Biologia szkoła ponadgimnazjalna/Rozwój rolnictwa a różnorodność biologiczna

Rozwój rolnictwa a różnorodność biologiczna

Zagadnienie z podstawy programowej

„uczeń: przedstawia wpływ współczesnego rolnictwa na różnorodność biologiczną (ciągle malejąca liczba gatunków uprawnych przy rosnącym areale upraw, spadek różnorodności genetycznej upraw); ”

Rolnictwo dawniej

Nawet w czasach współczesnych, w niektórych krajach powierzchnia pól jest niewielka, a ich uprawa wymaga wiele pracy ludzi oraz zwierząt.

Rolnictwo, czyli uprawa roślin i hodowla zwierząt, pojawiło się około 10 tys. lat p.n.e. (przed naszą erą). Wraz z rozwojem starożytnych cywilizacji niektóre z gatunków roślin stały się gatunkami uprawnymi. W cywilizacjach bliskiego wschodu pierwszymi uprawami były pszenica i jęczmień. W cywilizacjach starożytnych Chin i Indii jako pierwsze uprawy pojawiły się ryż, proso, groch i bób. Starożytne cywilizacje Indian na terenach obecnego państwa Peru wykorzystywały rolniczo kukurydzę, fasolę i dynie. Pierwsze udomowione zwierzęta to owce i kozy. Kolejnymi udomowionymi zwierzętami było bydło i świnie. Przy niewielkich możliwościach przemieszczania się człowieka, rozwijające się cywilizacje korzystały z gatunków, które występowały w lokalnych ekosystemach. Ręczne wykonywanie prac polowych ograniczało powierzchnię pól. Wraz ze wzrastającą liczbą ludności powierzchnia terenów zajętych przez rolnictwo zwiększała się. Oznaczało to konieczność karczowania lasów i niszczenia naturalnych ekosystemów. Gatunki żyjące w lasach traciły przestrzeń życiową, ich liczebność, a co za tym idzie różnorodność genetyczna, zmniejszała się. W klimacie podzwrotnikowym oraz umiarkowanym większość terenów została przekształcona w ekosystemy półnaturalne, łąki i pastwiska oraz ekosystemy sztuczne, pola. Liczba gatunków występujących w ekosystemach wykorzystywanych gospodarczo przez człowieka jest mniejsza. Wszystkie dzikie rośliny na polach traktowane są jako chwasty i zwalczane przez człowieka. Także każdy gatunek zwierzęcia żywiący się uprawianymi roślinami wpływa na ilość zebranych plonów i jest zwalczany jako szkodnik. Możliwości zwalczania chwastów i szkodników w początkowych etapach rozwoju rolnictwa były ograniczone. Przez tysiące lat różne gatunki roślin i zwierząt przystosowały się do życia na terenach rolniczych. W Polsce bociany białe, osiedlając się w pobliżu gospodarstw, miały zapewnioną duża ilość pokarmu w postaci licznie występujących na polach gryzoni. Jaskółki, budując swoje gniazda na budynkach mieszkalnych i gospodarczych, zapewne miały pokarm w postaci owadów występujących w pobliżu zwierząt gospodarskich.

Podróże i przemieszczanie gatunków między ekosystemami

Hiszpanie sprowadzili ziemniaki z Ameryki do Europy około 1570 roku
Pomidor pochodzi z Ameryki Południowej lub Środkowej
Papryka - gatunek pochodzi z tropikalnych obszarów Ameryki
Kukurydza - gatunek pochodzi z Meksyku

