Ecologia umană

Ecologia umană este ramura ecologiei care studiază relațiile dintre om și mediul înconjurător, precum și impactul activităților umane asupra ecosistemelor. Ea folosește cunoștințe de biologie, geografie, sociologie și științe ale mediului pentru a explica modul în care omul modifică mediul natural și este, la rândul lui, influențat de acesta.

Ecosistemul, unitatea fundamentală a ecologiei

Definiția ecosistemului

Ecosistemul este un sistem ecologic alcătuit din totalitatea organismelor dintr-un anumit spațiu (biocenoza) și din mediul fizico-chimic în care acestea trăiesc (biotopul), între care există legături strânse și schimburi permanente de materie și energie. Ecosistemul este unitatea funcțională de bază a biosferei.

Ecosistem = biotop + biocenoză

Biotopul

Biotopul este componenta nevie (abiotică) a ecosistemului. Factorii abiotici ai biotopului includ:

• factori climatici: temperatura, lumina, umiditatea, precipitațiile, vântul;
• factori edafici (ai solului): tipul de sol, compoziția chimică, pH-ul, textura, conținutul de apă;
• factori hidrologici: prezența apei, curenții, salinitatea, temperatura apei, cantitatea de oxigen dizolvat;
• factori orografici (ai reliefului): altitudinea, expoziția versanților, panta.

Fiecare specie are un interval de toleranță față de fiecare factor abiotic, în care poate supraviețui și se poate reproduce. Optimul ecologic este valoarea factorului la care specia se dezvoltă cel mai bine.

Biocenoza

Biocenoza este totalitatea populațiilor de organisme (componenta biotică) care trăiesc într-un biotop. O populație este un grup de indivizi ai aceleiași specii care trăiesc în același loc și în același timp și se pot reproduce între ei. Biocenoza cuprinde:

• fitocenoza: totalitatea plantelor, care sunt producători;
• zoocenoza: totalitatea animalelor, care sunt consumatori;
• microbiocenoza: totalitatea microorganismelor, majoritatea descompunători, dar și unii producători.

Ecosistemele antropizate

Ecosistemele antropizate sunt create sau puternic modificate de om: agroecosistemele (culturi agricole, livezi, vii), ecosistemele urbane, pădurile plantate, lacurile de acumulare. Ele au o biodiversitate redusă, sunt mai puțin stabile decât ecosistemele naturale și depind de intervenția permanentă a omului (lucrări agricole, îngrășăminte, irigații).

• Agroecosistemul este dominat de una sau câteva specii cultivate, iar o mare parte din biomasa produsă este îndepărtată prin recoltare.
• Ecosistemul urban are un biotop dominat de construcții și suprafețe betonate, cu un microclimat mai cald și mai poluat, și o biocenoză în care predomină omul și speciile adaptate la apropierea lui.

Ecosistemele se studiază prin observații directe și prin prelevarea de probe din suprafețe delimitate; pe baza probelor se calculează indici ecologici, cum sunt abundența (numărul de indivizi ai unei specii dintr-o probă), densitatea (numărul de indivizi pe unitatea de suprafață sau de volum) și frecvența (procentul de probe în care apare specia).

Relațiile dintre organisme

Organismele dintr-o biocenoză se influențează reciproc prin relații de diferite tipuri.

Relații intraspecifice (între indivizii aceleiași specii):

• competiția intraspecifică, pentru hrană, teritoriu și parteneri de reproducere;
• cooperarea, viața în grup (stoluri, turme, colonii).

Relații interspecifice (între indivizii unor specii diferite):

• neutralismul: cele două specii trăiesc în același ecosistem fără să se influențeze direct;
• competiția interspecifică: două specii folosesc aceleași resurse limitate, cu efect negativ pentru amândouă;
• amensalismul: o specie inhibă dezvoltarea alteia, fără a avea un avantaj sau un dezavantaj (de exemplu, mucegaiul Penicillium împiedică înmulțirea unor bacterii);
• prădătorismul: o specie (prădătorul) prinde și consumă indivizi ai altei specii (prada);
• parazitismul: o specie (parazitul) trăiește pe sau în corpul altei specii (gazda), hrănindu-se pe seama ei și dăunându-i;
• comensalismul: o specie profită de pe urma alteia (hrană, adăpost), fără să o avantajeze sau să o dezavantajeze;
• mutualismul (simbioza): două specii trăiesc împreună cu avantaj reciproc (de exemplu, lichenii, asocieri între o algă sau o cianobacterie și o ciupercă, ori bacteriile fixatoare de azot din nodozitățile rădăcinilor de leguminoase).

