Úvod do ekologie J. Frouz
Jak to bude probíhat • Konzultace 13‐15 Po nebo po domluvě
[email protected] • Až 20 bodů za aktivitu • Shrnutí za každým blokem ptejte se! • Udělejte si prosím cedulky • Zbytek test a eventuální pohovor • Zváštní pozornost věnujte věcem s vlaječkou
Co je to Ekologie ? ekologie : Oikos = dům, domácnost Logos = věda, vědění stejný základ economie Nomos = zákony, zákonitosti Ecology = Economics of nature Ernest Heinrich Haeckel (1866, 1869): ”The body of knowledge concerning the economy of nature – the investigation of the total relationship of the animal both to its organic environment; including, above all, its friendly and inimical relations with those animals and plants with which it comes directly or indirectly into contact – in a world ecology is the study of those complex interrelations referred to by Darwin as the conditions for struggle for existence. ”
Ekologie je věda, která se zabývá interakcemi živých organismů a jejich prostředí. •
Otevřené samoorganizované termodynamické systémy
•
Jejich funkcí je přeměna hmoty a energie, regulovaně využívají hmotu a energii, k udržování své fyzické struktury, k růstu a rozmnožování.
•
Jsou integrovány v toku hmoty a energie výstup z jednoho kompartmentu je vstupem pro jiný kompartment. Skládají se z částí které jsou hierarchicky organizovány vyměňují hmotu a energii přes polopropustné membrány, pomocí specializovaných proteinů, ve vodném roztoku
•
Ekologie je věda, která se zabývá interakcemi živých organismů a jejich prostředí. • Soubor prvků které nejsou části živých systémů ale jsou s nimi v úzkém kontaktu (vzduch, voda, horniny, půda etc.) • Soubor podmínek biotických a abiotických, kterým je organismus vystaven(teplota, radiace ) Můžeme hovořit o abiotických (neživých a biotických živých (ostatní organismy) složkách prostředí.
Ekologie je věda, která se zabývá interakcemi živých organismů a jejich prostředí. • Proces objevování, zvětšování a prohlubování lidského porozumění a znalosti o tom jak okolní svět funguje. (ne doktrína, náboženství, trademark, etc.) Filozofické tričko, matematické auto, chemická směrnice, fyzikální sklo a jiné (ne) ekologické výrobky
Fungování ostatních živých systémů a prostředí, které je podporuje je klíčové pro existenci lidské společnosti koupíme ekosystémy země, platíme na dřevo, kolik si řeknete Přínos služeb ekosystémů 33 trilionů (33*1012) US$ ročně Světový národní produkt 18 trilionů
Constanza R., et al., 1997. The value of the world's ecosystem services and natural capital Nature 387, 253 ‐ 260
Organismus a prostředí země jako prostředí pro život Přítomnost vody Tepelné rozmezí, které umožňuje existenci vody v kapalném stavu a zároveň fázové přechody vody Existence prvků nutných pro život Přísun energie ve formě slunečního záření Částečné odclonění ionizujícího záření
Ozonová vrstva
Skleníkový efekt • Skleníkové plyny CO2 Metan Vodní pára
Skleníkový efekt ‐ cyklus uhlíku a desková tektonika CO2 je uvolňován vulkanickou činností v důsledku deskové tektoniky a „spotřebováván“ na zvětrávání • Jestliže se vulkanicky uvolní více CO2 stoupne koncentrace CO2 v atmosféře a tím i teplota • Nárůst teploty podpoří zvětrávání a tím odběr CO2 z atmosféry. • Úbytek CO2 vede k ochlazení zpomalí se chemické procesy tedy i zvětrávání ….
