Biodiverzita
(biologická diverzita)
Souhrn všech genomů všech organismů na Zemi.
Celková pestrost biologické rozmanitosti (variability) s různým rozsahem - od genetické variability, přes druhy a poddruhy až po společenstva.
Je nutnou podmínkou života, sama je výsledkem působení přírodní selekce u volně žijících druhů.
Důvody pro zachování biodiverzity • Vlastní hodnota organismu bez ohledu na využití pro člověka • Přímá užitná hodnota: Potřebujeme ke svému životu určité komponenty biodiverzity • Poskytování tzv. ekologických služeb: - koloběh živin - biologická produkce - trofická funkce - čištění vody a vzduchu - ochrana před erozí půdy - tvorba atmosférického kyslíku - odčerpávání, vazba oxidu uhličitého - udržení stability a integrity ekosystémů aj.
1/ genetická diverzita 2/ druhová diverzita 3/ ekosystémová diverzita
1/ genetická diverzita variabilita uvnitř druhu
Intradruhová diverzita
Výsledek fylogenet. vývoje, izolace, ale i šlechtitelské práce dána různorodostí příslušníků nebo skupin příslušníků téhož druhu – subpopulací, ekosystémů, plemen, linií apod.
2/ druhová diverzita
druhové bohatství
Interdruhová diverzita (druhová)
Dána počtem druhů v rámci jednotlivých taxonomických jednotek U živočichů: například: popsáno více jak 1 000 000 z toho pouze 4 000 9 000 ale 750 000
živočichů savců, tj. 0,5% ptáků, tj. 1% hmyzu, tj 75%
3/ ekosystémová diverzita různost ekosystémů
Kvantifikace biodiverzity Počet druhů na Zemi
Pesimistický odhad 5 – 30 milionů Optimistický odhad 10 – 100 milionů Dnes registrováno cca 1,4 milionů druhů tj. cca 5-25% z odhadovaného počtu druhů
Druhotná pestrost biosféry počty identifikovaných organismů
• Celková pestrost biosféry je 1 mil 700 tis (1,7 x 106) • V boreálních (severských) oblastech: 0,1 x 106 (6%) • V klimatických mírných oblastech: 1 x 106 (59%) • V tropických oblastech: 0,6 x 106 (35%) • Znalost druhové pestrosti je nekompletní, hlavně pokud se jedná o tropické oblasti. Odhady o celkové pestrosti biosféry jsou v řádu 30-50 milionů druhů. • Nejpočetnější systematickou skupinou konkrétně hmyz a z nich brouci.
jsou
bezobratlí,
Kvantifikace biodiverzity
Pokles biodiverzity (eroze biodiverzity)
• snižování intradruhové variability, tj. genetické proměnlivosti uvnitř druhů – vymírání plemen, zvyšování jejich homogenity aj. • snižování interdruhové variability – vymírání druhů aj.
Kvantifikace biodiverzity Pokles biodiverzity (eroze biodiverzity)
VYMÍRÁNÍ DRUHŮ
• na Zemi mohlo žít dosud asi 500 mil. druhů • dnes žije asi 5 – 30 mil. druhů • 90 – 94% druhů vyhynulo
Vymírání Je ztráta taxonu v celém jeho rozšíření na Zemi.
•
Vymírání je nenahraditelná a politováníhodná ztráta biologické rozmanitosti na Zemi - jediné planetě, kde je život v této podobě znám.
•
Vymírání může být i přirozeným procesem v důsledku náhodných katastrofických událostí, biologické inerakce jako kompetice, působení nemocí, predátorů, dlouhodobého faktoru stresu apod.
•
Současný vzestup a rozvoj člověka a globální změny životního prostředí vyvolávají dramatický nárůst rychlosti vymírání druhů.
•
Mnoho druhů již vymřelo a mnoho jich bylo přivedeno na okraj vyhynutí vlivem člověka. Vlivem člověka za poslední 4 století vymřelo (vyhynulo) asi 700 druhů obratlovců. Odhadem denně vymře asi až100 druhů organismů. Pozor - velmi variabilní odhady.
