Tropické ekosystémy a ekologické koncepty

Rozvoj a inovace výuky ekologických oborů formou komplementárního propojení studijních programů Univerzity Palackého a Ostravské univerzity CZ.1.07/2.2.00/28.0149

Investice do rozvoje vzdělávání

„EKOLOS“

Tropické ekosystémy a ekologické koncepty Petr Kočárek Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.


Obsah  abiotické a klimatické podmínky v tropech  úvod do biogeografie, tektonická historie a evoluce tropického deštného lesa  potravní strategie a adaptace živočichů  ekologické faktory a jejich působení na živočichy  adaptace tropických živočichů  vnitrodruhová komunikace - bioakustika

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Tropické ekosystémy • oblast vymezená obratníky Raka a Kozoroha • charakterizovaná specifickými podmínkami prostředí (teplota, srážky, typ půdy)


Biotopy: pouště, savany, opadavé tropické lesy, tropické deštné lesy, mangrove



Tropické ekosystémy



Sluneční energie

A – distribuce solární energie absorbované zemským povrchem B – vyzařování (radiace) ze zemského povrchu Stabilita je zajišťována redistribucí energie atmosférou a oceány



Atmosféra a klima • hustší studený vzduch se posouvá k rovníku a vytlačuje řidší teplejší vzduch nahoru • vzdušné masy ze S a J a setkávají se v intertropické konvergentní zóně (pasáty → Z) • teplý vlhký vzduch stoupá a ochlazuje se. Chladnější vzduch méně zadržuje vlhkost → voda kondenzuje → vysoké úrovně srážek v tropech • vzdušné masy ztrácejí v tropech vlhkost → při návratu zpět k zemi vyvolávají sucho → oblasti pouští


Oceány a klima


• termohalinní cirkulace – globální pohyby mořské vody • redistribuce energie • teplejší voda v tropech je méně slaná (hustá) → při pohybu do chladnějších vod ztrácí energii, houstne a klesá ke dnu



Tektonická historie


Tektonická historie


• • • •

Devon (380 mil let b.p.) – Gondwana, Laurasia, Siberia Perm (260 mil let b.p.) – splynutí do Pangaey, Asie fragmentovaná Trias (200 mil let b.p.) – oddělení Laurasie a Gondwany Křída (90 mil let b.p.) – rozštěpení na kontinenty. Zůstává propojení mezi Antarktidou, Austrálií a Jižní Amerikou • Eocén (40 mil let b.p.) – Indie naráží do Asie za vzniku Himálají, Afrika naráží na Asii (Arabský poloostrov). Kontinenty mají současný vzhled. Klimatické souvislosti: • Gondwana – mořská voda bezbariérový přístup k polárním oblastem → póly teplejší, bez ledové pokrývky • Perm (330 mil let b.p.) – Gondwana se dostává do obl. Jižního pólu → omezení přístupu teplé vody → zalednění • Evropa a S Amerika poblíž rovníku → tropické klima


Geologické souvislosti šíření organismů • dočasné a opakované propojení kontinentů • dočasné pevninské mosty • raná izolace některých oblastí Pevninské mosty:


Střední Amerika; Sibiř - Aljaška

1 S America 2 Africa 3 India 4 Antartica 5 Australia. 6 Remains of Cynognathus, a land reptile. 7 Remains of fresh water reptile Mesosaurus. 8 Remains of the fern Glossopteris. 9 Remains of a land reptile Lystrosaurus. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.


Tektonické souvislosti rozšíření organismů



rozšíření palem

rozšíření drápkovců (Onychophora) Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.


Evoluční centra a šíření na příkladu Dermaptera



Evoluce tropických deštných lesů • velká floristická podobnost na úrovni čeledí • společný původ + velké disperzní schopnosti rostlin • v době nevětší diverzifikace vyšších rostlin (křída, 140 mil. let b.p.) ± superkontinent Gondwana • Afrika aj. Amerika propojené pevninským mostem → podobnosti na úrovni čeledí, avšak diverzifikované podčeledi → neotropická oblast • Třetihory– tropické dešťné lesy tvoří kontinuální pás od Afriky, přes J Evropu do JV Asie → paleotropická oblast; ca 30 mil. let b.p. izolace • Austrálie a Nová Guinea – raná separace od Gondwany počátkem druhohor, ale tropické prostředí vzniká až v třetihorách → odlišná flóra od zbytku tropů → australská oblast

Siphonia globulifera Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.


Podobné niky – podobné adaptace



Doby ledové a jejich vlivy




poslední glaciální maximum (16-20 mil. let b.p.)









Středoamerický pevninský most

x Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.