Organismy
Organismy • Polopropustné membrány • Metabolismus katalisován specializovanými proteiny • Udržují svou tělní organizaci na úkor energie a zdrojů z okolního prostředí. • Reprodukují se – produkují sobě podobné jedince na základě informace o struktuře proteinů uchované v DNA
Darwinova teorie o vniku druhů 1) jedinci téhož druhu jsou variabilní 2) alespoň část této proměnlivosti je dědičná 3) druhy mají velkou „nadprodukci“ potomstva, za ideálních podmínek by většina druhů rychle osídlila celou zeměkouli nestane se to proto že jen malá část populace je reprodukčně úspěšná 4) Různí jedinci zanechávají různé množství potomstva 5) Počet potomků které jedince zanechá závisí na interakci mezi jeho vlastnostmi a okolním prostředím
Reakce organismů na podmínky prostředí Jedinec
Výnos a přežití jetele odebraného v sousedství jednotlivých druhů travin po přenesení sousedství jednotlivých druhů trav (mateřský druh je tučně) Populace – více různých jedinců – výběr jedinců nejlépe adaptovaných na lokální podmínky Cynosurus Lolium Trifolium repens
Holcus
Agrostis
TURKINGTON, R. & J.L. HARPER. 1979. The growth, distribution and neighbour relationships of Trifolium repens in a permanent pasture. IV. Fine‐scale biotic differentiation. Journal of Ecology 67: 245‐254
Reakce organismů na podmínky prostředí Druhy
Ale adaptace jsou Ovlivněny fylogenetickou historií
Reakce organismů na podmínky prostředí Evoluce vybírá nejlepší z přítomných Podmínky se neustále mění Biotické interakce se mění také (ještě rychleji) Biston betularia
Byl by dnes Tyranosaurus úspěšný? těžko říct
Lees DR, Creed ER. 1975. Industrial melanism in Biston betularia: the role of selective predation. Journal of Animal Ecology 44: 67‐ 83. Clarke CA, Mani GS, Wynne G. 1985. Evolution in reverse: clean air and the peppered moth. Biological Journal of the Linnean Society 26: 189‐ 199.
Reakce organismů na podmínky prostředí
Řešení podobných problémů vede často ale ne vždy k podobným řešením konvergence
Organismy a prostředí ‐ shrnutí • Ekologie je věda o interakcích mezi organizmy (i navzájem) a jejich prostředím • Země poskytuje unikátní prostředí pro život (energie, voda, potřebné prvky, přiměřená teplota, clonění) • Abiotické prostředí země je komplexní a má řadu autoregulačních mechanismů (zpravidla však jsou tyto mechanismy efektivní v geologickém čase) • Organismy se mohou adaptovat na prostředí a na interakce s jinými organismy • Prostředí se mění a i ostatní organismy se zdokonalují a proto „nobody is perfect“
Prostředí a zdroje • Zdroje je vše co organismus využívá • Prostředí je okolí organismu, které ovlivňuje jeho život • Jedna věc např. voda může být zároveň zdrojem i protředím závisí na kontextu
Teplota resistentní adaptace – adaptace na extrémní teploty kapacitní adaptace ‐ adaptace na život mimo tepelné optimum
Polypedilum vanderplancki
Aptenodytes patagonicus
Endotermové (homoiotemní)
40 35
teplota těla oC
30 25 20
Ektotetmové (poikiotermní)
15
ještěři
10
ježura
5
kočka
0 0
10
20 venkonvní teplota oC
30
40
Endotermní živočichové ‐ regulují tělesnou teplotu vytvářením tepla ve vlastním těle enzymatické reakce probíhají nezávisle na vnějších vlivech – možnost vytvářet zásoby kondenzované energie (tuků) a rychle je uvolňovat a tím být aktivní i za méně příznivých podmínek ale za cenu větší energetické náročnosti Ektotermní živočichové ‐ závislý na vnějších zdrojích tepla Ektotermové potřebují méně energie a méně vody díky nižší evapotranspiraci ale doba denní aktivity je limitovaná, nízká aerobní aktivita limituje období vysoké energetické aktivity. naopak entotermové mají širší období aktivity, enzymy pracují blízko optimální teploty ale věší energetické spotřeba. Savec a o stejné velikosti a dietě má asi 17x větší spotřebu energie a vody. Pomalejší metabolistmus také znamená delší dobu života v porovnání se stejně velkými endotermy. (želvy z Galapág 175+let)
Tepelná bilance organismů B = RB +P + KT + S + MT B = T*c (c=tepelná kapacita J/g K) c vody 4.18 kJ/(kg.K) RB‐ radiační bilance = dopadající záření ‐ odraz ‐ vyzařování P – vedení tepla přes okolní tělesa (významná ve vodě a v půdě) K ‐ ztráty tepla proděním konvencí a turbulencí s okolním vzduchem S ‐ skupenské teplo (výpar, kondensace tání tuhnutí 2.25 kJ/g‐
RB S MT K
2 253 kJ/kg) pocení, u rostlin transpirace MT ‐ metabolické teplo
P
Trichechus manatus Ztráty tepla vedením jsou ve vodě velmi významné, například manatee, vyžadují teplotu vody nad 19oC. Proto každoroční migrace z moře do řek na podzim přezimování v pramenech a jarní migrace zpět do moře.
