Abiotički i biotički ekološki čimbenici

Ekologija je znanost koja proučava međusobne odnose između živih bića i njihova okoliša. Okoliš je sve ono što nas okružuje. Sastavljen je od žive prirode: biljaka, životinja i drugih živih bića te nežive prirode: vode, zraka i tla. Ekologija je jedna od grana biologije i za razumijevanje ekologije potrebna su znanja iz drugih područja biologije, ali i iz ostalih znanosti. Ekolozi surađuju u svojim istraživanjima s klimatolozima, fizičarima, kemičarima, geolozima i drugim stručnjacima. Stoga za ekologiju kažemo da je interdisciplinarna znanost.

Znanja iz ekologije pružaju osnovu za zaštitu prirode i zaštitu okoliša. Razlika između zaštite prirode i zaštite okoliša jest u tome što se pod pojmom zaštite prirode smatra očuvanje biljnih i životinjskih vrsta, a pod pojmom zaštite okoliša u prvome su planu resursi bitni za čovječanstvo poput čistoga zraka i pitke vode. Često se poistovjećuju pojmovi ekologija i zaštita prirode. Ekologija je mnogo širi pojam od zaštite prirode. Znanja iz ekologije omogućuju nam da poduzmemo određene korake kojima ćemo zaštititi prirodu. 

O organizaciji unutar ekoloških kategorija već ste razgovarali u jedinici 1.2. Organizacijske razine i sistematika živoga svijeta. Rješavanjem zadataka u prilogu ukratko ponovite ključne ekološke pojmove. 

Svaku skupinu jedinki iste vrste koja živi na nekome području nazivamo populacijom. Jedan od najbitnijih podataka o nekoj populaciji jest njezina brojnost. Populacije različitih vrsta općenito se sastoje od različitoga broja jedinki. Krdo slonova većinom broji nekoliko desetaka jedinki, a mravlje kolonije mogu sadržavati i milijun radilica. Brojnost jedinki u nekoj populaciji nije stalna, ona se mijenja ovisno o uvjetima u staništu. Populacija će rasti u staništu u kojemu vladaju povoljni uvjeti sve dok je dostupno dovoljno hrane, vode i drugih tvari potrebnih za njihov život. Za biljke će od presudne važnosti biti količina svjetla i sastav tla. Svako stanište ima ograničenu količinu takvih resursa, što znači da populacije različitih vrsta u njemu neće rasti u beskonačnost. Takvo ograničenje hrane, odnosno potrebnih tvari u okolišu nazivamo kapacitet okoliša.

Osim kapaciteta okoliša, na rast populacije mogu utjecati mnogi drugi čimbenici. Na određenu populaciju snažno utječu predatori ili razvoj i širenje nekih bolesti. Osim prema brojnosti jedinki populacije se mogu razlikovati i prema raspršenosti svojih jedinki. Unutar populacije jedinke mogu biti raspršene na tri načina.

Promjena broja jedinki u populaciji i način njihove raspršenosti bitni su podatci za ekologe jer mogu ukazati na probleme u okolišu, odnosno na poteškoće u održavanju uravnoteženoga stanja nekoga ekosustava. U sklopu različitih programa zaštite prirode ekolozi prate brojnost populacija ugroženih vrsta da bi na vrijeme mogli reagirati i spriječiti njihovo izumiranje. 

Brojnost svake populacije ovisi o mnogo čimbenika u okolišu koje nazivamo ekološkim čimbenicima. To su uvjeti u okolišu koji pojedinim vrstama mogu biti povoljni ili nepovoljni. Ekološke čimbenike možemo podijeliti na dvije velike skupine: abiotički ekološki čimbenici i biotički ekološki čimbenici:

• Abiotički čimbenici su uvjeti u okolišu određeni klimatskim uvjetima kao što su temperatura vode ili zraka, količina vlage i svjetla ili kvalitetom tla i reljefom. To je utjecaj nežive prirode na populaciju.
• Biotički čimbenici su uvjeti u okolišu unutar kojih neki drugi organizmi utječu na rast populacije poput uzročnika bolesti, predatora ili drugih odnosa u prirodi poput kompeticije, dostupnosti hrane ili simbioze. To je utjecaj žive prirode na populaciju.

