Chemie v přírodě

19.04.2026

Úkolem předmětu Chemie a ekologie je položit základy pro výuku dalších hlavních odborných předmětů. Má za úkol vysvětlovat podstatu přírodních jevů a procesů, naučit žáky orientovat se v současném rozvoji chemie a environmentální vědy a pochopit zákonitosti okolního světa. Výuka chemie je zaměřena na poznávání a využití technicky významných anorganických a organických látek. Studenti během studia získají přehled o vztazích mezi neživou a živou přírodou, o významu organismů a ekologických vztazích mezi nimi i neživým prostředím.

Zdůvodní význam daných organismů pro život na Zemi a nutnost ochrany přirozených stanovišť. Chápou různost životních strategií organismů a roli člověka i jeho vlivy na přírodu a životní prostředí. Uplatňují zásady nutné pro rozumné využívání přírody a jejích zdrojů. Nedílnou součástí výuky jsou exkurze do podniků zabývajících se zpracováním a likvidací odpadu a návštěvy chráněných krajinných oblastí.

Ekologie a životní prostředí

Ekologie je věda zabývající se přírodním prostředím, zkoumá vzájemné vztahy mezi organismy a vztahy organismů k prostředí v němž žijí. Působení člověka na ekosystémy a neživé složky prostředí je nauka o životním prostředí. Pojem životní prostředí zahrnuje vše, co vytváří podmínky existence života - existence organismů (včetně člověka). Patří k nim neživé složky prostředí (ovzduší, voda, horniny, energie …) a živé složky prostředí (organismy od nejjednodušších po nejsložitější) => biotické faktory.

Biotické faktory se mohou projevovat v prostředí jednak nepřímým působením na jiné organismy, jednak přímo. Nepřímo může jeden organismus měnit fyzikální a chemické podmínky prostředí jinému organismu (např.: zastínění jedné rostliny druhou, a tím snížení příkonu energie pro fotosyntézu, nebo rozrytí půdy krtkem, a tím zvýšení obsahu kyslíku v půdním vzduchu). Přímé biotické vlivy se projevují např. Požíráním jednoho organismu druhým, okusováním rostlin býložravci nebo přímými zásahy člověka.

Termín biosféra označuje oživenou část naší planety, světový (globální) ekosystém. Tvoří ji soubor suchozemských a vodních ekosystémů včetně těch, které přetváří a vytváří člověk.

Čtěte také: Základní pojmy environmentální chemie

Ekosystém

Ekosystém je z ekologického hlediska základní funkční přírodní jednotkou. V ekosystému jsou ve vzájemných vztazích všechna společenstva organismů (rostlinných i živočišných) spolu s komplexem všech fyzikálních a chemických faktorů.

Ekosystém je systém termodynamicky otevřený Þ vstupují do něho toky energie (záření), vody a minerálních látek, je systémem schopným autoregulace, autoprodukce a evoluce, je to systém, kde vztahy jeho biotické a abiotické složky navzájem i uvnitř samých jsou takové, že tok energie vytváří jasně definovanou potravní (trofickou) a druhotnou rozmanitost.

Ekosystém může mít různý rozměr. Největším a nejúplnějším ekosystémem je biosféra Země, zaujímající celý fyzický prostor zemského povrchu oživený organismy. Ekosystémem může být i různě velký výsek biosféry např. tropický deštný prales, rašeliniště, bučina na vápenci, jezero, louka tzv. přirozený ekosystém(v naší republice přirozené, člověkem nedotčené ekosystémy téměř nejsou), avšak může to být i zcela umělý výtvor člověka např. pole, městský sad, výsypka, halda.

V umělých ekosystémech platí stejné zákonitosti jako v ekosystémech přirozených, ale člověk musí stále dodávat nějakou formu energie, kterou tyto systémy udržují. Tato energie se označuje jako dodatková energie. Tvoří ji především agrotechnika, průmyslová hnojiva, stroje, nafta, elektřina apod.

