Výměna energií, látek a informací v lesních ekosystémech

– předpokladem toku energie a koloběhu látek (biologických cyklů) je schopnost živých soustav vytvářet organické látky z látek anorganických

Koloběh živin

spočívá v toku živin a energií mezi:

živou složkou ekosystému (primární producenti, konzumenti, destruenti, reducenti)
neživou složkou ekosystému (půda, voda, vzduch)
– energomateriálové toky ekosystémů jsou zpravidla určeny životní formou hlavních zelených rostlin (determinant primární produkce) a jejich schopností využívat dostupné zdroje; s primárními producenty jsou spojeni konzumenti různých úrovní a cyklus je uzavírán činností rozkladačů

– materiálové toky jsou výsledkem:
– fyzikálních procesů (koloběh vody)
– biologických procesů (cyklus C a minerálních živin je důsledkem fotosyntézy a mikrobiální asimilace N, na druhé straně výsledkem činnosti rozkladačů).

pozn: Ne všechny živiny uvolněné rozkladem odumřelé biomasy jsou nutně opět přijaty rostlinami, zčásti unikají z daného ekosystému. Recyklace živin zpravidla není dokonalá, na druhou stranu do ekosystému vstupují určité živiny navíc.

– součástí koloběhu látek jsou trofické řetězce
– v rámci jednotlivých ekosystémů jsou využívány v různé míře
– často dochází k přesunům látek a toku energie do ekosystémů vedlejších nebo i velice vzdálených (netopýři – jeskynní ekosystémy) nebo jinak řečeno, ekosystém je relativně uzavřený na vyšší úrovni
– část primární i sekundární produkce může být i velice dlouho uložena ve formě poměrně inertních materiálů – fosfor v mořských sedimentech, fosilní paliva, rašelina, humus
– stejně tak trofickými řetězci procházejí, jsou ukládány, akumulovány a koncentrovány, antropogenní škodliviny (DDT, těžké kovy atd.)

Geochemické koloběhy

= ve velkých geografických měřítkách a dlouhých časových úsecích; v mnoha směrech mají globální význam pro celou Zemi
– transportní procesy na povrchu země (transport zvětralin řekami, eroze půdy větrem, činnost oceánů aj.)
– často spojují zemský povrch do jednoho ekosystému
– dělí se na plynné a sedimentační

Plynné geochemické koloběhy

– charakter geochemických koloběhů, někdy mohou přecházet do koloběhů biogeochemických (sedimentární geochemické koloběhy)- uhlík, vodík, kyslík, dusík a síra mohou vstupovat nebo opouštět ekosystém jako plyny, a to jednotlivě nebo ve sloučeninách
– proces denitrifikace: část dusíku znovu opouští ekosystém v plynné formě jako N2 a vrací se do atmosféry
– obdobně uhlík se při mineralizaci organických zbytků nebo dýchání organizmů vrací do atmosféry jako CO2

Sedimentační geochemické koloběhy

– účast všech elementů – závisí na charakteru prostředí (aridní území – většina uhlíku a síry opouští lesní ekosystém v plynné formě, humidní podmínky – spíše odnášeny vodou)
– významný procesem je uvolňování živin zvětráváním hornin (uvolněné živiny při zvětrávání přecházejí do roztoku a do biogeochemického procesu nebo jsou odnášeny erozí nebo vyluhovány do podzemních vod)

Biochemický koloběh

= redistribuce živin v rámci jednotlivé rostliny (např. přesunutí živin z listů opadavých dřevin do jiných orgánů před jejich opadem)

Biogeochemické koloběhy

= výměna elementů v rámci ekosystému (např. dusík absorbován kořeny dřevin z rozkládajícího se opadu, může být přetransformován do mladých listů dřevin a znovu se vrací na půdní povrch v organické formě jako opad)
– většinou se jedná o odběr elementů jednotlivými rostlinami a jejich návrat na půdu
– základní a nejdůležitější pro udržení dynamické rovnováhy v ekosystému jsou biogeochemické cykly tvořené členy: biomasa primárních producentů – opad – postupný rozklad a mineralizace odumřelé biomasy a uvolňování živin – příjem živin primárními producenty
– rychlost těchto vnitřních cyklů je určována: rychlostí mikrobiálního rozkladu a mineralizace
rychlostí příjmu živin primárními producenty
– jsou-li obě tyto položky vzájemně vyrovnané, je to výrazem dynamické rovnováhy
– jsou úzce svázány s tokem energie (zelené rostliny, poutají sluneční energii, přeměňují ji na energii organických látek a tento pochod vždy doprovází také příjem biogenních prvků)

Hlavní příčiny existence biogeochemických cyklů:

Životní procesy živých složek ekosystémů jsou neoddělitelně spojeny s přeměnou látek a energie, které jsou přijímány z prostředí a do něho vydávány.
Délka života organismů je omezena, organismy odumírají.
Vzniká proto organický odpad (rostlinný opad, exkrementy, mrtvoly…), jehož se jako bohatého zdroje energie a žádoucích látek ujímají dekompozitoři – rozkladači v detritovém potravním řetězci.
Rozkladači jsou schopni postupně rozložit každou přirozenou mrtvou organickou hmotu, upotřebit z ní veškerou využitelnou energii pro své životní procesy. To vede nakonec k její minerelizaci na CO2, ionty minerálních živin, H2O.
Primární producenti jsou schopni mineralizované látky znovu zabudovat do své živé biomasy.
Biogeochemický cyklus je tak uzavřen.