Abiotički čimbenici su skup svih uvjeta u okolišu koje čini neživa priroda. Populacija svake vrste moći će preživjeti samo unutar određenoga raspona vrijednosti temperature, vlage, saliniteta i drugih. Raspon vrijednosti za pojedini abiotički čimbenik unutar kojega neka vrsta može preživjeti naziva se ekološka valencija. Taj je raspon određen ekološkim minimumom, što je vrijednost toga čimbenika ispod kojega vrsta ne može preživjeti, i ekološkim maksimumom, što je vrijednost istoga čimbenika iznad kojega vrsta ne može preživjeti.

Prouči grafički prikaz temperaturne ekološke valencije za dvogrbe deve. Ta vrsta ima dosta širok temperaturni raspon unutar kojega može preživjeti, no brojnost jedinki nije svugdje ista. Idealni temperaturni uvjeti pri kojoj će brojnost populacije biti najveća nazivaju se ekološkim optimumom:

Izvan optimuma populacija i dalje može preživjeti, no zbog nepovoljnijih će uvjeta brojnost biti niža. Utjecaj ekoloških čimbenika ne možemo uvijek gledati zasebno, katkad se ekološki maksimum temperature neke vrste mijenja ovisno o količini vlage. Primjerice, kada je visoka vlažnost zraka, teže podnosimo ljetne vrućine.

Svi ekološki čimbenici zajedno oblikuju areal pojedine vrste. Areal je geografsko područje u kojemu je rasprostranjena neka vrsta ili populacija.

Širina rasprostranjenosti neke vrste na Zemlji povezana je i s njezinom ekološkom valencijom pa tako razlikujemo:

• vrste koje podnose veća kolebanja većine ekoloških čimbenika su eurivalentne vrste ili generalisti. Generalisti su, primjerice, maslačak, tratinčica, žohar, kos, štakor i lisica. Te su vrste ujedno i kozmopoliti.
• organizmi koji podnose samo male promjene većine ekoloških čimbenika su stenovalentne vrste ili specijalisti. Stoga su specijalisti često ograničeni samo na neka manja područja. Endemi su redom specijalisti, ali svaki specijalist nije nužno i endem. Primjerice, plavetni je kit specijalist s obzirom na svoju prehranu jer se hrani samo jednom skupinom planktonskih račića, ali živi u svim svjetskim oceanima.

Ekološki čimbenici na različite načine određuju areal pojedine vrste djelujući ne samo na veličinu područja koji nastanjuju nego i na njegov oblik. Prateći utjecaj abiotičkih čimbenika, najčešće promatramo temperaturu u staništu, prisutnost vode i vlage te količinu dostupnoga svjetla.

Temperatura tijela direktno utječe na aktivnost staničnih enzima i brzinu njihovih metaboličkih reakcija. Rastom temperature ubrzava se i metabolizam nekoga organizma čime se oslobađa više energije za njegovu aktivnost. Ipak, za većinu organizama to ubrzanje metabolizma staje na oko 42 °C, iznad te temperaturne granice proteini denaturiraju, odnosno gube svoj specifični oblik i funkciju.

Neke životinje mogu održavati svoju tjelesnu temperaturu stalnom. Takve životinje zovemo homeotermnim životinjama. Homeotermne životinje su ptice i sisavci čija tjelesna temperatura nije ovisna o temperaturi okoliša. Većina životinja ipak ne drži svoju tjelesnu temperaturu stalnom. To su poikilotermne životinje čija se tjelesna temperatura mijenja u ovisnosti o temperaturi okoliša.

Održavajući svoju tjelesnu temperaturu stalnom, homeotermne životinje omogućuju najveću učinkovitost svojih enzima neovisno o vanjskim uvjetima u okolišu. One su jednako aktivne u tropskim i polarnim krajevima, ljeti i zimi te u bilo koje doba dana. Takva im prilagodba uvelike širi areal i omogućuje im da se hrane na područjima i u vrijeme kad organizmi promjenjive tjelesne temperature to ne mogu. Upravo zato u polarnim krajevima viđamo isključivo ptice i sisavce, nikad vodozemce ili gmazove.

Velik nedostatak održavanja temperature tijela konstantnim je velik utrošak resursa. Homeotermne životinje zahtijevaju svakodnevni unos hrane kako bi normalno živjele, a tijelo im mora osigurati dovoljne količine kisika za stanično disanje. Homeotermne životinje u svojim stanicama imaju veći broj mitohondrija u usporedbi s poikilotermnim.