Do dużych zmian w rolnictwie doszło w wyniku dalekich podróży odbywanych przez człowieka. Gatunki uprawiane lokalnie, mające swoje dzikie odpowiedniki w okolicznych ekosystemach zostały przemieszczone i rozpoczęła się ich uprawa w ekosystemach, w których wcześniej nie występowały. Wiele roślin uprawianych w Europie pochodzi z Ameryki i zostało sprowadzonych po odkryciu tego kontynentu przez Krzysztofa Kolumba. Jedną z kluczowych roślin uprawnych w Europie stał się ziemniak, sprowadzony w XVI wieku z Ameryki, stopniowo rozpowszechniał się w kolejnych krajach Europy. Jednak ze względu na wegetatywne rozmnażanie różnorodność genetyczna europejskich odmian ziemniaków była znikoma. W XIX wieku w wielu krajach Europy ziemniak był podstawą wyżywienia. Gdy pola w Irlandii zostały zaatakowane przez zarazę ziemniaczaną, powodującą gnicie bulw, z głodu zmarło ponad milion ludzi. Wielu Irlandczyków wyemigrowało do Stanów Zjednoczonych. W efekcie wyniszczenia tylko jednego gatunku uprawnego liczba ludności Irlandii spadła z blisko 9 milionów w roku 1845 do 6,5 milionów w 1851 roku. Po tej bolesnej lekcji do Europy sprowadzono wiele odmian ziemniaków uprawianych w Andach, w celu wzbogacenia genetycznego europejskich upraw tej rośliny. Podatność na choroby wynika nie tylko z ograniczenia różnorodności genetycznej roślin uprawnych. Inne sprowadzane z Ameryki gatunki takie jak pomidory, papryka, kukurydza nie zawsze potrafią sobie poradzić z zagrożeniami, które pojawiają się w innej strefie klimatycznej i odmiennych ekosystemach. Wraz z przemieszczaniem się ludzi i roślin uprawnych do Europy zawleczony został gatunek owada powodujący zniszczenia w uprawach ziemniaka i innych roślin. Stonka ziemniaczana występowała jeszcze w XIX wieku jedynie na terenie stanu Kolorado w Stanach Zjednoczonych. Przewożenie żywności na statkach prawdopodobnie doprowadziło do pojawienia się owada w Europie i Azji. W ekosystemach pojawił się nowy obcy gatunek.

Mechanizacja rolnictwa i wzrost powierzchni upraw

Udział gruntów ornych w powierzchni (%)

Zbiór bawełny na polu w Oklahomie w roku 1980

Większość prac polowych odbywa się przy użyciu maszyn. Zbiór bawełny.

Kolejne duże zmiany zaszły w rolnictwie w wyniku mechanizacji. Wynalezienie i rozpowszechnienie maszyn rolniczych umożliwiło zwiększenie powierzchni pól nawet do kilkuset hektarów. Pola przed wynalezieniem ciągników rolniczych były stosunkowo niewielkie, pomiędzy polami występowały zadrzewienia, zakrzaczenia i porośnięte dzikimi roślinami miedze. We fragmentach naturalnych ekosystemów mogły osiedlać się i rozmnażać gatunki, które nie radzą sobie w ekosystemach polnych. Rozwój maszyn rolniczych umożliwił zwiększenie powierzchni pól. Miedze zostały zaorane, fragmenty naturalnych ekosystemów zostały włączone do powierzchni zajętej przez uprawy. Zasięg wielu gatunków został ograniczony jedynie do niewielkich, nieużytkowanych rolniczo terenów. Ogromne powierzchnie upraw stanowią także barierę dla dzikich gatunków. Nasiona roślin mogły być przenoszone pomiędzy kolejnymi miedzami, jednak jest to trudne lub niemożliwe, gdy powierzchni uprawy ciągnie się kilometrami. W efekcie populacje zostały podzielone, a wymiana materiału genetycznego w wyniku krzyżowania znacząco ograniczona. Dotyczy to także dzikich zwierząt, które nie zawsze mogą przemieścić się pomiędzy rozdzielonymi polami kompleksami leśnymi. Rozwój techniki umożliwił osuszenie terenów podmokłych i przekształcenie ich w pola lub łąki. Kolejne po lasach ekosystemy zaczęły szybko znikać. Wraz z ekosystemami znikają żyjące w nich gatunki. Ptaki występujące na terenach podmokłych, gady i płazy stały się gatunkami zagrożonymi.

Chemizacja rolnictwa i niszczenie gatunków

Maszyny i chemiczne środki ochrony roślin umożliwiły uprawę jednej rośliny na polach o powierzchni setek hektarów

System rolniczy polegający na uprawie na dużych powierzchniach jednego gatunku rośliny nazywany jest monokulturą. Często ten sam gatunek rośliny uprawiany jest w tym samym miejscu przez wiele lat. W starożytności oraz w średniowieczu rolnicy zauważali, że długotrwała uprawa tego samego gatunku prowadzi do wyjałowienia gleby. Jest to związane z pobieraniem tych samych składników pokarmowych oraz lokalizacją korzeni rośliny na podobnej głębokości. Dodatkowo metabolity wytwarzane przez rośliny lub powstające w wyniku ich rozkładu, ograniczają wzrost kolejnych zasiewów. Wieloletnie uprawienia tego samego gatunku prowadzi do gromadzenia się w glebie gatunków pasożytniczych, bakterii i grzybów powodujących choroby roślin oraz zwierząt żywiących się uprawianymi roślinami. Przez wieki rolnicy unikali tych zagrożeń, początkowo przenosząc pola w inne miejsce, potem ugorując pola wyjałowione, czy stosując znany z lekcji historii system trójpolowy. W XXI wieku maszyny umożliwiają uprawę tego samego gatunku na dużych powierzchniach, a nawozy sztuczne i chemiczne środki ochrony roślin umożliwiają utrzymywanie monokultur przez wiele lat. Zmienianie upraw powodowało pojawianie się w ekosystemach polnych różnych gatunków. Roślin, które radziły sobie pośród zbóż mogły przegrać konkurencję z roślinami rosnącymi między ziemniakami. Różnorodność upraw to także zróżnicowanie zwierząt traktowane przez rolników jako szkodniki.