Nivelurile trofice și lanțurile alimentare

Nivelurile trofice

Organismele dintr-un ecosistem sunt grupate în niveluri trofice, după modul în care își procură hrana și energia:

1. Producătorii (organismele autotrofe) sintetizează substanțe organice din substanțe anorganice, folosind energia luminoasă (fotosinteză) sau energia unor reacții chimice (chemosinteză); sunt plantele verzi, algele și unele bacterii și formează nivelul trofic I.
2. Consumatorii (organismele heterotrofe) se hrănesc cu alte organisme:
   • consumatorii primari (ierbivorii) se hrănesc cu producători și formează nivelul trofic II (de exemplu, iepurele, vaca, lăcusta);
   • consumatorii secundari (carnivorii de ordinul I) se hrănesc cu ierbivori și formează nivelul trofic III (de exemplu, vulpea, broasca);
   • consumatorii terțiari (carnivorii de ordinul al II-lea) se hrănesc cu carnivori de ordinul I și formează nivelul trofic IV (de exemplu, șarpele care mănâncă broaște, uliul care prinde șerpi);
   • omnivorii se hrănesc atât cu plante, cât și cu animale (de exemplu, omul, ursul, mistrețul) și pot ocupa mai multe niveluri trofice.
3. Descompunătorii (organismele saprofite), adică bacteriile și ciupercile saprofite, descompun materia organică moartă până la substanțe minerale, care reintră în circuitul materiei.

Lanțurile trofice

Un lanț trofic (lanț alimentar) este succesiunea de organisme în care fiecare se hrănește cu cel precedent; prin el se transferă materia și energia de la un nivel trofic la altul.

Exemplu de lanț trofic: iarbă → lăcustă → broască → șarpe → uliu

Rețeaua trofică

Rețeaua trofică este ansamblul lanțurilor trofice dintr-un ecosistem, legate între ele prin specii comune. Majoritatea organismelor fac parte din mai multe lanțuri trofice. Cu cât rețeaua este mai complexă, cu atât ecosistemul este mai stabil.

Piramidele ecologice

Piramidele ecologice reprezintă grafic structura trofică a unui ecosistem:

• piramida numerelor: de regulă, numărul indivizilor scade de la producători spre consumatorii de ordin superior (există excepții, de exemplu un singur copac care hrănește mii de insecte);
• piramida biomasei: de regulă, biomasa totală scade de la un nivel trofic la următorul;
• piramida energiei: energia scade întotdeauna de la un nivel trofic la următorul; în medie, doar aproximativ 10% din energia unui nivel ajunge la nivelul următor (regula celor 10%), restul fiind consumată în respirație și pierdută sub formă de căldură.

Ciclurile biogeochimice

Ciclurile biogeochimice nu apar ca temă separată în programa de bacalaureat pentru ecologia umană, dar ajută la înțelegerea efectelor activităților umane asupra mediului.

Ciclul carbonului

Ciclul carbonului descrie circulația carbonului între atmosferă, organisme, ape și scoarța terestră:

• fixarea carbonului: plantele și algele absorb CO₂ din atmosferă și îl transformă, prin fotosinteză, în substanțe organice;
• eliberarea carbonului: CO₂ ajunge în atmosferă prin:
  • respirația celulară a organismelor;
  • descompunerea materiei organice moarte;
  • arderea combustibililor fosili (cărbune, petrol, gaze naturale), principala cauză a creșterii concentrației de CO₂ din atmosferă;
  • erupțiile vulcanice;
• depozitarea carbonului: în combustibilii fosili, în rocile calcaroase, în apa oceanelor (CO₂ dizolvat) și în biomasa pădurilor.

