FLUXURILE DE SUBSTANTA, ENERGIE SI INFORMATIE IN ECOSISTEME

Fluxurile de substanta, energie si informatie în ecosisteme

Pentru o abordare corecta a fluxurilor existente în ecosisteme trebuie de la început subliniat aspectul unitar si integrator al acestor canale în structura ecosistemica, aspect abordat la nivel general pornind de la o se­rie de elemente filosofice raportate la aceasta problema (Gruia R. 1988). Pornind de la definitia existentei 11111x2310l fundamentale necreate ca unitate si identitate a contrariilor, atunci Substanta ontica este necreata si infinita si tot asa este si Informatia si Energia. Datorita faptului ca nu sînt de­terminate separat, Substanta (S), Informatia (I) si Energia (E) sînt de fapt trei aspecte ale aceleasi Existente fundamentale, inclusiv a celei ecosistemice. Principiul logic care le exprima este identitatea trinitara (A = A = A). Pe de alta parte însa, S, I si E sunt discrete în universul obiectual datorita determinarii fiecarui obiect, eveniment, stare si situatie de univers în spatiu si timp (S t a n c o v i c i V., 1983). De aceea, fiecare aspect amintit îl vom analiza separat, în contextul fluxului generat în cadrul ecosistemului, ca legatura între elementele sale structurale.

2.3.1. Fluxul substantei (materiei) în ecosisteme

Dupa cum este stiut, bioticul si abioticul (viul si ne-viul) ecosistemelor este format din mate­rie, reprezentata de elementele esentiale; însa din cele 105 cunoscute as­tazi, doar 15-20 au un rol fundamental pentru mentinerea vietii pe Terra. Acestea se regasesc în cele patru "sfere" terestre : atmosfera, hidrosfera, litosfera si biosfera. Evolutia lumii vii a favorizat stabilirea circuitelor bio­geochimice, cu ajutorul carora aceste materii indispensabile pot fi reciclate într-o maniera permanenta.

Circuitele mentionate reprezinta un mijloc ecologic de control care ur­mareste circulatia permanenta a acestor elemente între sistemele vii (or­ganisme, populatii, biocenoze) si ambianta lor. Circulatia elementelor chi­mice între sistemele discontinui si eterogene ale biosferei (organismele componente ale biocenozelor) si sistemele fizice, biotopurile, cvasi - continui si cvasi - omo­gene ale ecosistemelor, este redata schematic în figura 9 (dupa Puia si Soran, 1987, partial adaptat dupa Odum E. P., 1975).

În circulatia substantei în ecosisteme se disting, în principiu, doua aspecte: (a) circulatia principalelor elemente chimice si (b) circulatia substantei organice. Speciile componente ale ecosistemelor au pozitii diferite, uneori opuse, în ciclurile biogeochimice. Astfel, producatorii primari asimileaza preponderent compusi anorganici, în timp ce consumatorii (de diferite categorii) sunt total dependenti de compusii organici ai mediului.

Pâna în momentul de fata ciclurile biogeochimice sunt putin cunoscute, dar este evidentiata existenta a doua tipuri fundamentale (figurile 12,13,14,15,16 si 17, adaptate dupa Alexander T.R.si Fichter G.S., 1973) : (a) cele de tip sedimentar (ciclurile sulfului, fosforului etc.) si (b) cele de tip gazos (ciclurile azotului, oxigenului, carbonului s.a.). Desi nu ne propu­nem aici o

Fig. 12 - Circuitul substantelor în ecosistemele naturale pe

seama curgerii discontinue a. curentului de energie

Fig. 13. Ciclul sulfului - asigura reîmprospatarea constanta a

rezervelor de sulfati dispo­nibili

Fig. 14 - Ciclul fosforului - atât sub forma anorganica cât

si organica prezinta o mare importanta în edificarea tesutului osos al animalelor, precum si prin prezenta în acizii nucleici celulari

Fig. 15 - Ciclul azotului - are rol major în agricultura datorat proceselor de fixare chimica sau naturala

Fig. 16 - Ciclul oxigenului - ciclu complex care interfereaza cu alte cicluri biogeochimice în particular cu cel al carbonului, hidrogenului si apei

aprofundare a acestor cicluri, mentionam totusi importanta as­pectului reglator al acestora. Amintim astfel secventa ordonata a grupe­lor de organisme cu implicatii majore în desfasurarea întregului ciclu, apoi ,,constrângerile" de ordin fizic sau chimic (prin reglari promo­vate de diversi compusi). Reglarea ciclurilor biogeochimice provenite din partea componentei vii a ecosistemului (din biocenoza) este promovata de metabolismul vietuitoarelor.

