Obecná ekologie Prof. RNDr. Milan Gelnar, CSc. Ústav botaniky a zoologie, PřF MU, Brno Čtvrtek 12.00 – 14.00 Základy ekologie - sylabus •Základní pojmy, hraniční obory, ekologické faktory, biosféra •Voda, chemismus, druhy a zdroje, ekologické faktory, adaptace •Organismus jako prostředí, parazit a hostitel, prostředí parazitů, buňky, tkáně, orgány, P-H systémy •Populace, základní pojmy, růst, dynamika, vnitrodruhové vztahy, životní strategie •Evoluční ekologie, životní strategie, evoluční kompromisy, reprodukční strategie, allometrické vztahy, vliv velikosti. •Aplikované ekologie, destrukce a degradace životního prostředí, populační exploze lidstva, Ekotoxikologie, chemie životního prostředí, znečištění, biomonitoring a bioindikace, ochrana životního prostředí •Sluneční záření, atmosféra, fotosyntéza, adaptace na diurnální a sezónní změny, teplotní gradienty, ekto a endotermní organismy, adaptace, rozšíření •Půda a její složení, pedogenetické procesy, humus, edafon, půdní horizonty a typy půd. •Společenstva, prostorové vztahy a gradienty, sukcese, klimax, nika, kompetice ve společenstvu, diverzita •Ekosystémy, biomasa, primární a sekundární produktivita, toky energie, potravní řetězce, bilance živin v ES, geochemické cykly, vliv člověka (P,N,S,C) •Biomy Země, definice, základní typy biomů, •Základy Human ecology, Co je Human ecology, Populace a systémy zpětné vazby, regulace populace, ekosystém a sociální systémy, koadaptace, udržitelné a neudržitelné interakce human – ekosystémů. Pojetí urban biodiverzity. Prof. RNDr. Milan Gelnar, CSc. C:\Users\para\Desktop\ZK\IMG_20161122_132124_1.jpg Osnova přednášky Část I •Úvod – sylabus přednášky - vyučující •Doporučená studijní literatura •Stručná historie ekologie •Co je a není ekologie ? Základní definice a pojmy •Stručná historie ekologie •Ekologie jako věda, metody ekologického výzkumu •Základní koncept ekologie •Ekologická hierarchie, ekologie jako komplexní věda •Vznik a vývoj vesmíru a planet •Ekologické faktory – základní charakteristiky a klasifikace Část II •Ekologie versus evoluce •Historie biologické evoluce – Charles Darwin •Adaptace a tolerance •Ekologická valence a ekologická nika •Evoluce a procesy speciace, divergence, konvergence • Doporučná literatura Doporučená studijní literatura Stručná historie ekologie •Theophrastos – staré Řecko – psal o vztazích organismů a prostředí •1798 - Thomas Malthus: Essay on the Principle of Population •1805 - Alexander von Humboldt: plant communities •1859 - Charles Darwin – On the Origin of Species – koncept evoluce •Gregor Mendel (1822-1884) populační genetika •1877 – Karl Mobius – biocenosis •1887 – Stephen Forbes – Lake as a Microcosm •1913 – Victor E. Shelford – Animal Communities in Temperate America •Charles Adams (USA) - 1913 – A Guide to study of Animal Ecology •Arthur G. Tansley (1871-1955) – holistický koncept – ekosystém •1925 – Alfred J. Lotka – Elements of Physical Biology •Charles Elton (UK) - 1927 – Animal Ecology • • • • • • Druhá polovina 20. století – rozvoj • ekologie: • •Populační ekologie •Evoluční ekologie •Ekologie společenstev •Fyziologická ekologie •Behaviorální ekologie •Krajinná ekologie •Globální ekologie •Teoretická ekologie •Ekologická statistika •Imunoekologie •Molekulární ekologie • • Co je to ekologie ? Základní definice a pojmy Termín ekologie – Ernst Haeckel (1869) – z řeckého oikos – „domov“ Ekologie je věda o vzájemném působení organismů a jejich prostředí. Krebs (1972): Ekologie je vědecké studium interakcí, které ovlivňují výskyt a hojnost organismů – vymezuje zde základní předmět studia – rozšíření a početnost organismů – kde se organismy vyskytují a jak se tam chovají. Jak definovat slovo prostředí ? Prostředí organismu se skládá ze všech faktorů a jevů vně organismu, které na tento organismus působí, ať jsou těmito jevy faktory fyzikální a chemické (faktory abiotické), anebo