23.3.2015
PRODUKCE – ENERGIE – POTRAVNÍ SÍTĚ – EKOLOGICKÉ VZTAHY
• Produktivita a produkce • Trofické stupně • Potravní sítě • Vztahy v populacích
BIOLOGICKÁ PRODUKTIVITA – K ČEMU? • Jsou na ní závislé veškeré složky života na zemi • Pohání chemické reakce a cykly v živých organismech • Aktivně snižuje množství atmosférického uhlíku • Tím výrazně ovlivňuje klimatické podmínky na Zemi • Ložiska fosilních paliv – ROPA!!
Miloslav Petrtýl –
[email protected] ČZU – FAPPZ ‐ KZR
HLAVNÍM ZDROJEM JE SLUNCE! • Zásadní význam pro převod sluenční energie do živých soustav má FOTOSYNTÉZA • Není využito celé spektrum tj. jen část energie • Využívá hlavně viditelné záření 400‐720nm (FAR) • Převod energie fotonů v chloroplastech na tvorbu jednoduchých cukrů z CO2 a H2O • Energie se váže do ATP • Další přesuny a distribuce v rámci potravních řetězců
Biologická produkce (produkce, produktivita, primární produkce a její měření)
Producenti Fotoautotrofní organismy syntetizující z anorganických látek látky organické za použití radiační energie slunce (DRITIVÁ VĚTŠINA!!). Chemoautotrofní organismy využívající chemické energie. Konzumenti (více úrovní a mnoho strategií) Heterotrofní organismy (všichni živočichové a saprofytické a parazitické rostliny) ‐ látky a energii získávají z organické hmoty. Destruenti Energii získávají rozkladem mrtvé organické hmoty až na anorganické sloučeniny (houby, bakterie aj.) a tím je uvolňují a zpřístupňují opět pro primární producenty.
Sluneční konstanta: 1360 W.m-2
Primární produkce ‐ PP
Fytoplankton Zajišťuje celosvětově 50% O2
• Produktem je biomasa autotrofních organismů vytvořená za jednotku času na určité ploše, nebo objemu ve formě organické hmoty. Představuje asi 0,5% z celkového potenciálu slunečního záření (tj. 1‐6% FAR) • Specifika ve vodním prostředí: • Dostatečný zdroj vody • Limitující množství živin (pobřežní vody vs. volné moře) • Klesající intenzita světla s hloubkou • Změna světelného spektra s hloubkou
• Většina fotoautotrofů žije v malých hloubkách • Kompenzační bod fotosyntézy na úrovni 1% záření na hladině
ORGANICKÉ LÁTKY nezbytné pro heterotrofní organismy
1
23.3.2015
Závislost PP na faktorech prostředí Závislost PP na faktorech prostředí VLIV SVĚTLA A TEPLOTY • Se stoupajícím množstvím světla roste i fotosyntéza až do světelného optima • Při stoupající teplotě se zvyšuje i hladina světelného optima • Uplatňuje se i kvalitativní složení primárních producentů a selektivní absorpce světla • Fytoplankton má vysokou přizpůsobivost k různé teplotě vody
2012 Nature Education http://bats.bios.edu
Abiotické podmínky ovlivňující primární produkci v oceánech. DCM – deep chlorophyll maximum (světlo:živiny)
PRIMÁRNÍ PRODUKCE SOUŠE
PRIMÁRNÍ PRODUKCE OCEÁNŮ
Roční primární produkce terestrických ekosystémů g C /m2 rok Roční primární produkce mořských ekosystémů g C /m2 rok
PRIMÁRNÍ PRODUKCE OCEÁNŮ
PRIMÁRNÍ PRODUKCE OCEÁNŮ
2
23.3.2015
ZODPOVĚDNÉ ORGANISMY • V DRTIVÉ VĚTŠINĚ FYTOPLANKTON HORNÍCH VRSTEV VODY! • Donedávna byly za hlavní producenty označovány řasy a rozsivky. • V poslední době je zdůrazněna důležitost sinic (Cyanobacteria) • Zajišťují fotosyntézu i vázání vzdušného dusíku (N)
SPECIFICKÉ AUTOTROFNÍ ORG. „NA SVĚTLE NEZÁVISLÉ EKOSYSTÉMY“ Chemoautotrofní organismy, které jsou schopné namísto energie ze slunečního záření využívat energii z chemických vazeb. Hlubokomořské dno: (podrobnosti v dalších přednáškách) anorganické látky + geotermální energie ‐ chemosyntéza Proteobakterie – Sulfurovum sp., Nitratiruptor sp. Na 300 popsaných druhů organismů
Primární produkce ‐ odhady EKOSYSTÉM
Gramy org. hmoty na m2/rok
Tropický les
2200
Les mírného pásu
800
Pouště, polopouště, ledovce
3‐90
Bažiny a mokřady
2000
Jezera
250
Otevřený oceán
125‐180
Kontinentální šelf
350‐500
Mořská „louka“ a útesy
2500
Měření primární produkce 1. 2. 3. 4.