Aceste aspecte le consideram a fi foarte importante la nivelul agroeco-sistemelor datorita perturbarilor în desfasurarea naturala a ciclurilor bio­geochimice prin interventia omului (mecanizare, chimizare etc.). Pe de alta parte, întelegerea schimbarilor survenite poate impune, potential, masuri în vederea redresarii sau reducerii ciclurilor biogeochimice spre o situa­tie pe cât posibil asemanatoare celei naturale (înaintea perturbarilor), în acest mod, prin mijlocirea ciclurilor biogeochimice, nu este exclus ca agroecosistemele sa ajunga la anumite grade de autoreglare ciclica si chiar continua a resurselor de substanta, marindu-si randamentul si evitând po­luarea.

2.3.2. Fluxul de energie în ecosisteme

Fluxul de energie mentine structura .si existenta ecosistemelor natu­rale si ale agroecosistemelor, întretinerea vietii fiind asigurata de radiatia so­lara.

Energia primita sub forma radiatiilor solare conditioneaza practic atât viata cât si clima. Fara aceasta energie, de care depinde productia ve­getala (de fapt fotosinteza), ecosistemele înceteaza sa functioneze, caci lanturile trofice sunt taiate la baza. Desigur, trebuie tinut cont de aceste aspecte în stabilirea bugetului energetic al ecosistemului.

Fig. 17 - Ciclul carbonului si implicatiile sale ecologice : a - în atmosfera;

b - în hidrosfera; c - efectul de sera

Energia solara, dupa cum este cunoscut, este un ansamblu de radiatii diverse cu diferite lungimi de unda, care ating suprafata Terrei. Numai jumatate din energia care penetreaza troposfera atinge pamântul, iar din aceasta cantitate, mai putin de 2% este utilizata pentru fotosinteza (fig.18).

Fig. 18 - Distribuirea si folosirea radiatiei solare ce traverseaza biosfera

Înca înainte de a strabate atmosfera pâna la sol, cea mai mare parte din radiatia infrarosie si ultravioleta este absorbita de ozon, vaporii de apa si particulele de praf. La nivelul solului, constanta solara sau energia so­lara incidenta (circa 2 cal/cm²/min), dupa absorbtia din straturile superioare ale atmosferei, înregistreaza un flux mediu de radi­atie solara de cea 0,5 cal/cm²/niinut (O d u m E. P., 1971 ; R i c k 1 e f s R. E., 1979 s.a.). Exprimarea fluxului de energie se face de obicei raportata la unitati de masura mai mari (m²; an etc.), de exemplu, fluxul mediu de energie solara în tara noastra fiind cuprins între 1 X IO⁶ si 1,4 X IO⁶ Kcal/m²/an (Puia si Soran, 1987).

Din figura 15 rezulta sensul si dinamica energetica la nivelul biosferei, exprimata concret în cadrul unui ecosistem natural din zona temperata. Se constata ca nu întreaga energie solara incidenta la lantul trofic este ab­sorbita de vegetatie, ci aproximativ jumatate din ea se reîntoarce în me­diu sub forma de lumina reflectata. Din jumatatea absorbita se utili­zeaza foarte putin în sinteza substantei organice, majoritatea energiei (95 - 99%) pierzându-se în procesul transpiratiei vegetale si sub forma de energie calorica.

Transferul de energie în ecosistemele naturale nu se desfasoara sub forma unui flux continuu, cum este caracteristic la nivel de organism (da­torat fotosintezei, ori mai ales respiratiei etc.) si unde încetarea flu­xului este echivalenta cu moartea. La nivel de ecosistem energia circula în flux discontinuu, prin intermediul unitatilor discrete, respectiv a orga­nismelor ce constituie biocenoza. Se constata deci ca circulatia energiei între diversele organisme ale ecosistemului se realizeaza prin intermediul substantelor organice. Acestea sunt capabile sa înmagazineze energie în structura lor, sub forma de energie chimica potentiala.