Ekosystém se skládá z několika složek, které se různou měrou podílejí na přeměnách energie a hmoty:

Čtěte také: Česká republika a kvalita ovzduší

Soubor všech abiotických faktorů působících na biotopu vytváří prostředí ekosystému. Je to sluneční energie a všechny fyzikální a chemické vlastnosti ovzduší, vody a půdy.
Producenti jsou skupinou autotrofních organismů, které tvoří organické látky z látek anorganických v procesech fotosyntézy zelených rostlin nebo chemosyntézy chemolitotrofních bakterií. Množství organické hmoty vyprodukované na určité ploše nebo objemu za určitou dobu odpovídá hrubé primární produkci. Z ní je část prodýchána rostlinami a zbývající část tvoří skutečný přírůstek rostlin, tzv. čistou primární produkci, která zbývá po odečtení ztrát dýcháním.
Konzumenti tvoří v ekosystému skupiny heterotrofních organismů, které nejsou schopny produkovat organickou hmotu, a jsou proto přímo nebo nepřímo závislé na produktech autotrofních organismů. Patří k nim různé skupiny živočichů. Podle typu výživy je dělíme na býložravce, žívící se převážně rostlinami, masožravce, požírající jiné živočichy, a všežravce včetně člověka.
Dekompozitoři (rozkladači) jsou různé skupiny mikroorganismů živících se mrtvou organickou hmotou na různém stupni rozkladu. Energii a hmotu potřebnou k metabolismu získávají rozkladem složitých organických látek na jednodušší. mrtvá rozkládající se hmota všech organismů je zdrojem potravy četných mrchožravých živočichů.

Výzkumem ekosystémů se zabývají ekologové specialisté, ale jejich závěry nejsou možné bez specialistů botaniků, zoologů, mikrobiologů, klimatologů, hydrobiologů, lékařů aj. včetně architektů, techniků, ochranářů přírody, matematiků, chemiků.

Základními složkami ekosystémů jsou organismy (biotická složka) a jejich prostředí (abiotická složka). Ekosystém bývá také označován jako biogeocenóza (cenóza = společenstvo). Biocenóza, která je složkou biogeocenózy je tvořena rostlinnými společenstvy - fytocenózou , živočichy - zoocenózou a mikroorganismy - mikrobní cenózou. Prostředí určité biocenózy je označováno jako biotop (stanoviště). Samotná abiotická složka stanoviště je ekotop. Funkci konkrétního organismu v ekosystému, jeho zapojení do koloběhu látek a toků energie, jeho místo v ekosystému (adresu), adaptaci na prostředí a životní strategii vyjadřuje pojem nika.

Určitá nika je trvale realizována jen jedním organismem (nebo populací)Rozdíly mezi nikami umožňují, že na jednom místě (biotopu) a v jedné biocenóze může existovat více nik, více populací. Každá z nich využívá ještě volných kapacit prostředí. Dvě populace s totožnými nikami se konkurenčně vylučují. Naopak komplementárnost nik v biotopu (stanovišti) umožňuje využití ekologické kapacity každého prostředí a tím nasycení biosféry.

Biogeochemické cykly

Chemické látky cirkulují mezi živými a neživými složkami ekosystému, stávají se součástí koloběhů látek, které nazýváme biogeochemické cykly. Koloběhy látek a tok energie jsou základní funkcí každého ekosystému. Energie vstupující do ekosystému je vázána producenty v asimilátech při fotosyntéze jako chemická energie. Skutečné využití energie slunečního záření rostlinami je velmi malé, 1 % až 6 %, u vodních dokonce méně než 1 %. Býložravci spotřebují asi 10-20 % z vytvořené primární produkce, 80-90 % rozloží dekompozitoři. Organická hmota je v potravních řetězcích postupně odbourávána při látkové přeměně, stále jí ubývá dýcháním. Při těchto pochodech je energie vázaná v organické hmotě přeměňována na teplo, které se vydává do prostředí. Tok energie v ekosystému je jednosměrný a nevratný narozdíl od koloběhu látek, který probíhá v kruhu.

Nejdůležitější biogeochemické cykly, které probíhají v biosféře, jsou:

Čtěte také: Fotosoutěž: Chemie a Příroda

Koloběh vody: Hlavním znakem koloběhu vody v biosféře je výměna vody mezi zemským povrchem a atmosférou; její hybnou silou je sluneční záření. Odpařováním a transpirací se vodní páry dostávají do ovzduší, kde je větry rozptylují. Po ochlazení se páry kondenzují a ve formě srážek spadnou na oceány a kontinenty. Na souši vodu zachytí vegetace nebo půda. Ta ji propustí až na nepropustné podloží, kde se mohou vytvořit zásoby podzemní vody. Část vody odtéká říčním systémem zpět do moří a oceánů.
Koloběh uhlíku: V biosféře je velmi úzce vázán na životní procesy organismů. Z atmosféry je uhlík ve formě CO2 pohlcován zelenými rostlinami při fotosyntéze. Organicky vázaný CO2 je zčásti prodýchán organismy a zčásti uvolněn při rozkladu mrtvé hmoty do ovzduší. Část organických látek obsažených v půdě i ve vodě se přemění v humus nebo byla kdysi zadržena ve formě nafty a uhlí. Do vody se CO2 dostává srážkami; výměna CO2 mezi vodou a ovzduším se děje difúzí ve směru koncentračního spádu. CO2 uniká do ovzduší také z uhličitanů, např. při zvětrávání vápenců. Do koloběhu oxidu uhličitého zasáhl také člověk spalováním fosilních paliv (uhlí, nafty) a zvýšil koncentraci CO2 v atmosféře již zhruba o 20 % jeho původního množství.
Koloběh kyslíku: Kyslík v biosféře je biologického původu; je základním produktem fotosyntézy jeho koloběh v ekosystémech je rovněž silně ovlivněn životními procesy - fotosyntézou je uvolňován, dýcháním a rozkladem odumřelých organismů se spotřebovává. V horních vrstvách atmosféry vznikla vrstva ozónu, která chrání veškerý život před ultrafialovým zářením. Z atmosféry proniká kyslík také do vody a půdy. Významným činitelem v koloběhu kyslíku je i člověk, který snižuje obsah kyslíku ve vzduchu spalováním látek a mýcením lesů, v půdě a ve vodním prostředí také odpadními látkami, které při rozkladu odnímají z prostředí kyslík.
Koloběh dusíku: Koloběh dusíku je velmi složitý. Jeho hlavním zdrojem je zemská atmosféra, odkud se dostává dusík také do vody i půdy. Volný vzdušný dusík mohou vázat z organismů jen některé mikroorganismy, zvané vazači dusíku (některé skupiny půdních bakterií, sinic a aktinomycetů, bakterie symbioticky žijící v hlízách na kořenech bobovitých rostlin a aktinomycety u olše). Rostliny přijímají dusík převážně jako nitrátový (NO3-) nebo amonný ion (NH4+) a využívají jej k tvorbě proteinů. S potravou se dostává do těl živočichů, kteří jej částečně využívají při tvorbě vlastních bílkovin a částečně vylučují močí. Při rozkladu mrtvé hmoty uvolňují rozkladači anorganické formy dusíku (NO3- a NH4+), které mohou rostliny opět přijímat; plynný dusík se z rozkladu uvolňuje zpět do ovzduší. Část dusíku se do atmosféry dostává sopečnou činností. Zásahy člověka, např. hnojením půd i rybníků, se zvyšuje obsah dusíkatých látek nejen v půdě a v povrchové vodě, ale jsou jimi ohroženy i zásoby podzemní vody, tedy i nejvýznamnější zdroje pitné vody.
Koloběh fosforu: Hlavním zdrojem fosforu jsou horní vrstvy litosféry, v nichž ložiska fosfátů vznikla již v dávných geologických dobách. Rostliny přijímají fosfor z rozpuštěných fosfátů z půdy. Potravními řetězci se fosfor dostává do živočišných těl. Po uhynutí organismů se fosfor uvolňuje rozkladem do prostředí, dostává se do půdy nebo vodního prostředí, kde je zčásti využit baktériemi a zčásti blokován v nerozpustných fosfátech, které rostliny nemohou přijímat.

Koloběhy ostatních biogenních prvků v biosféře probíhají různě složitými cestami.

Ekologická valence

Výskyt a úspěšné přežívání organismů v přírodě závisí na celém souboru vnějších podmínek. Každý organismus má své specifické hranice, kterými je omezena jeho snášenlivost (tolerance) k působení jednotlivých ekologických faktorů v prostředí. Rozsah intenzity nebo koncentrace kteréhokoli faktoru v prostředí, kterému se organismus přizpůsobuje, se nazývá ekologická valence. Hranice snášenlivosti jsou vymezeny na jedné straně minimální a na druhé straně maximální hodnotou daného faktoru. Střední hodnoty intenzity nebo koncentrace faktoru udávají ekologické optimum pro růst, vývoj a rozmnožování organismu.