Metoda sklizně Kyslíková metoda Stanovení Pp pomocí 14C (radioizotopová metoda) Metoda stanovení chlorofylu a
Zdroj: Whittaker, R.H. 1975. Communities and Ecosystems, Ed. 2. New York. Macmillian Publ. Co. 385pp.
„vodní květ“ u pobřeží Anglie
B) Sekundární produkce konzumenti I. ‐ II. řádu ZOOPLANKTON A ZOOBENTOS • Jejich produkci měříme na úrovni kvantifikace populací různých druhů • Výběr metod je ovlivňován způsobem života sledované populace a vyjadřuje se často (pro rybářskou potřebu) v biomase živočichů na jednotku plochy nebo kubaturu vody • Byl zjištěn lineární vztah mezi produkcí ryb a biomasou zooplanktonu. Celkem asi ½ až ¾ kolísání rybí produkce lze vysvětlit kolísáním průměrné biomasy zooplanktonu
3
23.3.2015
PRIMÁRNÍ A SEKUNDÁRNÍ PRODUKCE
C) Terciární produkce konzumenti III. řádu Z rybářského hlediska ‐ ryby
• © 2012 Nature Education V mořském prostředí nedochází k tak výrazné akumulace biomasy v porovnání s lesy a pastviny na souši (Sarmiento a Bender 1994). Nicméně, oceán je přesto zodpovědný za ukládání více uhlíku od atmosféry, než je suchozemská biosféra (Broecker 1982). Je to dosaženo tím, že dochází k "propadu" a dlouhodobému hromadění organické hmoty z povrchových vod do hlubin oceánu (mořský sníh), často dříve než podlehne bakteriálnímu rozkladu. Až po delší době je část živin v rozložené formě opět navrácenu vzestupnými proudy k hladině a může opět vstoupit do energetického koloběhu.
Ekologické vztahy potravní sítě – food web Potravní sítě jsou důležitým nástrojem pro ilustraci vzájemných vztahů mezi organismy v systému. Odhalují druhy interakcí a strukturu společenství sloužící k pochopení dynamiky přenosu energie v ekosystému.
POTRAVNÍ PYRAMIDA ‐ obvykle jen 3‐4 trofické úrovně ‐ ztráty energie mezi úrovněmi
• Z ekologického hlediska ovšem ryby tvoří terciární konzumenty zařazené do sekundární produkce • Všeobecně pro sladkovodní systémy platí že "vrcholný (terminální) článek potravních řetězců nebo sítí je rybí obsádka" • Produkce ryb je závislá na obsádce (množství, druhová struktura) • Významný je poměr nedravé a dravé ryby. Orientačně se doporučuje poměr v rozmezí 3:1 – 6:1 Důležitá je též ročníková struktura a biomasa dravců.
Potravní řetězec popisuje převod energie/potravy ze zdroje (slunce) přes producenty (zelené rostliny) a konzumenty (heterotrofní org.) až po rozkladače (bakterie)
ZDROJ ENERGIE SLUNEČÍ ZÁŘENÍ
AUTOTROFNÍ FOTOSYNTÉZA
HETEROTROFNÍ ŽIVOČICHOVÉ
Účinnost převodu energie na terminální článek Laboratorní pokusy 100 % fytoplankton – 30 % zooplankton – 10 % bentos – 3 % ryby Obecné schéma udává na 1 kg ryb je třeba ‐ asi 10 kg zooplanktonu ‐ 100 kg fytoplanktonu (pouze přibližně)
4
23.3.2015
Kvantifikace potravního řetězce ve vodním prostředí
POTRAVNÍ ŘETĚZEC V MOŘSKÉM PROSTŘEDÍ
POTRAVNÍ ŘETĚZEC V MOŘSKÉM PROSTŘEDÍ
OCEÁN
PEVNINA
PP fytoplankton Filtrující plankton Dravý plankton Planktonožravé ryby Dravé ryby Predátoři ostatní (ptáci, savci)
Shurin, J. B., Gruner, D. S. & Hillebrand, H. All wet dried up? Real differences between aquatic and terrestrial food webs.
PRODUCENTI ‐ AUTOTROFNÍ 1) FOTOAUTOTROFNÍ Fytoplankton: sinice, rozsivky, řasy, obrněnky,… 2) CHEMOAUTOTROFNÍ Bakterie využívající chemosyntézu, jsou nezávislé na světle!!