Chemizacja rolnictwa umożliwiła zwiększenie ilości produkowanej żywności, doprowadziła także do dalszego zubożenia ekosystemów. Pestycydy, czyli środki ochrony roślin są szeroko stosowane we współczesnym rolnictwie. Najważniejsze z nich to herbicydy, czyli substancje zwalczające chwasty, fungicydy służące do zwalczania grzybów powodujących choroby roślin oraz insektycydy zapewniające ochronę upraw przed zjadającymi je owadami. Stosowanie tych substancji prowadzi do wyniszczenia niemal wszystkich organizmów polnych poza gatunkiem uprawnym. Działanie środków chemicznych jest szerokie i zwykle giną nie tylko owady zjadające daną uprawę, lecz wszystkie lub większość występujących na terenie opryskanym i w pobliżu. Niszczone są również organizmy żyjące w glebie. Gleby uprawne zawierają mniej bakterii i grzybów odpowiedzialnych za rozkład martwej materii organicznej i przywracających glebie żyzność. Wprowadzenie chemicznych środków ochrony doprowadziło do skrajnego zubożenia ekosystemów polnych. Wpłynęło także na różnorodność biologiczną ekosystemów naturalnych.

Wpływ środków ochrony roślin na ekosystemy został dobrze poznany na przykładzie środka owadobójczego nazywanego DDT (dichlorodifenylotrichloroetan). Substancja ta była początkowo uważana za nieszkodliwą dla kręgowców i powszechnie stosowana na polach w celu ochrony upraw przez owadami. Między innymi wykorzystywano ją do zwalczania rozprzestrzeniającej się w Europie po II Wojnie Światowej stonki ziemniaczanej. Po przeprowadzeniu dokładnych badań okazało się, że substancja odkłada się w tkance tłuszczowej zwierząt. W efekcie organizmy żywiące się owadami gromadziły w tkankach zwiększone ilości DDT, organizmy z kolejnych poziomów pokarmowych kumulowały kilkakrotnie większe ilości DDT niż owady, na które związek miał działać. Zjawisko zwiększania stężenia różnych substancji toksycznych, w kolejnych ogniwach łańcucha pokarmowego, nazwano bioakumulacją. Podwyższona zawartość DDT w organizmach ptaków skutkuje znoszeniem jaj o mniejszej grubości skorupki. Takie jaja mogą być zgniecione przez samicę podczas wysiadywania. Masowe stosowanie DDT doprowadziło do zmniejszenia liczebności populacji wielu ptaków żywiących się owadami oraz ptaków drapieżnych zajmujących wysoką pozycję w łańcuchu pokarmowym. W organizmach ptaków drapieżnych gromadziły się duże ilości DDT w wyniku zjawiska bioakumulacji. DDT zostało wycofane z użytku, kolejne środki ochrony roślin są lepiej testowane, jednak ich dopuszczenie do stosowania to często kompromis między niszczeniem różnorodności biologicznej, a utrzymaniem wysokiej produkcji rolnej. Szczególną uwagę zwraca się na niszczenie organizmów wodnych w wyniku zatrucia wody spływającej z opryskiwanych pól. Nawet szybko rozkładające się i mało toksyczne dla organizmów niedocelowych środki powodują ograniczenie ilości pokarmu dostępnego dla zwierząt owadożernych.

GMO

Zagrożeniem dla różnorodności biologicznej okazało się również rolnicze zastosowanie organizmów modyfikowanych genetycznie. Pola transgeniczne soi opryskiwane są herbicydem, który eliminuje wszystkie chwasty. Są to więc obszary na których różnorodność gatunkowa świata roślinnego zostaje ograniczona do jednego gatunku. Z drugiej strony rośliny transgeniczne zawierające białko Bt pozwalają uniknąć zabijania owadów, które występują na polu, lecz nie wyrządzają szkód w uprawach.

