Molekulární ekologie Pavel Munclinger

Příloha 2: Některé nové učební plány. Strana 1 (celkem 5)

Molekulární ekologie Pavel Munclinger Molekulární ekologie je nedávno vzniklý obor, který se snaží řešit ekologické problémy molekulárními metodami. Přestože má takto vymezená disciplína zdánlivě nejasné hranice, tvoří řešená problematika překvapivě kompaktní celek. I přes svůj nedávný vznik prochází tato disciplína bouřlivým vývojem. Množství vědeckých článků věnujících se molekulární ekologii roste geometrickou řadou a koncem loňského roku vyšla dokonce první učebnice. Přednáška by měla seznámit studenty se základy této nauky. Stručný přehled obsahu v heslech 1. Co je a co není molekulární ekologie? Vymezení oboru, překryv s jinými obory, stručná historie 2. Hlavní používané terénní a laboratorní metody Sběr a uchování vzorků, metody zjišťování genetického polymorfismu u volně žijících živočichů (sekvence, mikrosatelity, alozymy, AFLP a další) 3. Evoluce mikrosatelitů, výhody sekvenačních dat a mikrosatelitů oproti dřívějším metodám Proč je tak moc alel? Mutační rychlost, typy mutací, opravné mechanismy, teoretické mutační modely 4. Identifikace kryptických druhů, hybridů a pohlaví pomocí molekulárních metod Fixovaný polymorfismus, CHD geny u ptáků, chromosom Y u savců 5. Určení otce, matky nebo obou dvou. Minimální počet rodičů vrhu nebo snůšky Klasický fingerprinting, mikrosatelity, spolehlivost analýzy, jednoduché vyloučení, categorical x fractional likelihood, přehled dostupných programů 6. Populační genetika: studium populační struktury, genetické diversity a inbreedingu Důsledky Hardy-Weinbergova pravidla, změny alelických frekvencí (mutace, migrace, selekce, velikost populace, genetický drift), Wahlundův princip, F-statistika, fixační indexy, AMOVA, koalescenční přístup, příklady s využitím dostupných programů 7. Fylogeografie: genetická historie rozšíření druhu Výhody mitochondriální DNA, refugia a kolonizační cesty 8. Hybridní zóny, využití molekulárních znaků ke studiu fitness u volně žijících živočichů Konstrukce kliny, selekce proti hybridům, rozdíly v chování různých částí genomu 9. Geny a chování - příklady funkčních genů a jejich význam v ekologii Imunogenetika (imunokompetence, variabilita a analýza MHC systému), geny a komunikace (MHC - výběr partnera, MUPs, ABP) 10. Ochranářská genetika Odhady Ne, bottleneck, fragmentace populací 11. Genetická historie člověka Africký versus multiregionální model, Gene Trees, genetická diversita v Africe, DNA neandrtálců, genetické vzdálenosti mezi populacemi Literatura (hlavní zdroje, ze kterých přednáška vychází) Berne, 2004: An itroduction to molecular ecology. Hartl & Clark, 1997: Principles of population genetics, third edition. Hartl, 1999: A primer on population genetics. Balding, Bishop & Cannings (eds.), 2003: Handbook of statistical genetics, second edition. Arnold, 1997: Natural hybridization and evolution. Avise, 2003: Phylogeography: the history and formation of species. Časopis Molecular Ecology V Praze 1.3.2004

Pavel Munclinger

Příloha 2: Některé nové učební plány. Strana 2 (celkem 5)

