EKOLOGICKÉ PRINCIPY A ZÁKONITOSTI Alena Ševců Centrum pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace,
[email protected], tel. 485 353 786
Obsah: Ekologie jako věda. Základní ekologické pojmy a principy.
Sloţky ţivotního prostředí, cykly základních prvků a sloučenin v biosféře.
Ekologie jako věda Ekologie - oikos+logos, 1866 Ernst Haeckel
Zdroj: wikipedia
Ekologie jako věda Obor o interakcích mezi organizmy navzájem a jejich ţivotním prostředím (minulým, přítomným a budoucím). • toky energie a látek v ekosystémech • ovlivnění organismů prostředím a prostředí organismy
• uspořádání společenstev • struktura a dynamika populací • mezidruhové interakce
• Některé populace mohou mít zásadní vliv na svoje prostředí • Ţijeme nyní, ale vše je důsledkem vývoje, ekologie zahrnuje minulost, přítomnost i budoucnost prostředí • Environmentální vědy ≠ ekologie • Poznatky získané studiem ekologie se mohou pouţít v environmentálních vědách (studium působení člověka na ţivotní prostředí a naopak, vyuţití přírodních zdrojů)
Postup při výzkumu nějakého jevu
1. Pozorování, popis hypotéza 2. Experimenty, testování hypotéz 3. Modely (funkce prediktivní a explikativní) Vědy uţívané při studiu ekologie: fyzika, chemie, molekulární a buněčná biologie, fyziologie, evoluční biologie, taxonomie, pedologie, geologie, paleontologie,…
APLIKOVANÁ EKOLOGIE -
Uţ lovci a sběrači museli znát ekologii vyuţívaných druhů rostlin a ţivočichů.
-
Dnes je aplikací mnoho, velmi často v ochraně přírody, ale i jinde (biotechnologie, vodní hospodářství,..).
-
Je důleţité si uvědomit, ţe jednotlivé „ekologické“ zájmy mohou jít proti sobě: zabráním-li periodickým poţárům v savaně, zachráním některé jedince, ale jiným zabráním v přirozené obnově, naruší se dynamika ekosystému, nevyhnutelný poţár potom bude zničující.
Důleţitost opakovaného měření Počet slunečných dnů v roce
80 70 60 50 40 30
20 10 0 1998
2000
2002
2004
2006
2008
2010
Základní ekologické pojmy a principy jedinec – populace – společenstvo biotop (habitat) ekosystém
biom biosféra
biotop (habitat)
ekosystém Ohraničený (víceméně) ekologický systém, který se skládá z organizmů ţijících v určitém prostoru a čase, a z prostředí, s kterým se vzájemně ovlivňují Probíhají zde: Biotické a abiotické procesy Sociální procesy Toky prvků a sloučenin
ekosystém biotické sloţky Primární producenti, Herbivoři, karnivoři, Omnivoři, detritofágové,…
abiotické sloţky Teplota, sráţky, Sluneční záření, Voda, chemické prvky a sloučeniny,..
Jednoduchý model ekosystému
ekosystém
Foley et al. 2005
Biomy světa
Česká arkto-alpínská tundra
Biosféra
tenká vrstva kolem Země, kde organizmy interagují s: Atmosférou Hydrosférou Litosférou Kryosférou
biosféra
anorg. prvky a sloučeniny jsou přijímány autotrofy a přeměňovány na komplexní organické molekuly
Christensen, 1991
komplexní organické molekuly jsou přeměňovány v potravních řetězcích a částečně uvolňovány zpět jako prvky a anorganické sloučeniny
Biodiverzita (biologická rozmanitost) Nejen počet, ale také relativní zastoupení druhů (genů) v určitém prostoru. Ukazatel zdravého ekosystému (různorodost prostředí), diverzita dělá diverzitu Biodiverzitu sniţují negativní zásahy člověka, invazní druhy, přírodní katastrofy
2010 - rok biologické rozmanitosti (OSN) Kampaň v EU: „Biologická rozmanitost – záleţitost nás všech“ Uvědomění si i ekonomických dopadů při ztrátě biodiverzity. Jakým způsobem můţe kaţdý z nás přispět k obnově a zachování biodiverzity?
www.weareallinthistogether.eu
Biodiversity hotspots
Myers, N., et al. (2000) "Biodiversity hotspots for conservation priorities." Nature 403:853–858.