Vymírání jako přirozený proces Skoro všechny druhy, které kdy žily, jsou dnes vyhynulé. Poměr žijících a vyhynulých taxonů je 1:1999. Tyto druhy pravděpodobně nebyly schopny se vyrovnat se změnami životního prostředí.
Zaměření programů ochrany druhů •
Velcí obratlovci (jsou veřejností nejlépe přijímáni)
•
Pozoruhodné rostliny
•
Hmyz, bezobratlí - jsou přehlíženi i přesto, že jsou primárním zdrojem potravy pro mnoho obratlovců. Jsou predátory semen, proto ovlivňují složení lesů, pralesů, ... Jsou důležitými opylovači rostlin.
Kvantifikace biodiverzity Počty popsaných druhů a jejich odhadované počty Říše
Popsané druhy
Bakterie
Odhadovaný počet
4 000
1 000 000
80 000
600 000
1 320 000
10 600 000
70 000
1 500 000
Rostliny
270 000
300 000
Celkem
1 744 000
14 000 000
Protista (řasy, prvoci aj.) Živočichové Houby
Odhadovaný počet druhů:
5 – 30 milionů (14 milionů cca střed odhadu) Zdroj: Globad Diversity Assessment
Fakta světové biodiverzity
Obratlovci, kteří vymřeli od roku 1600
Ohrožení ptáci na celosvětové úrovni a na úrovni států
Ohrožení savci na celosvětové úrovni a na úrovni států
Biologická rozmanitost na úrovni států
Centra diverzifikace zemědělských plodin
Celosvětová rozloha půdy klasifikovaná jako „zemědělská“ 1961 - 1998
Ohrožené a vymřelé druhy
Odhadované roční změny lesnatosti 1990 - 1995
Ztráty rostlinných genetických zdrojů: příklady na úrovni států
Stav hlavních rostlinných a živočišných genetických zdrojů pro výživu ve světě
Některá varující data o stavu biodiverzity v ČR
• 44% druhů rostlin a živočichů ohroženo • 41% obratlovců ohroženo • V ČR 46 druhů ryb, 17 druhů, tj. 37% ohroženo (v Norsku např. neohrožen ani jeden z žijících druhů ryb, v Nizozemí naopak 80%)
• V ČR 20 druhů obojživelníků, 19 druhů, ohroženo
tj. 90%
Některá varující data o stavu biodiverzity v ČR
• 10 druhů plazů, všechny druhy vedeny jako ohrožené, tj. 100% • Ze 390 druhů ptáků v ČR je ohroženo 147 druhů, tj. 52%, na Kypru jen 3% • ČR má 85 druhů savců, z toho 29 druhů, tj. 34% je ohroženo (v Polsku jen 12%, celosvětově 13%)
Fakta světové biodiverzity Rakousko Téměř 3000 živočišných druhů (z nichž 2300 hmyzích) je zařazeno na seznam ohrožených druhů
Fakta světové biodiverzity Bělorusko Od 19. století v Bělorusku vymizelo nebo v původním areálu již není zaznamenáno 238 druhů suchozemských obratlovců
Fakta světové biodiverzity Bělorusko Od 50. let 20. století se celková rozloha rašelinišť v Bělorusku snížila z 4,13 na 2,3 milionu ha
Fakta světové biodiverzity Bělorusko Od roku 1750 se lesnatost země snížila z 80% na 35%
Fakta světové biodiverzity Slovensko Předpokládá se, že před začátkem intenzivního působení člověka na vegetaci bylo až 90% území státu pokryto lesy
Fakta světové biodiverzity Slovensko
Téměř desetina mokřadů byla odvodněna
Fakta světové biodiverzity Ukrajina Lesy v současnosti pokrývají 14,3% celkové rozlohy Ukrajiny v porovnání s 28% v roce 1850
Fakta světové biodiverzity Finsko Každý osmý druh rostlin a živočichů ve Finsku je ohrožený
Fakta světové biodiverzity Finsko Rozloha finských rašelinišť se snížila z 10,4 na 6 mil. ha v důsledku odvodňování při těžbě dřeva. Další milion hektarů se nyní využívá pro zemědělské účely
Fakta světové biodiverzity Finsko V jižním Finsku existovalo v 50. letech 20. století 23,4 % různých tajgových (boreálních) rašelinišť v přírodním stavu, avšak do roku 1985 se jejich rozloha snížila na 3,8 %