Potravní sítě



Potravní specializace

Bird guilds and ecological specialization (light bars for the tropics, dark bars for the temperate zone)



Frugivorie


Frugivorie Neotropis

Paleotropis Bucerotidae (zoborožci)

Rhamphastidae (tukani)


x Phyllostomidae (listonosovití)

Pteropodidae (kaloňovití)


Frugivorie


Paradiseaidae (rajkovití) (Nova Guinea)

Pipridae (pipulovití) (J. Amerika)

x • konvergentní vývoj – podobné složité prekopulační chování, stavba složitých hnízd • obě skupiny frugivorní • obě oblasti permanentní přebytek plodů → čas na složité námluvy • SE Asie – plody nepravidelně, sezonalita


Nektarivorie


• opylovací systémy • lokálně významná role obratlovců: ptáci a letouni • velké nároky na množství nektaru

Phyllostomidae Pteropodidae Trochilidae (listonosovití) (kaloňovití) (kolibříkovití)

Psittacidae Meliphagidae Zosteropidae Nectariniidae (papouškovití) (kystráčkovití) (kruhoočkovití) (strdimilovití)


Nektarivorie


• Neotropis – úzká specializace obratlovčích opylovačů • Paleotropis – nízká míra specializovanosti



Struktura opylovačů v tropickém deštném lese


Mravenci


• zásadní role v predaci, kompetice s nekrofágy • vztahy s rostlinami, koevoluce s houbami • velká diverzita a početnost, agresivita, schopnost usmrtit velkou kořist



Početnost mravenců

tropický deštný les (Borneo)

temperátní les




Mravenci a ptáci


• Neotropis – 28 druhů čel. Formicariidae a Thamnophilidae vázaných na mravence • mravenci loví v hejnech, ptáci loví vyplašenou kořist (až 30% kořisti)


Saprofágie • velká diverzita a početnost saprofágů (bezobratlí) • kroužkovci, mnohonožky, hmyz: termiti, švábi …


• termiti – dominantní saprofágové: 2650 dr., až 4 tis. ind./m2; 2000 kg/ha


Dekompozice


• rychlá dekompozice v tropech • závislost na vlhkosti a teplotě


Plachtící živočichové


• zejména JV Asie (60 druhů plachtících obratlovců), Afrika 6, Amerika - několik druhů rosniček • žáby, gekoni, ještěři, hadi, poletuchy, letuchy • únik predátorům, pohyb v korunách

bojga Chrysopelea sp.

letucha malajská (Cynocephalus variegatus)

létavka černoblanná (Rhacophorus nigropalmatus)

dráček Draco volans

poletucha velká (Petaurista petaurista)



Plachtící živočichové – proč JV Asie? • 1. hypotéza vysokých stromů: pralesy JV Asie vyšší než kdekoliv jinde (Dipterocarpaceae) + průměrně nižší rychlost větru • 2. hypotéza přerušovaného lesa: korunové patro má málo lián → koruny nejsou propojené, jako v Africe a Americe • 3. teorie potravní pouště: v korunovém patře dominují Dipterocarpaceae (ca 95%), které jsou téměř nepoživatelné (toxiny) → nutnost zvýšeného pohybu a vyhledávání zdrojů (herbivoři) → nepravidelná období květu (2-7 leté cykly) → nepravidelná distribuce hmyzu (predátoři)


Adaptační schopnosti živočichů • přírodní výběr => specializace organismů na určité podmínky • strategie organismů:


úzká specializace (specialisté)

nespecializovanost (generalisté)

• v různých podmínkách je výhodná jiná strategie; stabilní podmínky vedou k postupnému poklesu adaptačních schopností Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Ekologické faktory a jejich působení ekologické faktory


abiotické (neživotné) faktory fyz. a chem. činitelé ne fyzickogeografické faktory (nadmořská výška, zeměpisná šířka) – působí pouze prostřednictvím vlastních fyzikálních faktorů

interspecifické - potravní vztahy (predátor x kořist, parazitismus) - tvoří základ potravních řetězců

biotické (životné) faktory působení jiných organismů

intraspecifické - vlivy působené příslušníky téhož druhu - sexuální, asexuální


Ekologické faktory – dělení podle periodicity působení • působení ekologických faktorů se mění v prostoru a čase • některé působí nárazově, jiné kolísají v průběhu dne, roku


1. Primárně periodické faktory vyvolány planetárními pohyby, biorytmy stálé a dědičné vymezují klimatické zóny patří sem: světlo limitují areály organismů teplota slapové jevy


Ekologické faktory – dělení podle periodicity působení


2. Sekundárně periodické faktory v různém stupni závislé na předešlých např. vlhkost vzduchu; biotické faktory – např. vegetační cykly rostlin, sezónní změny vztahů predátor x kořist sekund. periodické faktory ovlivňují hustoty populací, působí uvnitř areálů, ale neovlivňují jejich hranice a velikost


