430

Bibliografie selectiv

Austin M P, 1985 - Continuum, Concept, Ordination Methods, and Niche Theory, Annual Review of Ecology and Systematics, Vol. 16: 39-61;

Barbault R., 1995 - Ecologie gnrale, Structure et functionnement de la biosfere, Ed.Masson;

Begon M., 2006 - Ecology, From Individuals to Ecosystems, fourth edition, Blackwell Publishing Ltd;

Berca M., 2000- Ecologie general i Protecia Mediului, Ed.Ceres Bucureti; Boer R. J., 2006 - Theoretical Biology,Utrecht University; Botnariuc N., 1999 - Evoluia sistemelor biologice supraindividuale, Ed. Universitii,

Bucureti; Botnariuc N., Vdineanu A., 1982 Ecologie. Ed. Didactic i Pedagogic

Bucureti; Botnariuc,N., 1981 - Biologie general, Ed. Didactic i Pedagogic Bucureti; Budoi Gh., 1991- Bazele ecologiei agricole USAMV.AMD, Bucureti; Budoi Gh.i A.Penescu, 1996 Agrotehnic, Ed. Ceres Bucureti; Bucher M., 2006 - Functional biology of plant phosphate uptake at root and

mycorrhiza interfaces, Tansley review, New Phytologist; Charlier R. H., 2003 - Sustainable co-generation from the tides: bibliography, Renewable

and Sustainable Energy Reviews, Volume 7, 215-247; Cornea Petruta, 2004 - Biologie general i evoluionism, Seria Biologie-Agricultur; Dorit R.L., J.W.F. Walker and R.D. Barnes, 1991 - Zoology. Saunders College

Publishing, Philadelphia, PA, USA. Duu M.,1999 - Ecologie - filosofia natural a vieii. Ed. Economic Bucureti; Duu M., 1998 Dreptul mediului, tratat, ed. Economic, Bucureti; Frontier S., Denise Pichod Viale, A. Lepetre, Dominique Davoult, C. L, 2004 -

Ecosystemes,- structure, fonctionnement, evolution,3ed, Dundod; Gardne M. J. R, Katharine E. Hubbard, C. T. Hotta, A.N. Dodd and A A. R.

WEBB, 2006 - How plants tell the time, Review article, Biochem. Journal; Gates, David M., 1980 - Biophysical Ecology, Springer-Verlag, New York; Green, L. W. and others, 1996 - Ecological Foundations of Health Promotion. American

Journal of Health Promotion , Vol. 10 nr. 4; Hall D. O., Biomass: Regenerable Energy, 1987 - Hardcover, John Wiley and

Sons Inc.,New York;

A-PDF Merger DEMO : Purchase from www.A-PDF.com to remove the watermark

431

Hickman, Cleveland P., Roberts, Larry S., and Larson, Allan, 1995 - Integrated Principles of Zoology, 9th. Ed., Wm C. Brown;

Holling C. S., Resilience and Stability of Ecological Systems, 1973 - Annual Review of Ecology and Systematics, Vol. 4;

Hungerford, H. R., & Volk, T.L., 1991 - Curriculum Development in Environmental Education for the Primary School: Challenges and Responsibilities. In H.R. Hungerford, Bluhm, Essential Readings in Environmental Education. Illinios;

Hutchinson, G. E., 1978 - An Introduction to Population Ecology. Yale University Press, New Haven;

Ianculescu O., Gh. Ionescu, Raluca Racovieanu, 2001 - Epurarea apelor uzate, Matrix.Rom., Bucureti;

Ionescu Cristina, M. Manoliu, 2000 - Politica i legislaia european a mediului, Ed. H.G.A., Bucureti;

Johnson Gary L., 2001 - Wind Energy Systems, Electronic Edition, Manhattan, KS; Justus J., 2006 - Ecological and Lyapunov Stability, Hastings; Kates, Robert W., 2000 - Population and Consumption: What We Know, What

We Need To Know. Environment Vol. 42; Kreuzer Helen, Adrianne Massey, 2003, ASM Press, washington, D.C MacCracken M. C., J. S Perry, 2002 - Encyclopedia of Global Environmental Change,

John Wiley & Sons, Ltd, Chichester, UK; Mackenzie A., Ball S.A., Virdee R.Sonia, 1998 - Instant Notes in Ecology.Bios

Schientific Publisher Oxford; Mahera Christine R., D. F. Lottb, 2000 - A Review of Ecological Determinants of

Territoriality within Vertebrate Species, The American Midland Naturalist, Volume 143;

Majer A.,A., Schultz, 2000 - Standard Methods for Measuring and Monitoring Biodiversity, Biological Diversity, Handbook Series, Smithsonian Institution Press Washington and London;

May, R. H., 1978 - The evolution of ecological systems. Scient. Am. 239:118-133; May, R. M., Angela R. McLean, 2007- Theoretical Ecology Principles and Applications,

Oxford University Press; Mikkelson, G. M. 2005 - Niche-Based vs. Neutral Models of Ecological Communities,

Biology and Philosophy, Volume 20, Numbers 2. Miller G. Tyler, Living in the Environment, Principles, Connections, and

Solutions, Hardcover Miller G. Leon, Robert E. Ricklefs, 2005 cologie, De Boeck Universitd; Nelson, Ph., 2004 - Biological Physics, W. H. Freeman; Nozue K., J. N. Maloof, 2006 - Diurnal regulation of plant growth, Plant, Cell and

Environment Odum E.p.,1971- Fundamentals of Ecology, 3 rd.ed.WB.Saunders Company

Phyladelpia-Toronto; Opris T., 1987 - Bios, Ed. Albatros Bucureti;

432

Penescu A., Babeanu N., Marin D.I., 2001 - Ecologie i protecia mediului, Ed. Sylvi, Bucureti;

Pfafflin J. R., E. N. Ziegler, 2000 Environmental science and engineering, Fifth edition, CRC Taylor and Francis;

Pianka, 1988, Evolutionary Ecology, Fourth Edition. Harper and Row, New York; Pollan, M., 1993 - Second Nature: A Gardeners Education. Dell Publishing. New

York, NY; Preda Gh. (coordonator), 2004 - Tratat. Valorificarea resurselor naturale, volumul I

Bazele resurselor naturale, coordonatori volum Marinescu M., Nstase G., Editura International University Press, Bucureti,

Puia I., Soran V. i col., 2001 Agroecologie i Ecodezvoltare; Ed. Academicpres, Cluj Napoca;

Purves, W.K., 2003 - Life - The Science of Biology, Seventh Edition, Hardcover; Pugnaire F., Valladares F., 2007 - Functional plant ecology, second edition, CRC

Press, Tayler and Francis Group; Pearl, R., 1978 - The Biology of Population Growth, History of Ecology Ser.,

Hardcover; Ramade F., 1984 - Elements decologie-Ecologie fondamentale. Dundod; Rice, E. L., 1974 - Allelopathy. Academic Press, New York; Robinson R., 2002 - Biology Vols 1-4, Macmillan Science Library; Rojanschi V., Florina Bran, Gheorghia Diaconu, 1997 Protecia i ingineria

mediului; Ed. Economic, Bucureti; Rosenberg, E., Y. Loya, 2004 - Coral Health and Disease. Springer-Verlag, Berlin,

Germany; Ross E., 2002 - Concepts in Biology , 10th ed., McGraw-Hill; Sndoiu Ileana Fulvia, 2000 - Agrometeorologie, Ed. Ceres; Schowalter T., 2006 - Insect Ecology - An Ecosystem Approach 2nd ed. WW Schulze, E.D., E. Beck, K. M. Hohenstein, 2002 Plant Ecology, SpeKtrum

Akademischer Verlag GmbH, Heidelberg; Speakman J. R, 2001 -Thermoregulation in Vertebrates, Encyclopedia of Life Sciences; Stomp M., J. Huisman, L. J. Stal, 2007 - Colorful niches of phototrophic

microorganisms shaped by vibrations of the water molecule, Winogradsky Review, The ISME Journal;

Stugren B.,1965 Ecologie general. Ed. Didactic i Pedagogic, Bucureti; Stugren, 1975, Ecologie general. Ed. Didactic i Pedagogic, Bucureti; chiopu D., Vntu V. (coordonatori), 2002 Ecologie i protecia mediului, Ed. Ion

Ionescu de la Brad, Iai; chiopu D., 1997 Ecologie i Protecia Mediului. Ed. Ceres, Bucureti; tefanic Gh., DI Sndoiu, Niculina Gheorghi, 2006 Biologia solurilor agricole, Ed.

Elisavaros, Bucureti; Vernberg F.J. and W.B. Vernberg, 1983 - The biology of crustacea, Vol. 7: Behavior and

ecology,Academic Press, New York; Zarnea G., 1994 Tratat de microbiologie general, Ed. Academiei Romne.

Cuprins

Consideraii introductive 1.1. Ecologie. Definiie, obiect, domenii, importan 5 1.2. Evoluia ecologiei ca tiin 8 1.3. Dezvoltarea ecologiei n Romnia 10 1.4. Vocabular minim 11

Teoria general a sistemelor 2.1. Concept 17 2.2. Clasificarea sistemelor 17 2.3. Caracteristicile sistemelor biologice 18 2.4. Ierarhia sistemelor biologice 25

Surse de energie 3.1. Radiaia solar 29 3.2. Aciunea biologic a luminii 33 3.3. Temperatura aerului, apei i a solului. Aspecte generale 43 3.4. Rspunsul organismelor la variaiile de temperatur 45

Apa n ecosistem 4.1. Consideraii generale 55 4.2. Circuitul apei 56 4.3. Apa n atmosfer 58 4.4. Interdependena umiditate - temperatur 60 4.5. Apa din sol 62 4.6. Biotopul acvatic 64 4.7. Influena apei asupra organismelor 71

Biocenoza n constituirea ecosistemului 5.1. Indicatorii de caracterizare a structurii biocenozei 77 5.2. Componentele trofice ale biocenozei 81 5.3. Lanul trofic. 84 5.4. Reeaua trofic 87 5.5. Relaiile dintre nivelurile trofice 89 5.6. Nia ecologic 90 5.7. Autocontrolul i stabilitatea ecosistemelor 94

Ecologia populaiei 6.1. Definiii. 97 6.2. Trsturi structurale i funcionale (parametri de stare) 97 6.3. Dinamica populaiei 107 6.4. Modele de cretere a populaiilor 108 6.5. Mecanisme active de reglare a densitii populaiilor 120

Relaii intraspecifice i interspecifice 7.1. Relaii intraspecifice 125 7.2. Relaii interspecifice 129

7.3. Allelopatia 173 Circulaia materiei n ecosisteme 8.1. Circuite biogeochimice. Consideraii generale. 175 8.2. Circuitul carbonului 177 8.3. Circuitul oxigenului 178 8.4. Circuitul azotului 179 8.5. Circuitul sulfului 183 8.6. Circuitul fosforului 184 Transferul energiei n ecosistem 9.1. Fluxul energetic 187 9.2. Viteza de transport a energiei 188 9.3. Producia i productivitatea ecosistemelor 189 9.4. Eficiena transferurilor 199

Biomii 10.1. Zonele ierboase localizare, caracterizare biopedoclimatic

201

10.2. Tundra localizare, caracterizare biopedoclimatic 204 10.3. Pdurile localizare, caracterizare biopedoclimatic 206 10.4. Deerturile, semideerturile i zonele cu arbuti localizare, caracterizare biopedoclimatic

212

10.5. Biomii de ap srat localizare, caracterizare biopedoclimatic

218

10.6. Biomii de ap dulce 222 Structura i evoluia ecosistemelor 11.1. Structura vertical a ecosistemelor 225 11.2. Structura ritmic a ecosistemelor 226 11.3. Schimbri direcionate ale ecosistemelor 227