Fakta světové biodiverzity Německo V letech 1950 – 1985 v bývalém Západním Německu vymizelo 57% všech mokřadů
Fakta světové biodiverzity Švýcarsko Od roku 1800 zmizelo 90% švýcarských mokřadů. Rozloha zaplavovaných říčních niv se snížila rovněž o 90% a ze zbývajících niv pouze 20% je ještě dnes pravidelně přirozeně zaplavováno
Fakta světové biodiverzity Irsko Irská rašeliniště kdysi pokrývala přibližně 1,3 milionu ha neboli 16% rozlohy souše této země. V současnosti zůstává jen 19% (220 000 ha) z původní plochy nedotčeno člověkem. Úbytek vrchovišť dosáhl 92% a pokryvných rašelinišť 82%
Fakta světové biodiverzity Arménie Ve stepních ekosystémech se vyskytuje mezi 100 – 700 rostlinnými druhy: po intenzivním nadměrném spásání však jejich skutečný počet klesá přibližně na 15
Fakta světové biodiverzity Arménie V letech 1992 – 1995 bylo zničeno 8% lesního pokryvu země. Celá řada oblastí v Arménii je dnes úplně odlesněna
Fakta světové biodiverzity Izrael Jezero Hula bylo v 50. letech vysušeno, což zničilo unikátní mokřadní ekosystém
Fakta světové biodiverzity Izrael Během posledních 50 let zvýšil Izrael lesnatost z méně než 1% až na 10% svého území
Fakta světové biodiverzity Polsko V roce 1845 pokrývaly lesy jen 6,5 milionu hektarů Polska. Od té doby se lesní pokryv zvýšil na 8,78 milionu hektarů
Fakta světové biodiverzity Francie Od počátku 80. let 20. století se zalesněná plocha zvýšila o 3%
Fakta světové biodiverzity Slovinsko Lesnatost se zvýšila ze 47% v roce 1961 na 53% v roce 1990
Fakta světové biodiverzity Brazílie Asi 15% amazonského pralesa již bylo zničeno. Původní vegetace byla zničena ze 40%. Zbývá jen 8,75% původního atlantského pralesa
Fakta světové biodiverzity Brazílie V letech 1977-1994 se rozsah a rychlost odlesňování v brazilské Amazonii ustálily na 0,4% ročně. V letech 1995/96 představoval rozsah odlesňování 18 161 km2 ročně
Fakta světové biodiverzity Kuba Od roku 1900 byla rozšiřováním zemědělství lesnatost snížena o 53,2%. Po roce 1959 začalo ještě drastičtější odlesňování a lesnatost se snížila na 14%
Fakta světové biodiverzity Sýrie Větrná a vodní eroze znehodnotila 2.678.000 hektarů půdy (desertifikace)
Fakta světové biodiverzity Turecko 90% pastvin v Turecku se v důsledku neregulované pastvy považuje za poškozené a neplodné
Fakta světové biodiverzity Madagaskar Více než 200 000 hektarů přírodních lesů je každým rokem vypáleno nebo smýceno
Fakta světové biodiverzity Thajsko V roce 1960 bylo 54% území Thajska pokryto lesy: toto číslo se však do roku 1992 snížilo na 26%
Počet druhů
Kriticky ohrožený Savci Ohrožený Ptáci Zranitelný Plazi
Obojživelníci Ryby
Rychlost vymírání •
Koncem permu (před 245 mil lety): masově vymřelo 96% druhů
•
Koncem křídy (před 65 mil lety): synchronně vymřelo mnoho obratlovců včetně dinosaurů a pterosaurů. Vysoká rychlost vymírání byla známa hlavně u malých a izolovaných populací, např. na ostrovech v oceánech. Čím menší a izolovanější, tím rychlejší vymírání. To samé platí pro "ostrovy biotopů na kontinentech". Příčiny: 1. neadekvátní oblasti nevhodných biotopů 2. neschopnost migrovat přes vodní plochu a tak kolonizovat ostrov Teorie ostrovní biografie: Lepší je vytvořit velkou plochu, než mnoho malých.
