Distanční opory pro kombinované studium
EKOLOGIE Karina Šondová
Univerzita J. E. Purkyně v Ústí nad Labem Přírodovědecká fakulta Katedra biologie
Ústí nad Labem 2013
Doporučená literatura: Bannikov, A. & Flint, V. (1986): Přežijí rok 2000? Praha, Lidové nakladatelství, 240 s. Begon, M., Harper, J., Townsend, C.R. (1997): Ekologie. Jedinci, populace a společenstva. Vydavatelství Univerzity Palackého, 949 pp. Divigneaut P. (1988): Ekologická syntéza. Academia. Praha. Dorst, J. (1985): Ohrožená příroda. Praha, Orbis. Jeník J. (1995): Ekosystémy. UK Praha. Kudrna K. a spol. (1988): Biosféra a lidstvo. Academia. Praha.
Losos, B., Gulička, J., Lellák, J., Pelikán, J., 1985: Ekologie živočichů. SPN Praha, 320 s. Odum E.P. a kol. (1977): základy ekologie. Praha, Academia. Pivnička K. (1988): Ekologie. Univerzita Karlova. Praha. Pollock, S. (1995): Atlas ohrožených živočichů (The Atlas of Endangered Animals). Praha, NDOP, 64 s. Slavíková J. (1986): Ekologie rostlin. SPN. Praha. Vlasák, P. (1986): Ekologie savců. Academia Praha, 292 s.
Sylabus přednášek (anotace): Historie a definice ekologie, vztah k ostatním vědám, terminologie, rozdělení ekologie. Organismus a prostředí, abiotické faktory, ekologická valence, adaptace. Hlavní ekologické faktory a jejich působení na organismus Trofické (potravní) vztahy mezi organismy, typy potravních strategií. Charakteristika a funkce populace (hustota, struktura, růst, dynamika, migralita). Interspecifické (mezidruhové), intraspecifické (vnitrodruhové) vztahy mezi organismy
Typy, struktura a vlastnosti biocenózy (společenstva), dynamika v čase. Struktura, funkce a základní vztahy v ekosystému, stabilita a rovnováha. Koncepce biogeografie ostrovů, charakteristika a principy Koloběhy látek prvků a tok energie v přírodě, potravní řetězce. Biogeografické členění zemského povrchu, biosféra a její složky.
Biodiverzita, její složky a možnosti měření, indexy biodiverzity. Biodiverzita v čase, sukcese a klimax, základy fenologie.
EKOLOGIE Oicos – obydlí, logos - nauka
„Vztahy mezi organizmy a jejich životním prostředí.“
Ernst Haeckel (1834 - 1919) Definice pojmu 1866
Definice: biologická věda, která se zabývá vztahem organismů a jejich prostředí a vztahem organismů navzájem. Krebs, Odum, Brewer
• Obecná ekologie • Krajinná ekologie • Speciální ekologie
autekologie (jedinec) demekologie (populace) synekologie (ekosystém)
Prostředí: biotické x abiotické
Hierarchie: individuum – populace – společenstvo – ekosystém – biosféra Princip enkapse: Metody studia ekologie:
Hierarchické úrovně: (biosféra)
Ekosystém Společenstvo
Populace
Organismus
unitární × modulární organismy základní jednotka studia v ekologii
Druh
Znaky
organismus
Ekologie vychází z: biologie, meteorologie, klimatologie, geologie, geografie, fyziky, chemie, antropologie, lékařských věd (hygiena), ekonomiky, práva, historie, psychologie, technických věd. Hraniční obory ekologie: 1) biologické 2) nebiologické Rozdělení ekologie: 1) obecná 2) speciální podle objektu studia: podle taxonomických skupin: „strom života“ – celkem 1 043 000 popsaných druhů Speciální disciplíny: hydrobiologie pedobiologie parazitologie
Systém ekologických věd: obecná ekologie: zabývá se obecně platnými ekologickými principy. ekologie mikroorganismů, ekologie rostlin, ekologie živočichů, ekologie člověka: zabývají se vztahy mezi příslušnými organismy a prostředím. ekologie moře: vztahy mezi organismy a prostředím v mořích. ekologie lesa: vztahy mezi organismy a prostředím v lese. ekologie krajiny: souvislosti mezi částmi krajiny, změny v krajině (včetně důsledků činností člověka). ekologie globální: souvislosti a změny na celé planetě Zemi a jejich vliv na život. aplikovaná ekologie: zabývá se praktickou aplikací ekologických poznatků produkční ekologie: zabývá se produkční analýzou trofických úrovní a koloběhem hmoty a energie v ekosystému
Pojetí ekologie dle šíře zkoumaných objektů: ekologie jedince (autekologie): nejužší pojem, týká se pouze vztahu jednoho konkrétního jedince k ostatním jedincům, nebo k okolnímu prostředí. Příklad: ekologie zajíce ekologie populací (demekologie): zabývá se vztahy mezi soubory jedinců stejného druhu (populace) a prostředím. Příklad: ekologie zaječí populace, osidlující podhorské louky v Pošumaví. ekologie společenstev (synekologie): se zabývá vztahy mezi souborem jedinců různých druhů pobývajících na jednom stanovišti (společenstvo). Příklad: ekologie bukového lesa. ekologie biomů: zabývá se nejvyšší úrovní přírodních objektů (biom), je blízce příbuzná biogeografii, tedy nauce o rozmístění organismů na Zemi. Příklad: ekologie středoevropských opadavých lesů.
Nové hraniční obory: ekofyziologie: zabývá se studiem změn a adaptací fyziologických funkcí souvisejících se změnami prostředí ekoimunologie: sleduje vliv prostředí a jeho změn na práci a efektivitu imunitního systému environmentalistika: je věda zabývající se vztahem člověka a životního prostředí
Ekologická nika –Typy prostředí: monotop demotop biotop ekotop
Areál x lokalita Ekologické názvosloví dle typu prostředí: terikolní, arenikolní, petrikolní, limnikolní, kavernikolní, lignikolní, silvikolní, agrikolní, ripikolní, sfagnikolní, kortikolní, nidikolní nároky populace určitého druhu v ekosystému • prostor, který v ekosystému zaujímá a • funkce, kterou v ekosystému má (např. vlk ve střední Evropě)
Adaptace = přizpůsobení Typy adaptací: morfologické fyziologické etologické Divergence = rozbíhavost Konvergence = sbíhavost
x
Alopatrie x sympatrie, guild
– nároky na ekologické faktory : abiotické faktory (světelné záření, teplota, tlak, vlhkost, chemismus) biotické faktory (vnitrodruhové a mezidruhové vztahy, zdroje) antropogenní faktory
EKOLOGICKÉ FAKTORY Definice: Klasifikace: 1) abiotické – klimatické, hydrické, edafické 2) biotické – intraspecifické, interspecifické, antropogenní, trofické
Podle stupně cykličnosti: 1) primárně periodické 2) sekundárně periodické 3) neperiodické Podmínky x zdroje prostředí
Abiotické faktory Teplota definice: zdroje tepla: ekologická definice tepla: změny teploty:
přenos tepla: insolace konvekce kondukce Rozdělení pásem podle teploty: Podnebí (klima) x počasí Základní typy klimatu: 1) makroklima (regionální klima): pevninské oceánské 2) mezoklima (lokální klima) 3) mikroklima 4) ekoklima (stanovištní klima)
eurytermní druhy (-5°C až 55°C) stenotermní druhy psychrofilní (studenomilné) termofilní (teplomilné) kryofilní (sníh, led)
Biomy: definice
Klasifikace: 1) terestrické 2) akvatické