Environmentální ekologie živočichů J. Frouz Reakce organismu na gradientu podmínek prostředí, kapacitní a resistenční adaptace Energetická bilance organismu a kapacitní adaptace Vliv velikosti na energetickou bilanci energetická bilance ekto a endotermů maintenance cost a energie investovaná do reprodukce, energetická účinnost reprodukce, složky maintenece cost, surface volume ratio a cena udržování stálé teploty a její přínos, energetické cena různých modelů chování Tepelná bilance organismů resistentní a kapacitní adaptace k tepelným extrémům, tepelná bilance ektotermů a vliv teploty na ně bilance aktivního povrchu, přenos tepla, ztrátz tepla produkce tepla možnosti regulace atd. vliv ostatních environmentálních faktorů na energetickou bilanci (vlhkosti, proudění izolační vlastnosti prostředí, latentní teplo etc.) Tepelná bilance organismů pokračování tepelná bilance endotermů, výhody a cenu udržování stálé tělesné teploty, produkce a ztráty tepla, změny tělesné teploty Záření kontinuum záření podle vlnové délky, jeho význam pro organismy interakce s tepelnou bilancí, bilance záření a skleníkový efekt, ostatní vlivy, informační význam záření Bilance vody – výměna iontů, voda v přírodě, formy změny skupenství, vzdušná vlhkost pohyb vody v ekosystému volná a vázaná voda, obsah iontů ve vodě – sladká a slaná voda půdní roztok. Bilance vody – výměna iontů pokračování příjem a výdej vody vliv velikosti a teploty na ztráty vody, příčiny dehydratace, mechanismy ochrany před ztrátou vody, osmotické důsledky, cryptobiosa. Dýchání - rozpustnost plynů pohyb plynů v různých prostředích a vliv těchto faktorů na dýchání organismů, život v atmosféře ze sníženým obsahem nebo bez O2 Esenciální látky jejich definice a bilance přehled esenciálních látek, směna (konverze) různých platidel Vliv organizmů na prostředí - vnitřní prostření organismu, ekosystém pro jiné, parasiti a symbionti, Vliv organizmů na prostředí změny vnějšího prostředí – práce organismů, význam organismů v celkovém koloběhu hmoty a energie, přímé a nepřímé vlivy. Interakce organismů zprostředkované vlivem organismů na prostředí, ekosystémoví inženýři a příklady Metodické postupy měření vybraných fyzikálních parametrů prostředí – kalorimetrické měření energetického obsahu potravy a výkalů, kalorimetrické měření výdeje tepla, nepřímá kalorimetrie, měření fyzikálních veličin, teploty, proudění a vlhkosti vzduch v různých mikrostanovištích, měření a bilance záření, měření ztrát vody etc. Doporučená a doplňková literatura: Gates D. 1980. Biophysical ecology. Springer Verlag. New York Libovolná učebnice meteorologie obsahující úvod do mikroklimatologie např. Kešner B. 1986. Agrometeorologie, skripta VŠZ, Praha Suchdol (skripta zemědělské university) Pianaka 1978. Evolutionary ekology. Harper and Row New York Prosser C.L. 1973. Comparative animal physiology B.W. Sauders Co. Toronto.

Příloha 2: Některé nové učební plány. Strana 3 (celkem 5)