Atributy zyšující náchylnost k vymření: 1. Velká velikost těla 2. Malé nebo omezené geografické rozšíření 3. Potravní specializace 4. Malá genetická variabilita 5. Výskyt v určitém biotopu
Minimální životaschopná populace velkých obratlovců je nezbytná pro dlouhodobé přežívání a zajištění genetické variability. U mnoha druhů musí čítat aspoň 250-500 jedinců, aby se zabránilo inbreedingu.
Klasifikace druhů z hlediska ochrany před vymřením: 1. Vzácné 2. Zranitelné 3. Ohrožené 4. Kriticky ohrožené 5. Vyhubené Pozn.: CITES (Conention on the International Trade in Endandgered Species of Fauna and Flora)
Vývoj biodiverzity (globální biodiverzity)
OBDOBÍ před 70 mil. let od n.l. do r. 1650 od r. 1650 do 1850 od r. 1850 do 1900 od r. 1900 do 1950 současnost výhled r. 2020
RYCHOST VYMÍRÁNÍ DRUHŮ 1 druh za 1000 let 1 druh za 80 let 1 druh za 5 let 1 druh za 9,5 měs. 1 druh za 8 měs. 1 – 6 druhů za den * 1 druh za hodinu *
* veškerá fauna a flora Průměrná evoluční rychlost vymírání druhů je 1-10 druhů za 5 let
Kolísání globální biodiverzity(bezobratlí)
Počet vzniklých rodů •během
kambria a ordoviku nárůst biodiverzity •téměř celé prvohory ustálený stav (tu a tam vymírání a opětný nárůst) •prvohorní poklid •největší vymírání na konci permu (téměř vyhynutí života na Zemi) •od počátku druhohor plynulý nárůst biodiverzity (pokles jen na konci druhohor – vymření dinosaurů)
Kolísání globální biodiverzity(bezobratlí)
Průměrný počet rodů
•vymírání a opět prudká
evoluční radiace •vždy byly nějaké vzmachy a propady •přesto je globální biodiverzita relativně stabilní v rozsahu 300-600 druhů mechanismus udržování •globální biodiverzity není přesně znám (snad přísun energie na Zemi)
4 rizika pro diverzitu 1/ ničení biotopů 2/ introdukce druhů 3/ exploatace přírodních zdrojů 4/ narušení potravních řetězců
Teorie malé populace ztráta variability, na níž závisí adaptivní evoluce populace (druhu).
Genetická diverzita
hospodářských zvířat
Genetická diverzita je různost mezi živými organismy uvnitř druhu nebo různost mezi subpopulacemi uvnitř druhu, která je geneticky podmíněna.
Genotyp jedince se nemění, jedinec brzy umírá.
Populace pokračují, jejich genofond se proměnlivý.
Čím více je genetické variability v populaci, tím lépe přežívá a její vývoj je rychlejší.
Geneticky fixované rozdíly mezi plemeny jsou výsledkem umělé selekce. Fenotypová rozmanitost je u hospodářských zvířat větší než u volně žijících druhů.
V rámci plemene dochází k omezování diverzity a směrování genofondu k určenému cíli.
Plemeno • Populace vytvořená člověkem pro jeho účely • Skupina navzájem se rozmnožujících zvířat, která mají více společného, než s ostatními zvířaty • Skupina hosp. zvířat, která se navzájem podobají chovatelskou historií, exteriérem, fyziologickými a etologickými znaky a užitkovostí
V současnosti je lidstvo při krytí nutričních potřeb závislé na 20 – 30 druzích zvířat a rostlin.
Celkový počet plemen je odhadován na 4000.