Ovisnost metabolizma o masi

Većina enzima homeotermnih životinja funkcionalna je pri tjelesnoj temperaturi od oko 37 °C. Ipak, brzina metabolizma razlikuje se od vrste do vrste i ona prije svega ovisi o veličini, odnosno o masi jedinke. Jedinke veće mase imaju relativno sporiji metabolizam od onih manje mase. Razmjerno tome imaju niži broj otkucaja srca u minuti, manju potrošnju kisika u minuti te općenito oslobađanju manje topline staničnim disanjem.

Manje jedinke imaju razmjerno veći omjer površine i volumena te zato brže gube toplinsku energiju preko površine tijela. Iz tog razloga jedinke manje tjelesne mase moraju imati brži metabolizam kako bi održali tjelesnu temperaturu na razini potrebnoj optimalnoj aktivnosti enzima.

U tijelu odrasla čovjeka voda čini oko 60 % mase. U tijelu meduze voda može činiti i više od 90 % njezine mase. Život u vodenim staništima drukčiji je od života na kopnu. Voda je gotovo 1000 puta gušća od zraka, što pruža mnogo bolju potporu tijelima životinja. To je razlog zašto životinje koje žive u vodi mogu narasti veće od životinja na kopnu.

Organizmi koji žive na kopnu trebaju vodu za život jednako koliko i oni koji žive u vodi, ali su u opasnosti da tu vodu izgube preko površine svoga tijela. Brzina kojom voda hlapi najviše ovisi o količini vlage – udjelu vodene pare u zraku. Što je vlažnost zraka niža, voda će brže hlapjeti. Pustinje su staništa s vrlo malo godišnjih padalina i s vrlo suhim zrakom u kojima će organizmi gubiti najviše vode. U mnogim su pustinjama temperaturne razlike u jednome danu jako visoke, danju mogu prelaziti 35 °C, a noću padaju blizu ledišta vode.

Organizmi uglavnom sprječavaju gubitak vode prekrivajući površinu svojega tijela različitim zaštitnim tvorbama.

Površina nekih organizama prekrivena je voskom koji odbija vodu i sprječava hlapljenje (listovi biljaka, oklopi kukaca…).

Prilagodbe biljaka

Biljkama je voda jedan od osnovnih resursa potreban za provođenje fotosinteze. Osim dostupnosti vode iz tla, na intenzitet fotosinteze utječe i vlažnost zraka zbog kojega procesom hlapljenja biljke mogu izgubiti značajne količine vode. Proces hlapljenja vode kroz puči zove se transpiracija. Puči su kod većine biljaka smještene na donjoj strani lista kako ne bi bile izložene direktnome utjecaju Sunca. Biljke otvaraju i zatvaraju svoje puči ovisno potrebama, potrebno je istovremeno održavati ravnotežu potreba za ugljikovim(IV) oksidom i vodom:

OTVORENE PUČI - uzimaju potreban CO₂, ali istovremeno gube vodu

ZATVORENE PUČI - ne gube vodu, ali ne mogu uzimati potreban CO₂

Određeni uvjeti u okolišu će ubrzati proces transpiracije kroz otvorene puči, to su: manjak vlažnosti zraka, povišena temperatura zraka, jače strujanje zraka/slabija zaklonjenost od vjetra

Aktivnost mnogih organizama ovisi o duljini dana, odnosno o trajanju dnevnoga osvjetljenja.

Bitan abiotički čimbenik za život biljaka jest i sastav tla. Uz mora i oceane tlo je često zasićeno solju, a biljke koje žive uz obalu izložene su čestim zapljuskivanjima morske vode. Petrovac i mrižica su primjer biljaka koje žive uz našu obalu gdje mnoge druge ne bi uspjele preživjeti.

Jedinke različitih vrsta često se udružuju i žive u nekome obliku suživota koji se tijekom evolucije pokazao boljim izborom od samostalnoga načina življenja. Jedinke jedne vrste koje su živjele u zajednici s jedinkama druge vrste imale su više šansi za preživljavanje od onih jedinka obiju vrsta koje nisu ostvarile takav odnos. Pojam koji opisuje odnos jedinki koje su dugoročno međusobno ovisne jedna o drugoj nazivamo simbiozom. Nekoliko je tipova simbioze:

• jedinke mogu imati obostranu korist (+,+)
• jedna jedinka može imati korist na štetu druge (+,-)
• jedna jedinka ima korist, a na drugu suživot nema posebnoga učinka (+,0)

Mutualizam (+,+)

Jedinke mogu ovisiti jedna o drugoj u tolikoj mjeri da za njih samostalan život gotovo ne postoji kao izbor. Takav oblik simbioze gdje obje jedinke imaju korist od zajedničkoga života nazivamo mutualizam. 