Introducere n protecia mediului 12.1. Noiuni 233 12.2. Factorii poluani i tipuri de poluare 239 12.3. Circulaia, dispersarea i concentrarea poluanilor n biosfer

241

Protecia atmosferei 13.1. Generaliti 243 13.2. Poluanii atmosferici 245 13.3. Smogul 249 13.4. Diminuarea stratului de ozon 250 13.5. Efectul de ser. 253 13.6. Schimbarea climatic 258 13.7. Autoepurarea aerului 263 13.8. Prevenirea i combaterea polurii atmosferice 264

Protecia apelor i ecosistemelor acvatice 14.1. Consideraii generale 267 14.2. Clasificarea apelor supuse proteciei 269

14.3. Starea apelor n Romnia i UE 269 14.4. Apele uzate. Compoziie i caracteristici 270 14.5. Forme de poluare a apelor 273 14.6. Eflueni, receptori, emisari 274 14.7. Eutrofizarea apelor de suprafa 274 14.8. Poluarea apelor subterane 278 14.9. Autoepurarea apelor 278 14.10. Epurarea apelor 279 14.12. Mijloace de combatere i limitare a polurii apelor de suprafa

291

Protecia solului 15.1. Introducere 293 15.2. Solul - funcii 296 15.3. Clasificarea terenurilor n Romnia 296 15.4. Ameninri 297 15.5. Poluarea solului. 298 15.6. Metode de depoluare a solului 303 15.7. Protecia subsolului 305 15.8. Seceta, degradarea terenului i deertificarea 305 15.9. Convenia privind deertificarea. Scop. Coninut. 309

Resursele naturale i conservarea biodiversitii

16.1. Resurse naturale. Definiie. Clasificare 315 16.2. Biodiversitatea 316 16.3. Principii ale diversitii ecologice 317 16.4. Importana diversitii ecologice 318 16.5. Conservarea patrimoniului natural 319 16.6. Cuantificarea biodiversitii 321 16.7. Categorii de arii protejate 322 16.8. Protecia speciilor slbatice de flor i faun prin reglementarea comerului cu acestea

329

16.9. Resurse energetice convenionale i neconvenionale 330 Gestionarea deeurilor

17.1. Consideraii generale 339 17.2. Metode de gestionare a deeurilor 342

Alte tipuri de poluare 18.1. Poluarea sonor 355 18.2. Poluarea radioactiv 357

Bioindicatori 19.1. Noiune. Abordri. Cerine organism test 363 19.2. Plantele ca bioindicatori 365 19.3. Indicatori de metale grele 367 19.4. Indicatori ai radionuclizilor. 367

19.5. Animalele ca bioindicatori 369 19.6. Microorganismele ca indicatori. 372

Structuri naionale i internaionale specializate 20.1. Organizaii interguvernamentale 373 20.2. Organizaii internaionale neguvernamentale 378 20.3. Cooperare instituional regional 379 20.4. Organizaii subregionale 380 20.5. Consiliul de Minitri (Consiliul membrilor UE) 381 20.6. Atribuii i competene ale autoritilor naionale 381

Protecia mediului n dreptul intern 21.1. Principiile proteciei mediului 382 21.2. Armonizarea legislaiei naionale 383 21.3. Protecia atmosferei n dreptul intern 388 21.4. Cadrul legal pentru realizarea obiectivelor unei politici durabile n domeniul apelor

391

21.5. Protecia solului i a subsolului 405 21.6. Protecia resurselor naturale i conservarea durabil a biodiversitii

408

21.7.Controlul polurii industriale i managementul riscului 416 21.8. Regimul juridic al deeurilor 423 21.9. Informaia de mediu 427

Bibliografie selectiv 430

5

11 Consideraii introductive

1.1. Ecologie. Definiie, obiect, domenii, importan

Termenul de ecologie, din punct de vedere etimologic, are la origine cuvintele din limba greac: oikos = habitat, cas i logos = discurs, tiin. Ecologia este literalmente ,,tiina habitatelor.

Noiunea de ecologie a fost folosit pentru prima dat de naturalistul Ernst Haeckel n lucrarea ,,Generelle Morphologie der Organismen (1866). El definea ecologia ca ,,tiina general a relaiilor dintre organisme i mediul lor nconjurtor1. n anul 1870, Haeckel preciza c ecologia trebuie neleas ca ,,studiul relaiilor dintre animale i mediul organic i anorganic, i, n particular, relaiile amicale i neamicale dintre animale i vegetaie, relaii complexe ce corespund a ceea ce Darwin numea ,,lupta pentru existen,,. Experiena ulterioar l-a condus pe Haeckel s afirme c ecologia reprezint ,,suma cunotinelor referitoare la economia naturii2.

Noi reinem definiia propus de Dajos (1983): Ecologia este tiina care studiaz condiiile de existen a fiinelor vii i interaciunile de toate felurile care exist ntre acestea pe de o parte, i ntre acestea i mediul lor pe de alt parte.

Ecologia este definit riguros prin obiectul de studiu, obiect ce este foarte complex. Este reprezentat de cunoaterea, nelegerea i aplicarea n practic a

1Unter Oekologie verstehen wir die gesammte Wissenschaft von den Beziehungen des

Organismus zur umgebenden Aussenwelt, wohin wir im weiteren Sinne alle "Existenz- Bedingungen" rechnen knnen". Termenul - ecologie, dup prima definire a lui Haeckel, a fcut obiectul a numeroase reformulri. Astfel: pentru Andrewartha (1961), ecologia era,, studiul tiinific al repartiiei i al abundenei organismelor,, ceea ce noi numim ecologia populaiei; pentru Odum (1976), ecologia reprezenta ,,studiul structurii i funcionrii naturii,, - o apropiere de tipul sistemic care studiaz ciclurile materiei i fluxurile de energie; pentru Krebs (1978) - ,,studiul tiinific al interaciunilor care determin distribuia i abundena organismelor; pentru Duvigneaud (1980) - ,,tiina sistemelor biologice complexe,,; Botnariuc N., n Ecologie, Ed. Did.i Ped. Bucureti, 1982: ,,ecologia studiaz sistemele supraindividuale de organizare a materiei vii (populaii, biocenoze, biosfera) integrate n mediul lor abiotic; Ionescu Al. (1988) ,,tiina relaiei dintre vieuitoarele care alctuiesc o biocenoz i dintre acestea i biotop. Ea studiaz fluxul de materie, energie i informaie care strbate un ecosistem bine delimitat; S. Frontiere et.all., n Ecosystemes, - structure, fonctionnement, evolution,3ed, Dundod, 2004 - ,,studiul interaciunilor dintre organismele vii i mediul n care ele triesc, dintre organisme diferite n condiii naturale sau modificate,,. Aceste definiii transpun n fapt, diferitele moduri de abordare ale ecologiei - individul, populaia, biocenoza sau ecosistemul.

2Adic modul de repartizare a substanei vii pe specii, modul cum se produce, cum circul i cum se descompune substana vie.

6

tuturor legilor care determin relaiile dintre diversele sisteme biologice i totalitatea factorilor de mediu. Ecologia include toate treptele de evoluie: de la cunoaterea produciei i a bilanului energetic al unei specii, a mecanismelor de autoreglare a densitii populaiei, etc. pn la caracterizarea ecologic a marilor regiuni biogeografie i a ecosistemelor, cunoaterea structurii i productivitii biosferei. n prezent, obiectul ecologiei este definit din punct de vedere sistemic, asupra acestuia punndu-i amprenta att cercettorii n materie ct i modul de abordare al problematicii ecologice.

Ecologia este considerat o tiin interdisciplinar, sintetic, ns are i caracteristici proprii3. ntruct ecologia prin specificul problemelor abordate cuprinde att sistemele biologice ct i mediul lor abiotic este normal s fie strns legat de numeroase alte discipline mai mult sau mai puin biologice.

Astfel: pentru studiul relaiilor funcionale dintre populaii i mediul lor sunt

utilizate conceptele, datele i metodele din domenii ca fizica (termodinamica etc.), biochimia (mecanismele moleculare ale schimburilor energetice), fiziologia (respiraia, digestia, asimilaia), microbiologia;

pentru studiul complex al oricrui taxon se folosesc cercetrile de biochimie, morfologie, taxonomie, sistematic, genetic, biogeografie, evoluionism etc.;

pentru studiul influenei factorilor fizici asupra organismelor ecologia se bazeaz pe cunotinele de climatologie, meteorologie, geografie, pedologie, geologie etc.;

datele furnizate de geochimie sunt folosite pentru explicarea migraiei atomilor elementelor chimice prin ecosistem;

folosete matematica (statistica) i informatica n prelucrarea datelor. Evaluarea complet n spaiul multidimensional al unui ecosistem real este cunoscut n analiza sistemic ca model de baz (aditiv) sau model izomorf (Zeigler, 1979). Dar, un ecosistem este n continu schimbare i ca urmare un astfel de model este greu de utilizat n practic. A aprut astfel necesitatea folosirii unui model simplificat al modelului izomorf care aproximeaz numai ecosistemul natural cunoscut n analiza sistemic ca model homomorf. Alctuirea modelelor homomorfe presupune realizarea unui proces de grupare a subsistemelor n componente mai mari, care sunt tratate unitar.

Modelarea matematic permite simularea proceselor din natur, asigur prognozarea unor aciuni practice legate de activitatea uman i de gospodrire a unor ecosisteme naturale (deerturi, bazine polare, bazinul unor fluvii etc.)4. Pentru 3N. Botnariuc, 1999, Evoluia sistemelor biologice supraindividuale. Ed. Universitii, Bucureti. 4Conceptul de model n ecologie, fr a fi astfel denumit, a fost utilizat nc de la nceputul sec.

XX. n a doua jumtate a sec. XX, conceptul de modelare a proceselor ecologice a luat

7

studiul problematicii mediului ambiant trebuie luate n considerare cel puin 3 aspecte:

climatul; procesele fizice i chimice; activitile umane, aspectele sociale, demografice, poluare etc.

n metoda modelrii se utilizeaz: modele matematice care permit analiza cantitativ i calitativ a

sistemelor i proceselor din mediu; modele sistemice, ca modele logice; modele predictive; modele grafice.

n practic, modelarea matematic a condus la: controlul exploatrii raionale a populaiei de plante i animale; controlul gradului de poluare al mediului, impurificarea alimentelor i a apei cu substane toxice i radioactive; elaborarea unor reguli de gospodrire a naturii pe baze ecologice; optimizarea produciei de biomas i recolt util etc.

In funcie de nivelul de organizare al materiei vii i modul de abordare al problemelor, n ecologie se pot distinge urmtoarele orientri (R. Dajoz, 1975): autoecologia, sinecologia i demecologia.

Autoecologia reprezint studiul relaiilor unei singure specii cu mediul i al aciunii acestuia asupra morfologiei, fiziologiei i etiologiei speciei respective. Ea este experimental i inductiv. Deoarece se ocup cu studiul relaiilor dintre un organism i una sau mai multe variabile ca: umiditate, lumin, salinitate sau nivelurile nutrienilor, etc. este uor cuantificat i conduce la un model experimental att pentru cmp ct i pentru condiii de laborator. Autoecologia a contribuit la cel puin dou concepte importante: constana interaciunii dintre organism i mediul su i adaptabilitatea genetic a populaiilor locale la condiiile mediului dat.