Kvantifikace interplemenné diverzity
• Počet plemen • Dnes využívaných – necelé • Ohrožených nebo vzácných tj. min. 25% ze současného počtu •Statistika FAO zavádí kategorii tzv. rizikových plemen, tj. 68% z celk. počtu plemen
4 000 3 000 1 000
2 700
Význam uchování biodiverzity
• Kulturně historické důvody: NCGR, AGR a další projekty • Ekonomické důvody: Např.: jen 1% užitku převýší dle odhadů 33 – 190 krát náklady na konzervaci genových zdrojů • Vědecké důvody: Ztráta genu před poznáním jeho funkce • Praktické šlechtitelské důvody: Uchování variability výběrové základny
Význam uchování biodiverzity
• Estetické důvody: plemeno je produktem prostředí a patří k jeho koloritu • Etické důvody: povinnost člověka pečovat o uchování kult. hist. dědictví • Ekologické důvody: ekologická rovnováha • Ostatní důvody: náboženské, politické i jiné
Genetická diverzita Šíře genetické variability Eroze genetické diverzity Zužování genetické variability
- Hlavní příčiny: • antropogenní destrukční vlivy (intrer- a intradruhová diverzita) • intenzifikace výroby (interplemenná diverzita) • selekční tlak (intraplemenná diverzita)
Příčiny snižování diverzity hospodářských zvířat Intenzifikace zemědělství
1/3 objemu výroby – výsledek intenzivní produkce 2/3 objemu výroby – výsledek extenzivní produkce
Zužování poměru
= pokles stavů zvířat = pokles počtu využív. plemen = pokles biodiverzity
Příčiny snižování diverzity hospodářských zvířat Selekční tlak v populacích
Šlechtění zvířat na intenzivní jednostrannou produkci = snížení proměnlivosti (genet. diverzity) Komerční příčiny
Bezohledná expanze firem zejména do rozvoj. zemí bez ohledu na místní podmínky
Omezování diverzity
• Mizení plemen • Snižování vnitropopulační diverzity
Příčiny mizení plemen • nižší užitkovost • nižší genetický zisk • méně přesný odhad plemenné hodnoty • obliba chovatelů • strukturální změny • umělá inseminace - ohrožuje diverzitu i ve velkých populacích
Počet využívaných a původních plemen v některých evropských zemích
Přehled plemen hosp. zvířat vyhynulých v některých evropských zemích od roku 1892
Další příčiny ohrožení diverzity
• náhodný tlak • inbreeding – zhoršení reprodukce
Objektivní metody hodnocení genetické diverzity
• posouzení vnějších rozdílů • biochemický polymorfismus • krevní skupiny • molekulární markery
Objektivní metody hodnocení genetické diverzity
• srovnání pořadí nukleotidů v DNA nebo RNA nebo pořadí aminokyselin v proteinech • RFLP • AS-PCR, SSCP, DGGE, TGGE, heteroduplexní analýza, AFLP, mikrosatelity • SNP
Důvody pro ochranu genetické diverzity
• uchování genetické diverzity pro budoucí šlechtění • uchování kulturního dědictví
Uchování genetické diverzity pro budoucí šlechtění • Nové antagonismy mezi znaky • Úbytek geneticky využitelné variability • Odhalení nových vlastností u původních plemen • Změna ekonomického významu užitkových znaků • Změna technologie chovu, životního prostředí • Změna dostupných zdrojů krmiv • Změna v nárocích na lidskou výživu
Využití biotechnologií ve šlechtění
• Umožní přenos genů pro tyto příznivé vlastnosti do moderních plemen • Zatím však není u hosp. zvířat prakticky využitelné
Kritéria ohrožení plemene
4 Nm Nf
Ne = Nm + Nf
Skot:
Ne má být nejméně 50, to odpovídá nárůstu inbreedingu ročně o 1%, při poklesu na 10 hrozí značná inbreedingová deprese.
Nárůst inbrídingu
1 F
= 2 N
1 F
=
1 +
8Nm
8Nf
Fixační index (koeficient inbreedingu) F je míra korelace mezi spojujícími se gametami.
Při panmixii F = 0.
Velikost populace holštýnského skotu • pět nejvýznamnějších holštýnských otců v USA zplodilo 42% býků • deset býků v zemích Interbull v roce 1995 zplodilo 43% býků • pět býků zplodilo 17% amerických elitních holštýnských krav • u dalších plemen (ayrshire, brown swiss, guernsey, jersey) byla situace ještě horší
Kritéria ohrožení plemene • Skutečný počet přežívajících zvířat • Počet podniků (10) • Organizační zajištění chovu • Existence plemenné knihy • Průměrný věk chovatelů atd.