Różnorodność gatunków wykorzystywanych rolniczo

Łatwość przemieszczania ludzi i towarów doprowadziła do ujednolicenia nie tylko trybu życia w wielu krajach, lecz także diety. Podobne nawyki żywieniowe prowadzą do rezygnacji z uprawy gatunków i odmian roślin wykorzystywanych przez wieki w niektórych regionach. Jak już podano ponad 90% żywności wytwarzanej na świecie jest efektem uprawy zaledwie 20 gatunków roślin. Spada również liczba wykorzystywanych rolniczo odmian. Wiele regionalnych odmian było przystosowanych do lokalnych warunków środowiska, jednak nie zapewniały tak dużych zbiorów jak inne odmiany. Stosowanie środków chemicznych zmniejsza wagę genetycznego przystosowania i pozwala uprawiać odmiany wrażliwe na choroby w niesprzyjających warunkach. Rozwinięta opieka weterynaryjna skutkuje rezygnacją z hodowli zwierząt odpornych na patogeny lub warunki środowiska. Kryteria doboru sztucznego zawężają się do ilości wytworzonej żywności. Odmiany roślin i rasy zwierząt o mniejszej produktywności znikają z gospodarstw. Spadek różnorodności genetycznej i gatunkowej niesie ze sobą zwiększone ryzyko rozprzestrzeniania się nowych chorób. Spadek różnorodność genetycznej gatunków nazywany jest erozją genetyczną i dotyczy szczególnie organizmów wykorzystywanych w rolnictwie.

Zapobieganie utracie różnorodności biologicznej

Tereny nieprzydatne rolniczo w wielu krajach zalesiane

W krajach rozwijających się konieczne jest zajmowanie nowych terenów pod uprawy, co wiąże się z niszczeniem lasów i innych naturalnych ekosystemów. Utrata różnorodności biologicznej związana z rozwojem rolnictwa spowodowała podjecie działań, które mają proces zahamować. W krajach rozwiniętych polityka demograficzna doprowadziła do ustabilizowania liczebności populacji ludzkiej. Poprawę wydajności produkcji rolniczej wykorzystuje się do powiększania powierzchni ekosystemów naturalnych. W Polsce tereny, których wykorzystanie rolnicze jest mało opłacalne, są zalesiane. Podobne działania podejmują inne kraje europejskie. Nie dopuszcza się do zmiany stosunków wodnych i prowadzania gospodarki rolnej na terenach podmokłych. Wzrasta zainteresowanie naukowców i konsumentów wartością odżywczą uzyskiwanych plonów. Prowadzi to do wracania do odmian o mniejszej produktywności, lecz zawierających więcej witamin i soli mineralnych. W celu zachowania różnorodności genetycznej i ocalenia porzucanych przez rolników odmian tworzone są banki nasion, w których gromadzi się nasiona nieuprawianych odmian. W ogrodach botanicznych dba się o ciągłość istnienia nie tylko gatunków dzikich, lecz także odmian uprawnych. Prowadzone są hodowle mające na celu zachowanie rzadkich ras zwierząt hodowlanych.

Pamiętaj

Wraz ze wzrostem liczby ludności na świecie powiększa się powierzchnia użytkowana rolniczo.
Rozwój rolnictwa oznacza zajmowanie terenów naturalnych ekosystemów pod uprawy.
Rozwój maszyn rolniczych doprowadził do powstania monokultur na dużych obszarach. Są to ekosystemy wyjątkowo ubogie w gatunki. Duże pola utrudniają też kontakty populacjom gatunków dzikich.
Zastosowanie chemicznych środków ochrony roślin umożliwia istnienie pól z jednym gatunkiem rośliny, zabijane są owady i grzyby niszczące uprawy oraz organizmy nie czyniące żadnych szkód.
Liczba gatunków i odmian stosowanych w rolnictwie zmniejsza się.
Kraje rozwinięte ograniczają powierzchnię terenów rolniczych oraz podejmują próby ocalenia zanikających odmian roślin i ras zwierząt hodowlanych.

Zadania

Jedno ze zbóż co raz częściej uprawiane w Polsce pochodzi ze Ameryki. Podaj jego nazwę.
Odpowiedzią na postępująca chemizuję rolnictwa jest tak zwane rolnictwo ekologiczne. Wyszukaj informacje na czym polega ekologiczna uprawa roślin i hodowla zwierząt. Czy umożliwia ograniczenie negatywnego wpływu na dzikie rośliny i zwierzęta? Czy wiąże się ze zwieszeniem różnorodności biologicznej organizmów wykorzystywanych w rolnictwie?
W Malinówce Oberlandzkiej zawartość witaminy C wynosi 189 mg w 100g masy, w jabłku Książę Albrecht 150 mg w 100g masy. Nowe uprawiane w większości sadów odmiany zawierają 27 mg witaminy C w 100g masy. Czy robiąc zakupy, warto zwracać uwag jedynie na wielkość i barwę jabłek?