Czym jest ekosystem?

W badaniach naukowych różnicowanie wyróżnianych pojęć i ich definicji nie jest błędem metodycznym. Może bowiem wyrażać różne poglądy, co w rozwoju nauki jest zjawiskiem nie tylko naturalnym, ale wręcz niezbędnym i pożądanym. Niewłaściwa, wręcz błędna jest natomiast sytuacja jeżeli już używaną nazwę nadaje się innemu pojęciu, a tym samym terminem określa się zupełnie różne zjawiska i procesy.

Ekosystem – układ umowny

W trwających od lat dyskusjach nad metodologicznymi podstawami rozwoju ekologii stale poszukuje się rozwiązań koncepcyjnych i teorii wyjaśniających obserwowane zjawiska z udziałem gatunków różnych organizmów. Sformułowano także szereg pojęć określających zachodzące w środowisku przyrodniczym procesy z udziałem organizmów, spośród których podstawowe to m.in. „biocenoza” i „ekosystem”.

Pojęcie biocenozy (zespołu życia) pierwszy wprowadził niemiecki zoolog Karl August Möbius (1825-1908). Zapoczątkował on rozwój biocenologii, działu ekologii zajmującego się badaniami struktury i dynamiki wielogatunkowych zgrupowań organizmów, np. w zbiornikach wodnych, czy różnych środowiskach lądowych.

Po raz pierwszy termin ekosystem, zaproponowany przez brytyjskiego botanika Arthura Roya Claphama (1904-1990), opublikował w 1935 roku także brytyjski botanik sir Arthur George Tansley (1871-1955)[1], będący jednym z założycieli British Ecological Society, pierwszego na świecie towarzystwa naukowego zajmującego się od 1913 roku problemami ekologii. W kolejnych latach różni autorzy proponowali własne określenia stosowane zamiennie wobec „ekosystemu”, np. mikrokosmos, biosystem, pleocen, fizjocenoza, biogeocenoza, geosystem, geoecosystem. Każdemu z nich wydawało się, że ich własna nazwa jest poprawniejsza, bowiem dokładniej oddaje istotę zjawiska. Pojęcia te nie przyjęły się jednak szerzej.

Chociaż ekosystem jako jednostka życia biosfery to jedno z podstawowych pojęć w ekologii to jednak jest to termin bardzo wieloznaczny i wręcz umowny.  Stosowany jest w odniesieniu do dowolnego układu składającego się z elementów żywych i nieożywionych, pozostających ze sobą w bardzo różnych relacjach tworzących sieć pokarmową (troficzną). Przy tak szerokim ujęciu ekosystemem można nazwać dowolny układ, w którym występują różne organizmy. Ekosystemem jest więc zarówno fragment podłoża zasiedlony przez kolonie bakterii, jak i las, łąka, jezioro lub cała biosfera jako światowy system ekologiczny obejmujący wszystkie organizmy i ich powiązania ze sobą oraz ze skorupą ziemską (litosferą), wodą (hydrosferą) i powietrzem (atmosferą). W dużym uproszczeniu ekosystem to zespół organizmów i ich siedlisko, a wspomniana sieć troficzna to specyficzne relacje polegające na wymianie materii i energii między wszystkimi elementami ekosystemu. Wielkość zajmowanego przez ekosystem obszaru jest uwarunkowana jego zdolnością do pełnej realizacji zachodzących w nim podstawowych procesów dotyczących materii i energii. Może ona wynosić od kilku dcm² do dziesiątków a nawet setek km². Wyodrębnianie rzeczywistych ekosystemów jest jednak zawsze mniej lub bardziej umowne.

W ekosystemach występują zwykle cztery poziomy struktury pokarmowej: materia nieożywiona (środowisko abiotyczne), producenci wykorzystujący wyłącznie nieożywioną część ekosystemu (autotrofy), konsumenci (głównie zwierzęta, czyli heterotrofy), bakterie i grzyby rozkładające martwą materię organiczną (reducenci). W rezultacie przebiegu procesów życiowych organizmów materia w ekosystemie zawsze krąży, a energia przez ekosy­stem przepływa. Energia słoneczna wychwytywana przez rośliny zostaje wbudowana w ich tkanki. Następnie część roślin ginie i ich materia organiczna wraca do środowiska poprzez działanie reducentów. Część zostaje natomiast zjedzona przez organizmy roślinożerne, które po pewnym czasie także giną, a ich martwa materia organiczna zo­staje włączona do ekosystemu. Znaczna część energii przy każdym przejściu z niższego poziomu tro­ficznego do wyższego (roślina → roślinożerca, ofiara → drapieżca) zostaje rozproszona, pozostała żyje w organizmie zjadającym. Z czasem wraz ze śmiercią organizmu zjadającego zostanie ona całkowicie rozproszona przez reducentów. W rezulta­cie cała energia ulegnie po krótszym lub dłuższym czasie rozproszeniu. Dla życia populacji organizmów i istnienia całego ekosystemu energia musi być jednak ciągle odnawiana. Rośliny muszą stale na nowo budować materię or­ganiczną, aby zastępować energię rozproszoną. W uproszczeniu rośliny produkują materię organiczną z pro­stych związków mineralnych, roślinożercy (tzw. konsumenci pierwszego rzędu) żywią się roślinami, konsumenci drugiego i dalszych rzędów żywią się roślinożercami, a reducenci rozkładają mniej­szą lub większą część martwej materii organicznej. Od procesu tego uzależnione są wszystkie inne procesy związane z rozwojem populacji organizmów, np. rozród, czy konkurencja między gatunkami. Wszystkie one mogą przyspieszać lub opóźniać przepływ energii i krążenie materii, kierować większy lub mniejszy strumień energii w różne kierunki, względnie doprowadzać do kumulacji martwej materii organicznej w glebie.