Výuka matematiky Arnošt A. Šizling základní kurz „gramatika“ a „syntax“ „vzorců“ s důrazem na to že jde o větu, která se dá přečíst, interpretovat a zařadit do psaného textu; správný zápis zlomků, rovnítek a závorek ekvivalentní úpravy při řešení rnic a nrnic; krácení, rozšiřování zlomků, vytýkání před závorky; jednotková invariance numerické problémy při násobení a dělení; kdy je lépe nejdřív násobit a poté dělit; proč jsou některé jinak ekvivalentní postupy při praktických výpočtech neekvivalentní; stabilita výpočtu definice a základní vlastnosti logaritmických, mocninných a exponenciálních funkcí; základní operace s logaritmy a mocninami; Eulerovo číslo, přirozený logaritmus jejich význačnost a převod na logaritmus o jiném základu; graf logaritmu a mocniny definice a základní vlastnosti polynomů; průběh, počet řešení a odhad nejvyššího a nejnižšího kořene grafy v normálním, semilogaritmickém a logaritmickém prostoru; změny křivek při přechodech mezi těmito prostory; (rozuměj důsledky a interpretace logaritmických a mocninných transformací os grafů) operace s vektory; lineárně nezávislé a závislé vektory; souřadná soustava (repér); pravotočivý a levotočivý systém; řešení soustavy lineárních rovnic; geometrická interpretace; maticový zápis matice jako prvek tělesa (není nutné zavádět těleso, stačí udělat analogií s reálnými čísly, jde o to zvyknout si na to, že s maticí lze zacházet jako s číslem); operace s maticemi; jednotkový a neutrální prvek; hodnost matice; determinant a charakteristické číslo a vektor matice (eigenvalue/vector) jejich interpretace Frobeniova věta; numerické problémy při řešení soustav lineárních rovnic; funkce a řada, spojitost a nespojitost funkce, geometrická interpretace věty o ?nabývání mezihodnot?, klasifikace fcí (rostoucí, nerostoucí, monotónní, ryze monotónní, konvexní, konkávní (odkaz na polygony), konvergence, divergence atd.), hromadný bod, a limita v nevlastním bodě; (vše jen graficky) pojem infinitezimálně malé; graficky pojem limity ve vlastním bodě; graficky pojem derivace; její geometrická, fyzikální a jiné interpretace (pojem změna s .., rychlost); (teď přichází matematická hereze, vím o tom) zápis derivace jako podíl diferenciálů; možnost osamostatnění diferenciálu pravidla pro derivování polynomů, logaritmů, exponenciálních funkcí sestavování diferenčních rovnic; numerické řešení diferenčních rovnic; jednoduché praktické použití nějakého kriteria konvergence a divergence řad (asi jen podílové, má snadnou interpretaci); počáteční podmínky a okrajové podmínky; implicitní a explicitní proměnná; prostor řešení; stabilita řešení vzhledem k počátečním podmínkám; nestabilita výpočtu vlivem zaokrouhlování; numerické dořešení rovnice k nějakému zvolenému obzoru a odhad chyby tohoto řešení způsobené nestabilitou; velký důraz na vizualizaci a interpretace všech pojmů a schopnost přečtení formálních zápisů sestavování diferenciálních rovnic; řešení Eulerovou metodou; rozdíl v numerických řešeních při různě velkém diferenciálu; problém existence řešení; odkaz na sofistikovanější metody např. Runge-Kutta shrnout zásadní výpočetní a interpretační rozdíly mezi diferenčními a diferenciálními rovnicemi; vznik chaosu (chaos u diferenční rovnice a chaos vzniklý nesprávným numerickým řešením diferenciální rovnice); vše ručními výpočty, na počítači a graficky graficky pojem stabilita, nestabilita a asymptotická stabilita řešení dif. rnic s odkazem na odchylky mezi v matematice a biologii zavedenou terminologií; globální a lokální stabilita; jiné definice stability vhodnější pro

Příloha 2: Některé nové učební plány. Strana 4 (celkem 5) biologii (k diskusi) jde o vhodný termín k cviku umění vidět meze použitelnosti, a oblast užitečnosti formálního způsobu uvažování Celkově: naučit vidět souvislost formálního zápisu s grafem, vypěstovat návyk vše si při čtení kreslit a počítat s pokud možno s konkrétníma hodnotami (to jsou návyky, které biologové nemají a zabraňují jim rozumět matematickým textům)

pokročilejší kurz integrály; souvislost s derivacemi a geometrická interpretace; hustota veličiny a množství veličiny na omezené ploše; numerický výpočet sestavování integrálních rovnic; rozdíl v zápisech a interpretacích řad a integrálů získání praktických dovedností v: • řešení soustav rovnic a základních výpočtů • derivování různých funkcí • rozkladu funkce na řadu • integrování • řešení diferenciálních rovnic a hledání prostorů jejich řešení funkce více proměnných, parciální derivace a totální diferenciál; s důrazem na vizualizaci a interpretaci