BIOMY - soubory ekosystémů suchozemského biocyklu určité zeměpisné zóny s charakteristickým typem vegetace a fauny, odpovídající určitým podmínkám prostředí
Biogeografie
Průměrná roční teplota
• Biomy
Tropické deštné lesy
Průměrné roční srážky
Biogeografie
Průměrná roční teplota
• Biomy
Tropické poloopadavé a opadavé lesy
Průměrné roční srážky
Biogeografie • Biomy
Průměrná roční teplota
savany
Průměrné roční srážky
Biogeografie
Průměrná roční teplota
• Biomy
Mokřady, bažiny, mangrove
Průměrné roční srážky
Biogeografie
Průměrná roční teplota
• Biomy
pouště a polopouště
Průměrné roční srážky
Biogeografie
Průměrná roční teplota
• Biomy
Tvrdolisté lesy (sucholesy středozemního typu)
Průměrné roční srážky
Biogeografie
Průměrná roční teplota
• Biomy
Opadavé lesy mírného pásma
Průměrné roční srážky
Biogeografie
Průměrná roční teplota
• Biomy
Stepi, prérie, pampy
Průměrné roční srážky
Biogeografie
Průměrná roční teplota
• Biomy
Boreální jehličnaté lesy (tajga)
Průměrné roční srážky
Biogeografie
Průměrná roční teplota
• Biomy
tundra
Průměrné roční srážky
Biogeografie
Průměrná roční teplota
• Biomy
Mrazové pustiny
Průměrné roční srážky
Abiotické faktory teplota • optimum 15°–30°C (bakterie -150°C až 100°C; želvušky -270°C až 100°C • studenokrevní živočichové (poikiotermní) kviescence (strnulost) • teplokrevní živočichové (homoiotermní) stálá tělesná teplota (savci 37°C, ptáci 43°C) hibernace a estivace
Typy organismů podle schopnosti regulace tělesné teploty: • exotermní : - teplota těla závislá na teplotě okolí • endotermní : - schopnost regulace teploty těla v úzkém rozmezí • heterotermní : - schopnost regulace teploty těla je různě uplatňována v čase
ektotermní, exotermní organismy: = poikilotermní, 98 až 99 % organismů (rostliny), bezobratlí, ryby, obojživelníci, plazi - závislí na teple zvenčí - v určitém rozmezí tolerují změnu vnitřní tělní teploty - občasné vybočení z extrémů: buď včasný únik nebo vyhynutí místní populace
endotermní organismy: • homoiotermní, cca 20 000 druhů (více ?) - savci a ptáci • schopni regulace teploty těla v jistém (úzkém) rozmezí – někdy ± 1 °C, jindy až v rozmezí 10 °C • většina savců 36 - 37 °C, většina ptáků 39 - 40 °C (myš 38 °C, Branta 42,7 °C) • energeticky velmi náročné – 70 až 90 % energie z metabolismu
cyklotermní živočichové : = exotermní, s tělní teplotou ± shodnou s teplotou prostředí, ale : upravují tělní teplotu při poklesu teploty okolí pod 10 °C nebo vzestupu nad 30 °C - snižují tělní teplotu odpařováním - zvyšují tělní teplotu aktivním pohybem : tuňák plováním docílí tělní teploty o 10 °C vyšší než má okolní mořská voda
heterotermní živočichové : • živočichové homoiotermní, ale : - v období snížené aktivity a chladu v okolním prostředí snižují teplotu těla částečně nebo až na hodnoty jen o málo vyšší než teplota okolí - strnulost těla – krátkodobá, část z 24 hod. - dlouhodobá, zimní období, hibernace letouni, hmyzožravci, aj.
Teplota ovlivňuje: - přežití - reprodukci - vývoj mláďat - kompetici s jinými druhy podstatná je životní fáze nejcitlivější na teplotu
Musca domestica stav při různých teplotách : - 5 °C po 40 minutách mrtvá + 6,0 °C tuhne + 6,7 °C právě schopna pohybu + 10,8 °C slabý pohyb + 15 až 23 °C normální aktivita + 28 až 35 °C rychlé pohyby + 40 °C nadbytečná aktivita + 44,6 °C tuhne + 46,5 °C letální teplota
Ekologická valence – schopnost existence v určitém rozmezí podmínek – tolerance – míra schopnosti snášet nepříznivé p. optimum
tolerance
Ekologická přizpůsobivost
tolerance (snášenlivost)
Druhy: stenovalentní (stenoekní) (fce. bioindikátorů) euryvalentní (euryekní)
Zákon minima: J. Liebig (1840)
Zákon tolerance: Shelfold (1843) Křivka aktivity – aktivní a vitální zóna
Působení vysokých x nízkých teplot:
Ekologická valence – Liebigův zákon minima „Úspěšnost organizmu v daném prostředí je limitována tím faktorem, jehož hodnota je mu nejméně příznivá.“
antropogenní faktory druhy kulturofobní druhy kulturofilní (synantropní)
Justus von Liebig (1803 - 1873) Zákon minima (1840)
Biogeografická pravidla Allenovo pravidlo živočichové žijící ve vyšších zeměpisných šířkách mají menší tělní výběžky (zobáky, uši, ocasy) a končetiny než jejich příbuzní, se kterými se setkáváme blíže rovníku
Bergmanovo pravidlo druhy žijící v chladnějších oblastech jsou zpravidla větší a mohutnější než jejich příbuzní z nižších zeměpisných šířek
Glogerovo pravidlo živočichové v teplejších a vlhčích oblastech mají tmavší zbarvení srsti, kůže nebo peří
Bergmanovo pravidlo: • uvnitř téhož druhu s rozšířením v různých zeměpisných šířkách : - jedinci severských populací kosa černého jsou větší než jedinci z jihu Evropy - prase divoké, délka lebky v mm: Španělsko 320, střední Evropa 400, Rusko 465, Sibiř 560 mm • mezi příbuznými druhy z různých oblastí: tučňák císařský : 34 kg, výška 120 cm tučňák galapážský : 2,5 kg, výška 50 cm
Allenovo pravidlo: délka uší u lišek tří rodů a u zajíců r. Lepus
Abiotické faktory hydrosféra • sladká voda (3 %) - 2/3 v ledovcích • koloběh vody (9 % vodních par z moře dopadne na pevninu) • chemické složení – O2, salinita; teplota - hustota (max při 4°C)
Druhy: xerofinlí (suchomilné) hygrofilní (vlhkomilné) Člověk: (odlesňování, narovnávání vodních toků, znečišťování vody atd.) katostrofické výsledky (např. zničené Aralské jezero, ropa)
• Voda mimo vodu vázanou v horninách:
- oceány 98,8 % objemu - ledovce, polární led 1,2 % - podzemní voda 0,018 % - pevninské vody 0,002 %
Stratifikace stojatých vod : • Epilimnion : horní prohřátá a větrem promíchávaná vrstva, na jaře zpočátku slabá, postupně se prohlubuje • Metalimnion : vrstva s rychlým poklesem teploty, v něm rozhraní s největší změnou teploty = skočná vrstva, termoklina • Hypolimnion : hlubinné vody, s teplotou i v létě jen o málo vyšší než při promíchání
Relativní vlhkost: % Ztráta vody z organismu: Příjem vody do organismu:
Obsah vody v těle a vodní bilance živočichů: Tolerance živočichů: stenohygrické x euhygrické druhy Klasifikace prostředí dle vlhkosti: 1) hygrofilní 2) mezofilní 3) xerofilní
pH vody a půdy: c H+ iontů 3 < pH > 9 Tolerance: 1) stenoiontní (nálevníci, perloočka) 2) euryiontní (vířníci, ploštěnka) Druhy:
- acidofilní - neutrální - alkalifilní
Salinita: Sladkovodní biotopy x mořské biotopy
Tolerance: 1) stenohalinní 2) euryhalinní
Abiotické faktory světelné záření • slunce – základní zdroj energie země • do 400 nm – UV záření (mutagen, význam pro tvorbu vitamínu D)
• 400-800 nm – viditelné světlo (fotosyntéza)
• nad 800 nm – infračervené světlo (tepelná složka záření)
cirkadiánní rytmy (20-28 hod) fotoperioda (délka dne) sezónní rytmus (hybernace, migrace ptáků, aj.)