Vegetační cykly


• cykly v kvetení a produkci semen – dipterokarpový les • klíčový faktor – pokles teploty o více než 2st. déle než 3 dny po dlouhotrvajících deštích


Ekologické faktory – dělení podle periodicity působení 3. Neperiodické faktory působí náhle, neočekávaně organismy nejsou vůči jejich působení adaptovány


patří sem: klimatické extrémy (vichřice, povodně, požáry atd.) biotické faktory (např. epidemie)


El Nino


• klimatický jev v Pacifiku (ENSO - "El Nino/Southern Oscillation") • perioda 3-7 let, trvání 1-2 roky • výskyt abnormálně teplé vody podél rovníku a odklonění srážek z Indonésie do V Pacifiku – důsledek oslabení pasátů



El Nino – klimatické důsledky

• rozsáhlé ovlivnění klimatu na řadě míst planety • Indonésie 1982/83, 1997/98 – extrémní sucha, požáry Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Abiotické podmínky v tropickém deštném lese 1. Teplota


• celoročně vysoká teplota → adaptace související s termoregulací • větší variabilita během dne, než během sezóny • nízká adaptabilita tropických živočichů ke změně teploty • humidní vs. aridní klima


Abiotické podmínky v tropickém deštném lese 2. Vlhkost


• extrémně vysoká vzdušná vlhkost • výkyvy během dne a noci, v monzunových oblastech sezonalita • nízká adaptabilita tropických živočichů ke změně vlhkosti • ztěžuje termoregulaci prostřednictvím evaporace



Globální distribuce srážek



Změny sezonality se zeměpisnou šířkou


Abiotické podmínky v tropickém deštném lese 3. Světlo


• absence fotoperiodicity v průběhu roku • celoroční rovnodennost, minimální sezónní změny • synchronizace anuálních biorytmů na jiné bázi • kompetice o světlo


Teplota a vlhkost Cesty výměny tepla: • •

•


•

kondukce – vedení přímým kontaktem s pevným materiálem (podkladem) konvekce – proudění pohyblivých molekul prostředí (voda, vzduch) radiace – sálání nebo vyzařování elektromagnetické energie evaporace – vypařování, teplota se odvádí skupenskou změnou (potu, slin)



Podíl cest výměny tepla se mění s teplotou okolí


Adaptace endotermů na vysokou teplotu prostředí


• teplota působí v kombinaci s vlhkostí • nutno rozlišovat „suché teplo“ a „vlhké teplo“ • tropičtí živočichové jsou méně adaptabilní než pouštní • individuální adaptace velmi pomalé • •

fyziologická přizpůsobení etologická přizpůsobení


Fyziologická přizpůsobení suchému teplu


• ochlazování těla odpařováním (evaporativní ztráty tepla) a zrychleným dýcháním => nutnost účelného hospodaření s vodou (využívání metabolické vody) • omezení ztrát vody močí a trusem – vysoce koncentrovaná moč (dlouhé Henleyovy kličky), tlusté střevo vstřebává většinu vody • urikotelie (plazi, ptáci) – kys. močová je produkována v krystalické podobě, ztráty vody jsou minimální


Přizpůsobení savců • ústřední způsob ochlazování v tropech je vypařování


• problémy mají zejména malí savci – relativně velký povrch těla => získávají více tepla z okolí => větší nároky na ochlazování • malí savci v suchém teplu aktivují výhradně v noci

Vztah mezi vahou a velikostí výparu potřebného k udržení stálé teploty při 40°C Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Člověk a teplo po vystavení teplu dochází k fyziologickým změnám:


- zejména pocení, ztráta vody až 12 litrů denně, nárazově až 3 litry za hodinu - roztažení povrchových cév (přenos tepla) - snížení pohybové aktivity

Negativní důsledky: • s pocením se ztrácí velké množství solí => svalové křeče • extrémní pocit žízně, který nelze uspokojit (člověk naráz jen 1 litr, což nepokryje potřebu => dehydratace • redukce množství moči na ½ l denně Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.


bez aklimatizace asi 700 ml potu za hodinu (15-30 g NaCl/den), po 1-6 týdenní aklimatizaci až 2 litry za hodinu (3-5 g NaCl/den) díky zvýšenému aldosteronu

Po cca 10-14 dnech adaptace: - méně solí v potu - zvýšení počtu aktivních potních žláz - úprava hospodaření se solemi (> aldosteron) - zvýšení cirkulace krve v distálních částech těla (prsty, uši, čelo, tváře) Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Metabolismus vs. velikost těla Rubnerův povrchový zákon: • povrch těla roste s druhou mocninou, objem se třetí