Sinecologia reprezint studiul relaiilor dintre organismele diferitelor specii i ale acestora cu mediul. Conceptele importante dezvoltate de sinecologie sunt acelea care se refer la circulaia elementelor nutritive, bilanurile energetice i dezvoltarea ecosistemic. Sinecologia se bazeaz pe studiile de geologie, pedologie, meteorologie i antropologie. Ea poate fi subdivizat conform tipurilor de mediu la care se refer ca terestr sau acvatic.

Ecologia terestr poate fi la rndul ei subdivizat n ecologia pdurilor, punilor, arctic i a deertului. Ea privete aspecte legate de microclimat, chimia solului, fauna solului, circulaia hidrologic, ecogenetic i productivitatea ecosistemelor. Deoarece ecosistemele terestre sunt influenate mai mult de organisme ele sunt supuse la fluctuaii mai mari ale mediului dect ecosistemele

amploare. n domeniu s-au afirmat: Watt, 1963; T.Odum, 1971; Fedorov, Ghilmanov, 1980, Jorgensen,1988, Allaky, 1994 .

8

acvatice. Acestea din urm sunt afectate ntr-o proporie ridicat de condiiile apei, dar rezist la variaiile de temperatur ale mediului.

Limnologia (ecologia acvatic) este limitat la cercetarea factorilor fizici, chimici i biologici care afecteaz rurile i lacurile.

Ecologia marin se ocup cu studiul vieii n mare i estuare. O ramur care s-a desprins din sinecologie este demecologia care urmrete

stabilirea legilor referitoare la dinamica populaiilor (natalitate, mortalitate). Exist i ramuri secundare ale ecologiei: ecologia microbian5, ecologia

comportamental6, ecologia fiziologic, ecologia biogeochimic, ecologia sistemelor, ecologie agricol7 etc.

1.2. Evoluia ecologiei ca tiin

Ecologia a urmat o tendin de dezvoltare istoric asemntoare cu cea a altor tiine biologice. Primele concepte ecologice au fost enunate de Lamarck, apoi de Von Humolt. n a doua jumtate a sec. XIX i n cursul primelor decenii din sec. XX au fost ntreprinse numeroase cercetri ecologice care au permis stabilirea unui ansamblu de noiuni fundamentale proprii acestei discipline.

Dezvoltarea ecologiei s-a datorat, n mare parte, botanitilor europeni i americani, care au efectuat numeroase studii privind comunitile de plante, vzute din dou puncte de vedere. Botanitii europeni au studiat compoziia, structura i distribuia acestor comuniti, n timp ce americanii au efectuat studii privind dezvoltarea plantelor sau succesiunea lor.

Dezvoltarea ecologiei poate fi mprit n dou etape. Prima etap a nceput prin fundamentarea din punct de vedere teoretic i practic de ctre E. Clements

5Prima ncercare de sintez i de punere n acord a datelor de microbiologie a mediului cu

conceptele de baz ale Ecologiei generale este datorat lui T.T. Brock (1966), urmat de Alexander (1971). Ecologia microorganismelor a aprut ca un domeniu al microbiologiei generale, cu caracter larg, integrator, interdisciplinar, strns legat de microbiologie, dar i de ecologie. Ea aplic datele i conceptele microbiologieie generale la studiile privind prezena natural a microorganismelor i interaciunilor dintre ele cu alte organisme i cu mediul nconjurtor. Este definit ca reprezentnd studiul integrat al relaiilor biologice dintre microorganismeleprezente ntr-un habitat comun i interaciunile care apar ntre componenii biotici i abiotici (G. Zarnea, Tratat de microbiologie general, Ed. Academiei Romne, 1994, p. 16).

6Studiaz comportamentul animalelor n mediul lor i interaciunile sociale asupra dinamicii populaiei.

7Ca disciplin tiinific, ecologia agricol a fost ntemeiat n anul 1920, de ctre italianul Girolamo Azzi. Acesta definete ecologia agricol ca "studiul mediului fizic - climat i sol - n raporturi cu dezvoltarea plantelor cultivate i randamentul lor, acesta fiind considerat din triplul punct de vedere: cantitativ, calitativ i generativ". I. Puia i V. Soran (1977) consider c ecologia agricol se poate defini ca "ramura ecologiei generale care se ocup cu studiul multilateral, ndeosebi din punct de vedere productiv, al influenelor exercitate de factorii de mediu asupra plantelor i animalelor domestice (aa-numita autecologie agricol) precum i de cercetarea ecosistemelor agricole (sinecologie agricol)."

9

(1905) a unor metode cantitative de cercetare n ecologia vegetal. Pe baza acestor metode, a ntreprins cercetri care i-au permis s neleag parial mecanismele succesiunii ecosistemelor din primele faze pn n stadiul de ecosistem matur, denumit i stadiul de climax climatic (E. Clements, 1916). n aceeai perioad a crescut interesul pentru cercetrile referitoare la dinamica populaiilor. R. Pearl (1920), A. J. Lotka (1925) i V. Voltera (1926) au dezvoltat fundamentele matematice pentru studiul populaiilor. Au fost efectuate cercetri privind interaciunile dintre prdtori i prad, relaiile de competiie dintre specii, precum i reglarea populaiilor. Conceptele privind comportamentul instinctiv i agresiv au fost dezvoltate de K. Lorenz i N. Tinbergen, iar rolul comportamentului social n reglarea populaiilor a fost cercetat de V.C. Wynne-Edwards.

n timp ce unii ecologi au studiat dinamica populaiilor, alii i-au ndreptat privirea spre bilanurile energetice. n anul 1920, A. Thienemann a introdus conceptul de nivel trofic, n care energia este transferat de la nivelul productorilor la consumatori. Observaii similare a fcut i zoologul i speologul romn Emil Racovi (1900) n cazul biocenozelor din Australia.

Ulterior, C. Elton, (1927) a evideniat rolul nielor ecologice n funcionalitatea biocenozelor i a descris n termeni cantitativi piramida trofic (piramida eltonian).

n anul 1930, E.Birge i C. Juday determinnd bilanul energetic din lacuri, au dezvoltat ideea de productivitate primar, iar n anul 1935, A. Tansley definete ecosistemul ca unitate fundamental de lucru a biosferei.

Etapa modern a ecologiei a nceput n anul 1942 cu dezvoltarea de ctre R.L. Lindeman a conceptului de lan trofic i detalierea modului de curgere a energiei n ecosistem. Cercetri similare au fost realizate de H. Odum (1957), Richman (1958) i B. Slobodkin (1959).

Studii privind circulaia elementelor minerale au fost iniiate de J.D. Ovington n Anglia i Australia. Au urmat unele studii privind circulaia fosforului (Hutchinson, 1950; Rigler, 1956), circulaia azotului (Caperon, 1972), rolul populaiilor animale n procesul de regenerare a rezervei acestor nutrieni n ap i sedimente (Johannes, 1972).

S-a dezvoltat teoria sistemelor (Bertalanfly, 1973; Botnariuc, 1967, 1976), a ciberneticii (Wiener, 1948, 1950) care au contribuit la ncurajarea cercetrilor privind structura i funcionarea ecosistemelor.

Dup anul 1960, s-a desvrit procesul de formare a bazei teoretice a ecologiei (Odum, 1971, 1983, 1992; Botnariuc, 1967, 1976, 1989; etc.). Odum a continuat s mbunteasc definiiile i conceptele din ecologie i a introdus unele noiuni de ecologie uman i noiuni economie a mediului (1992). Cunotinele acumulate n domeniu au contribuit la elaborarea unor teorii cum ar fi, de exemplu, cele referitoare la legile care genereaz fluxul de energie i circulaia substanelor n biosfer, mecanismele procesului evolutiv, schimbarea structurii i organizrii materiei vii. De asemenea, au constituit o baz tiinific a activitilor de protecia mediului nconjurtor i de folosire raional a resurselor naturii, au contribuit la

10

consolidarea proceselor tehnico-tiinifice din agricultur, silvicultur, industrie, medicin etc.

Dup anul 1990, ali ecologi, cum ar fi spre exemplu, Aldo Leopold i Rachel Carson au contientizat necesitatea conservrii ecosistemelor i au aprofundat studiul raporturilor dintre binele omenirii i utilizarea ecosistemelor, precum i problemele de poluare. Green (1996) definete ecologia uman ca fiind o interdependen ntre oameni i mediul n care triesc. De asemenea, Pollan i Orr au aprofundat studiile referitoare la aplicaiile ecologiei n viaa cotidian, modul n care sunt incluse principiile ecologice n activitile industriale etc. (1993).

Orr (1991)8, Hungerford i Volk (1991)9 au argumentat necesitatea completrii programelor de studiu cu ore de ecologie, ntruct acestea i-ar ajuta pe oameni s se instruiasc astfel nct s fie capabili i s manifeste dorina de a lua msurile de mediu n conformitate cu o calitate superioar a vieii i n acelai timp n armonie cu mediul.

Ecologia, azi, este descris ca o tiin nou care include i cerinele sociale, politice i economice. Aceast abordare este cerut deoarece populaia se confrunt cu probleme ca: poluarea, suprapopularea i degradarea mediului. Se contientizeaz tot mai mult faptul c ecosistemul este unitatea de baz n ecologie, c acesta include toate organismele i mediul lor, c acestea se intercondiioneaz i trebuie s se menin ntr-un echilibru care s permit meninerea vieii.

1.3. Dezvoltarea ecologiei n Romnia

Conceptul de ecologie a fost pus n eviden n opera unor renumii botaniti precum: D. Brndz, I. Prodan, Tr. Svulescu, Al. Borza, E. Pop i zoologi: Gr. Antipa, E. Racovi, G. Bujorean, A. Popovici-Bznoanu, I. Borcea, C. Mota, n a cror oper, conceptul de ecologie este pus n eviden10. Astfel:

Gr. Antipa a efectuat numeroase cercetri asupra Mrii Negre, a Dunrii i a zonei inundabile. Opera lui a cuprins diversitatea factorilor abiotici i biotici, interaciunile dintre acetia, concepie ce l-a apropiat de noiunea ecologic de ,,sistem. n lucrarea ,,Organizarea general a vieii colective a organismelor i mecanismul produciei n biosfer (1935) trateaz aspectele ecologice ale organizrii vieii, analiznd laturile comune n concepia sistemic. Cercetrile sale constituie i astzi un model de aplicare n practic a datelor ecologice; ele au stat la baza organizrii pisciculturii moderne nu numai n Romnia ci i n alte ri. Poate fi

8Ecology and Environmental Education: Key Principles, EETAP Resource Library Advancing

Education & Environmental Literacy, 2002, nr. 107. 9Hungerford, H. R., & Volk, T.L. (1991). Curriculum Development in Environmental Education

for the Primary School: Challenges and Responsibilities. In H.R. Hungerford, Bluhm, Essential Readings in Environmental Education. Illinios.

10Stugren, 1975, Ecologie general. Ed. Didactic i Ped., Bucureti.

11

considerat un precursor al gndirii sistemice n Romnia, alturi de E. Racovi i C. Mota i un sprijinitor al ocrotirii naturii 11.

E. Racovi (1905, 1920, 1929) creaz biospelogia ca tiin a interrelaiilor dintre organisme i mediul cavernicol. Avnd cunotine despre efectul activitii omeneti asupra naturii este iniiator al unor aciuni de ocrotire a naturii i autor al codificrii monumentelor naturii.

G. Bujorean elaboreaz prima lucrare romneasc de ecologie vegetal experimental, privind succesiunea covorului vegetal (una dintre primele din lume), contribuind la dezvoltarea conceptelor de climax i serie (1930).