jiné organismy (faktory biotické). Pojem prostředí tak má v ekologii ústřední postavení. Ekologie není synonymem životního prostředí, environmentalismu, dějin přírody, nebo věd o životním prostředí. Ekologie úzce souvisí s řadou biologických disciplin: evoluční biologie, genetika, etologie, fyziologie - ale i s množstvím dalších disciplín a subdisciplín (záleží na konkrétním předmětu zkoumání). Důležitým cílem pro ekology je zlepšit porozumění toho, jak biodiverzita ovlivňuje ekologickou funkci. Ekologové se snaží vysvětlit: Životní procesy, interakce a adaptace organismů Pohyb materiálu a energie prostřednictvím živých společenství Sukcesi a rozvoj ekosystémů Počet a distribuci organismů a biologickou rozmanitost v rámci životního prostředí Co je a není ekologie Biologické disciplíny blízce příbuzné ekologii Ekologie a systém biologických věd Biologický dort – Odum (1977) 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: nauka o lesním prostředí •ekologie krajiny: souvislosti mezi částmi krajiny, změny v krajině (včetně důsledků činností člověka). •aplikovaná ekologie: zabývá se praktickou aplikací ekologických poznatků •produkční ekologie: zabývá se produkční analýzou trofických úrovní a koloběhem hmoty a energie v ekosystému •ekologie globální: souvislosti a změny na celé planetě Zemi a jejich vliv na život. • • Ekologie – hraniční obory Deskriptivní ekologie – procesy spojené s popisem vzájemných vztahů organismů pro každý ekosystém Funkční ekologie – identifikuje a kvantifikuje vztahy, analyzuje obecné problémy společné většině různých prostředí, JAK SYSTÉM PRACUJE ? Evoluční ekologie – historické důsledky, proč přírodní výběr favorizoval určitě ekologické řešení. PROČ SYSTÉM PRACUJE ? Behaviorální ekologie – vztahy spojené s chováním živočichů Molekulární ekologie – aplikace molekulárních metod při řešení ekologických problémů Ekologická genetika – studuje variabilitu genotypů a jejich expresi na úrovni fenotypu Matematická ekologie – teoretická ekologie; kvantitativní ekologie, matematické modelování, ekologická statistika, numerická ekologie Ekologie vychází a čerpá z řady vědních disciplín: biologie, meteorologie, klimatologie, geologie, geografie, fyzika, chemie, antropologie, lékařské vědy (hygiena), ekonomie, právo, historie, psychologie, technické vědy. Aplikace ekologického myšlení •Existuje mnoho praktických aplikací ekologického myšlení v ochraně přírody, řízení přírodních zdrojů (např. agroekologie, zemědělství, lesnictví, agrolesnictví, rybolov), urbanismu (ekologie města), komunitním zdraví, ekonomii, základní a aplikované vědě, stejně jako v lidských sociálních interakcích (ekologie člověka). •V původním a správném významu je tedy ekologie věda, která se zabývá vztahem organismů a jejich prostředí a vztahem organismů navzájem. Jako první tak nazval a definoval tento vědní obor Ernst Haeckel v roce 1866. •Pojem ekologie se užívá chybně v širokém smyslu jako ochrana životního prostředí nebo dokonce místo přírodní prostředí (např. ekologicky šetrný výrobek znamená výrobek šetrný k životnímu prostředí). Toto užití - viz ochrana přírody. •Ekologie se také nepřesně používá pro označení ideologie environmentalismu (tzv. hlubinná ekologie, je subdisciplína ekologie, která je základním přesvědčením radikálního ekologického hnutí ). Toto užití - viz ekologismus nebo environmentalismus. Ekologie jako exaktní věda •Metody ekologického výzkumu Ekologie jako exaktní věda Metody ekologického výzkumu Pozorování v přírodě (v terénu) Experimentální pozorování (v laboratoři) Matematické modelování Vzájemné propojení různých přístupů Porovnávaní teorie (hypotézy) s realitou (pozorováním) Hypotéza – testovaná empiricky (experimentálně) – hypotézy je nutno definovat předem – pak jejich testování- experimentální design – správný sběr dat Pozorování by mělo být verifikovatelné Nutnost kontroly Správná interpretace