych samych atomów różnych pierwiastków. Atomy te kiedyś stanowiły składniki organizmów minionych epok geologicznych, obecnie zaś wchodzą w skład organizmów obecnie żyjących. Mniej lub bardziej zamknięte obiegi pierwiastków w przyrodzie określa się mianem cykli biogeochemicznych.
Naukę o rozmieszczeniu na Ziemi składników chemicznych użytkowanych przez organizmy żywe i o ich cyklicznym obiegu nazywamy biogeochemią.
W biosferze wyróżnia się dwa zasadnicze typy cykli biogeochemicznych. Pierwszy to obieg typu gazowego, gdzie głównym składnikiem pierwiastka jest atmosfera lub hydrosfera. Cykle tego rodzaju (np. C, N2, O2) są dość stabilne, trwałe i szybko dostosowują się do zachodzących w biosferze zakłóceń. Jest to możliwe dzięki ruchom środowiska, które umożliwia równomierne rozprowadzanie pierwiastka nawet wtedy, gdy lokalnie nastąpi zwiększenie jego produkcji.
Cykl typu sedymentacyjnego obejmuje takie pierwiastki, jak: P, Fe, S. Obieg pierwiastków jest w tym przypadku mniej doskonały, ponieważ może ulec przerwaniu na skutek działania lokalnych zakłóceń. Zasadnicza masa materiału zawierającego te pierwiastki znajduje się w zbiorniku – skorupie ziemskiej (litosferze) – w stanie małej aktywności ruchowej. Pierwiastki mogą być niedostępne dla organizmów przez długi czas. Ich włąc...
Przem582