Ekologická stabilita Schopnost ekologického systému přetrvávat i za působení rušivého vlivu a reprodukovat své základní charakteristiky Rezistence – schopnost společenstva odolávat narušení Resilience – rychlost s jakou se společenstvo po narušení vrátí do původního stavu (nízkou pruţnost má tundra, vysokou eutrofní rybník) Obecně ekologická stabilita klesá se zvyšující se sloţitostí společenstev (ale neplatí to jednoznačně, dříve se naopak věřilo v pravý opak)
Toky energie, prvků a sloučenin (biogeochemické cykly) Tok energie a koloběhy látek jsou vzájemně propojené Prostředí ovlivňuje organizmy a naopak organizmy ovlivňují prostředí, ve kterém ţijí
Základní termíny Prvky v přírodě - definovaný prostor a mnoţství
Výměna prvků mezi zásobníky
Zásobník (pool) Tok (flux)
Zásoba prvků v zásobníku
Doba zdrţení
Velikost zásobníků a rychlost toků
Cyklus ţivin
(residence time)
Prostorové měřítko Globální cykly
- ekosystémy mají různou velikost, z toho vyplývá různá úroveň studia a různé metody studia
Lokální cykly (ekosystémy a jejich části)
Prostorové měřítko globální
Jak zvyšování CO2 v atmosféře ovlivňuje fotosyntézu v mořských ekosystémech?
povodí
Jak skladba stromů v povodí ovlivní kvalitu vody?
lesní ekosystém půdní ekosystém
Jak kyselé sráţky změní produktivitu lesa?
Jak mnoţství bezobratlých ovlivní kvalitu půdy?
Časové měřítko Krátkodobé cykly otáčení Země kolem své osy (den a noc) otáčení Země kolem Slunce (sezónnost)
Dlouhodobé cykly odchylky v oběţné dráze Země kolem Slunce - změny v radiaci – doby ledové interakce CO2 a litosféry
Časové měřítko Krátkodobé (vteřiny, hodiny): sluneční záření a fotosyntéza, sráţky a vlhkost půdy,…
Sezónní: opadavý les, primární produkce v jezeře,.. Sukcesní: několik měsíců po poţáru, několik let po opuštění lomu
Migrační/invazní (roky aţ tisíciletí): spásání porostu, invaze organizmu
Evoluční e geologická historie (tisíciletí): vývoj řas a sinic, produkce kyslíku, koloběhy prvků, střídání ledových dob s meziledovými,…
Prostorové měřítko
metry
103
10-3
10-9
Časové měřítko dny
měsíce
roky
Tok energie v ekosystému Všechny organizmy potřebují prvky a sloučeniny pro svou stavbu a energii pro svou aktivitu Biomasa – hmota organizmů na jednotku prostředí (např. t ha-1, g l-1) Biomasa rostlin je téměř vţdy větší neţ ostatních organizmů, protoţe rostliny dokáţí fixovat C při fotosyntéze (jsou to primární producenti)
Tok energie v ekosystému Primární produkce je rychlost, se kterou se biomasa vytváří (např. J m-2 den-1, mg l-1 den-1 nebo g C m-2 rok-1) Hrubá primární produkce je celková fixace energie pomocí fotosyntézy
Čistá primární produkce je rozdíl hrubé primární produkce a respirace
Čistá primární produkce
Zdroj: NASA
Tok energie v ekosystému
Globální cyklus vody – tradiční pohled
whoi.edu
Globální cyklus vody – oceánografický pohled
whoi.edu
Distribuce vody na Zemi Sladká voda 3 %
Ostatní 0,9 % Podpovrchová 30,1 %
Slaná voda 97 %
Ledovce, permanent ní sníh 68,7 %
Povrchové vody 0,3 %
Mokřady 11 %
Jezera 87 %
Zdroj USGS
Předantropogenní cyklus uhlíku Krátký cyklus (fotosyntéza a respirace
Rozkladné procesy
ropa, plyn, uhlí – podzení zásoby Zdroj: ucar.edu
zvětrávání vápenců a fosilní organické hmoty
Dlouhý cyklus: Organizmy využívají C z oceánu / atmosféry pro svůj metabolizmus a schránky
Globální cyklus uhlíku – hlavní toky a zásobníky
Skinner and Porter 1987
Globální cyklus dusíku – hlavní toky a zásobníky
Zdroj ECN Nizozemí
Globální cyklus fosforu – hlavní toky a zásobníky Před vlivem člověka (Tg P nebo Tg P/ rok) apatit
Vliv člověka
Zdroj: Filippelli