solární konstanta povrch atmosféry: 1,38 kJ/m2/s; na povrchu země: 0,68 kJ/m2/s)
Abiotické faktory Atmosféra Chemické složení vzduchu: hustota a nosnost vzduchu, létání živočichů Záření: zdroje rozdělení: a) radioaktivní b) ultrafialové c) viditelné d) infračervené e) kosmické
Viditelné záření (světlo): zdroje ekologický význam světla
Abiotické faktory Atmosféra • tlak a hustota vzduchu vertikální rozvrstvení org., s vyšší výškou klesá velikost org. např. včely 6600 m.n.m, ptáci až 9500 m (husy, kondoři) • proudění vzduchu migrace, plachtění (statické, dynamické) • chemické složení vzduchu (N2, O2, CO2) skleníkový efekt (CO2), globální oteplování(?) člověk - NO2, SO2 (toxické plyny), freony
Proudění vzduchu (cirkulace) Advekce x konvekce Vítr: Beaufortova stupnice Vliv větru na živočichy: anemotaxe apterismus a mikropterní formy Proudění vody
Teplota vody x proudění: Charakter dna x rychlost toku:
Tolerance živočichů ke světlu: 1) stenofotní 2) euryfotní
Rozdělení druhů: a) fotofilní b) skiofilní c) fotofobní Biologické rytmy: fotoperioda Rozdělení organismů dle: a) kviescence b) diapauza c) hibernace d) estivace
Cirkadiánní rytmy: 1) diurnální 2) nokturnální 3) krepuskulární 4) indiferentní Lunární rytmy: Fotokinetická reakce: a) fototropismus b) fotokineze c) fototaxe d) menotaxe
Abiotické faktory pedosféra • nerostná složka 93 %, organická 7 % (mrtvá hmota 85 % (humus), kořeny rostlin 10 %, edafon 5 % - dekompozitoři) • pH, pórovitost, chemické složení
bakterie a aktimomycety houby a řasy žížaly ostatní makrofauna ostatní mikrofauna
Humus : • humus: mrtvá organická (85 %) hmota, tvoří komplexy (cheláty) s kov. Kationty
1) kyselý surový humus: jehličí, org. kyseliny nejsou neutralizovány → fulvokyseliny 2) mul: listový opad, zásadité půdy, rychlý mikrobiální rozklad 3) moder: zoogenní, sypký, živočišné exkrementy
Humus: organická hmota Edafon: 1) fytoedafon 2) zooedafon Edafobionti: a) epigeické formy b) hypogeické formy Dle stupně vázanosti a adaptací:1) geobionti 2) geofilové 3) geoxenové Dle stupně časové vázanosti na půdu: - permanentní temporární periodičtí parciální alternující tranzitorní
Zooedafon dle velikosti: - mikrobiota mezobiota makrobiota • mikrofauna (do 0,1 mm): – prvoci, hlístice a vířníci • mesofauna (0,1 mm až 2 mm): – roztoči (pancířníci Oribatidae – v počtu až 100 000 ind.m-2), - chvostoskoci - roupice (Enchytraeidae, Oligochaeta) • makrofauna (nad 2 mm): – žížaly, mnohonožky, stínky (Isopoda), měkkýši, larvy brouků a larvy dvoukřídlých (tiplice)
Textura x struktura půdy: Pórovitost půdy: kapilární x nekapilární Půdní vlhkost: - evapotranspirace - odtok - infiltrace Podpovrchová voda: a) podzemní b) kapilární c) adsorbční Rozdělení živočichů: 1) hygrobiontní 2) hygrofilní 3) xerofilní Adaptace živočichů žijících v půdě: Půdní struktura: - půdní vzduch vzdušná kapacita půdy teplota půdy permafrost světlo v půdě půdní chemismus
Roční průběh teploty v půdě
Prostor jako zdroj -organismy soutěží o prostor
Konkurence mezi org.: a) exploatační b) interferenční Potrava-trofické faktory Co je potrava?
Nedostatek potravy: Způsoby a formy výživy org. : 1) autotrofní (fytozoický) 2) heterotrofní (holozoický) není ostrá hranice = mixotrofní
Schéma toku energie v těle organismů E z nižšího trofického stupně - spotřebovaná E © - odpad Spotřebovaná E – stravitelná E (D) - E ve výkalech Stravitelná E – metabolizovaná E (M) - E v moči Metabolizovaná E – respirace ® - produkce (P) Respirace – odpočinek x aktivita Produkce – růst x reprodukce
Fyziologické hledisko potravy: a) histotrofní b) merotrofní
Hlavní formy výživy: biofágové x nekrofágové Biofágové : fytofágové x zoofágové Nekrofágové : saprofágové x koprofágové Fytofagie : a) herbivor (fytoepisit) b) fytoparazit specializace: algofágové lichenofágové radicivorní phyllofágové mycetofágové herbivorní lignivorní (xylofágové) fruktivorní
Zoofagie : a) karnivor (zooepisit) b) zooparazit specializace: piscivorní myrmekofágové planktonofágní insektivorní (entomofágové) haemofágové Saprofagie : mrtvá org. hmota Koprofagie: exkrementy (hmyz, buřňáci, králíci) Specifické formy výživy: cecidofagie: výživa v hálkách (cecidiích) zoocecidie acarocecidie entomocecidie
b) symbiontofagie: symbióza 2 organismů ektosymbiontofagie endosymbiontofagie
c) trofobióza: forma koprofagie (mravenec) d) kanibalismus: 1) kronismus 2) kainismus
Složení potravy = potravní spektrum: Euryfágové (generalisti) x stenofágové (specialisti)
univorie (monofagie) – parazit, panda, koala oligofagie – obaleč dubový multivorie (polyfagie) – bekyně mniška, káně, chroust omnivorie (pantofagie) – všežravci Hodnota potravy:
- potravní nabídka x dostupnost potravy potrava:
přednostní příležitostná nouzová
množství potravy: hlavní x vedlejší Změna potravy:- během ontogeneze x sezónní změna prostředí ryby, chrousti, komáři Fasciola hepatica (motolice) periodická změna u ptáků během roku neperiodické změny Množství potravy: kvalitativní stránka: bílkoviny, sacharidy, tuky, vitamíny, stopové prvky
kvantitativní stránka: kalorie (kcal)
Sezónní změny zastoupení jednotlivých složek potravy lišky.
homoiotermní x poikilotermní živoč. Časové rozložení příjmu potravy: býložravci x masožravci zásoby potravy (pijavka, klíště, křeček, včela, …) zásoby z vlastního těla Hladovění:
- během ontogeneze schopnost hladovět (štěnice, klíště, krajta, blecha,…)
Význam vody v organismu:
- zárodek x dospělec - univerzální rozpouštědlo
Populace (demos) skupina jedinců téhož druhu (geneticky příbuzní jedinci, kteří se mezi sebou mohou plodně křížit a jsou reprodukčně izolováni od jiných podobných skupin), žijících v určitém časovém intervalu a v určitém prostředí. demotop = prostředí, ve kterém se populace vyskytuje je to soubor všech jedinců: dospělců, larev, vajíček, spor apod. Soubor všech populací příslušného druhu zaujímá oblast rozšíření druhu - areál. populace lokální, celosvětová (např. k červnu 2011 je populace lidí na Zemi odhadována na 6 990 062 216 jedinců )
Vlastnosti populace: formální - hustota (denzita) - rozmístění (disperze) - struktura
x
funkční - plodnost (natalita) - úmrtnost (mortalita) - stěhování (migralita) - růst - dynamika
Disperze (rozmístění) populace: - na demotopu typy: * náhodilá (nepravidelná) - vzácná * rovnoměrná (pravidelná) * nahloučená (agregovaná) - nejčastější Aleeho princip: Disperze x izolace jedinců v populaci:
Populační ekologie rozmístění (disperze) jedinců v populaci pravidelné nepravidelné
shloučený
Hustota (denzita) populace: - na jednotku plochy či objemu
vyjádření: - abundance (početnost) – N/m2 ; N/ml (l) - biomasa (váha živé hmoty) - g/m2 ; g/ml (l) hustota absolutní – konkrétní počet hustota relativní – indexy či % hustota hrubá hustota specifická
velikost populace – hustota (denzita = abundance) počet jedinců na plochu, objem (producenti > konzumenti) biomasa (hmotnost živé hmoty na plochu, objem)
metody stanovení:
1) absolutní: - sčítání - vzorkování - značkování
2) relativní: - odhad - smýkací metody - lineární metody Lincoln – Petersenův index: H= a1 x t / a2 a1…počet jedinců v 1. odchytu a2…počet znovu odchycených jedinců H…hustota populace t….počet jedinců ve 2. odchytu
Populační ekologie růst populace • množivost (natalita) • úmrtnost (mortalita) • stěhování (migrace) růstové křivky • „J“ – růst otevřený • „S“ – růst uzavřený
únosná kapacita prostředí
růstové křivky – exponenciální (J) a sigmoidní (S)
Natalita (množivost) populace: - stanovena vznikem nových jedinců realizovaná natalita fyziologická natalita věkově specifická natalita Mortalita (úmrtnost) populace: - stanovena počtem uhynulých jedinců realizovaná mortalita fyziologická mortalita věkově specifická mortalita Křivky přežívání: typ I: ryby typ II: ptáci typ III: velcí savci
Migralita (stěhovavost) populace: - 3 základní typy: - migrace - emigrace - imigrace Další pojmy: - permigrace - komigrace - introdukce - invaze definice migrace: míra migrace = podíl v % + příklady cyklus migrace: a) diurnální (plankton, edafon) b) jednoleté (většina) c) víceleté (úhoř) podmiňující faktory migrace: a) potrava b) reprodukce c) klima ekologické bariéry migrace:
Opakované migrace tam a zpět: • denní:
• planktonní organismy (jezera, moře): epilimnion (potrava) « hypolimnion (úkryt) • netopýři, ptáci: nocoviště (jeskyně) « potravní prostor