A. Popovici Bznoanu a susinut ideea de a urmri sistematica zoologic nu ca un inventar, ci de a pune lumea animal n raport cu fenomenele ce se desfoar n mediul lor de via, de a cunoate ecologia acestora n toat complexitatea ei. El introduce n ecologie un volum mare de termeni, printre care termenul de biosken, ca unitate sinecologic elementar.

Alturi de aceti mari pionieri ai ecologiei i amintim pe: Al. Borza care a efectuat numeroase cercetri n ecologia vegetal; Tr. Svulescu s-a ocupat cu studiul bolilor plantelor, ecologia agenilor patogeni; B. Stugren a elaborat primul manual romnesc de ecologie; N. Botnariuc prin cercetrile sale a contribuit la dezvoltarea teoriei sistemelor; A. Vdineanu a realizat o abordare nou a dezvoltrii socio-economice i a relaiei sale cu mediul nconjurtor, pornind de la unele concepte i interpretri teoretice cheie, derivate din baza teoretic a ecologiei sistemice. Studiile ntreprinse de I.Puia i V.Soran dup anul 1975 aduc contribuii semnificative la definirea obiectului i ariei de preocupri a ecologiei agricole, la definirea conceptelor de ecosistem agricol (agroecosistem) agroclimax, arie agricol minim, etc12.

1.4. Vocabular minim

# Biotopul (grec. bios = via; topos = loc) reprezint un fragment de spaiu populat i transformat de ctre fiinele vii. El este caracterizat de un complex de factori de mediu, cunoscui sub denumirea de factori ecologici13. 11S. Cruu, V. Ghenciu, 1971, Pionieri ai ecologiei romneti, Ecologie i protecia ecosistemelor, p.

78. 12chiopu D.,1997 Ecologie i Protecia Mediului. Ed. Ceres, Bucureti. 13Clasificarea factorilor ecologici este relativ datorit complexitii formrii, aciunii i

interaciunii acestora. Astfel, factorii ecologici pot fi: a) factori fizici (abiotici) - de exemplu: factorii climatici; b) factori biotici de exemplu, pentru cartof: mana cartofului (Phitophtora infestans) i gndacul din Colorado (Leptinotarsa decemlineata). Factorii fizici i cei biotici se influeneaz reciproc i devin factori ecologici. Exemplu: clima este influenat de covorul vegetal, iar acesta la rndul lui este influenat de clim. Ca factori abiotici rmn numai energia radiat de soare, gravitaia universal, mareele, factorii geotectonici (B. Stugren, 1975). Clasificarea lui P.D. laroenko (1967) deosebete patru grupe principale de factori ecologici i anume: a) factori climatici, condiionai n special de fenomenele atmosferice; b) factori edafici, condiionai de substrat, de sol; c) factori biotici, condiionai de plante sau de gruprile lor i de

12

Fiecare biotop constituie suportul fizic al unei biocenoze specifice, bine definite.

Justus von Liebig (1840) a lansat ipoteza c organismele vii sunt n general limitate de ctre aciunea unui singur factor al biotopului care este insuficient n comparaie cu necesitile acestora. Aceast afirmaie a condus la enunarea legii factorului limitativ: rapiditatea sau amploarea de manifestare a proceselor ecologice este condiionat de ctre factorul de mediu care este reprezentat n mod necorespunztor. La aceea dat s-a ncercat totodat s se determine acel factor care limiteaz creterea i dezvoltarea speciilor. Ulterior, multe studii au relevat faptul c acest concept este prea simplist. S-a demonstrat c distribuia i existena speciilor este determinat de un complex de interaciuni dintre mai muli factori fizico-chimici, interaciunea acestora crescnd sau diminund efectul cumulat al fiecrui factor considerat separat.

S-a artat apoi (Shelford, 1913) c un factor poate fi limitativ nu numai atunci cnd se afl n cantitate prea mic, ci i dac este n cantitate prea mare. Afirmaia a fost denumit: Legea toleranei (fig.1.1).

Intervalul de valori cuprins n spectrul de variaie al factorilor abiotici, n care speciile pot supravieui i persista este cunoscut sub denumirea de interval de toleran, iar limitele extreme ale acestuia sunt denumite limite de toleran. n interiorul intervalului de toleran exist o valoare optim la care metabolismul speciei se desfoar n cele mai bune condiii (intervalul optim).

animale; d) factori antropici, condiionai de om. O alt clasificarea adoptat de R. Dajos (1978), care nu exclude interaciunile dintre diferiii factori ecologici grupeaz aceti factori astfel: a) factori climatici (temperatur, lumin, umiditate relativ a aerului etc.); b) factori fizici neclimatici (factorii mediului acvatic, factori edafici); c) factori alimentari; d) factori biotici (interaciunile intraspecifice i interspecifice determinai (condiionai) de plante i animale; e) factorii antropici (condiionai de om) adugai de P. D. laroenko. Clasificarea lui Mondchaski (citat de R. Dajos, 1978): a) factori periodici primari - determinai de periodicitatea zi-noapte, succesiunea anotimpurilor etc; b) factori periodici secundari - consecina variaiilor factorilor periodici primari; c) factori neperiodici - apar brusc: o grindin, o invazie de lcuste, aplicarea pesticidelor, poluanii etc.. Factorii periodici primari determin existena marilor zone climatice i, dependent de acestea, zonele de rspndire ale diferitelor specii. Ei nu intervin n reglarea numrului de indivizi, ci n delimitarea ariilor de rspndire a speciilor. In mediul abisal (la mari adncimi n mri i oceane) i n cel cavernicol (n peteri) variaia lor este atenuat sau lipsete. Factorii periodici secundari modific abundena speciilor n interiorul ariei lor de rspndire, dar influeneaz puin asupra ntinderii acestei arii.Factorii neperiodici intervin mai ales n reglarea abundenei indivizilor pe o suprafa determinat. In general ei nu modific aria de rspndire i ciclul de dezvoltare al speciilor.

13

Fig.1.1. Legea toleranei

# Biocenoza sau comunitatea (bios = via, koinos = comun) reprezint un

sistem de indivizi biologici din diferite specii ataai unui biotop. Termenul de biocenoz a fost introdus de K. Mobius n anul 187714.

# Biodiversitate - variabilitatea organismelor din cadrul ecosistemelor terestre, marine, acvatice continentale i complexelor ecologice; aceasta include diversitatea intraspecific, interspecific i diversitatea ecosistemelor.

# Biomul reprezint o zon major de via care depinde de macroclim i care cuprinde un complex de biotopuri i biocenoze (deert, step, pdurea din zona temperat etc.).

14El definea biocenoza ca fiind ,,o grupare de fiine vii, corespunznd prin poziia sa, prin

numrul de specii i de indivizi, la anumite condiii de mediu, grupare de fiine legate ntre ele printr-o dependen reciproc i care se menin pentru reproducere ntr-un anumit loc n mod permanent. O contribuie important la definirea biocenozei o are N. Botnariuc (1967) care spune c biocenoza este ,,un al treilea nivel de organizare a materiei vii, ea aprnd astfel ca o form universal a materiei vii. N. Botnariuc i A.Vdineanu (1982) definete biocenoza ca fiind,, un sistem supraindividual, ce reprezint un nivel de organizare al materiei vii, alctuit din populaii legate teritorial i interdependente funcional.

14

Fig.1.2. Biosfera zonare vertical i repartiia suprafeelor ocupate de marile sale

subdiviziuni. ( Fr. Ramade,1974, Elements d'cologie applique) # Biosfera este sistemul biologic global al Terrei (include partea inferioar a

atmosferei, partea superioar a uscatului (litosfera - 148 Mio Km2) i hidrosfera - (369 Mio Km2), care prin structura sa biologic capteaz energia solar, o acumuleaz sub forma compuilor organici, interacioneaz cu crusta terestr i alte geosfere, influennd structura acestora i determin fluxurile materiale i energetice de pe Terra (fig.1.2)15. Este un sistem cibernetic planetar, care prin numeroase feed-back-uri controleaz amploarea variaiilor de temperatur meninnd aproximativ constant compoziia i proporia gazelor n atmosfer, compoziia chimic a apelor oceanice, structura i caracteristicile solului.

15Noiunea de biosfer a fost dezbtut pentru prima dat de ctre Lamarck (1809) n lucrarea

Filozofia zoologic. Ea a fost explicat mult mai trziu ntr-o carte despre formarea Alpilor de ctre Suess (1875) i dezvoltat ulterior n lucrarea ,,Faa Terrei,, (1883). n anul 1907, filozoful francez Henri Bergson a introdus noiunea de biosfer n lucrarea ,,L'volution cratrice,, (Aeschimann, 1991). n anii urmtori, viziuni noi despre aceast noiune au avut savantul rus Vladimir Vernadscki care a publicat prima monografie despre biosfer n rus (1926) i n francez (1929) i Pierre Teilhard de Chardin (viziune antropocentric). ntr-o perspectiv sistemic, anumii ecologi prefer s utilizeze termenul de ecosfer (Cole. 1953) n locul celeui de biosfer.

15

# Deteriorarea mediului presupune alterarea caracteristicilor fizico-chimice i structurale ale componentelor naturale i antropice ale mediului, reducerea diversitii sau productivitii biologice a ecosistemelor naturale i antropizate, afectarea mediului natural cu efecte asupra calitii vieii, cauzate, n principal, de poluarea apei, atmosferei i solului, supraexploatarea resurselor, gospodrirea i valorificarea lor deficitar, ca i prin amenajarea necorespunztoare a teritoriului.

# Dezvoltarea durabil este acea dezvoltare care satisface cerinele prezente fr a compromite generaiile viitoare, de a-i satisface propriile cerine.

# Echilibru ecologic - ansamblul strilor i interrelaiilor dintre elementele componente ale unui sistem ecologic, care asigur meninerea structurii, funcionarea i dinamica armonioas a acestuia;

Fig. 1.3. Diagram simplificat a ecosistemului (dup Lebreton, 1978) # Sistemul de interaciuni complexe dintre specii i dintre acestea i mediu

este numit ecosistem16 (fig.1.3). Elaborarea acestei noiuni i introducerea ei n tiin i aparine botanistului englez A.C.Tansley (1935). Ecosistemul este un sistem deschis, cu o alctuire complex dat de cele dou subsisteme componente i anume biotopul (mediul fizico-chimic, abiotic) i biocenoza (totalitatea vieuitoarelor, comunitatea de plante, animale, microorganisme care au ca suport un anumit biotop).

Un ecosistem poate fi simplu sau complex, n funcie de numrul de nie ecologice n care organismele se pot dezvolta. Cu ct exist mai multe nie specializate cu att sistemul este mai complex. In general, sistemele cele mai complexe se regsesc acolo unde factorii limitativi sunt mai puin numeroi, iar fluctuaiiile climatice sunt de mic amplitudine.

# ecotipul sau rasa ecologic se caracterizeaz prin diferenierea populaiilor n funcie de condiiile ecologice. De exemplu, n cadrul aceleiai specii

16S. Frontier (2004) apreciaz c n ecuaia: ,,ecosistem = biotop+biocenoz,, folosit ca definiie,

semnul + evoc o ,,adiie,, sau o ,,juxtapunere,,, ceea ce nu rezult n realitate unde au loc interaciuni ntre specii, ntre specii i diversele elemente ale biotopului, precum i interaciuni indirecte ntre speciile care se adapteaz la modificrile biotopului. Aceast soluie se regsete i teoria general a sistemelor.

16

de peti pot exista rase care se nmulesc aproape de suprafaa apei i rase care prefer pentru nmulire zonele adnci ale apei.