Transferurile de energie între organisme si mediul lor sunt adesea ex­trem de complexe. Inclusiv în cazul ecosistemelor zooproductive, care sunt raspândite în cazul fermelor agroturistice, când analizam aceste transferuri, trebuie ti­nut cont de intensitatea radiatiei solare, de umiditatea relativa, de curentii si temperatura aerului s.a. Fiecare categorie de organisme vii absoarbe sau reflecta radiatiile solare în maniera sa. Culoarea joaca un rol impor­tant în acest sens, caci, dupa cum se stie, negrul si culorile închise absorb mai multa radiatie solara decât culorile deschise (de exemplu, diferentele de absorbtie între vacile Holstein - negre - si vacile Shorthorn - albe). Marimea suprafetei expuse influenteaza, de asemenea, cantitatea radiatiilor absorbite.

Energia circula atât prin conductie cât si prin convectie (în acest din urma caz transferul se face la limita dintre corp si aer sau apa), dupa cum reiese si din figura 19, unde este prezentat schematizat transferul de ener­gie într-un ecosistem.

Fig. 19 - Transferul de energie într-un ecosistem dat.

Distribuirea cât mai eficienta a energiei în ecosistem se realizeaza numai printr-un consum proportional si succesiv de catre multimea orga­nismelor care alcatuiesc lanturile trofice (fig. 20). Dar lanturile alimentare se pot realiza numai daca energia se acumuleaza temporar la diferite ni­veluri ale lor. Cu cât stocurile de energie înmagazinata sub forma de sub­stanta organica sunt consumate mai rapid si pe mai multe canale, cu atât ecosistemul este mai stabil, aspecte ce se regasesc de fapt în complexita­tea si diversitatea ecosistemelor naturale, dar care pot constitui un impor­tant mod de analiza, pentru agroecosisteme în general, si pentru ecosiste­mele fermelor agroturistice în special.

Fig. 20. Transferurile energetice raportate la un lant trofic complet al unui sistem

2.3.3. Fluxul informatiei în ecosisteme

Complexitatea relatiilor sol - planta - animal - om, sau a tuturor sub­sistemelor componente dintr-un ecosistem, nu poate fi analizata exhaus­tiv fara luarea în consideratie a "informatiei" (ca element puternic consti­entizat în societatea contemporana, si care a devenit, practic, o principala energie dinamica si pentru sistemele ecologice). Fluxul informational duce la întelegerea desfasurarii principiilor de organizare si functionare a meca­nismelor de reglare ale ecosistemelor, indiferent de natura lor (Gruia R., 1988).

În cazul ecosistemelor naturale problema fluxului de informatii a fost abordata în principal pe baza conceptului de genofond (Soran V. si Boscaiu N., 1974), fondul de gene reprezentând cantitatea de informatie genetica detinuta de sistemul biologic supraindividual dat.

La nivel populational deosebim doua atribute caracteristice fondului genetic: (a) capacitatea sa de autoreproducere (prin reproducerea indivizilor populatiei) si (b) întretinerea permanenta a unui asa-numit ,.curent" de gene în cadrul populatiei respective. Informatia genetica transmisa prin curentul de gene are tendinta de a se opune schimbarilor ce ar putea provoca diver­se modificari. Se realizeaza astfel homeostazia genetica a populatiei date, homeostazie ce asigura un echilibru în ecosistem.

În genofondul de ansamblu al unui ecosistem, alcatuit din totalitatea genofondurilor componente, nu exista un curent de gene specific bioceno­zei, adica nu se transmit informatii de natura genetica din cauza puterni­celor bariere genetice care separa speciile. În schimb se realizeaza, prin mijlocirea interactiunilor si asocierilor dintre genofondurile speciilor eco­sistemului, transmiterea unor informatii de natura paragenetica, emergente atât din genofondurile particulare ale speciilor componente, cât si din ge­nofondurile ecosistemului generat de asociere. Astfel se poate observa modul diferit de actiune al fluxului informatiei la nivel populational si, respectiv, al biocenozei, adica la nivel ecosistemic. Se poate pre­ciza (Puia I. si S o r a n V., 1987) ca fondul genetic al unei specii se autoreproduce, în timp ce, fondul genetic al ecosistemului (si al biosferei în gene­ral) se reface sau se regenereaza prin asociere.

De informatiile paragenetice trebuie sa se tina cont mai ales în cazul ecosistemelor amenajate de om, pe baza modelelor diferite de ecosistemele naturale. Este si cazul agroecosistemelor, la care, precizam noi, în afara informatiilor genetice si paragenetice, trebuie sa se tina seama de rolul important al surplusului de informatie introdus suplimentar si constient de om pentru mentinerea fiabilitatii lor, în contextul plusului de organiza­re obtinut prin adaugarea de informatie.