Parazitizam (+,-)

Oblik simbioze u kojemu jedna vrsta živi na štetu druge naziva se parazitizam. U takvu odnosu štetu ima jedinka koja je domaćin, a korist ima jedinka parazit (nametnik). Nametnici su obično manji od svojih domaćina, ne ubijaju svoga domaćina odmah, već ga postupno crpe pa smrt može nastupiti nakon određenoga vremena. Ako nametnik živi u tijelu domaćina, poput trihinele, tada govorimo o endoparazitu. 

Mnogi kralježnjaci imaju dobro razvijen tjelesni pokrov koji priječi ulazak nametnicima. Sisavci se brane razvijenim imunosnim sustavom, a neke biljke luče obrambene tvari. Nikotin u biljci duhana služi kao obrana od kukaca, a vrba luči kemijski spoj salicin koji sprječava razvoj nametničkih mikroorganizama.

Neki nametnici zahtijevaju posebne organizme prijenosnike, odnosno vektore da bi inficirali domaćina. Primjeri takvih prijenosnika jesu muhe, komarci, krpelji i drugi. Ti organizmi mogu prenositi razne mikroorganizme koji će parazitirati u zaraženome domaćinu koji je bio u kontaktu s vektorom. Tako krpelj može prenijeti uzročnika upale moždane ovojnice čovjeku. Krpelj je ujedno primjer nametnika koji živi prihvaćen na koži domaćina i tada govorimo o ektoparazitima. I u svijetu biljaka postoje primjeri takva suživota. 

Komenzalizam (+,0)

Kad u simbiozi, jedna od dviju vrsta ima određenu korist, a druga nema korist ni štetu, govorimo o komenzalizmu. Mnogo je rasprava o tome je li baš svaki dosad poznati primjer komenzalizma takav da za jednu vrstu postoji korist, a na drugu nema nikakva utjecaja jer se smatra da mnogi odnosi komenzalizma nisu do kraja istraženi. 

Spomenimo i posebnu vrstu odnosa među organizmima različitih vrsta kao što je antibioza. Takav je odnos vrlo nepovoljan za, primjerice, bakterije koje bivaju ubijene izlučevinama plijesni iz roda Penicillium koje u ovome slučaju nemaju ni korist ni štetu.

Odnos dviju vrsta u kojemu jedna uvijek ima korist na štetu druge nazivamo predatorstvom. Riječ je o posebnome odnosu gdje su i predator i plijen razvili određene prilagodbe. Taj je odnos vrlo složen i prisutan je u pripadnika svih carstava živih bića. Prilagodbe koje su predatori razvili uključuju izoštrena osjetila, vrlo oštre zube ili kljun, jake kandže, često veliku brzinu kretanja, otrovne žlijezde i sl.

Osim uhodanih tehnika skrivanja i bježanja, jedinke koje su u ulozi plijena prilagodile su se okolišu proizvodnjom kemijskih tvari za zaštitu, pa i oponašanjem drugih, često otrovnih ili opasnih vrsta.

U nekih je vrsta prisutna pojava kanibalizma. Označuje hranjenje mesom pripadnika iste vrste. Kanibalizam je primijećen u štakora, miševa, zečeva, pauka i drugih. Svojim primjerom tu pojavu potvrđuje crna udovica. Razlog je takva čina u tome što ženka, konzumirajući mužjaka odmah nakon parenja, daje svojemu tijelu energiju za razvitak oplođenih jajašaca. Slično je i u bogomoljke. 

Unutar iste populacije jedinke se mogu međusobno natjecati za hranu, spolnoga partnera, životni prostor. Tada kažemo da su u odnosu kompeticije.

Kompeticija među jedinkama različitih vrsta javlja se najčešće kad je u nekome staništu ograničen izvor hrane. 

Poznato je da organizmi žive u populacijama i da na njih utječu abiotički i biotički čimbenici. Ti čimbenici ne utječu samo na morfološka obilježja organizama, već i na njihovo ponašanje. Ponašanje je povezano s preživljavanjem jedinki i njezinim reproduktivnim uspjehom (stvaranjem potomaka) te se kao i fizička, odnosno fiziološka obilježja razvijalo tijekom dugoga niza godina pod utjecajem prirodnoga odabira.