# populaia local reprezint unitatea fundamental n cadrul speciei; ea este o unitate neomogen ce prezint o serie de diferenieri gradate n interiorul ei:

ecoelementul reprezint componenta ecologic a populaiei locale; grupul morfobiologic n care se pot reuni categorii de indivizi

deosebii prin caracteristici morfologice; biotipul constituie cel mai simplu element de structur al populaiei;

cuprinde o serie de indivizi caracterizai printr-o anumit structur genetic, care se deosebesc de ali indivizi prin cel puin o mutaie17.

# Ecotonul reprezint o zona de tranziie dintre dou ecosisteme caracterizat printr-o mare diversitate.

# Habitatul este mediul pe care l ntlnete fiecare specie ntr-o comunitate, el fiind compus din mediul fizic, mediul chimic i mediul biologic (populaiile celorlalte specii care alctuiesc biocenoza). Noiunea de habitat natural, aa cum este definit n Directiva Habitate nr.92/43/CEE privind conservarea habitatelor naturale, a florei i faunei slbatice, se refer la zone terestre sau acvatice ce se disting prin caracteristici geografice, abiotice i biotice, n ntregime naturale sau seminaturale.

Habitatele naturale i seminaturale, ntlnite la nivel naional caracterizeaz mediul acvatic, terestru i subteran:

habitate acvatice habitate marine, costiere i de ap dulce; habitate terestre habitat de pdure, de pajiti i tufriuri, habitat de

turbrii i mlatini, habitat de step i silvostep; habitate subterane habitat de peter.

# Nia ecologic indic funcia unei specii, cmpul ei de activitate, relaiile cu comunitatea de specii.

# Noosfera este un termen utilizat de unii autori pentru a desemna biosfera modificat de om. Ali autori folosesc noiunea de tehnosfer, aceasta desemnnd o biosfer modern, n care numeroase ecosisteme naturale sunt mai mult sau mai puin deteriorate sau nlocuite de ecosisteme agricole, urbane sau industriale.

# Populaia este constituit din totalitatea indivizilor unui specii care triesc pe un teritoriu bine delimitat i care prezint caractere proprii (sau altfel spus, sistemul alctuit din indivizi de origine comun, din aceeai specie, care alctuiete o unitate funcional i reproductiv, ataat unui anumit biotop).

# Sistemul reprezint un ansamblu de elemente unite prin diferite conexiuni i care constituie un ntreg organizat ce funcioneaz cu o calitate proprie.

# Specia este o unitate taxonomic fundamental a lumii vii, ce reprezint un nivel de organizare a materiei n care sunt integrate populaiile provenite din strmoi comuni, cu aceeai zestre ereditar i caractere distincte.

17Petruta Cornea, 2004, Biologie general i evoluionism, Seria Biologie-Agricultur, p. 178.

17

22 Teoria general a sistemelor

2.1. Concept

Teoria general a sistemelor a fost formulat de L.von Bertalanffy n lucrarea ,,Biologie teoretic,, aprut n anul 1932. Sistemul este definit n ,,Enciclopedia Universal1,, ca fiind ,,un ansamblu de fenomene i evenimente independente care sunt extrase din lumea exterioar printr-o aciune intelectual arbitrar, vizndu-se tratarea acestui ansamblu ca un ntreg. Din aceast definiie rezult c niciun sistem real nu poate exista izolat, ci el trebuie s aparin unui sistem mai cuprinztor n cadrul cruia are anumite atribuii. n literatur se gsesc numeroase definiii ale sistemului2.

N. Botnariuc i A. Vdineanu (1982)3 consider c sistemul reprezint ansamblul de elemente identice sau diferite unite ntre ele prin cele mai diferite conexiuni, care constituie un ntreg organizat ce funcioneaz cu o calitate proprie.

Noiunea de sistem are o mare importan pentru tiin. Prin compararea sistemelor se pot evidenia unele trsturi comune ale lor, trsturi ce ne permit nelegerea mai profund a modului n care sunt organizate, cum funcioneaz i care sunt relaiile dintre ele i mediul nconjurtor.

2.2. Clasificarea sistemelor

Din punct de vedere al relaiilor cu mediul, al schimbului de materie i/sau energie, sistemele pot fi clasificate n trei categorii (I. Prigogine, 1955): izolate, nchise i deschise.

Sisteme izolate sunt acelea care nu realizeaz nici un fel de schimburi, materiale sau energetice, cu mediul nconjurtor. Ele sunt considerate sisteme ideale i nu exist n natur.

Sistemele nchise sunt sistemele care realizeaz cu mediul doar schimburi energetice nu i materiale. Ele pot fi create n mod artificial, ca de exemplu: termosul, n care se pot pstra stabil anumite volume de lichid, fr modificri cantitative dar cu schimbri ale temperaturii (pierderea cldurii iniiale dac lichidul a fost cald, sau nclzirea acestuia, dac temperatura iniial a fost sczut).

Sistemele deschise sunt sistemele naturale, care au cu mediul att schimburi energetice ct i materiale. In grupul sistemelor deschise intr toate sistemele biologice i cele mai multe sisteme lipsite de via (o stnc, un motor etc.). 1J. Hebenstreit, Principiile ciberneticii, vol. 5, 1985, p.909. 2A se vedea, I. Puia i colab, 2001, Agroecologie i Ecodezvoltare; Ed. Academicpres, Cluj Napoca. 3Ecologie, Ed. Didactic i Pedagogic Bucureti, p. 19.

18

Sistemele biologice sunt sisteme deschise care se deosebesc de cele anorganice printr-o serie de nsuiri, dintre care unele sunt deosebit de importante din punct de vedere ecologic. Dac n sistemele deschise anorganice schimburile cu mediul nu implic transformarea condiiilor de mediu n factori specifici sistemului (un motor, de exemplu), n cele biologice, aceste schimburi reprezint o condiie vital. Materialul intrat n sistem este transformat n condiii proprii ale sistemului biologic, acesta refcnd i nlocuind prile uzate i degradate.

2.3. Caracteristicile sistemelor biologice

Sistemele biologice prezint o serie de caracteristici generale care le deosebesc de cele anorganice i anume: caracterul istoric, informaional, integralitatea, echilibrul dinamic, dependena de condiia iniial, programul, autoreglarea, autoorganizarea i autoreproducerea4.

Caracterul istoric Pentru a se putea explica structura i organizarea unui sistem anorganic este

suficient s se cunoasc starea elementelor componente. De exemplu, pentru a explica organizarea unei molecule oarecare este suficient s se cunoasc nsuirile atomilor componeni i legturile dintre ei.

n sistemele biologice ns, ntruct nsuirile unui organism reprezint rezultatul evoluiei, nu este suficient cunoaterea actual a elementelor, ci trebuie cunoscut i istoria sistemului luat n studiu (adic legturile lui de nrudire). Fiecare organism conserv n patrimoniul su ereditar istoria populaiei din care face parte5. De exemplu, omologia membrelor unor mamifere (cum ar fi: aripa liliacului sau piciorul calului) poate fi explicat prin faptul c mamiferele respective descind dintr-un strmo comun. In acest fel, se poate spune c structura actual a sistemului biologic (n exemplul dat, al mamiferelor), este rezultatul istoric al structurii formei iniiale, de origine a grupului mai general din care face parte sistemul dat (n cazul nostru, vertebratele)6.

nsuirile sistemelor sunt considerate ca eseniale n procesul evolutiv, n dinamica sistemelor biologice. O schimbare nesemnificativ a condiiei iniiale poate determina modificri importante ale sistemului.

De exemplu, depirea nivelului normal al concentraiei unor nutrieni (azot, fosfor) dintr-un lac determin apariia eutrofizrii; sub influena condiiilor de mediu variabile, pot avea loc modificri ale compoziiei specifice anumitor biocenoze (iniial a productorilor de substan organic, iar ulterior a ntregii reele trofice).

4N. Botnariuc, 1999, op. cit p.28. 5A se vedea Allen, Craig D.; Betancourt, Julio L.; Swetnam, Thomas W., 1999, Applied Historical

Ecology: Using The Past To Manage For The Future (www.encyclopedia.com). 6Cornea Petrua, 2004, op.cit., p. 21.

19

Caracterul informaional Sistemele biologice sunt sisteme informaionale care pot s recepioneze,

prelucreze i s acumuleze informaii primite din mediu, urmnd ca la rndul lor, n anumite momente, s transmit informaii ctre alte sisteme pentru o ct mai bun integrare cu acestea, dar i pentru transformarea lor.

N. Wiener (1963), fondatorul ciberneticii, arat c ,,informaia apare ca o necesitate discontinu sau continu de evenimente msurabile, repartizate n timp. Transmiterea informaiei se realizeaz prin succesiuni de semnale (evenimente). Un organism (o populaie) poate recepiona i transmite informaii pe ci fizice (sunete, culori), chimice (miros, substane chimice din sol) i fiziologice (comportamente diferite, gesturi etc.). nregistrarea i transmiterea informaiei genereaz ns entropie (stare de dezorganizare a echilibrului ecologic). Aceasta deoarece procesele sunt legate de un substrat material (unde sonore, substane chimice) care se realizeaz cu o cheltuial de energie.

Fiecare sistem biologic nregistreaz informaia n modul su propriu, caracteristic. De exemplu, la indivizii biologici, o modalitate de transmitere a informaiei ereditare este codul genetic, care const din succesiunea nucleotidelor din macromoleculele acizilor nucleici; o populaie nregistreaz informaia prin trsturile sale structurale (structura genetic pe vrste, sex, spaial, etc.), desfurnd o anumit activitate prin care modific ntr-un anume fel ecosistemul n care este inclus.

Cantitatea de informaie depinde de gradul de organizare al sistemului. Cu ct un sistem este mai organizat, cu att el conine o cantitate mai mare de informaie. Dar, ntruct sistemele biologice evolueaz n timp i cantitatea de informaie crete (un organism tnr are o organizare i un grad de informaie inferior unuia adult). Pentru a se asigura conservarea sistemului, tendina general care se manifest n decursul evoluiei sistemului biologic este de a realiza cantitatea optim de informaie i nu pe cea maxim.

Un rol important revine i fidelitii cu care este transmis informaia. Ea poate fi afectat de erori determinate att de factori interni ct i de factori externi. Un mijloc de asigurare a fidelitii mesajului l constituie fenomenul de redundan. Acesta const n transmiterea informaiei ntr-o form dezvoltat, precum i n repetarea ei (de ex. caracterul dublu al garniturii cromozomice n celulele organismelor). W. Elsasser (1958) aprecia c ,,un mesaj este redundant cnd nu este n forma lui cea mai scurt. Potrivit principiului lui Dancoff ,,orice organism sau organizaie care progreseaz prin evoluia competitiv se apropie de acest optim, adic el va comite cu att mai puine erori cu ct progreseaz i folosete minimum de informaie redundant necesar spre a menine erorile la acest nivel. De aici rezult c nivelul informaiei redundante ntr-un sistem, trebuie s fie limitat, chiar dac este un sistem cu un coninut enorm de informaie (fiina vie). Acest principiu are importan n special n dinamica i structura populaiilor. Redundana excesiv este inutil i chiar duntoare, pentru c duce la pierdere de energie i chiar la alterarea informaiei (de ex. poliploidia, suprapopulaia). Tendina sistemelor

20

biologice este de a realiza redundana optim, care s asigure fidelitatea necesar transmiterii informaiei cu minimum de pierderi.

Aceast nsuire este esenial pentru procesul de integrare al organismelor n mediul de via, avnd consecine la nivelul organizrii sociale, a relaiilor intra i interspecifice, a relaiilor cu resursele mediului i condiiile de via7.