každoroční, vícekrát za život: • obojživelníci: voda (rozmnožování) « souš • jelenec oslí, jelen wapiti: hory « nížina • sob: tundra « severský les • velryby: antarktické moře (potrava) « tropická moře (rozmnožování) • ptáci: hnízdiště « zimoviště migrace jednou tam a jednou zpět: • katadromní ryby (úhoř): řeky, potoky (růst) «moře (rozmnožování) • anadromní ryby (lososi): moře (růst) « řeky, potoky (rozmnožování) • motýli, vážky: larvální biotop « biotop dospělců migrace populace tam a zpět, různí jedinci: • migrace daného jedince jednou jedním směrem: - motýli jižní Evropa « severní Evropa
Příklady: tahy ptáků = ptáci se kroužkují, jejich migrace se studují od konce 19. století, v zimovištích nehnízdí (tj. nevyvádějí mláďata, nerozmnožují se) tahy ryb = ke tření z moře do sladkých vod nebo opačně, orientace také podle chemického složení vody
savci = potulky nebo tahy způsobené proměnlivostí potravní nabídky, tropičtí kopytníci, sobi, bizoni, sloni, medvědi kytovci (mezi tropickými a chladnými moři v souvislosti s rozmnožováním) obojživelníci = žáby a čolci se každoročně přesně vracejí do míst páření hmyz = pasivně větrem, význam studium migrací sarančí stěhovavých, migrace motýlů – větrem ovlivněny jen málo, monarcha stěhovavý (z Mexika přes celé USA) anemochorie = přenos pomocí větru zoochorie = přenos živočichy antropochorie = přenos člověkem hydrochorie = přenos vodou
Růst populace: Npres = Npast + B – D + I – E Npres…současnost (počet druhů) Npast…minulost (počet druhů) B…reprodukce (natalita) D…hynutí (mortalita) I…imigrace E…emigrace r = okamžitá míra růstu populace r = ln Ro/t Ro…čistá míra reprodukce (počet potomků na 1 jedince) t…generační čas r › 0, r ‹ 0, r = 0 - v uzavřených populacích (není Imigrace a Emigrace) => r=B–D
model kontinuálního růstu (růst nezávislý na hustotě populace) = otevřený růst, křivka tvaru J N…velikost populace (počet jedinců) r…okamžitá míra růstu populace dt…míra změny populace v čase
rN = dN/dt
model růstu závislého na hustotě = limitované zdroje, křivka tvaru S (sigmoidální) - závislost na kapacitě zdrojů v prostředí rN (1 – N/K) = dN/dt N…velikost populace (počet jedinců) r…okamžitá míra růstu populace dt…míra změny populace v čase K…kapacita prostředí
Populační ekologie kolísání početnosti (demografie) • oscilace (1 rok) • fluktuace (více let) • gradace („přemnožení“)
Dynamika populace: = kolísání početnosti oscilace- v rámci 1 roku: 1) univoltinní druhy 2) bivoltinní druhy fluktuace- v průběhu více let: pravidelné x nepravidelné latentní temporární Permanentní křivka gradace: - katastrofické přemnožení fáze latence fáze progradace fáze kulminace fáze retrogradace fáze latence Příčiny dynamiky populací: 1) faktory nezávislé na hustotě 2) faktory závislé na hustotě populace
Struktura populace:
věková struktura: vliv na natalitu a mortalitu, tzv. věkové třídy: 1) předreprodukční 2) reprodukční 3) postreprodukční - př. vodní hmyz, hlodavci, octomilky pyramidová zvonovitá urnovitá ● váhová struktura: biomasa a produkce (hlodavci)
● pohlavní (sex ratio): 1) primární poměr (X,Y) 2) sekundární poměr 3) terciální poměr ● sociální struktura: předmět etologie
Populační ekologie struktura populace (věková, hmotnostní, velikostní, sociální, sexuální (poměr pohlaví, obvykle 1:1)
postproduktivní
reproduktivní prereproduktivní
pyramida
zvon
urna
Populační ekologie věková struktura populace – délka života
Reprodukční ekologie r-stratégové – důraz na rozmnožování a mobilitu potomstva „r“ je matematický symbol pro rychlost reprodukce K-stratégové – důraz na kvalitu a konkurenceschopnost „K“ je matematický symbol pro únosnou kapacitu prostředí, tj. maximální podíl přeživších jedinců.
Typy strategie živočichů: r – specialisti
x
- specifická rychlost růstu - drobných rozměrů - rychlý růst populace - vysoký biotický potenciál - časná reprodukce - relat. krátkověkost - 1x reprodukce - nízká kompetice - schopnost rychlého šíření - velká dynamika populace - v nevyvážených ekosystémech - hlodavci, mšice
K – specialisti - nosná kapacita prostředí - větších rozměrů - pomalý růst populace - nízký biotický potenciál - pozdní reprodukce - relat. dlouhověkost - opakovaná reprodukce - vysoká kompetice - slabá schopnost šíření - menší dynamika populace - vyvážené ekosystémy - velcí kopytníci tropů
Společenstvo (cenóza) soubor populací mikrobiocenóza, fytocenóza, zoocenóza, biocenóza společenstva přirozená x umělá (agrocenózy) např. edafon, plankton, bentos svislé (vertikální) rozvrstvení - stratifikace společenstva vodorovné (horizontální) rozvrstvení
Definice: v reálném prostoru a čase vlastnosti dány interakcemi mezi druhy vlastnosti závislé na diverzitě a distribuci druhů, toku E a interakcemi mezi guildy vznik v různých podmínkách, různá velikost a rozsah mohou mít i dílčí části
společenstvo = biocenóza: 1) fytocenóza 2) zoocenóza izocenóza: biocenóza v prostředí s podobnými ekologickými podmínkami
ekologické vikarianty: - ekologicky ekvivalentní druhy - v izocenózách - př. velcí býložravci (v rámci kontinentů) cenotop: biotické prostředí biocenózy Interakce ve společenstvu
1) přímé (korelace) A → B→ C
2) nepřímé (interrelace) A→ (B) → C
Princip enkapse: biomy > regiony > lokality > mikrohabitaty
Biocenotické principy
1. bicenotický princip: Thienemann (1918, 1920) - čím jsou podmínky biotopu rozmanitější, tím je v biocenóze zastoupeno více druhů, přičemž jejich hustota je nízká (př.entomocenózy tropického deštného lesa) 2. bicenotický princip: Thienemann (1918) - čím více jsou podmínky biotopu odchýlené od normálu, tím je biocenóza druhově chudší, ale populace druhů dosahují vysoké početnosti (př. znečištěné vodní prostředí)
3. bicenotický princip: Franz (1952) - čím jsou životní podmínky biotopu stálejší, tím je biocenóza druhově bohatší, vyrovnanější a stabilnější (př. korálové útesy)
Společenstvo (cenóza)
• přírodní bez jakýchkoli vlivů a zásahů člověka; dnes se s nimi téměř nesetkáme
přirozené
do různé míry ovlivněny lidskou činností, ale druhovým složením se blíží přírodnímu stavu v dané oblasti
umělé
vytvářeny člověkem záměrně nebo vznikají neřízeně v důsledku nejrůznějších lidských činností
Členění společenstev Dílčí společenstva: • producenti • konzumenti • reducenti (dekompozitoři) Dělení dle taxocenózy: např. entomocenóza ornitocenóza ichtyocenóza malakocenóza parazitocenóza
Stratifikace společenstva A) vertikální
x
B) horizontální
A) vertikální: biostrata (patra, etáže) => stratocenózy př. les: korunové – kmenové – křovinné – bylinné – mechové – hrabankové B) horizontální: biochoria (choriotopy) => choriocenózy př. strom: dutiny stromu – květy – listy – kořeny – kmen – plody biocenotický kodex: heterogenní společenstva organismů s těsným vztahem k prostředí (př. 1 strom až 1000 druhů hmyzu)
Klasifikace interakcí dle typu působení Interakce Mutualismus Kompetice Predace Parazitismus Neutralismus Amenzalismus Komenzalismus Protokooperace
druh A
druh B
+ + + 0 0 0 +
+ 0 + +
Společenstvo (cenóza) vzájemné vztahy mezi populacemi mezidruhová konkurence (kompetice) („A-“ a „B-“)
• vnitrodruhová – teritorialita • mezidruhová – rozrůznění nik
Vnitrodruhové vztahy: synergistické (vzájemně prospěšné) antagonistické (konkurenční)
ad)1) - synchronizace pohlavní aktivity (různá doba říje u srnců a jelenů, generační cyklus hmyzu- vliv fotoperiody na činnost gonád, výskyt pohlavně zralých jedinců v optimální dobu, shromažďování živočichů: hnízdní bazary, stáda, trdliště ryb, hnízdní kolonie, roje hmyzu) - soužití v období reprodukce (život v párech omezený časově, soužití na 1 sezónu, trvalý život v párech) - vznik skupin = societ (sociální útvar udržovaný vnitřními etologickými principy) 2 principy vzniku skupiny: 1) sociální atraktance 2) sociální imitace - vliv skupiny na jedince:
ad) 2) – intraspecifická kompetice (sdílejí stejné prostředí, stejné nároky na zdroje) věkové rozdíly v potravních nárocích pohlavní rozdíly důležitý regulační mechanismus důsledky kompetice: a) disperze organismů b) teritoriální chování
Teritoriální chování: - soutěž jedinců či skupin o prostor území konkurence mezi jedinci důsledkem regulace populace výhody musí převýšit náklady značení – pachové, akustické, optické
teritorium x - hájí vůči konkurentům - uvnitř okrsku - skladba teritoria:
domovský okrsek - nehájí, sdílí společně - velikost několik m (ryby, ještěrky) až 20 km (lvi, tygři)
př.: lachtan australský, nosorožec indický - důležitý regulační mechanismus!