• těžší (větší) jedinci – relativně nižší úroveň bazálního metabolizmu (vnitro i mezidruhově)

na jednotku povrchu těla metabolismus vychází shodně

metabolismus x tělesné parametry u endotermů Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Velikost těla tropických savců


ideální velikost živočicha je dána řadou faktorů, zejm. limity tělesné stavby a prostředím (vč. evoluční historie)

různé měřítko: kontinent vs. ekosystém


Velikost těla tropických bezobratlých


• velikost těla bezobratlých roste s klesající zeměpisnou šířkou • v tropech delší sezóna pro vývoj + chybí termoregulační omezení


Problém velikosti a proporcí těla


• velikostní rozpětí 21 řádů (10-13 – 108 kg)

• zásadní důsledky pro strukturu a funkci těla • pro velkého živočicha platí jiné fyzikální veličiny, než pro malého (např. rel. mohutnější svalovina - hmotnost dána objemem, síla průřezem) • strukturní a fyziologické proměnné se mění podle velikosti těla předvídatelným způsobem Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Fotoperiodicita a biorytmy procesy vně i uvnitř organismu se pravidelně opakují: (cykly spánku a bdění, příjmu potravy, páření, intenzity metabolismu, sekrece hormonů, líhnutí vajíček, barvoměny)


biorytmy

ultradiánní cirkadiánní infradiánní (lunární, cirkaanuální)

základní biorytmy jsou ve shodě se střídáním dne a noci nebo s ročním obdobím (v souladu s planetárními pohyby)

endogenní biorytmy - vrozené (jsou dědičné) - poháněny vnitřními hodinami (pacemaker, exprese per genu) exogenní biorytmy - navozené pravidelnými změnami určitých složek prostředí


Délka dne a sezonalita


• rozdíly v délce dne a noci se mění v závislosti na zeměpisné šířce • v mírných pásech rozdíly, na rovníku stabilně dlouhý den v průběhu celého roku • délka dne nefunguje jako spouštěč a synchronizátor


Endogenní biorytmy s vnější korelátem


v prostředí bez synchronizátorů (např. stála tma a teplota) probíhají endogenní rytmy s odchylkou od 24 hod. cyklu – zrychlení nebo zpomalení

synchronizátory korigují rytmus vnitřního pacemakeru (periodické faktory vnějšího prostředí, ale i biotické faktory např. aktivita predátora, sociální signály) silné (foto-, termoperiodismus, potrava) synchronizátory

slabé (meteorologické vlivy – vlhkost vzd.)


Melatonin • synchronizace působením světla prostřednictvím melatoninu • melatonin produkován epifýzou a je vylučován pouze v tmavé části denního cyklu


• hladina cirkulujícího melatoninu je základní informací pro buňky o fotoperiodě. • množství se mění v zimě a v létě → v mírném pásu informace o roční době

jet lag symptomy – přechodné zhroucení biologických rytmů způsobené přeletem několika časových pásem; dá se zmírnit užíváním melatoninu Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Vnitrodruhová komunikace


• kanály: optické, pachové, akustické, dotykové • různě účinné v různém prostředí • různá míra šumu (abiotická, biotická)


Akustická komunikace v tropickém lese


• • • •

↑druhová diverzita → ↑akustická diverzita malé početnosti, velký rozptyl závislost na teplotě a vlhkosti saturace prostoru výhody    

druhově specifické informace velký dosah a jeho regulace signalizace z úkrytu nebo v noci krátké trvání signálu (v porovnání s pachem)

nevýhody  modifikace přirozenými bariérami  energetická náročnost  umožňuje detekci predátory a parazity Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Mechanismy produkce zvuku


    

vibrace (tremulace) perkuse (bubnování) stridulace (cvrkání) cvakání („click mechanisms“) vypuzování vzduchu



Stridulace – lupenitka Phyllium giganteum



Malajské cikády

přehrát

Pomponia linearis (Walker) Angamiana floridula Distant Salvazana mirabilis Distant Tosena melanoptera (White) Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Akustické niky • akustická segregace mezi druhy


– druhy vydávající podobné zvuky (vyloučení omylů) – hlučné druhy

• periody vyluzování zvuku (diurnální, sezónní) • biotopové preference (calling and hearing sites) (horizontální stratifikace)

• využití při druhové diagnostice

3D acoustic space Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Segregace zvukových nik


(Borneo, nížinný deštný prales)

NP Mulu, Sarawak, deštný les, 9.00 NP Mulu, Sarawak, deštný les, 23.00

Riede K. 1997: Bioacoustic diversity and resource partitioning in tropical calling communities, in: Ulrich H. (Ed.): Tropical biodiversity and systematics. Bonn.

NP Mulu, Sarawak, deštný les, 24.00 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.


Děkuji za pozornost! Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Tropické ekosystémy a ekologické koncepty

Recommend Documents