Integralitatea Aceasta este o trstur general a sistemelor deschise cu importan

deosebit pentru sistemele biologice. Ea arat c sistemul integrator posed nsuiri noi fa de cele ale prilor componente datorit numeroaselor conexiuni dintre acestea.

nsuirile sistemului nu se pot reduce la suma nsuirilor prilor lui componente deoarece din interaciunea acestora apar trsturi noi ale prilor i trsturi proprii ale ntregului. De exemplu, o biocenoz are nsuiri diferite (productivitatea biologic) de cele ale populaiilor componente; o populaie are anumite nsuiri (densitate, structur) pe care nu le are individul. Cauza diferenelor o reprezint legturile diferite ale populaiei cu hrana, dumanii i factorii biologici din cele dou ecosisteme etc. Acelai lucru putem afirma i despre sistemele anorganice (apa are nsuiri cu totul diferite de ale hidrogenului i oxigenului care o compun).

n vederea persistenei lui n timp un sistem trebuie s-i pstreze subsistemele componente. Lipsa unui subsistem, datorit interdependenelor, produce disfuncionaliti ale ntregului i chiar distrugerea lui. De exemplu, n cazul majoritii funciilor unui organism: respiraie, termoreglare etc.

Studiind integralitatea unui sistem ne dm seama de importana consecinelor metodologice (rezultatele cercetrilor de laborator cu unele populaii trebuie confruntate cu datele din teren pentru a avea o reprezentare ct mai corect)8.

Integralitatea, o dat realizat, poate deveni cauza unor noi diferenieri, care vor duce la creterea coninutului informaional al sistemului dat.

Integralitatea nu este la fel de dezvoltat n cadrul tuturor sistemelor biologice. Ea este mai pronunat la organismele individuale, mai puin pronunat la populaii - se realizeaz ca urmare a diferenelor morfo-funcionale i comportamentale intrapopulaionale (ntre diferite grupri din structura populaiei) i prin schimburi informaionale ntre indivizi rezultnd coeziunea, dar i independena indivizilor aparinnd unei populaii i scade la nivelul biocenozei.

Dezvoltarea integralitii coincide cu creterea organizrii sistemului i are ca efect i, sporirea eficacitii autocontrolului i echilibrului su dinamic9.

7Petrua Cornea, op. cit, p. 22. 8N. Botnariuc, 1982, op. cit., p.21. 9Gh. Mohan, A. Ardelean, 1993, Ecologie i protecia mediului. Manual pregtitor. Ed.Scaiul

Bucureti, p. 11-12.

21

Programul Const n reaciile unui sistem biologic de-a lungul evoluiei lui la diferite

condiii de mediu. Structura unui sistem biologic nu este rigid. Un program reprezint o stare posibil a unui sistem biologic ca urmare a schimbrilor intervenite n mediul cu care este n contact. Aceast trstur este legat de nsuirile structurale, funcionale i comportamentale ale sistemului biologic care se pot modifica ntre anumite limite i care permit realizarea unor stri diferite.

ntruct orice sistem biologic are mai multe stri posibile putem spune c are la fel de multe programe. Dar, se realizeaz numai acele programe pentru care exist condiii de mediu potrivite10. De exemplu, seminele n condiii de uscciune se menin n stare de repaus, iar n condiii de umiditate, germineaz.

n orice sistem exist o ierarhie de programe. Ele au fost clasificate astfel (Amosov11): programe proprii sau pentru sine adic strile structurale care asigur

autoconservarea sistemului dat. Exemple n acest sens sunt: programele care asigur absorbia apei i a elementelor nutritive, sintetizarea substanelor organice de ctre plante; un organism ce face parte dintr-o populaie posed o serie de instincte i reflexe de aprare, de asigurare a hranei etc.

programe inferioare programele subsistemelor componente ale organismului. De exemplu, n cazul unei celule - programele organitelor celulare, al amiloplastelor; n cazul unui organism - programele celulelor, esuturilor i organelor.

programe superioare reflect rolul, funcia unui subsistem dat n asigurarea existenei sistemului superior n care este integrat. Exemplu programele ce asigur reproducerea i nmulirea plantelor sau animalelor. Programele sistemelor biologice pot fi modificate ntr-o oarecare msur n

sensul dorit de om. Exemple: domesticirea animalelor, cultivarea plantelor, orientarea metabolismului n anumite direcii etc.

Echilibrul dinamic Este o stare caracteristic a sistemelor biologice i reprezint o consecin a

nsuirii fundamentale a sistemelor deschise de a ntreine un permanent schimb de substan i energie cu sistemele nconjurtoare. n cazul sistemelor anorganice nu putem vorbi despre un echilibru dinamic. Conservarea lor n timp depinde de gradul lor de izolare fa de sistemele nconjurtoare.

Spre deosebire de acestea, sistemele biologice i au existena condiionat de meninerea relaiilor materiale, energetice i informaionale cu mediul. Ele au capacitatea de autorenoire (premisa dezvoltrii i a evoluiei), dar i pstreaz individualitatea determinat genetic, realiznd un echilibru dinamic ntre stabilitate i schimbare. Sistemele biologice, pe seama surselor de energie exterioare 10D. chiopu, 1997, op.cit., p.18. 11Citat de N. Botnariuc, A. Vdineanu, 1982, op. cit, p. 23.

22

sistemului, au capacitatea de a rezista n mod activ la variaiile necontrolabile ale mediului ambiant, de a compensa creterea entropiei i de a o depi (au un comportament antientropic, care permite de exemplu, creterea cantitii de substan organic, realizarea produciei biologice). In cazul nivelului populaional, se remarc un echilibru dinamic n privina numrului indivizilor dintr-o populaie, a structurii genetice, pe vrste, sexe etc., cu creteri sau scderi dependente de condiiile de mediu, ce oscileaz n jurul valorii ideale (raport ntre numrul de indivizi nivelul sursei de hran dimensiunea spaiului ocupat).

Eterogenitatea intern Sistemele biologice nu sunt omogene ci sunt alctuite din elemente mai mult

sau mai puin diferite. Evoluia lor implic creterea complexitii i deci a eterogenitii lor interne.

Cu ct sistemul este mai complex cu att exist mai multe conexiuni ntre subsistemele componente i crete stabilitatea lui. Dar, n acelai timp, crete i vulnerabilitatea acestuia, n sensul c deteriorarea unui subsistem produce perturbri ntregului (crete complexitatea crete numrul de subsisteme cresc punctele vulnerabile (N. Botnariuc, 1982).

n concluzie, exist un anumit grad de eterogenitate (optim) spre care tinde orice sistem biologic, care i permite conservarea lui n timp.

Autoreglarea Meninerea sistemelor biologice este posibil numai dac acestea pot s

controleze procesele lor interioare, contracarnd aciunea mediului, care are tendina s dezorganizeze sistemul. Ex.: - densitatea la gru se realizeaz prin nfrire. Constituirea genofondului unei specii este un proces lent determinat de autoreglare i adaptare.

Sistemele biologice sunt sisteme cibernetice (fig. 2.1). De aceea, orice sistem este organizat ntr-un mod care s-i permit: recepia informaiei; circulaia, acumularea i prelucrarea informaiei; selecia rspunsului; efectuarea rspunsului sistemului fa de stimuli.

Fig. 2.1. Schema unui sistem autoreglabil

23

Funcionarea coordonat a sistemelor biologice se bazeaz pe existena conexiunii inverse (a feedback-ului fig. 2.2), prin care valoarea rspunsului este comunicat la dispozitivul receptor i apoi la centrul de comand i este comparat cu comanda emis. Astfel, dac ntre aceast valoare i comand exist o diferen (situaie care se ntmpl de obicei) ea se transform ntr-o nou comand care determin un nou rspuns .a.m.d.

Conexiunea invers poate fi dou tipuri: negativ i pozitiv. Cea mai rspndit modalitate de autoreglare este conexiunea invers

negativ care are efect stabilizator asupra sistemului. Prin aceasta se reduc efectele perturbrilor, adic depirea unui anumit prag al variaiei parametrilor de stare ai sistemului. De exemplu, un model simplu de realizare a conexiunii negative este reprezentat de termostat: creterea valorii temperaturii determin oprirea curentului pn la restabilirea temperaturii potrivite. Alte exemple: un animal homeoterm, la scderea temperaturii, va rspunde printr-o modificare a mecanismului fiziologic de termoreglare, iar dac acest mecanism este suprasolicitat i este insuficient, recurge la gsirea unui adpost sau la gruparea cu ali indivizi, limitnd astfel pierderile de cldur.

Fig. 2.2. Reprezentarea simplificat a sistemului de reglare feedback ntre diferitele

niveluri de organizare (intensitatea culorii indic tria interaciei) In cazul feed-back-ului pozitiv, rspunsurile sistemului sunt permanent

amplificate. Fr existena unor mecanisme reglatorii, un asemenea tip de autoreglare ar putea duce la autodistrugerea sistemului, deci la schimbarea profund a strii lui. Exemple: n timpul naterii la mamifere are loc o eliberare mare de ocitocin, au loc

contracii puternice care, la rndul lor determin o sporire a nivelului hormonului respectiv i apoi din nou a contraciilor. Procesul are loc pn la

24

expulzarea ftului i puin dup aceasta, dup care nivelul ocitocinei scade, ca urmare a interveniei unor mecanisme suplimentare12;

aprovizionarea n exces cu azot a plantelor, n condiii favorabile de umiditate, determin creterea suprafeei foliare, creterea posibilitii de asimilare, crete masa vegetal, lucru ce poate implica pierderea rezistenei la boli a plantei, rezistena la cdere etc. n realitate, n cadrul sistemelor biologice feed-back-ul pozitiv este cuplat cu

feed-back-ul negativ, ceea ce asigur realizarea echilibrului dinamic. n acest fel funcioneaz sistemul de meninere a parametrilor mediului intern de la om (temperatura corpului, concentraia de glucide, presiunea sngelui, valoarea pH, etc.).

Autoreglarea evideniaz comportamentul activ al unui organism fa de variaiile mediului: el alege activ hrana, caut i i face adpostul, evit dumanii sau se lupt cu ei, apr descendenii alege mediul cu condiiile favorabile etc.

Procesul de autoreglare se manifest i n cazul sistemelor biologice supraindividuale (populaie, biocenoz, biosfer), el conducnd la meninerea sistemului respectiv n condiii specifice de mediu. De exemplu, n cazul unei biocenoze de pdure, un factor perturbator poate fi constituit de nmulirea exagerat a insectelor defoliatoare. Dac acest factor nu ar fi contracarat, existena ntregului ecosistem ar fi pus sub semnul ntrebrii. Refacerea echilibrului normal dintre speciile biocenozei se realizeaz, de exemplu, prin intervenia psrilor insectivore (prin nmulirea lor).

Autoreglarea la nivel populaional este mai puin prompt i eficient dect la individual. Se realizeaz prin diferite mecanisme de feed-back intrapopulaional i cu mediul. Se refer mai ales la caracteristicile populaionale ce in de rata reproducerii, nivelul numeric al populaiei, densitatea, dinamica n timp, structura pe vrste, raportul dintre sexe, etc.

Feedbefore13 este un mecanism de anticipare, de prevenire. De exemplu: vzul permite orientarea n timpul micrii i prevenirea

accidentelor; puii de cucuvele sunt hrnii cu cantiti de prad ce scade de la puiul mare la cel mai mic. ansa de supravieuire scade n acest sens rezultnd prevenirea suprapopulaiei cu rpitoare care ar duce la riscul dispariiei speciei ce constituie prada; procesele de organogenez la gru; cderea fiziologic a fructelor etc.

Autoorganizarea Reprezint capacitatea sistemelor de a realiza o anumit structur prin

acumularea de informaie. De exemplu, dirijarea elaboratelor n cadrul organismului pentru formarea, creterea sau ntreinerea esuturilor sau organelor.