Kompetice dle distribuce zdrojů: utajená kompetice – rovnoměrné využití zdrojů všemi jedinci, všichni hodně či všichni málo => zánik populace ostrá kompetice – nerovnoměrné využití, někteří hodně, jiní hynou Kompetice dle mechanismu působení: interferenční kompetice – přímý kontakt jedinců (boj o potravu) exploatační kompetice – nepřímá interakce, cestou spotřeby zdrojů prostředí
Společenstvo (cenóza) vzájemné vztahy mezi populacemi predace („A+“ a „B-“)
různé strategie lovec vs. kořist mimikry, toxicita, shlukování
vrchol potravní pyramidy •zoofágové masožraví (carnivorní) rybožraví (piscivorní) hmyzožraví (insectivorní) • fytofágové – „predace“
- konzumace 1 organismu (kořisti) druhým (predátorem) - prospěch jen pro predátora Typy predace: taxonomicky: masožravci, býložravci a všežravci funkčně:
praví predátoři: kořist zabijí spásači: nezabíjejí, jen části parasitoidi: zabíjejí pro svůj vývoj paraziti: nezabíjejí, ale postupně ničí
Adaptace predátora - zrak, čich, sluch - silné a rychlé tělo - útočné orgány u úst - chapadla láčkovců - hltan ploštěnek - ramena hlavonožců - zobák dravců - zuby šelem
x
adaptace kořisti - schopnost úniku - mech. ochrana na povrchu těla - zevní kostry korálnatců a želv - ulity a lastury měkkýšů - jedové žlázky obojživelníků - autotomie ještěrky - budování úkrytů - ochranné zbarvení
Typy ochranného zbarvení: 1) mimeze: - homochromie
- homotypie
2) mimikry
Společenstvo (cenóza) vzájemné vztahy mezi populacemi parazitismus („A+“ a „B-“) parazitoidi, hyperparazitismus • endoparazité • ektoparazité • obligátní x fakultativní • mezihostitelé x přenašeči (vektoři)
hostitel jako ekosystém prakticky každý organismus
lumci
má své parazity kutilky
Společenstvo (cenóza) vzájemné vztahy mezi populacemi symbióza (mutualismus) („A+“ a „B+“) • trvalé, nezbytné soužití (lišejníky, mykorhiza,…..)
• protokooperace (společné hnízdění) • aliance (stáda býložravců)
Mutualismus: - pozitivní vztah 2 jedinců, důsledkem je růst fitness Typy mutualismu: obligátní: permanentní spojení (lišejníky, rak se sasankou, korály) fakultativní: příležitostné spojení (opylování květů hmyzem, kolibříky a netopýry; přenášení semen) symbiotický: uvnitř těl organismů (mykorrhiza) obranný: rostliny a mravenci, trávy a houby - souvislost s evolucí eukaryotické buňky (mitochondrie a chloroplasty)
Společenstvo (cenóza) vzájemné vztahy mezi populacemi amenzalismus („A-“ a „B0“) komenzalismus („A+“ a „B0“) neutralismus („A0“ a „B0“)
Komenzalismus:
- interakce 2 druhů závazná pro komenzála (+) ale 0 pro hostitele - hyeny, šakali, supi x lvi hroch a ryby na povrchu buvol x volavka Dle stupně vázanosti: parekie- sousedství 1 druhu s druhým jako ochrana před predátory (vrabci a obydlí, sasanky a korálové ryby) synekie- společný výskyt 2 druhů (brouci v doupatech svišťů) phoresie- využití jiného druhu k přenosu (lodivod)
Amenzalismus: - 1 druh (inhibitor) působí na druhý druh (amenzála), ale sám není dotčen - „chemický“ boj organismů mikroorganismy a houby – produkce antibiotik řasy a sinice vylučují látky inhibující ryby
Protokooperace - soužití nezávazné, oba druhy mají prospěch (kolektivní hnízdění ptáků)
Vlastnosti biocenóz 1) kvantitativní (četnostní) znaky: hustota druhů abundance (biomasa) dominance produkce 2) strukturální (skladebné) znaky: prezence a absence frekvence konstance faunistická podobnost diverzita a ekvitabilit 3) vztahové znaky: fidelita koordinance
Hustota druhů
= počet druhů zoocenózy na jednotku plochy nebo objemu druhové spektrum (species richness): soupis všech druhů zoocenózy minimální plocha či objem: série reprezentativních odběrů křivka druhové četnosti: společenstva: druhově velmi chudá druhově chudá druhově bohatá druhově velmi bohatá
Abundance
= počet všech jedinců ve společenstvu bez ohledu na druhovou příslušnost na jednotku plochy či objemu stupnice odhadu počtu: 0 – nepřítomen 1 – vzácný 2 – chudý 3 – početný 4 – velmi početný 5 – masově početný křivka abundance:
Biomasa
= hmotnost všech jedinců v biocenóze na jednotku plochy či objemu - čerstvá, fixovaná, v sušině, v proteinech, v biogenních prvcích (C, N), průměrná hodnota E na 1kg hmotnosti těla: 5,4 kcal, 22599J metody stanovení: obsah tuků, bílkovin a sacharidů oxidace dvojchromanem draselným měření spalného tuku
Produkce - produkční biologie, součet produkce jednotlivých populací
Dominance
= % složení biocenózy, bez ohledu na velikost plochy či objemu D = n*100/S
n…počet jedinců určitého druhu S…celkový počet jedinců biocenózy nízká x vysoká dominance absolutní x relativní hodnoty Třídy dominance: hlavní (dominantní) druh: více než 10 % doprovodný (influentní) druh: 5 – 10 % přídavný (akcesorický) druh: méně než 5 %
Klasifikace do 5-ti tříd: eudominantní druh: více než 10 % dominantní druh: 5 – 10 % subdominantní druh: 2 – 5 % recendentní druh: 1 – 2 % subrecendentní druh: méně než 1 % Hmotnostní dominance:
D = wi*100/ ws wi…biomasa jedinců určitého druhu ws….biomasa celé biocenózy biocenózy Eltonovy pyramidy:
Prezence a absence = vyjádření přítomnosti (+) a nepřítomnosti (-) druhu v biocenóze, bez ohledu na hustotu, četnost nebo pravidelnost jeho výskytu
Frekvence
= četnost výskytu, udává, jak často se druhy vyskytují v sérii vzorků odebraných z 1 lokality F = ni*100/S ni…počet vzorků, v nichž se druh vyskytuje S…počet všech odebraných vzorků
největší frekvenci mají dominantní druhy pozitivní vztah k abundanci a závisí na disperzi
Konstance
= stálost druhového složení určité biocenózy v závislosti na čase K = ni*100/S
Třídy konstance: I – druh vzácný: 0 – 20 % II – druh řídce se vyskytující: 20 – 40 % III - druh často se vyskytující: 40 – 60 % IV - druh převážně se vyskytující: 60 – 80 % V – druh téměř vždy přítomný: 80 – 100 % - synekologicky významné druhy se stálostí nad 50 %
Faunistická podobnost = identita = shoda druhového složení 2 nebo více srovnávaných biocenóz
s1…počet druhů v 1. biocenóze s2…počet druhů v 2. biocenóze s…počet společně se vyskytujících druhů Jaccardův index: Jn = s/(s1+s2-s)
Sörensenův index: Sö = 2s/(s1+s2)
Kulczyňskiego index: Ku = (s/s1 + s/s2) / s