5
23.3.2015
MASOŽRAVCI ‐ PREDÁTOŘI
BÝLOŽRAVCI ‐ HERBIVOŘI Filtrátoři (filter‐feeders) • planktonní: zooplankton (korýši) • bentické: mlži Spásači • škrabači (scrapers), ožírači (grazers ): plži • kouskovači, drtiči (shredders): ostnokožci, korýši Pohlcovači (raptorial‐feeders) – klanonožci
1) Útok na kořist až pokud se vyskytne, málo energeticky náročné ale potřeba zručnosti k efektivnímu lovu
2) aktivní vyhledávání – náročnější na energii s nižší úspěšnost v lovu
Konzumenti makrofyt (spásači vegetace) v mořích velmi omezeně: Sarpa salpa, ježovky 3) Aktivní lákání kořisti spojené s mimirky Málo energie + sofistikovanost
OCHRANA PŘED PREDACÍ
INDIVIDUALISMUS VS SPOJENECTVÍ
1) Primární obrana před útokem predátora snížit pravděpodobnost útoku Ochranné zbarvení, dno, …
2) Sekundární obrana po střetu s predátorem zvýšit pravděpodobnost přežití Toxicita, sliz, trny, nafukování,… https://www.youtube.com/watch?v=Bta18FdkVcA
HERBIVORIE VS PREDACE Vodní herbivoři jsou funkčně predátoři (konzumují celé rostlinné organismy)
PREDACÍ OVLIVNĚNÉ CHOVÁNÍ Největší
rozdíl mezi predací a herbivorií je však v selektivitě a velikosti kořisti
Kontrolují populační dynamiku a strukturu společenstva 1. Letální vliv – kontrola populace kořisti (někdy lokální vymizení) 2. Změna v chování kořisti (využití habitatu, vzorce aktivity) 3. Adaptace proti predaci – ochranný krunýř, toxické chemikálie, změny v chování
6
23.3.2015
MUTUALIZMUS
PARAZITICKÉ ORGANISMY
Vzájemné blízké soužití dvou živočišných druhů které je výhodné. Není životně nezbytné.
POTRAVA, TROFICKÉ VZTAHY
KOMENZÁLOVÉ
• Planktonofagie • Bentofagie • Predace
Jednomu to prospěje a druhému to neublíží
SOUVISEJÍCÍ ŽIVOTNÍ STRATEGIE • Omnivorie versus potravní specializace • Hejnové versus individuální chování (jak u predátora tak u kořisti) • Teritorialita versus migrace
Přisedlé druhy organismu často využívají ty pohyblivé.
SYMBIOTICKÉ ORGANISMY
• Endosymbioza • Korálnatci, sasanky, houby • Specifický nahožábrý plž (Elysia viridis a Elysis chlorotica)
Endosymbióza (řasy, sinice, obrněnky) • Endosymbiotická teorie vzniku chloroplastů
Korálnatci, sasanky, houby • Kyanobakterie Symbiodinium
nahožábrý plž (Elysia viridis a Elysis chlorotica) Endosymbiotická teorie vzniku chloroplastů ze sinic
7
23.3.2015
EKOLOGICKÉ ASPEKTY – ZMĚNY SPOLEČENSTVA
Herbivoři snižují populace rostlin, takže predátoři herbivorů mají zprostředkovaně kladný vliv na populace rostlin. Parazité predátorů mají na rostliny zprostředkovaně vliv negativní.
vztahy mezi predátory a kořistí KASKÁDOVITÝ EFEKT
TOP - DOWN EFEKT
Odstranění vrcholového predátora • Predátor udržuje kompetující druhy na únosné úrovni, pokud tato regulace zmízí převládne jeden z kompetujících a ostatní zmizí – ztráta diverzity. Při pokusu s odstraněním dravé hvězdice došlo na skalnaté pobřežní zóně k drastickému úbytku druhů
Introdukce vrcholového predátora Může dojít ke zjednodušení potravní sítě
Paine, R. T. 1974. Intertidal community structure: experimental studies on the relationship between a dominant competitor and its principal predator. Oecologia 15:93‐120
např. Cichlida ocasooká (z Amazonky do jezer), nebo okoun nilský (z Nilu do Viktoriina Jezera)
POUŽITÉ ZDROJE • Sumich, J. L., & Morrissey, J. F. (2004). Introduction to the biology of marine life
OKRUHY OTÁZEK K TÉMATU • Nutné předpoklady pro primární producenty • Hlavní skupiny primárních producentů • Rozdíly v primární a sekundární produkcí mezi souší a vodou • Základní typy ekologických vazeb v mořském prostředí (příklady)
8