specielní kurz 0 – smysl modelování (metodologičtěji zaměřený kurz, přikládám ukázku textu, jak by to tak mohlo vypadat)

specielní kurz 1 – numerické metody specielní kurz 2 – analytické vyšetřování stability (věta o linearizaci, Ljapunovovy věty) specielní kurz 3 – sensitivity analysis specielní kurz 4 – teorie her specielní kurz 5 – fraktály specielní kurzy by měly být krátké, nikoli semestrální (spíš týdenní, či víkendové) a měly by představovat intenzivní cílenou výuku pro lidi s hlubším zájmem; jde jen o návrh co by tak mohlo být obsahem těchto kurzů

Příloha 2: Některé nové učební plány. Strana 5 (celkem 5)

Terénní metody odhadu početnosti organismů Frouz J. Frouzová J. Cílem přednášky je seznámit posluchače s základními principy terénního odhadu početnosti, sesilních i mobilních organismů a dále na příkladu dvou skupin organismů – bezobratlí žijící v půdě či sedimentech a ryb demonstrovat aplikaci těchto obecných principů včetně metodických, logistických a jiných úskalí daných technik. 1) absolutní a relativní metody odhadu početnosti, příklady, absolutní metody odhadu početnosti, úplný výčet nebo odhad na základě přítomnosti vzorku populace ve vzorku stanoviště, capture re-capture, catch effort method, change in ratio method, dílčí vzorky dané plochy nebo podél lineárního transektu (area sampling or line transect), metody založené na vzdálenosti mezi organismy. Volba vhodné metody podle druhu organismu a účelu studie. 2) Analýza zdrojů chyb pro jednotlivé kroky sledování, velikost tvar a umístění vzorkovací plochy, účinnost použité metody odchytu, sběru pozorování, účinnost post processingu. 3) metody založené na studiu dílčí plochy (samples, quadrate counts, line transect). Princip metody velikost a tvar vzorkovací plochy, distribuce organismů v prostoru a postup vzorkování (sampling desing), pravidelné, náhodné a shlukovité rozmístění a odpovídající statistická distribuce 4) metody založené na studiu dílčí plochy, pravidelný, náhodný a stratifikovaný sampling, náhodný a pseudonáhodný výběr, příklady důsledky, modifikace pro různé velikostní škály spolehlivost odhadu, vliv vzorkovacího schématu na spolehlivost odhadu jednotlivých parametrů, variabilita v čase a prostotu. Geostatistika. 5) Metody založené na vzdálenosti objektů, princip metod, vzdálenost mezi organismy vzdálenost k nejbližšímu organismu. Modifikace těchto technik pro velké plochy „sparse sampling“ 6) Capture re-capture and catch per effort methods change in ratio method. Princip a limitace metod. Metody stanovení relativní početnosti, výhody a limitace. 7) Příklady – bezobratlí v půdě a sedimentu, absolutní metody odhadu početnosti, stanovení velikosti a počtu vzorků case studies, metody odběru vzorků, směsné vzorky, různé metody vybírání nebo separace (tepelná extrakce, flotace aj.), extrakce bezobratlých, metody založené na vypuzení bezobratlých z půdy (chemicky elektrickým proudem atp.). 8) Příklady – bezobratlí v půdě a sedimentu. Metody stanovení početnosti bezobratlých na povrchu půdy, padací pasti pitfall traps, capture re-capture, výletové pasti a další druhy pastí. Limitace, abundace + aktivita. 9) Příklady – ryby. Přehled metod odhadu početnosti (přímé metody; značkovací metody – (mark recapture methods) ; úlovek na jednotku úsilí (CPUE) a další). 10) Příklady – ryby. Přehled odlovných prostředků. Síťové odlovy – typy sítí, účinnost, selektivita. Odlovy elektrickým proudem. 11) Příklady – ryby. Akustické metody - odhady početnosti echolotem. Možnosti a limitace. Ukázka zpracování echolotových dat.