Fidelita = stupeň vázanosti nebo věrnosti druhů k určité biocenóze vlastní druhy = indigenae: 1) homocenní - celoročně 2) heterogenní- sezónně spřízněné druhy – výskyt i jinde cizí druhy = hospites – potrava, úkryt, nocleh protahující druhy = permigrantes – v době tahu zatoulanci = alieni – zcela náhodně Kategorie fidelity: • eucenní druh: - stenoektní, stenotopní (věrný, vlastní) cenobiontní druh – úzká valence cenofilní druh – menší valence • tychocenní druh: - euryektní, eurytopní (bez těsného vztahu k dané biocenóze) • acenní druh: - nenáročný ubikvist • xenocenní druh: - dané biocenóze cizí
Koncovky: - biont: výrazná adaptace na dané prostředí - fil: menší přizpůsobenost, ale preference 1 prostředí - xen: cizí druh, nepřizpůsobený danému prostředí - fob: náhodně zavlečený druh Koordinace = cenologická afinita: = udává stupeň společného výskytu 2 nebo více druhů v biocenóze příčiny = interspecifické interakce Agrellův index: Ag = a*100/s
(%)
a…počet vzorků, v nichž se druhy společně vyskytují s…celkový počet všech vzorků
Ekosystém biocenóza se svým prostředím (jezero, rybník, moře, bažina, louka, les, tundra, městský park, pole...). otevřený, dynamicky se vyvíjející živý systém, v němž dochází ke koloběhu látek a jímž protéká tok energie a genetické informace. ekotony = přechodná společenstva na hranicích ekosystémů zonály = smíšená společenstva, změna podm. v určitém směru ekologická sukcese = vývoj ekosystémů sukcesní stádia, rovnovážný stav - klimax (klimatický, edafický, antropogenní)
EKOSYSTÉM = základní funkční jednotka přírody, zahrnuje biotické i biotické podmínky (Tansley, 1935) = biocenóza a její biotop - vyšší úroveň než společenstvo, interakce s biologickými, fyzikálními i chemickými složkami prostředí – propojení biologických společenstev a jejich fyzikálně- chemických prostředí - výměna hmoty a energie mezi živou a neživou přírodou
- každý ekosystém se liší biodiverzitou, strukturou živých i neživých složek, koloběhem látek a energií Historie a témata studia ekosystému: - Tansley: pojem ekosystém Lotka: termodynamické systémy v ekosystému Odum: energie ekosystému Lindemann: ekosystém jako systém transformující energii Starr a Allen: hierarchie v ekosystému
Lotkův diagram ekosystému: sluneční energie
zelené rostliny
CO2
býložravci
masožravci
teplo
Struktura a funkce ekosystému: biotop = souhrn neživých součástí prostředí a prostředí biocenózy ekotop = souhrn hydrických, edafických a klimatických složek prostředí
Ekosystém složky ekosystému neživé prostředí (abiotické faktory) producenti (autotrofní org.) konzumenti (heterotrofní org.) – biofágové rozkladači (dekompozitoři) – nekrofágové
producenti: autotrofní organismy (zelené rostliny, chemotrofní bakterie, nitrifikační, železité a ethanové bakterie) primární produkce organické hmoty zdroj potravy pro heterotrofní organismy konzumenti: heterotrofní organismy (živočichové a nezelené rostliny) destruenti: heterotrofní saprofágové (bakterie, houby, plísně) rozklad organické hmoty uvolnění minerálních látek
hmotnost biomasy (g/m2)
Potravní ekologie Typy potravních (trofických) řetězců pastevně kořistnický rozkladný (dekompoziční) – saprofágové, koprofágové parazitický
Funkce ekosystému: koloběh látek a jednosměrný tok energie
Potravní řetězec = série organismů, kteří jsou navzájem spojeni potravními vztahy Dekompozice = rozkladný řetězec, kdy těla organismů hynou a stávají se zdrojem energie a potravy pro dekompozitory Potravní sítě = znázornění jednotlivých fází potravního řetězce - př.: fytoplankton – planktonní korýši – ryba – dravá ryba nebo vodní savec (tuleň)
Biosféra = biota (terestrická a vodní společenstva) + biotické prostředí, mocnost 20 km, horní hranice 8 km (póly), 18 km (rovník) Litosféra = zemský obal + půda (pedosféra), horniny a sedimenty Hydrosféra: hydrologický cyklus: a) biocyklus slanovodní (marinní) 71% b) biocyklus sladkovodní (limnický) 2%
= výměna vody mezi zemským povrchem a atmosférou vlivem odpařování a srážek - velký x malý cyklus (vliv vegetace, zachycování vody, evapotranspirace = odpařování vody, infiltrace = vsakování vody, odtok vody) Atmosféra = ovzduší: troposféra stratosféra ionosféra chemosféra
Biogeochemické cykly - homeostatický systém (výměna hmoty a energie) = udržování rovnováhy v prostředí organismy: sacharidy, tuky, bílkoviny, 20 biogenních prvků + 20 dalších prvků:
makroživiny (C, O, H, N, P) mikroživiny (S, Cl, K, Na, Ca, Mg, Fe, Cu),… zdrojem prvků je atmosféra (C, N, O) zdrojem prvků jsou sedimenty (P, S)
Koloběh kyslíku (O): život: 3 miliardy let – sopečná činnost, kyslík chyběl v atmosféře, toxický evoluce fotosyntézy: růst obsahu kyslíku v ovzduší vznik vyšších forem života: respirace, metabolismus => kyslík nezbytný pro život zdroj: uvolněný fotosyntézou z H2O, 21% v atmosféře spotřeba spalováním fosilních paliv
- nejvíce kyslíku je v zemské kůře vázáno v oxidech - v atmosféře se vyskytuje převážně jako molekula O2, a dále ve formě vody a různých oxidů uhlíku, dusíku, síry. Jeho hlavním zdrojem je fotosyntéza, při které suchozemské i mořské autotrofní organismy (kromě syntézy organických látek z CO2) produkují kyslík. V atmosféře je kyslík přítomen i v důsledku fotodisociace (rozklad působením světla) vody
- propad kyslíku z atmosféry je způsoben dýcháním (respirací) autotrofních organismů, rozkladem odumřelé biomasy, zvětráváním, přirozenými požáry a v důsledku lidské činnosti spalováním fosilních paliv
Koloběh uhlíku (C): C = nejrozšířenější prvek živé hmoty fotosyntéza x respirace CO2 (hlavní zdroj uhlíku v plynné formě => producenti => konzumenti => destruenti => atmosféra (zdroj) suchozemské rostliny odebírají uhlík z atmosférického CO2, vodní rostliny z uhličitanů rozpuštěných ve vodě => propojení obou subcyklů výměna mezi atmosférou a oceány: atmosférický CO2 ~ rozpuštěný CO2
CO2 + H2O ~ H2CO3
dodatkový zdroj: oceány (50x více než ve vzduchu): výměny mezi plynným CO2 a rozpuštěným ve vodě = difúze přes vodní hladinu obsah CO2 0,035 % v atmosféře, stoupá zvětráváním hornin, spalováním fosilních paliv, kácením tropického pralesa, těžbou fosilních paliv (výroba cementu) a sopečnou činností skleníkový efekt: vysoká koncentrace „ skleníkového plynu“ (tedy CO2) v atmosféře => vzrůstá teplota na Zemi! zemské rezervoáry uhlíku: hydrosféra (rozpuštěný CO2 a organická hmota) - okolo 36000 gigatun. sedimenty (uhličitany, látky s obsahem uhlíku, včetně fosilních paliv). atmosféra (CO2) biosféra (organická živá i neživá hmota) - okolo 1900 gigatun