výsledků – velikost studovaného vzorku - statistika Příklad analýzy ekologického vztahu Pozitivní vztah mezi N a produkcí Jednoduchý model lineární regrese Ekologie jako experimentální věda Organismus Biocenóza Prostředí Základní ekologický koncept Vztah mezi organismy a jejich prostředím Prostředí: abiotické versus biotické Rozmístění druhů v prostředí: nenáhodné, nehomogenní Jaké jsou příčiny rozmístění druhů ? Které vlastnosti umožňují druhu žít v daném prostředí a které ho vylučují ? Rozmanitost druhů: Co je příčinou druhové rozmanitosti ? Jak došlo a dochází k diverzifikaci druhů ? Předpokládané počty druhů Různé biolopgické funkce organismů •Prokaryota (Archaebacteria, Eubacteria) – jednoduché organismy bez buněčného jádra, vysoká rozmanitost chemických reakcí, mají obrovský ekologický význam jako součást elementárních cyklů v ekosystému • •Protista – extrémně rozmanitá skupina většinou jednobuněčných organismů majících buněčnou membránu a jiné buněčné organely • •Zelené řasy – jedna z linií fotosyntetizujících protistů, odpovídají za většinu biologické produkce ve sladkovodních ekosystémech •Zelené rostliny – komplexní, primárně terestrické fotosyntetizující (autotrofní) organismy, fixují většinu organického uhlíku v biosféře • •Houby – primárně terestrické heterotrofní organismy obrovského významu jako rozkladači recyklující organický odpad v ekosystému. Mnoho patogenních a symbiotických forem. • •Živočichové – akvatické a terestrické heterotrofní organismy živící se jinými formami života nebo jejich organickými zbytky. Jejich komplexita a mobilita vedla k obrovské diversifikaci jejich životních forem. • Základní koncepty studia ekologie •Studované ekologické systémy mohou být tak malé jako je velikost určitého organismu a tak veliké jako je celá biosféra •Ekologové studují přírodu vždy na různých úrovních – biologické systémy jsou hierarchické •Ekologické systémy a procesy mají vždy svůj charakteristický rozměr v prostoru a čase •Rostliny, živočichové a mikroorganismy hrají v ekologických systémech vždy různé/rozdílné role •Pojem habitat definuje místo, kde organismus žije, nika pak jeho funkci •Ekologické systémy a procesy jsou řízeny na základě fyzikálních a biologických principů – (např. zákony termodynamiky) • •Ekologové studují přírodu vždy metodami založenými na pozorování a nebo na experimentu • •Člověk (lidská společnost) tvoří významnou část biosféry • •Vliv člověka na přírodu má v ekologii stále větší význam Hierarchie biologických systémů Princip enkapse Úroveň porozumění procesům biologické integrace Hierarchie biologické systémů •Ekologie je zabývá především těmito základními stupni biologické organizace/hierarchie: • –Jednotlivým organismem –Populací složenou z jedinců téhož druhu –Společenstvem – složeným z většího či menšího počtu populací –Ekosystémy – složenými z většího či menšího počtu společenstev – • Hierarchické úrovně ekologie 3 základní jednotky: organismus, populace, společenstvo Autekologie – individuální organismus ve vztahu k biotických a biotických faktorům prostředí Demekologie – jedinci jedné populace ve vztahu k faktorům prostředí prostředí Synekologie – skupina organismů ve vztahu k faktorům prostředí Hierarchické/metodické úrovně ekologie Studium ekologie podle hierarchické úrovně zkoumaných objektů •Úroveň jedince (autekologie): nejužší pojem, týká se pouze vztahu jednoho konkrétního jedince k ostatním jedincům, nebo k okolnímu prostředí. Výměna energie a látek s prostředím, přežívání a rozmnožování, základní jednotka přírodního výběru, chování. Příklad: ekologie zajíce •Úroveň populace (demekologie): zabývá se vztahy mezi soubory jedinců stejného druhu (populace) a prostředím. Dynamika populace v prostoru a čase, základní jednotka evoluce. Příklad: ekologie zaječí populace, osídlující podhorské louky v Pošumaví. •Úroveň společenstva (synekologie): se zabývá vztahy