12Cornea Petrua, 2004, op. cit., p. 23. 13Guzman T.P.D, Reflexivity and feed-before: from sociology to systemics, Kybernetes: The

International Journal of Systems & Cybernetics, Volume 26, Number 67, 1997 , pp. 751-768(18).

25

n ecosistemele agricole se poate interveni prin tierile de formare i rodire aplicate pomilor care i vor dirija substanele elaborate n modul dorit de om; sau prin folosirea substanelor de cretere sau inhibitoare (D. chiopu., 1997) etc.

Autoreproducerea Autoreproducerea este mecanismul prin care un sistem genereaz alt sistem

de configuraie asemntoare. Din punct de vedere ecologic autoreproducerea este o funcie esenial a

populaiei. Este unitatea reproductiv elementar deoarece numai la nivelul ei se pot asigura celelalte trsturi necesare pentru asigurarea supravieuirii populaiei.

2.4.Ierarhia sistemelor biologice

Un concept important n biologie este acela c organismele sunt forme speciale de organizare a materiei care interacioneaz cu mediul nconjurtor la mai multe niveluri. De aceea atunci cnd cutm rspunsuri la o problem particular putem s o abordm la diferite niveluri simultan. Astfel, trebuie s nelegem, pe de o parte, att moleculele din care sunt constituite organismele vii ct i modul n care acestea sunt ncorporate n celule, cum funcioneaz esuturile, organele sau sistemele din care sunt alctuite acestea, iar pe de alt parte, cum populaiile i ecosistemele sunt afectate de modificrile la nivelul unui organism individual.

Problema structurii ierarhiilor biologice este preocuparea unui numr mare de biologi: Bertalanffy, Botnariuc, May Laslo, etc. (Botnariuc, 1999). Nivelurile cuprinse n ierarhie pot fi niveluri de integrare (cuprind sisteme vii i nevii - molecule, atomi) sau de organizare (fig.2.3).

Ierarhia organizatoric (sistemic) - reprezint ierarhia nivelului de organizare a materiei vii. Pentru a defini noiunea de nivel de organizare au fost propuse mai multe criterii: sistemele biologice aparinnd unui nivel trebuie s fie echivalente din punct

de vedere organizatoric, s aib caracter universal, s fie capabile de existen de sine stttoare.

26

Fig. 2.3. Ierarhia sistemic

Fig. 2.4. Exemplu de niveluri de organizare (dup E. Ross, Concept in biology,

McGraw-Hill, 2002, p. 239)

27

Pornind de la criteriile enunate pot fi deosebite urmtoarele tipuri de niveluri de organizare (fig. 2.4):

1. Nivelul individual, care include toate biosistemele reprezentate de organismele animale sau vegetale, toi indivizii biologici, indiferent de gradul lor de evoluie.

2. Nivelul populaional, cuprinde totalitatea populaiilor. 3. Nivelul biocenotic, reprezentat de comuniti de plante i animale

(biocenoze), care se comport ca sisteme biologice complexe. 4. Nivelul biomic, care cuprinde biocenoze similare ca aspect i care corespund

unor condiii abiotice asemntoare, determinate de zonele de latitudine ale Terrei.

5. Nivelul biosferei, reprezentat de ansamblul vieii pe Pmnt, adic de sistemul biosferei. Nivelul individual este reprezentat prin organisme individuale. Individul

biologic reprezint forma elementar i universal de existen i organizare a lumii vii. Sistemele ce intr n alctuirea unui organism individual constituie ierarhia somatic. n ierarhia somatic sunt integrate att sisteme lipsite de via ct i sisteme vii, alctuind ceea ce se numete nivel de integrare (Botnariuc, 1999).

La nivelul acestui biosistem se manifest legea specific organismului biologic i anume, metabolismul, care n esen este procesul prin care materia ptruns n organism este transformat de ctre acesta n substan proprie i datorit cruia individul biologic poate exista, se dezvolta i crete. O alt nsuire specific nivelului individual este legat de ereditate i variabilitate.

Nivelul populaiei (al speciei) este sistemul supraindividual, infraspecific care poate exista, de sine stttor, timp nedeterminat. Populaia este forma elementar de existen a speciei (specia este reprezentat de cel puin o populaie n condiii naturale) i reprezint unitatea elementar a evoluiei i obiectul principal al seleciei.

Procesul caracteristic al populaiei l reprezint relaiile intraspecifice (intrapopulaionale), contradictorii i unitare n acelai timp, care determin organizarea i funcionarea sistemului n cadrul ecosistemului (Botnariuc, 1999). Dei populaiile sunt unice ntr-un anumit sens, ele au caracteristici generale, diferite de ale indivizilor care intr n componena lor cum sunt: anumite relaii ce se stabilesc ntre indivizii aceleiai populaii (relaii intraspecifice), o anumit structur a efectivului populaiei (structura de sexe, structura de vrste), un mod de funcionare specific, o anumit durat de activitate (longevitate specific). La nivelul populaiei se manifest selecia natural i deci adaptarea speciilor la fluctuaiile factorilor de mediu. De asemenea la nivelul populaiei se manifest tendina dispersiei indivizilor din zonele cu densitate crescut spre locaii cu o mai mic densitate. O alt caracteristic a populaiei este aa numita capacitate de suport, ceea reprezint de fapt media numrului maxim de indivizi pe care o populaie l poate atinge n anumite condiii date.

Nivelul biocenotic cuprinde totalitatea populaiilor ce interacioneaz i formeaz un ntreg la nivelul unui anumit teritoriu specific numit biotop.

28

Procesul caracteristic, contradictoriu i unitar, al ecosistemului este reprezentat de relaiile interspecifice, relaii care sunt de obicei complementare din punct de vedere funcional (productori primari, consumatori, descompuntori). Ecosistemul reprezint mediul care genereaz selecia natural i n care se desfoar evoluia populaiei. La nivelul biocenozei, ca rezultat al relaiilor dintre specii sau populaii ale diferitelor specii, se manifest o alt caracteristic a acestui tip de sistem biologic i anume productivitatea biologic.

Nivelul biomilor este alctuit dintr-un complex de ecosisteme diferite care ocup un teritoriu geografic ntins n anumite zone climatice ale globului. Influenai de latitudinea i altitudinea geografic, de temperatur i regimul precipitaiilor, biomii teretri sunt diferii i includ variate tipuri de pduri, ntinderi ierboase (step, savana,tundr etc.) i zone deertice. Aceti biomi includ de asemenea comunitile specifice bazinelor acvatice incluse (lacuri, bli, mlatini, zone umede).

Diversitatea speciilor de animale, precum i a speciilor vegetale subdominante, care sunt de regul caracteristice fiecrui biom, este controlat de condiiile de mediu i de productivitatea vegetaiei dominante. La nivelul biomilor pot fi observate adaptarea speciilor i specializarea nielor trofice.

La unii biomi (deert, ocean, tundr), factorii fizici (presiunea i temperatura sczut, precipitaiile) sunt cei care controleaz biocenoza i determin stabilitatea ntregului biom (vezi cap.10).

29

33 Surse de energie

Toate organismele depind de aportul energetic (provenit de la soare sau din moleculele cu energie nalt), de disponibilitatea apei i a nutrienilor pentru metabolism i dezvoltare. Cu excepia ctorva ecosisteme (unele peteri, sisteme hidrotemale de mare adncime) n care energia solar nu este principala surs de energie ntreaga energie utilizat de organismele vii provine (ori a provenit odat) de la soare. Chiar combustibilii fosili crbunii, petrolul i gazele naturale - pe care se bazeaz astzi economia civilizaiei moderne sunt de fapt rezerve de energie solar captat i depozitat n fosilele organismelor ce au trit cu milioane de ani n urm.

Fig. 3.1. Bilanul radiaiei solare. (http://www.eoearth.org)

3.1. Radiaia solar

Principala surs de lumin i energie termic pentru ecosistemele naturale este reprezentat de radiaia solar (fig. 3.1). Energia emis de Soare este n jur de 73,5 x 106 Wm-2 din care Pmntul primete numai 0,0005%.

Radiaia solar are lungimi de und cuprinse ntre 1 (Angstrom, 1 = 10-10 m) i civa kilometri (n cazul undelor radio lungi). Radiaia solar care ajunge la limita superioar a atmosferei este n principal de und scurt (0,25-4m)- (aprox. 99%). Din aceasta, aproximativ 9% reprezint radiaie situat n domeniul

30

ultraviolet, 42% n domeniul vizibil, iar 48% n domeniul infrarou. Lumina vizibil, perceptibil de organele de sim ale organismelor este numai

o fraciune din spectrul larg al radiaiei electromagnetice care include undele radio, microundele, radiaiile infraroii, lumina vizibil, radiaiile ultraviolete, radiaiile x i radiaiile gamma (fig. 3.2)

Fig.3.2. Tipuri de radiaii electromagnetice i domeniul lungimilor de und

caracteristice (http://www.physicalgeography.net) Energia solar parcurge spaiul sub form de cuante de energie numite fotoni

care interacioneaz cu atmosfera i suprafaa pmntului. Cantitatea de energie solar care ajunge n straturile superioare ale atmosferei este de 2 calorii/cm2/minut (constanta solar). Aceasta variaz n funcie de latitudine (n zonele nordice intre 40-50 kcal/cm2/an, n cele temperate 80-100, iar n deerturile tropicale peste 200 kcal/cm2/an, n zona Deltei Dunrii 130 kcal/cm2/an), altitudine (la fiecare 1000 m intensitatea radiaiei solare incidente crete cu 5-15%, n funcie de mai muli factori), anotimp, expunere, pant etc.

Energia solar care ajunge la nivelul suprafeei Pmntului este mai redus dect valoarea constantei solare datorit absorbiei i dispersiei acesteia, ca urmare a interaciunii fotonilor cu atmosfera terestr. La suprafaa scoarei terestre energia solar are valoarea medie global de 1,6 cal/cm2 i pe minut.

La traversarea atmosferei terestre, radiaia solar sufer modificri cantitative i calitative datorit fenomenelor de absorbie i difuzie. Intensitatea acestor fenomene este proporional cu parcursul prin atmosfer care depinde de unghiul de nlime al Soarelui.

O prim modificare pe care radiaia solar o sufer este datorat absorbiei selective de ctre gazele i vaporii de ap din atmosfer. Din punct de vedere cantitativ se remarc absorbia datorat vaporilor de ap la 1100, 1400, 1600 i 1900 nm; absorbia radiaiilor solare cu lungimi de und mai mici de 300 nm de ctre ozon (care asigur protecia organismelor vii mpotriva radiaiilor UV); absorbia radiaiilor cu lungimile de und de 2750, respectiv 4250 nm datorat prezenei CO2

31

i a celor cu lungimi de 690 i 760 nm de ctre O2. Difuzia atmosferic este datorat interaciunii radiaiei solare cu moleculele

constituenilor atmosferici i cu aerosolii aflai n suspensie n aer i are ca rezultat modificarea compoziiei spectrale a radiaiei solare ce traverseaz atmosfera1.

Radiaia net i componentele sale variaz n cursul unei zile. Astfel, ziua, bilanul este pozitiv, ceea ce determin acumularea de cldur n sol, n timp ce noaptea, bilanul este negativ i ca urmare solul se rcete. Valoarea radiaiei nete este condiionat de starea suprafeei solului.

La nivelul zonelor acvatice, energia solar total incident la suprafaa apei are o valoare medie estimat de 1,4 1012 calorii/ minut. Din aceast energie, o cantitate variabil ntre 3% i 40% este reflectat de suprafaa apei, n funcie de unghiul de inciden (50, respectiv 5) dar i de prezena valurilor la suprafaa luciului de ap (fig.3.3).