Uhlík se do atmosféry dostává několika způsoby: Respirací živočichů a rostlin. Při této reakci se organické molekuly rozkládají na vodu a oxid uhličitý Rozkládáním rostlinné a živočišné biomasy. Hlavní roli v tom mají houby a bakterie. Pokud je přítomen kyslík, mění organické látky na oxid uhličitý, pokud je prostředí anaerobní, mění organické látky na methan Spalováním organického materiálu. Při spalování fosilních paliv (uhlí, ropa, zemní plyn) se rozpadají organické látky, které se po miliony let ukládaly v biosféře Při sopečných erupcích se uvolňují plyny, které mimo jiné obsahují oxid uhličitý. Množství uhlíku, které takto vznikne, plně kompenzuje úbytek uhlíku při zvětrávání
Koloběh dusíku (N): N ≡ N: inertní plyn organismy neschopni asimilace dusíku, fixace dusíku a denitrifikace mikroorganismy (denitrifikační bakterie) zdroj:
a) anorganické látky (dusičnany, dusitany, amoniak) b) organické látky (močovina, bílkoviny, nukleové kyseliny) fixace plynného dusíku: a) fyzikálně – chemická cesta (výboje blesků, bouřka, záření) b) biologická cesta (nitrifikační bakterie - symbiotičtí vazači dusíku
obsah 78 % dusíku v atmosféře
antropogenní činnost: zemědělská dusíkatá hnojiva, průmysl (vnitřní spalování, výroba hnojiv), emise z elektráren, eutrofizace (odlesňováním a těžbou dřeva = kácením tropických deštných pralesů nárůst dusičnanů ve vodě), uvolnění oxidů dusíku (NOx) = spalování ropy a uhlí, výfukové plyny => přeměna oxidů na kyselinu dusičnou (HNO3 => kyselé deště)
Dusík prochází, zejména díky organismům, na Zemi neustávajícím koloběhem. Posloupnost organických látek je: vzdušný dusík - amoniak - organické látky (nukleové kyseliny, nukleotidy) - amoniak - dusitany - dusičnany - vzdušný dusík.
Při biologické fixaci (diazotrofii) se rozbíjí trojná vazba vzdušného dusíku (N2) pomocí enzymu nitrogenáza. Dusík se zabuduje do amonných iontů (NH4+)Tuto reakci zvládají jen některé prokaryotické organismy, které někdy využívají symbiotického svazku s vyššími rostlinami (bobovité, olše,…) Na biologické fixaci se podílí mnoho skupin prokaryotních organismů, ale zejména bakterie včetně aktinomycet a sinic. Tyto organismy můžeme rozdělit do 2 skupin, podle toho, zda vytvářejí symbiotický vztah s vyššími rostlinami. Symbiotičtí vazači dusíku (velmi často tzv. hlízkové bakterie): Rhizobium, Bradyrhizopodium, aktinomyceta Frankia, sinice Nostoc Volně žijící vazači dusíku: aerobní bakterie Azotobacter, Clostridium, žijí v půdě, slané i sladké vodě autotrofní sinice: sladkovodní Anabaena a Aphanizomenon, mořská sinice Trichodesmium
Při asimilaci se začleňuje dusík do těla organismů. Rostliny přijímají dusík jako dusičnany, jako amonné ionty přímo z půdy. Dusičnany jsou redukované na dusitany a posléze zabudovány do AK, NK, chlorofylu. U rostlin, které přijímají amoniak díky hlízkovým bakteriím, je práce s dusitany a dusičnany zjednodušená. Dusík proniká od rostlin a bakterií k jejich predátorům, až na vrchol potravní pyramidy v podobě rostlinných AK a nukleotidů, vyrobených z jejich fixovaného dusíku. Amonifikace je přeměna dusíkatých organických látek na amoniak pomocí: rozkladači, bakterie a houby. Amonifikace je jedním z pochodů biologického rozkladu (mineralizace). Nitrifikace probíhá ve dvou fázích. Nitritace - Nitritační bakterie převádějí amoniak na dusitany. (Nitrosomonas) Nitratace - Nitratační bakterie převádí dusitany na dusičnany. (Nitrobacter) Denitrifikace přeměna dusičnanů na plynný dusík. Při nedostatku O2 ji využívají některé bakterie (Pseudomonas) a některé houby.
Koloběh fosforu (P): -sedimentační (otevřený) cyklus => zdrojem fosforu sedimenty a horniny (fosforečnany a ortofosforečnany), minerální fosfor opouští pevninu a odchází do oceánů a je včleněn do sedimentů -obsažen především v půdní vodě, řekách, jezerech, oceánech, horninách a oceánských sedimentech -uvolnění fosforu: zvětrávání hornin metabolismus(katabolismus)organismů
Koloběh síry (S): uvolnění síry do atmosféry: a) vytváření mořských aerosolů b) sopečná činnost c) anaerobní respirace bakterií redukujících sírany (H2S) na pevninu: síranové ionty ve srážkách a suchém spadu do vody: ze zvětrávajících hornin a atmosféry
antropogenní činnost: spalování fosilních paliv (uhlí, ropa) – SO2 – přeměna oxidací na kyselinu sírovou H2SO4=> kyselé deště
asimilace (redukce) síranů a zakomponování do -SH skupin v proteinech; vylučování organických sloučenin s obsahem -SH skupin v rámci vylučování odpadních látek, rozkladu těl a následné desulfurylace (vznik sirovodíku); oxidace sirovodíku chemolitotrofními bakteriemi za vzniku elementární síry a síranů anaerobní oxidace sirovodíku a síry anoxygenními fototrofními bakteriemi (purpurové a zelené sirné bakterie) rozklad a redukce síranů metodou anaerobního dýchání bakterií Značnou měrou má na koloběh síry vliv člověk, který produkuje v průmyslu oxid siřičitý (např. při spalování uhlí). Tento plyn může být oxidován v půdě na sírany (toxické pro rostliny) či v atmosféře redukovaný na sulfidy nebo oxidovaný na kyselinu sírovou. Ta je pak složkou kyselého deště.
fototrofní oxidace elementární síry: Chlorobi, Chloroflexus a proteobakterie (např. Rhodobacter, Rhodospirillum, Rhodomicrobium, Rubrivivax, Rhodocyclus,) chemolitotrofní oxidace elementární síry: Aquificae (Aquifex) a proteobakterie (Thiomargarita, Thiobacillus, Sulfurimonas, Paracoccus), archea z řádu Sulfolobales a někteří symbionti mnohobuněčných organismů redukce elementární síry: některé Aquificae (Thermovibrio), grampozitivní Ammonifex, proteobakterie (Geobacter, Desulfuromonas), archea z kmenů Crenarchaeota a Euryarchaeota redukce síranů: některé Thermodesulfobacteria, Firmicutes (Desulfosporosinus, Desulfotomaculum, Deltaproteobacteria metabolismus síry obsažené v organických látkách: proteobakterie (Pseudomonas, Desulfovibrio), některé archea (Methanosarcina)
Biogeografie • faunistika, floristika (lokální výskyt) • areál (soubor všech míst – stanovišť, v nichž se daný taxon vyskytuje) • geografická lokalizace (zoogeografie) • ekologická lokalizace – biocyky (základní typy prostředí) • velikost areálu (endemité x kosmopolitní druhy, relikty) • tvar a spojitost areálu
Biogeografie • tvar a spojitost areálu
Biogeografie • ekologická lokalizace – biocyky (základní typy prostředí) sladkovodní (tekoucí x stojaté) = tzv. biochory mořský (litorál, pelagiál, …..)