Metody záchrany genových rezerv • In situ • Ex situ
Ex situ • Kryokonzervace spermatu • Kryokonzervace embryí
Závěr • význam pro budoucí šlechtění • uchování diverzity v komerčních populacích
Cachena breed
registrováno 500 zvířat jedno z nejmenších plemen na světě, max. výška 110 cm rusticita téměř celý rok pastevní chov velmi kvalitní mléko vhodné pro výrobu sýrů
Brava breed
9000 zvířat rusticita, chov v marginálních oblastech střední velikost, variabilita v typu, velikosti i barvě používá s pro býčí zápasy extensivní
Alentejana breed
Garvonesa (Chamusca) breed
55 zvířat červená nebo tmavá barva dlouhé rohy
Mertolenga breed
Heterozygotnost (H)
n
H = 1− ∑ p i =1
2 i
pi frekvence i-té alely, n počet alel
Heterozygotnost mezi lokusy s různým počtem alel v populaci lze srovnat podle standardizované heterozygotnosti
Hs = Hteor / Hmax
kde Hmax je dosažena, mají-li všechny alely stejnou frekvenci.
Je možné diversitu populace hodnotit podle koeficientu inbreedingu (měří redukci individuální heterozygotnosti v důsledku odchýlení od náhodného páření) Fis = Hs - Hi / Hs Hi - průměrná pozorovaná heterozygotnost na jedince v subpopulaci Hs - průměrná očekávaná h. v populaci s náhodným pářením
Efekt rozdělení do subpopulací lze měřit fixačním indexem (měří redukci h. v subpopulaci v důsl. nenáhodného připařování ve srovnání s celou populací): Fst = Ht - Hs / Ht Ht - očekávaná h. v celé populaci s náhodným připařováním.
Celkový fixační index Fit = Ht - Hi / Ht
(1 – Fis) (1 – Fst) = (1 – Fit)
Polymorfní informační obsah (PIC)
n −1
PIC = H − 2∑ p i =1
n
2 i
p ∑
j =i +1
2 j
Pravděpodobnost genetické identity dvou příslušníků jednoho plemene
4 2 2 G1 = ∏ ∑ p ij + 4∑ ∑ p ij p ik j = i k = j +1 i =1 j =1 r
ni
ni −1
ni
r počet lokusů, ni počet alel na i-tém lokusu, pij , pik frekvence j-té a k-té alely na i-tém lokusu
Efektivní počet alel
1
EA = --------ni Σ p2i j=1
kde pi jsou frekvence alel
Rovněž se používá ukazatel „availability“ 1 - počet pozorovaných alel v populaci / počet zvířat ve výběru.
Dendrogram Neighbor-Joining, vstupní distance Nei standard, +kříženci +--1 +--2 +-německá červinka ! ! +--4 +-polská červinka ! ! +--5 +-české strakaté ! ! ! +-česká červinka ! --3černostrakaté ! +německé černostrakaté
Dendrogram Neighbor-Joining, vstupní distance Cavalli-Sforza +-české strakaté ! +--4 +----kříženci ! ! +--2 ! ! ! ! +--německá červinka ! +--5 +--1 ! ! +-polská červinka ! ! ! +-česká červinka ! --3-černostrakaté ! +německé černostrakaté
Dendrogram Neighbor-Joining, vstupní distance Reynolds +--česká červinka ! ! +--kříženci +--4 +--1 ! ! +--2 +---německá červinka ! ! ! ! ! +--5 +--polská červinka ! ! ! +-české strakaté ! --3-černostrakaté ! +německé černostrakaté
Dendrogram CONTML, všechny lokusy +-----------------české strakaté ! ! +-----------------něm.červ. +-------1 +---------------5 ! ! +---------4 +----------------pol.červ. ! ! ! ! ! +--3 +-------------------------------------kříženci ! ! ! +--------------------česká červinka ! -2--------------černostrakaté ! +-německé černostrakaté
Dendrogram Neighbor-Joining method, Nei s distances
Dendrogram Neighbor-Joining method, Nei s distances, not bootstrapped data