Concentrația de CO₂ din atmosferă a crescut de la aproximativ 280 ppm în perioada preindustrială la peste 420 ppm în prezent, ceea ce intensifică efectul de seră și contribuie la încălzirea globală.

Ciclul azotului

Ciclul azotului descrie transformările azotului în natură:

• fixarea azotului transformă N₂ atmosferic în compuși pe care plantele îi pot folosi:
  • fixarea biologică este realizată de bacterii fixatoare de azot (Rhizobium, în simbioză cu leguminoasele, și Azotobacter, liber în sol);
  • fixarea industrială are loc la fabricarea îngrășămintelor azotate;
  • fixarea atmosferică se produce în timpul descărcărilor electrice (fulgere);
• amonificarea este descompunerea materiei organice, cu eliberare de amoniac și ioni de amoniu;
• nitrificarea este transformarea ionilor de amoniu (NH₄⁺) în nitriți (NO₂⁻), apoi în nitrați (NO₃⁻), de către bacterii nitrificatoare (Nitrosomonas, Nitrobacter);
• asimilarea este absorbția nitraților de către plante și încorporarea azotului în aminoacizi și proteine;
• denitrificarea este transformarea nitraților în N₂ gazos de către bacterii denitrificatoare; azotul revine astfel în atmosferă.

Ciclul apei

Ciclul apei (ciclul hidrologic) descrie circulația apei în natură:

• evaporarea: apa din oceane, lacuri și râuri trece în vapori sub acțiunea energiei solare;
• transpirația: plantele elimină vapori de apă prin stomate; împreună cu evaporarea de la suprafața solului, formează evapotranspirația;
• condensarea: vaporii de apă se condensează în atmosferă și formează nori;
• precipitațiile: apa revine la suprafața Pământului sub formă de ploaie, zăpadă sau grindină;
• infiltrarea: apa pătrunde în sol și alimentează apele subterane;
• scurgerea: apa curge la suprafață spre râuri, lacuri și oceane.

Impactul antropic asupra ecosistemelor

Poluarea

Poluarea este introducerea în mediu a unor substanțe, organisme sau forme de energie care îi modifică negativ calitatea și afectează sănătatea omului și a celorlalte organisme. După natura poluantului, poluarea poate fi chimică, fizică (fonică, termică, radioactivă, luminoasă) sau biologică (cu microorganisme patogene sau cu specii introduse).

• Poluarea aerului: dioxid de sulf, oxizi de azot, monoxid de carbon, pulberi în suspensie, ozon troposferic, proveniți din arderea combustibililor fosili, din industrie și transporturi; efecte: smog, ploi acide, boli respiratorii.
• Poluarea apei: ape uzate industriale și menajere, pesticide, îngrășăminte, metale grele, deșeuri de plastic; efecte: contaminarea surselor de apă potabilă și eutrofizarea, adică îmbogățirea apei în nitrați și fosfați, urmată de înmulțirea explozivă a algelor și de scăderea cantității de oxigen dizolvat, care duce la moartea peștilor.
• Poluarea solului: depozitarea necontrolată a deșeurilor, folosirea excesivă a pesticidelor și a îngrășămintelor, scurgerile de substanțe toxice; efecte: scăderea fertilității solului și pătrunderea poluanților în lanțurile trofice.

Câteva efecte ale poluării au importanță globală:

• ploile acide sunt precipitații cu pH mai mic de 5,6, rezultate din reacția apei din atmosferă cu dioxidul de sulf și oxizii de azot; ele acidifică solurile și apele și distrug pădurile;
• subțierea stratului de ozon din stratosferă, provocată mai ales de freoni, crește cantitatea de radiații ultraviolete care ajung la suprafața Pământului, cu risc de cancer de piele și de cataractă;
• bioacumularea este concentrarea treptată a poluanților greu degradabili (unele pesticide, metale grele) în organisme, concentrația crescând de la o verigă la alta a lanțului trofic, astfel încât cei mai afectați sunt consumatorii de la capătul lanțului, inclusiv omul.