Metabolické teplo ‐ významné při náročné svalové činnosti ‐ u sociálních organismů nebo ektoternů žijících v agregacích může vést k udržování specifického mikroklimatu někdy s malou závislostí na okolním prostředí (mravenci, včely termiti, ale i larvy dvoukřídlých)
Frouz J., 2000 The effect of nest moisture on daily temperature regime in the nest of Formica polyctena wood ants. Insectes Sociaux 47:229‐235
Kdy je lepší být ektoterm a kdy endoterm 2 krychle a=1cm a=10cm a a
Povrch
Objem
1 10
6 600
1 1000
Produkce metabolického tepla závisí spíše na objemu zatímco ztráty spíše na povrchu. Proto pro malé organismy je výhodnější ektotermie Pro velké endotermie
Bergmanovo a Allenovo pravidlo
(Odocoileus virginiaus)
Vulpes lagopus
Směrem k pólům vzrůstá velikost živočichů a zmenšují se jejich tělní výrůstky
Vulpes zerda
Závislost rychlosti vývoje vývoje na teplotě vývoj hmyzu souvisí s růstem ‐ produkcí biomasy
Aklimace – po dlouhodobém pobytu v chladu se respirace zvyšuje. Chladově adaptované organismy mají větší účinnost trávících enzymů
nasycené
S teplotou s mění tekutost membrán, kompenzováno složením masných kyselin
nenasycené
Phytoseiulus persimilis Tetranychus urticae
Teplota může ovlivnit interakce mezi druhy Force D.C. 1967. Effect of temperature on biological control of two‐spotted spider mites by Phytoseiulus persimilis. J. Econ. Entomol. 60: 1308–1311. Skirvin J. D, Felton D.S. 2004. The effect of temperature on the functional response of Phytoseiulus persimilis (Acari: Phytoseiidae) J.Experimental and Applied Acarology. 31: 37‐49
Teplotní bilance závisí na konkrétním prostředí, ve kterém se živočich nachází, organismus tedy může částečně ovlivňovat teplotu volbou prostředí, přitom je třeba vzít v potaz že variabilita v jednotlivých prostředích může být značná a to i v situacích které se jeví z našeho pohledu homogenní.
Dlusskij G.M.1981 Muravji pustin i polupustin.. Nauka Moskow
Ztráty tepla ovlivňuje poloha těla
Přežívání extrémních teplot Zmrznutí – porušení membrán Přehřátí – denaturace bílkovin Přežít lze Tvorbou specialosovaných stádií (semena) nebo cryptobiosou Mrznutí – cryoprotektivní látky (glykogen, manitol) Behaviorálně – migrace úkryty Letální teploty často omezují výskyt druhů Teplo navíc ovlivňuje ostatní faktory třeba dostupnost potravy hybernace migrace u endotermů
Operophtera brumata ‐30oC
Teplo a teplota shrnutí Letální podmínky mohou omezovat výskyt, pak stačí ojedinělý výskyt, důležitá je tedy minimální (maximální teplota) Teplota není všude stejná často v jedné oblasti různě teple lokality a i na jednom místě lze najít různě teplá mikrostanoviště. Častěji omezují výskyt druhů suboptimální teploty které ovlivňují rychlost růstu, vývoje etc. Vliv suboptimálních teplot často ovlivněn biotickými interakcemi, roste pomaleji než ten druhý. Teplota působí i nepřímo omezením zdrojů Živočichové endotermní větší nezávislost na teplotě větší náročnost na energii opak platí pro ektotermy