2.3.3.1. Interactiunile - mecanisme cu baza informationala ale

ecosistemelor

Interactiunile, ca mecanisme ale structurii ecosistemelor (v.fig.5), provenite de obicei din genofondurile populatiilor alcatuitoare ale ecosiste­mului, mijlocesc de fapt realizarea scurgerii flu­xului de energie (prin amplificare sau încetinire) si a circuitului de substante.

Functiile de interactiune constituie un aspect care necesita un mare efort de investigatie în viitor pentru elucidarea mecanismelor de functionare la nivel de ecosistem. Pâna în momentul de fata au fost abordate mai mult probleme referitoare la interactiunile în­tre specii, care însa nu constituie decât un punct de plecare sau, eventual, de referinta. Se constata astfel ca relatiile între organismele unui ecosistem au limite care pleaca de la cooperare si de la dependenta, la antagonism si la competitie. Între aceste extreme exista o situatie mai mult sau mai putin neutra, în care influenta unui organism asupra altuia nu este eviden­ta, sau ramâne indirecta. Desigur ca daca un organism face parte din "an­turajul" altuia, exista totusi efecte reciproce între acestea, iar pe de alta parte, fiecare influenteaza într-o oarecare masura mediul fizic comun (bioto­pul). Pozitia sau statutul unui organism în interiorul comunitatii (bioce­nozei) si implicit a ecosistemului defineste asa-numita nisa ecologica (Elton Ch., 1927; Odum E. P., 1953 s.a.).

Dar de fapt, fiecare specie îsi are propria sa nisa ecologica, numita nisa fundamentala (Hutchinson G. E., 1958, 1967). Specia respectiva poate fi influentata de un numar de ,,n" coordonate, existând astfel posi­bilitatea exprimarii variabilelor (Whittaker R.H., Levin S.A., Root R.B., 1973). Fiecare coordonata poseda valori limita în afara ca­rora reproducerea si supravietuirea unei specii nu este posibila. Seria de coordonate din interiorul limitelor de vietuire pentru specia respectiva constituie asa-numitul hipervolum cu ,,n" dimensiuni, care este, de fapt, nisa fundamentala. Concret, aceasta din urma consta din totalitatea fac­torilor fizici si a particularitatilor biologice ale unei specii date. De aici si importanta genofondului care pastreaza si coordoneaza indirect speciile si implicit nisa ecologica respectiva.

Nisa ecologica este privita ca o unitate structurala si functionala a ecosistemelor si i s-au luat în considerare, pâna în prezent, trei aspecte principale bazate pe interactiunile informationale, ce au dus la constituirea conceptelor de nisa trofica, nisa spa­tiala si nisa pluridimensionala.

Mai multe nise fundamentale formeaza prin asociere si integrare o nisa primara (Kroes H. W. 1977), ce constituie o parte din structura unui ecosistem, ea îndeplinind o singura functie. Exemple în acest sens sunt nisa primara a producatorilor de substanta organica (nisa din care fac parte toti producatorii primari), precum si nisele primare ale erbivorelor, fitofagelor, carnivorelor, detritivorelor etc. Consecintele care deriva dintr-o astfel de tratare a conceptului de nisa ecologica pot fi grupate în functie de tipurile de relatii între nisele fundamentale si ecosistemul dat, si anume: (a) daca o specie participa la formarea mai multor ecosisteme, în fiecare dintre acestea se formeaza o nisa specifica (nisa speciei) ; (b) în acelasi ecosistem, o specie formeaza o nisa diferita de alta specie; (c) doua specii concurente pentru exact aceleasi resurse materiale si energetice nu pot coexista (principiul excluderii concurentilor) decât în conditiile spe­cifice oferite de interventia omului în natura.

Referitor la speciile care poseda nise ecologice identice si care nu pot sa coexiste complet (De Bach F., 1966) vom exemplifica, pentru cazul agroecosistemelor, necesitatea excluderii din competitie a daunatorilor (în special a buruienilor), precum si mult discutata competitie între speciile animale, abordata în general de zoo-ecologi si biologi si, în particular, pentru fermele agroturistice, de inginerii specialisti în alimentatia publica si agroturism. Excluderea unor nise ecologice si crearea disponibilitatilor favorabile realizarii unor noi nise, necunoscute în natura, constituie de fapt actiunea de baza a omului la amenajarea diferitelor tipuri de agroecosisteme, implicit a fermelor agroturistice cu specific original.