Rozsah ekologické valence pro jednotlivé faktory prostředí je u různých organismů různě veliký. Některé organismy snášejí široký rozsah intenzity slunečního záření nebo mohou žít v půdě s velmi nízkým obsahem vody i v půdě mokré. jiné organismy jsou zase velmi citlivé na kolísání ekologického faktoru v prostředí, a mají proto úzkou ekologickou valenci. Nazývají se stenoekní druhy na rozdíl od těch, které mají ekologickou valenci šířkou a označnují se jako euryekní. Stenoekní druhy se vyskytují méně často, jsou vzácné, žijí na speciálních stanovištích a mívají také menší plochu rozšíření - areál. Euryekní druhy jsou široce přizpůsobivé stanovištním podmínkám, často se vyskytují a mívají větší plochu rozšíření.

Limitující faktory

Každý organismus je na svém stanovišti ovlivňován souborem (komplexem) faktorů, které na něj působí současně. Může proto mít široký rozsah přizpůsobivosti k jednomu faktoru a úzký k jinému. Takový stav bývá v přírodě velmi častý. O výskytu druhu na stanovišti pak rozhoduje většinou ten faktor, který působí již mimo hranice přizpůsobivosti druhu. Takové faktory se označují jako limitující (mezní). Např. v našich klimatických poměrech se u suchozemských společenstev velmi často stává voda v půdě v letním období limitujícím faktorem. její nedostatek v půdě způsobuje vyhynutí druhů na vodu náročnějších, i když ostatní podmínky (např. sluneční záření, minerální látky) pro organismy jsou optimální. Ve vodním prostředí limituje rozvoj vodních organismů kyslík, který značně kolísá v čase i prostoru a jehož množství ubývá do hloubky.

Známe-li rozsah přizpůsobivosti jednotlivých druhů k určitému faktoru, můžeme toho zpětně použít při zhodnocování stanoviště, na kterém žijí. Takové druhy se nazývají ekologické indikátory. Např. vřes obecný svým výskytem indikuje vždy kyselou půdu, blešivci žijí jen v dobře prokysličené vodě, která není příliš znečištěna.

Vliv člověka na přírodní prostředí

Jako živočišný druh je člověk součástí většiny ekosystémů a se svým prostředím tvoří nedělitelný celek. Člověk prostředí používá, ovlivňuje a přizpůsobuje se mu a zároveň prostředí ovlivňuje člověka. Na počátečním stupni vývoje při nízké hustotě žil člověk se svým prostředím v rovnováze. Teprve exponenciální růst jeho populace a urychlující se rozvoj technických prostředků zesílili nutně antropogenní tlak na přírodní prostředí. Člověk stoupající měrou pozměňoval původní ráz biosféry. Vytváří nové krajiny s intensivním zemědělstvím a lesnictvím, s vyspělým průmyslem a hustou dopravní sítí a se vzrůstající sídelní zástavbou. Na mnohých místech biosféry nahradil člověk přírodní prostředí umělým prostředím, do něhož pronikají všechny druhy lidské činnosti: pracovní, sociální, rekreační, kulturní apod. Tvorba nového životního prostředí člověkem je záměrná; člověk je upravuje podle svých potřeb, a dostává se tak často do konfliktu s přírodou.

Odlesňování a eroze

Nejmarkantněji zasáhl člověk do původních lesních prostorů, které pokrývaly kdysi značnou část kontinentů. Jejich rozlohu postupně zmenšil a dnes začal zasahovat i do tropických deštných lesů. Jejich existence a zachování má totiž význam pro celou planetu při udržování kyslíkové rovnováhy v atmosféře, která zatím není ohrožena. Uvnitř lesa se vytváří speciální mikroklima, tj. snižují se denní výkyvy teploty vzduchu, zvyšuje se vlhkost vzduchu, snižuje se rychlost větru, proto na odlesněných stanovištích při změně mikroklimatu vymizela většina organismů vázaných svým způsobem života na lesní prostředí. Některé organismy se však přizpůsobily novému prostředí.

Odlesněním je především ohrožena půda, neboť podléhá erozi - rozrušení a odnosu z povrchu pedosféry. Přirozená eroze je způsobena vodou, větrem a ledovci, naopak zrychlenou erozi vyvolal člověk jako následek odlesnění, špatné agrotechniky, nadměrné pastvy, povrchové těžby apod.

Narušení souvislostí v biosféře

Pro poslední období vývoje naší společnosti jsou charakteristické zejména:

Rychlý rozvoj energetiky, průmyslu a dopravy
Chemizace, mechanizace a jiné nové postupy hospodaření v zemědělství a lesním hospodářství, vedoucí ke změnám krajiny
Plýtvání energií a materiály
Rychlá urbanizace

To vše provázejí mnohé negativní jevy v prostředí a dochází k vážnému ohrožovánízákladních složek biosféry.