Koloběh vody

– pohyb vody je dán vzájemným působením sluneční energie a gravitace
– značná část sluneční energie je využita na přeměnu vody z tekutého skupenství ve skupenství plynné → atmosférická cirkulace → kondenzace a vlivem gravitace srážky

Koloběh uhlíku

– v biologické sféře je C nejdůležitějším prvkem (je podstatnou složkou všech rostlinných buněk a tvoří 45-50% hmotnosti sušiny)
– je protisměrný cyklu kyslíku; zelené rostliny při fotosyntéze kysličník uhličitý spotřebovávají, zatímco při respiraci jej prakticky všechny organismy uvolňují
– oxid uhličitý je do atmosféry doplňován ze zdrojů organických (vulkanická činnost a minerální prameny) a ze zdrojů vitálních (dýchání lidí a zvířat, spalování uhlí a dřeva, respirací rostlin a respirací mikroorganizmu ve vodách a v půdě – při respiraci se nedostává všechen CO2 z půdy do ovzduší – část ho zůstává pohlcena v půdě, část se rozpouští ve vodě a část se váže v uhličitanech)
– trend nárůstu koncentrace CO2 (podmíněn zejména spalováním fosilních paliv) – zvýšení příjmu CO2 – zvýšená produkce organické hmoty

Koloběh dusíku

– je velmi složitý a tvoří jej řada vzájemně navazujících pochodů
– v atmosféře Země je N2 téměř 4/5 objemu vzduchu; tento molekulární dusík nedovedou organizmy až na výjimky asimilovat
– v atmosféře ionty NH3, NO3 nebo NH4 může vstupovat do koloběhů v lesních ekosystémech
– dusík přijatý rostlinami je využit hlavně při syntéze aminokyselin a bílkovin
– v detritových potravních řetězcích jsou bílkoviny rozkládány na aminokyseliny, ze kterých amonizační bakterie uvolňují amoniak (amonizace). Vázaný nebo volný amoniak obsahují také produkty živočišného vyměšování. Nitritační bakterie přeměňují amoniak na dusitany (nitritace), které dále přeměňují bakterie nitratační na dusitany (nitratace). Koloběh uzavírají denitrifikační bakterie, které přeměňují dusičnany na molekulární dusík a kompensují tak činnost mikroorganismů, které jej poutají.
pozn: Hnojení zvyšuje obsah dusíkatých látek – ohrožení vody.

Koloběh kyslíku

– molekulární kyslík, kysličník uhličitý a voda
– v biosféře je kyslík biologického původu – produkt fotosyntézy, tou je uvolňován – zelené rostliny kyslík uvolňují při fotosyntéze, zatímco při respiraci (a rozkladem odumřelých organismů) jej všechny aerobní organismy spotřebovávají
– z atmosféry proniká kyslík do vody a půdy
– význam ozonu

Koloběh fosforu

– hlavním zdrojem jsou horní vrstvy litosféry
– rostliny přijímají fosfor z rozpuštěných fosfátů z půdy; potravními řetězci* se dostává do živočišných tě; po uhynutí organismů se fosfor uvolňuje rozkladem do prostředí
– biogeochemický cyklus fosforu patří mezi cykly sedimentového typu
– horniny litosféry jsou postupně erodovány a fosforečnany se uvolňují do půdy (pouze menší část z nich je však dostupná pro zelené rostliny, neboť mezi nimi převažují fosforečnany nerozpustné: Ca2+,Mg2+,Fe3+)
– zelené rostliny přijímají fosfor ve formě fosforečnanových aniontů a využívají jej především při syntéze nukleových kyselin a ATP
– cyklus uzavírají bakterie, které v detritových potravních řetězcích fosforečnany opět uvolňují.
– fosforečnany obsahují také produkty živočišného vylučování

Koloběh síry

– obsah síry v půdě – méně než 1 %; z toho více než 90 % je organicky vázaná
– dále je přímo vázaná na uhlík (ve formě aminokyselin, v humusových látkách)
– anorganická síra představuje v půdě méně než 10% a za normálních podmínek se vyskytuje výhradně jako síran
– větší část síry je odebírána rostlinami ve formě minerálních síranů absorbovaných z půdy nebo se jedná o přímý odběr z ovzduší listy
– cyklus síry: (oxidace, imobilizace, mineralizace, redukce)
– První fáze představuje akumulaci síry v organické formě (asimilativní redukce sulfátu).
– V dalších fázích začínajících rozkladem odumřelých těl se za anaerobních podmínek produkuje sirovodík, který může být na světle oxidován fototrofními baktériemi čeledi na síran.
– V aerobních podmínkách se oxiduje sirovodík na síran chemickou nebo biologickou cestou (aerobní sirné baktérie). V anaerobních podmínkách s nízkým oxidačně redukčním potenciálem a za přítomnosti dostatečného množství energetických zdrojů (organických materiálů) může být sulfát opět redukován disimilativní cestou. Tento proces realizuje vyhraněná skupina baktérií.
– Při disimilativní redukci se na rozdíl od asimilativní hromadí sirovodík v prostředí. Redukce je výhradně biologickým pochodem.