Ponašanje koje povećava šanse za preživljavanje i razmnožavanje jedinki te stvaranje potomaka predstavlja evolucijsku prednost. Područje ekologije koje proučava utjecaj abiotičkih i biotičkih čimbenika na ponašanje životinja, evolucijski razvoj ponašanja i njegov doprinos preživljavanju i reproduktivnomu uspjehu naziva se ekologija ponašanja.

Poticaj za većinu tipova ponašanja životinja jest kombinacija vanjskih i unutarnjih čimbenika, stoga su tako i stanja hibernacije i estivacije, osim promjenama u temperaturi, tj. vlazi, potaknuta i hormonalnim promjenama u tijelu životinja.

Neke životinje preživljavaju nepovoljne okolišne uvjete tako da migriraju. Glavni uzrok migracija jesu sezonske promjene temperature i količine oborina, što dovodi do smanjenja dostupne hrane. Najpoznatije su migracije ptica selica koje nerijetko prelaze velike udaljenosti, za što su im potrebne velike količine energije.

Nakon što se izlegu iz jaja, mlade morske kornjače napuštaju svoja pješčana gnijezda i kreću prema moru. Takvo je ponašanje naslijeđeno od roditelja i određeno je genima, stoga ga nazivamo urođenim ponašanjem.

Određeni oblici ponašanja mogu se razviti i djelovanjem okoliša, odnosno naučiti od drugih jedinki. Takvo ponašanje koje se oblikovalo pod utjecajem iskustva nazivamo naučenim ponašanjem.

Većina tipova ponašanja životinja kombinacija je djelovanja nasljednih čimbenika i okoliša, a razlika je u tome što su neki tipovi ponašanja više pod utjecajem genetike, a drugi su više pod utjecajem okoliša. Primjerice, mužjaci ptica pjevica nasljeđuju gene koji im omogućuju da u određenome razdoblju u životu, slušajući odrasle mužjake, nauče pjevati. Ako je ptić izoliran od odraslih mužjaka, on neće naučiti pravilno pjevati, a to je sposobnost koja je bitna za privlačenje ženki.

U ptica je posebno izražena vrsta učenja koja se naziva imprinting (engl. imprinting – utiskivanje), a moguća je samo tijekom ograničenoga vremenskog razdoblja u ranoj fazi života mlade ptice. Tim oblikom učenja ptice prepoznaju svoje roditelje, odnosno najčešće majku. Kad se ptić izleže iz jaja, zahvaljujući imprintingu uspostavlja vezu s prvim živim bićem ili pomičnim predmetom koje vidi te ga smatra majkom i slijedi ga tijekom odrastanja. Jednom kad se uspostavi imprinting, on trajno djeluje na životinju i njezin socijalni život.

Za spolni oblik razmnožavanja potrebno je pronaći jedinku suprotnoga spola. U slučaju trakavice koja živi u crijevu čovjeka, to je gotovo nemoguća misija. Stoga su trakavice i neki drugi nametnici sami sebi spolni partneri. Prilagođene su tako što imaju i ženske i muške spolne organe – dvospolci su. I neke su životinje koje žive slobodno u prirodi dvospolci, no vrlo rijetko same sebe oplođuju. Postoje različiti načini privlačenja spolnoga partnera koji se temelje na raznim kemijskim, vidnim ili zvučnim podražajima ili na složenim oblicima ponašanja. 

Ponekad potreba za razmnožavanjem postane važnija od samoga preživljavanja, kao u slučaju australskog smeđeg tobolčarskoga miša. 

Mnoge životinje brinu se o svome potomku da bi osigurale njihovo preživljavanje. U beskralježnjaka briga o potomstvu u pravilu ne postoji. Zato oni stvaraju brojno potomstvo da bi osigurali preživljavanje bar nekim jedinkama. I u riba ne postoji briga o potomstvu, a briga vodozemaca i gmazova odnosi se na čuvanje jaja od grabežljivaca.

U većine životinja brigu o potomstvu preuzimaju majke. Katkad se u brigu o pomlatku uključuju i druge odrasle jedinke. Takav način brige o mladunčadi prisutan je u životinja koje žive u zajednicama poput slonova, vukova, lavova, žirafa, merkata i drugih.