Fig. 3.3. Influena unghiului de inciden cu suprafaa apei asupra absorbiei/reflexiei radiaiei solare (sursa: S. Frontier, op. cit., p.29)

Apa absoarbe lumina n mod diferit, n funcie de lungimea de und a

radiaiei solare. Radiaiile din sectorul rou al spectrului solar sunt absorbite mai rapid, n timp ce radiaiile din sectoarele albastru i verde penetreaz orizonturi mai profunde.

Radiaiile verzi ale spectrului luminii solare nu sunt foarte bine utilizate de plante n cadrul fotosintezei clorofiliene. De aceea, n mri i oceane, n orizonturile la care ptrund aceste radiaii, plantele acvatice (de genul algelor roii care pot fi prezente pn la adncimi de 500 m) utilizeaz un pigment diferit de clorofil denumit ficoeritrin.

Cantitatea i calitatea radiaiei luminoase care ptrunde n ecosistemele acvatice este diferit n funcie de intensitatea fenomenelor de reflecie, refracie, absorbie i dispersie. Din acest motiv, transparena apei are un rol deosebit deoarece valoarea acesteia condiioneaz adncimea maxim la care lumina solar 1 Ileana Fulvia Sndoiu, 2000, Agrometeorologie, Ed. Ceres, 2000, p. 39.

32

poate fi utilizat de ctre plante n procesul de fotosintez2. n apele cu transparena pn la 1 m ptrunde 5% - 10% din totalul energiei

solare incidente la suprafaa apei, iar la adncimea de 2 m cantitatea de energie care ajunge la acest orizont acvatic reprezint numai 0,003 0,01 cal/cm2 i minut (fig. 3.43)

Fig. 3.4. Spectrul luminii subacvatice msurat n zona subtropical a Oceaanului

Pacific, apele de coast ale Mrii Baltice i ntr-o turbrie. a-c spectrul radiaiei subacvatice ne arat c lumina albastr ptrunde foarte adnc n apele oceanului,

lumina verde ptrunde la mare adncime n Marea Baltic, n timp ce lumina roie prevaleaz n turbrie. d fitoplanctonul prelevat de la 120 m adncime din Oceanul Pacific este dominat de Prochlorococcus,

adaptat la ntneric care absoarbe puternic lumina albastr utiliznd divinil clorofila a i b (maximul absorbiei la 450-500 nm);

e fitoplanctonul prelevat de la adncimea de 2 m din Marea Baltic este dominat de cianobacterii care absorb puternic lumina verde utiliznd ficoeritrin;

f fitoplanctonul prelevat de la 75 cm adncime din turbrie, dominat de cianobacterii verzi care absorb puternic lumina roie (maximul absorbiei ficoceanin la 635 nm, clorofila a la 680 nm).

2Pentru determinarea transparenei apei se utilizeaz n mod frecvent un instrument simplu dar

foarte eficient pentru analize de rutin denumit discul lui Secchi, care const ntr-un disc de culoare alb, suspendat de un cablu prin intermediul cruia poate fi cobort n ap la diferite adncimi

3Maayke Stomp1, Jef Huisman, Lucas J Stal and Hans CP Matthijs, Colorful niches of phototrophic microorganisms shaped by vibrations of the water molecule, Winogradsky Review, The ISME Journal (2007) 1, 271282.

33

3.2. Aciunea biologic a luminii

3.2.1. Fotosinteza

Din radiaia global numai o mic parte este utilizat n fotosintez (cantiti mari din radiaia global sunt implicate n procesele de reflexie, absorbie i n schimburile termice i convective). Fotosinteza este un proces metabolic fundamental pentru organismele vii4. Capacitatea fotosintetizant se ntlnete la numeroase organisme att procariote ct i eucariote. Eucariotele fotosintetizante includ nu numai plantele verzi superioare ci i algele multicelulare verzi, brune i roii, ct i euglenoidele, dinoflagelatele i diatomeele.

Energia solar este sursa direct de energie pentru plantele verzi i pentru ali autotrofi fotosintetizani i surs indirect de energie pentru toate organismele heterotrofe, prin aciunea lanurilor trofice ale biosferei. n acest proces energia luminoas se transform n energie ,,biochimic,, - ATP care este apoi folosit pentru producerea moleculelor organice complexe de tipul glucozei din CO2 i ap. Moleculele organice sunt folosite ca surs de energie n procesul de respiraie.

Procesul de fotosintez (la plantele superioare) poate fi sintetizat sub forma ecuaiei:

h + 6CO2 + 12H2O C6H12O6 + 6H2O + 6O2 Fotosinteza poate fi mprit n 3 mari etape5. (fig.3.5) 1. Captarea energiei luminoase. Energia necesar realizrii acestei

biosinteze este furnizat de ctre fotonii solari6, captai de ctre clorofil i ali 4 Mai mult de jumtate din ntreaga fotosinteza de pe planet se realizeaz n oceane de ctre

fitoplanctonul (A. Lehninger, 1987, p. 549). 5 E. Ross, 2002 Concepts in Biology, 10th ed., McGraw-Hill, p. 112. 6 Coninutul de energie al unui foton este reprezentat prin h, n care h este constanta lui Planck

(1,58x10-34 calxs) i este frecvena radiaiei. Energia n kilocalorii a 1 enstein, E, adic 1,0 mol de lumin, coninnd 6,023x 1023 cuante, este dat de formula: E28600/lungimea de und (mn). n domeniul vizibil 1 einstein transport o energie - ntre 40 i 72 kcal, n funcie de lungimea de und a luminii. Fotonii cu lungime de und mic, din regiunea ultraviolet a spectrului, au cea mai mare energie. Cantitatea de energie a unui mol" de fotoni, indiferent de lungimea de und, este cu mult mai mare dect energia necesar pentru sinteza unui mol de ATP din ADP i fosfat, care este 7,3 kcal n condiii termodinamice standard. Capacitatea unei substane de a absorbi fotoni depinde de structura sa atomic i n mod deosebit de aranjamentul electronilor din jurul nucleului atomic. Spectrul de absorbie al unui compus arat capacitatea sa de a absorbi lumina ca o funcie a lungimii de und. Cnd un foton se lovete de un atom sau o molecul care absorb lumina la o anumit lungime de und, energia este absorbit de unii dintre electroni, care sunt astfel ridicai la nivele mai nalte de energie; atomul sau molecula se gsete atunci ntr-o stare excitat. Numai fotonii cu o anumit lungime de und pot excita un atom sau o molecul dat, deoarece excitarea moleculelor nu este continu ci cuantificat; energia luminoas se absoarbe numai n poriuni discrete numite cuante. Excitaia unei molecule de ctre lumin este foarte rapid, avnd loc n mai puin de 1015 s. Molecula excitat poate suferi dou transformri. Ea se poate ntoarce la starea de energie joas sau starea

34

pigmeni fotosintetizani (carotenoizii galbeni, roii sau purpurii precum i ficobilinele albastre sau roii).

Fig.3.5. Procesul de fotosintez (Sursa: E Ross, 2002)

2. Reacii dependente de lumin. Reaciile dependente de lumin se

desfoar n tilacoidele cloroplastelor. Aici este utilizat energia din radiaiile luminoase pentru fotoliza apei. Electronii i protonii rezultai sunt folosii pentru sinteza unei substane puternic reductoare (NADPH+H+), iar energia produs prin transportul protonilor, prin pompa de protoni, este folosit pentru biosinteze ATP-ului. Acesta acumuleaz energia biochimic n legturile macroenergetice.

H2O + NADP+ NADPH + H+ + 1/2 O2 3. Reacii independente de lumin. Faz enzimatic (de ntuneric) a

de baz, cu emisia simultan sub form de lumin sau cldur a energiei absorbite n timpul excitrii. Emisia de lumin de ctre moleculele excitate se numete fluorescent. Stingerea fluorescenei moleculelor excitate, care este complet n aproximativ 10-8 s, are loc la o lungime de und mai mare dect cea a lungimii de und care a produs excitaia. Molecula excitat poate avea ns i o alt soart; datorit strii sale bogate n energie, ea poate reaciona uor cu o alt molecul, ntr-o astfel de reacie fotochimic, molecula excitat poate ceda un electron celeilalte molecule cu care reacioneaz (A. Lehninger, Biochimie, Ed. Tehnic, 1987).

35

fotosintezei (ciclul Calvin) se desfoar n stroma cloroplastelor7 i poate fi mprit n 3 etape distincte: un compus cu 5 atomi de carbon-ribulozo-1,5 difosfai (RUDP) fixeaz o molecul de bioxid de carbon i una de ap n prezena enzimei de mai sus (ribulozo-1,5 difosfat-carboxilaz). Rezult compui intermediari din care se formeaz 2 molecule de acid-3 fosfogliceric (PGA). Are loc fosfosilarea acidului 3-fosfogliceric, n prezena ATP-ului i formarea acidului 3-difosfogliceric. Acesta este redus la aldehid fosforic i dioxiacetonfosfat. Din 6 molecule de aldehid fosforic, una este pus n libertate, iar 5 molecule sunt folosite pentru regenerare RUDP. Molecula de aldehid fosfogliceric, pus n libertate, poate fi utilizat n cloroplast sau n citoplasm, pentru biosinteza glucozei, fructozei, a zaharozei i a unor aminoacizi. Ea catalizeaz, deci, procesul de evoluie al glucozei spre forme mai evoluate ale materiei organice, constituind al doilea pas major de creare a inputurilor organice n biosfer.

Fraciunea din energia solar utilizat n fotosintez este de numai 1% pe ntreg ciclul de vegetaie al unei culturi, 2-3% n faza activ de cretere i 45%, dac se efectueaz determinri pe intervale de timp foarte scurte, de ordinul orelor i nu se ia n consideraie respiraia nocturn8.

Se estimeaz c, prin procesul de fotosintez al plantelor i microorganismelor se transform n energie chimic circa (3-6)x1017kcal/an, adic un total 0,03 % din energia solar ce ajunge pe Pmnt. Numai o mic parte din aceast energie este folosit de om: aproximativ 8x1015 kcal/an sub form de cldur i cam 41015 kcal/an sub form de hran.

3.2.2. Rspunsul organismelor la stimulul luminos

Plantele reacioneaz diferit la compoziia luminii, intensitatea luminoas i durata de iluminare.

Lumina joac un rol nsemnat n procesele de cretere i dezvoltare al plantelor. Procesul de fotosintez este influenat att de absorbia radiaiei solare din domeniul 400-700 nm ct i de repartiia radiaiei n interiorul covorului vegetal.

Vegetaia se comport diferit n funcie de lungimea de und: reflectana frunzelor este sczut n domeniul vizibil (0,4-0,7m), cea

mai mare parte din radiaia incident este absorbit de pigmenii clorofilieni i carotenoizi din frunze;

n domeniul infrarou (0,7-1,3 m) absorbia datorat pigmenilor frunzei este foarte slab;

n domeniul infrarou mijlociu (1,3-2,5 m) proprietile optice sunt determinate de coninutul n ap al frunzelor, fiind cunoscute benzile de absorbie ale apei situate la 1,45, 1,95 i 2,50 m.

7n celulele eucariote, aparatul fotosintetizant este localizat n cloroplaste. Bacteriile

fotosintetizante i algele verzi-albastre, care sunt organisme procariote, sunt lipsite ns de cloroplaste. Componentele moleculare ale sistemului receptor de lumin sunt localizate fie n membrana celular, fie n structuri veziculare numite cromatofori.

8Ileana Fulvia Sndoiu, op. cit