Defrișarea

Defrișarea este tăierea pădurilor pe suprafețe mari, pentru:

• extinderea terenurilor agricole;
• exploatarea lemnului;
• urbanizare și construirea infrastructurii.

Consecințele defrișării:

• pierderea biodiversității, prin distrugerea habitatelor multor specii;
• intensificarea eroziunii solului, deoarece în lipsa rădăcinilor solul este spălat de ploi; cresc riscul alunecărilor de teren și al inundațiilor;
• perturbarea ciclului apei, prin scăderea evapotranspirației și a precipitațiilor locale;
• creșterea concentrației de CO₂ din atmosferă, deoarece pădurile stochează mult carbon, care este eliberat când lemnul este ars sau se descompune;
• deșertificarea, degradarea treptată a terenurilor din zonele aride și semiaride.

Alte forme de impact antropic

• Degradarea habitatelor prin desecări, îndiguiri, construcții și agricultură intensivă este principala cauză a dispariției speciilor.
• Introducerea de specii noi în afara arealului lor natural poate dezechilibra ecosistemele: unele devin invazive, se înmulțesc rapid și înlocuiesc speciile locale.
• Supraexploatarea resurselor biologice (pășunatul excesiv, pescuitul și vânătoarea excesive, braconajul) reduce populațiile sub nivelul la care se mai pot reface; de exemplu, sturionii din Dunăre au ajuns în pericol de dispariție.
• Urbanizarea și industrializarea distrug habitate naturale, cresc consumul de resurse și de energie și cantitatea de deșeuri și de poluanți.

Schimbările climatice

Schimbările climatice actuale sunt cauzate în principal de creșterea concentrației gazelor cu efect de seră (CO₂, metan, oxid de azot) în atmosferă, ca urmare a activităților umane. Efectul de seră natural menține pe Pământ o temperatură favorabilă vieții; intensificarea lui are următoarele consecințe:

• creșterea temperaturii medii globale cu peste 1 °C față de perioada preindustrială;
• topirea ghețarilor și a calotelor glaciare, cu creșterea nivelului mărilor și oceanelor;
• fenomene meteorologice extreme mai frecvente și mai intense: secete, inundații, furtuni;
• acidifierea oceanelor: CO₂ dizolvat scade pH-ul apei, ceea ce afectează coralii și organismele cu cochilii calcaroase;
• deplasarea arealelor speciilor spre latitudini și altitudini mai mari;
• dispariția speciilor care nu se pot adapta suficient de repede.

Conservarea biodiversității

Măsuri de protecție a mediului:

• înființarea de arii naturale protejate (parcuri naționale, rezervații naturale);
• reciclarea și reducerea cantității de deșeuri;
• folosirea surselor de energie regenerabile (solară, eoliană, hidroenergie);
• dezvoltarea durabilă, care urmărește satisfacerea nevoilor actuale fără a reduce posibilitatea generațiilor viitoare de a-și satisface propriile nevoi;
• reîmpădurirea terenurilor defrișate;
• reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră;
• folosirea rațională a pesticidelor și a îngrășămintelor și combaterea biologică a dăunătorilor (de exemplu, cu buburuze care consumă afidele).

Relevanța pentru Bacalaureat

Ecologia umană face parte din programa de bacalaureat pentru „Anatomie și fiziologie umană, genetică și ecologie umană” (clasa a XII-a). Candidații trebuie să cunoască structura ecosistemelor naturale și antropizate, metodele de investigare și indicii ecologici, relațiile interspecifice, lanțurile și rețelele trofice și principalele forme de impact antropic: degradarea habitatelor, introducerea de specii noi, supraexploatarea resurselor, urbanizarea, industrializarea și poluarea, cu efectele ei (ploile acide, efectul de seră, subțierea stratului de ozon, eutrofizarea, bioacumularea). La examen se cer frecvent construirea unui lanț trofic, recunoașterea tipului de relație dintre două specii și explicarea unor măsuri de protecție a mediului.