Biogeografie
Průměrná roční teplota
• ekologická lokalizace – biocyky (základní typy prostředí) suchozemský (biochory – arborál, eremiál, oreotundrál)
226
Průměrné roční srážky
Biodiverzita obratlovci 47.000
bezobratlí bez členovců 150.000
viry 1.000
členovci bez hmyzu 120.000 hmyz 1.000.000
Prokaryota 4.800 houby 69.000 řasy 26.900
rostliny 248.400
„prvoci“ 30.800
Biodiverzita = druhová rozmanitost = strukturně kvantitativní vlastnost každého společenstva, vyjadřuje poměr počtu druhů k počtu jedinců ve společenstvu - k vyjádření slouží různé indexy biodiverzity
Klasifikace dle úrovní biodiverzity: druhová diverzita (species diversity): počet druhů v daném prostředí genetická diverzita (genetic diversity): genetická rozmanitost uvnitř daného druhu ekologická diverzita (ecological diversity): počet různých ekosystémů v daném prostředí
3 kategorie diverzity (Whittaker, 1972): α – diverzita: počet druhů ve společenstvu či vymezeném habitatu β – diverzita: způsob změny diverzity mezi jednotlivými habitaty γ – diverzita: celkový počet druhů v regionu, kombinace α a β diverzity Proč studovat biologickou diverzitu??? ústřední téma ekologie indikátor stavu zdraví ekosystému neustávající diskuze na téma: jak měřit biologickou diverzitu
Elementy biodiverzity: Heywood a Baste (1995) Ekologická - biomy - bioregiony - krajiny - ekosystémy - habitaty - niky - populace
Genetická
- populace - jedinci - chromosomy - geny - nukleotidy
Druhová - říše - kmeny - řády - čeledě - rody - druhy - populace - jedinci
Jak měřit biodiverzitu? …. Indexy: Indexy druhové rozmanitosti (species richness): počet druhů v jednotně definovaném vzorku Species abundance models:distribuce počtu druhů, vystihují situace stupně dominance Indexy založené na proporcionální abundanci Indexy druhové rozmanitosti: numerical species richness – počet druhů na určitý počet jedinců či biomasy species density – počet druhů na jednotku plochy či objemu - Margalefův a Mehnickův index
2. Species abundance models - indexy popisující početnost druhů ve společenstvu - viz. obr.
geometrické řady: druhově chudá společenstva, nebo v ranném stadiu sukcese, nejdominantnější druh obsadí poměrnou část zdrojů, s postupem sukcese přechází do logaritmických řad logaritmické řady: ve společenstvu zastoupeno více druhů, pokročilejší stupeň sukcese, pokračuje dominance 1 druhu, případně se přidává i druh další broken stick models („zahnutá hůl“): velká, rozvinutá a pestrá společenstva, rovnoměrné rozložení druhů, představuje nejvyrovnanější stav, , charakterizován počtem druhů, nikoliv dominancí
3.Indexy založené na proporcionální abundanci - předpokladem pro jejich použití je náhodný výběr jedinců z velkého množství, přítomnost všech druhů ve společenstvu - Shannonův a Brillouinův index Měření dominance: - důležitější je početnost než druhová bohatost, hodnota je závislá na nejpočetnějším druhu a proto jsou tyto indexy málo citlivé k méně početným druhům - Simpsonův a Berger- Parkerův index
Vztah mezi počtem druhů a plochou: - tzv. koncepce biogeografie ostrovů: na „ostrovech“ menší početnost druhů než na srovnatelně velkých územích na pevnině počet druhů klesá se zmenšováním velikosti ostrova
„ostrovem“ může být: ostrov země v moři jezero (ostrov vody) na zemi vrchol hory oblast geologického, půdního či vegetačního typu organismus hostitele pro parazita rezervace obklopená zemědělskou nebo průmyslovou krajinou počet druhů na „ostrově“ je determinován dynamickou rovnováhou mezi procesem imigrace a extinkce s růstem kompetice mezi druhy roste i míra extinkce bod, ve kterém se počet druhů ustálí je dán rovnováhou mezi mírou imigrace a extinkce nutnost zachování biokoridorů (migračních cest)
A) vliv zeměpisné šířky: biodiverzita klesá směrem od rovníku k pólům - stálý rys historického vývoje - kolem rovníku je gradient rozmístěn asymetricky, rychle roste ze severu k rovníku a pomalu klesá od rovníku k jihu - největší diverzita: 1) na souši = tropické deštné pralesy 2) v moři = korálové útesy B) vliv nadmořské výšky: biodiverzita klesá se stoupající nadmořskou výškou C) vliv hloubky: analogie nadmořské výšky - největší diverzita: 1) pelagiál = hloubka 1000 – 1500m 2) bentál = hloubka 2000 – 3000m
Biodiverzita v čase: = druh se v daném prostředí vyskytuje, pokud: lokalita je pro něj dostupná na lokalitě jsou vhodné podmínky a zdroje lokalitu neučiní předem neobyvatelnou konkurenti a predátoři Sukcese = nesezónní, směrovaný a spojitý proces kolonizace a zániku populace jednotlivých druhů v určitém prostředí
Rozdělení sukcese: degradační allogenní autogenní
ad a) degradační = rozklad organické hmoty sukcese na rozložitelném zdroji (procesy ke vzniku humusu, fekálie), zdroj je metabolizován, zmineralizován a rozložen - mikroorganismy a detritovoři ad b) allogenní = změna vlivem vnějším faktorů, nový biotop je osídlován, působení biotických faktorů prostředí dočasná sukcese (zanášení lokality) ad c) autogenní = sukcese probíhající v určitém čase a na určitém místě řízená procesy probíhajícími uvnitř společenstva - nepůsobí zde biotické faktory prostředí
primární sukcese: v prostředí dosud neovlivněném jiným společenstvem (př. ustoupení ledovce, proud lávy, písečné přesypy) sekundární sukcese: v prostředí, kde byla odstraněna vegetace, ale je zachována půda se semeny a sporami (př. les po chorobách stromů, požár, silný vítr, těžba dřeva) vzestupná = progresivní zpětná = regresivní
Mechanismy sukcesí: facilitace = ranně sukcesí druh umožní imigraci nových druhů, tedy připraví podmínky, stanoviště, dostupnost zdrojů význam u primárních sukcesí (nepříznivé počáteční podmínky) inhibice (opak facilitace) = rané sukcesí druhy odolávají invazi nových druhů, tedy zamezují jejich existenci v nově vytvořeném prostředí rané sukcesí druhy mění prostředí v neprospěch pozdně sukcesích druhů tolerance = modifikace prostředí způsobená sukcesně ranými druhy má pouze nepatrný či nulový účinek na nové (pozdně sukcesní) rozšíření druhů
- sukcesí stádia => sukcesí řady => klimax Klimax = vrcholné stádium sukcese, konečný bod sukcesí řady, společenstvo, které dosáhne stabilního stavu, existuje zde nejvíce mezidruhových interakcí, největší diverzita = homeostatický systém Sukcesí série: sukcese ve vodě = hydrosérie sukcese na souši = xerosérie 1) úplná = sukcese až do stádia klimaxu (př. lesní společenstvo) 2) částečná = klimax nevzniká, vliv půdních podmínek (př. suťový les)
Klimaxová společenstva: klimatický klimax: rovnováha v podmínkách podnebí edafický klimax: podle půdních poměrů antropogenní klimax: člověkem udržované společenstvo Guild = skupina druhů, která obsazuje podobnou niku, druhy využívající stejný zdroj, mezi členy guildu silná mezidruhová kompetice
FENOLOGIE (phenology) = studium opakujících se biologických událostí (životní cyklus organismu, vývoj a reprodukce organismu ve vztahu k ročnímu období), periodicita různá cirkadiánní aktivita: organismy izolování v čase i prostoru, zabránění mezidruhové kompetici sezónní výskyt: sezónní periodicita společenstev, vliv biotických faktorů prostředí: mírné pásmo: teplota – roční cyklus tropické pásmo: vlhkost a srážky – střídání období dešťů a sucha vodní prostředí: teplota a salinita
sezónní aspekty pro mírné pásmo: zimní = hiemální – XI. – pol. III. předjarní = prevernální – pol. III. – IV. jarní = vernální – V. – pol. VI. letní = estivální – pol. VI. – pol. VII. pozdněletní = serotinální – pol. VII. – pol. IX. podzimní = autumnální – pol. IX. – X. Druhy: stenochromní x eurychromní