Fizykochemiczne zasady życia organicznego przez cały czas jego istnienia nie uległy zmianom. Już około 350 mln lat temu w erze paleozoicznej [pod koniec dewonu (419-359 mln lat temu) trwającego około 60 mln lat] istniały już na lądach ekosystemy pod wieloma względami podobne do ekosystemów współczesnych z roślinami naczyniowymi różnych grup, z których wiele występowało w formie drzewiastej.

Dla podtrzymanie procesu życia w biosferze niezbędne jest  zbilansowanie procesów produkcji i rozkładu, czyli utrzymania zamkniętego obiegu pierwiastków. Pełne zbilansowanie możliwe jest jednak tylko w skali całej biosfery i w ciągu długiego czasu. To ekosystem jako układ realizuje proces produkcji i rozkładu, wykorzystując do tego energię i podtrzymując przy udziale organizmów cykl obiegu pierwiastków. Żadne inne naturalne układy o takich właściwościach na Ziemi nie występują. W zależności od przyjętej skali przestrzennej poszczególne elementy biorące udział w obiegu materii również zachowują się różnie. Na lądach pierwiastki odżywcze krążą w stosunkowo niewielkiej przestrzeni. Przykładowo atom fosforu raz włączony do obiegu może krążyć między drzewem, owadami roślinożernymi w jego koronie, mikroorganizmami rozkładającymi kał tych owadów i ponownie wnikając przez korzenie do drzewa przez wiele jego pokoleń nie opuszczając obszaru kilkunastu-kilkudziesięciu m². Tymczasem biorący udział w tym samym procesie atom węgla lub tlenu zapewne opuści to miejsce już po jednorazowym przejściu i może w ciągu paru dni znaleźć się na innym kontynencie. Obieg węgla, tlenu, wodoru, a częściowo także azotu i siarki mają bowiem charakter globalny.[2]

Zakres w którym ekosystem może się rozwijać wyznaczają zawsze warunki abiotyczne. Jednak zespół organizmów funkcjonuje w tym zakresie bez żadnego wspólnego planu i celu. Ekosystem może osiągnąć względną stałość procesów produkcji i rozkładu, ale liczebność a zwłaszcza liczba poszczególnych gatunków może podlegać w rożnych warunkach znacznym wahaniom. Bioróżnorodność mierzona liczbą występujących gatunków jest dla ekosystemów zupełnie obojętna, a jedyną wartość (poznawczą, estetyczną, użytkową) ma tylko dla człowieka.

Utopia i mity

Ogromny postęp w badaniach ekologicznych w wielu krajach w tym także w Polsce nastąpił w latach 60.-70. XX wieku w okresie działania Międzynarodowego Programu Biologicznego (International Biological Programme, IBP). Przeważały wtedy zwłaszcza badania wielkości produkcji pierwotnej – rozumianej jako ilość materii wytworzonej przez producentów (autotrofy), a w przypadku roślin (fotoautotrofy) jako szybkość gromadzenia energii promieniowania słonecznego przekształcanej w procesie fotosyntezy w energię chemiczną związków organicznych budujących tkanki roślinne – naturalnych i sztucznych ekosystemów, Jednym z motywów tych badań był problem wyżywienie ludzi. Przyjęte początkowe założenie, że dobre poznanie procesów produkcji pierwotnej w ekosystemach umożliwi takie zaprojektowanie rolnictwa, aby głód na świecie został zlikwidowany, okazało się jednak błędne, wręcz utopijne. Zapewnienie wyżywienia nie jest związane z ilością energii związanej w biosferze przez rośliny, ale dotyczy wydajności ekonomicznej różnych krajów oraz stosowanych rozwiązań politycznych i demograficznych. Badania produktywności ekosystemów w ramach działania programu IBP przyczyniły się jednak do znacznego rozwoju ekologii jako dyscypliny naukowej.

Niektóre dziedziny nauk biologicznych, w tym niektóre aspekty ekologii, są dość podatne na różnego rodzaju pseudonakowe interpretacje, często o zabarwieniu ideologicznym. Część zagadnień biologicznych, które przeszły do codzienności ulega często transformacji, wchodząc w zakres zainteresowań paranauki, wiedzy alternatywnej, rozmaitych mitów i eklektycznej duchowości. Niekiedy związane są one z różnymi odcieniami ruchu kulturowego New Age, opartych na silnych emocjonalnych więzach i nieformalnej strukturze różnych ludzkich zbiorowości.

prof. dr hab. Beata Raszka

Instytut Gospodarki Przestrzennej

Wydziału Gospodarki Przestrzennej i Architektury Krajobrazu

Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu,

członkini Rady Programowej Wydawnictw Branżowych

dr hab. Krzysztof Kasprzak, professor emeritus

Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu,

przewodniczący Rady Programowej Wydawnictw Branżowych

[1] Tansley, A. G. 1935. The use and abuse of vegetational concepts and terms. Ecology, 42: 237-245

[2] Weiner J. 2020. Życie i ewolucja biosfery. Podręcznik ekologii ogólnej. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa (wyd. III)