mezi souborem jedinců různých druhů pobývajících na jednom stanovišti (společenstvo). Interakce mezi populacemi, základní jednotka biodiversity. Příklad: ekologie bukového lesa. •Úroveň ekosystému (ekologie biomu): zabývá se nejvyšší úrovní přírodních objektů (biom), je blízce příbuzná biogeografii, tedy nauce o rozmístění organismů na Zemi. Tok energie látek v prostředí. Příklad: ekologie středoevropských opadavých lesů. •Úroveň biosféry (globální ekologie): studuje procesy v biosféře, zabývá se globálními ekologickými, ale i sociálními problémy, které s ekologií souvisí. Různé části/komponenty biosféry jsou vzájemně propojeny pohyby vzduchu, vody a organismů. Globální ekologie je blízká globalistice. Ekologie je komplexní věda Funkční diverzita Biologické a chemické procesy jak např. toky energie a hmoty a její recyklace nezbytná pro přežívání druhů společenstev a ekosystémů Ekologická diverzita Rozmanitost terestrických a akvatických ekosystémů vyskytujících se na jednotce plochy nebo na planetě Genetická diverzita Rozmanitost genetického materiálu uvnitř druhu nebo populace Druhová diverzita Počet druhů v vyskytujících se v různých habitatech Organismus Biocenóza Prostředí Ekologie – věda o souvislostech, o vzájemném působení organismů a prostředí. Co to jsou ekologické faktory a jak působí ? Jak působí ekologické faktory na organismus ? Organismus Teplota Vlkost Světlo Oheň Biocenóza Kompetice Proudění Znečištění Jaké jsou základní ekologické faktory ? •Co je a není ekologický faktor ? •Můžeme tyto faktory nějak členit/klasifikovat ? • •Podle povahy působení ? •Fyzikální, chemické, klimatické, environmentální, akvatické, terestrické, edafické, etologické, sociologické atd. atd. •Odtud např.: • •Abiotické versus Biotické •Podmínky versus Zdroje • •Na co všechno působí tyto faktory ? •Jak tyto faktory vůbec vznikají ? Co je generuje ? •Mohou mezi nimi být nějaké souvislosti/interakce? • Co je to ekologický faktor ? •Ekologické faktory – vymezení pojmu, rozdělení: soubor všech podmínek, které umožňují organismu žít, vyvíjet se a rozmnožovat, tvoří jeho přírodní prostředí (les, step, rybník, tělo hostitele pro parazita, rozkládající se organická hmota pro saprofága), ve vztahu k člověku a jeho populaci používáme termín životní prostředí. • •Ekologické faktory jsou všechny složky vnějšího prostředí, rozdělení faktorů: • 1) abiotické (neživotné) fyzikální a chemické, složení vzduchu, vody, horniny, klimatické faktory, záření, zvuk, • 2) biotické (životné) podstatou je působení jiných organismů • 2a) vztahy vnitrodruhové, intraspecifické, homotypické, (vlivy působené příslušníky téhož druhu, vztahy sexuální a asexuální) • 2b) vztahy mezidruhové, interspecifické, heterotypické, (potravní vztahy, predace, pastva, parazitizmus) • A na počátku byl …. ekologický faktor ? Big Bang - teorie velkého třesku Vznik a původ chemických prvků 1) Dobré umístění (Země o 15% dále od Slunce – zamrzly by oceány; kdyby o 5% blíže - vypařila by se voda) 2) Správný typ planety (tekuté magma – průnik plynů na povrch – podmínka vzniku atmosféry) 3) Země je dvojitá planeta (Měsíc udržuje Zemi ve správném úhlu a rychlosti otáčení kolem osy – podmínky pro vznik a udržení života) 4) Správné načasování – 65 MIL extinkce dinosaurů – podmínky pro nástup savců včetně člověka Vývoj vesmíru a lidstva (Kurzweil, 1999) •před 10 až 15 miliardami zrod vesmíru •o 10-43 vteřiny později vzniká gravitace •1 MLD po Velké třesku - vznik galaxií •5 MLD – vznik Země •3,4 MLD – anaerobní prokaryota •1,7 MLD – jednoduchá DNA •700 MIL – mnohobuněčné R a Ž •570 MIL– kambrijská exploze •80 MIL – počátek rozvoje savců •65 MIL – vyhynutí dinosaurů •50 MIL – antropoidní primáti •15 MIL – první hominidi •5 MIL – Homo habilis – nástroje •2 MIL – Homo erectus – oheň, jazyk, zbraně •100 000 let – Homo sapiens neandrtalensis •90 000 let – vznik Homo sapiens sapiens •40 000 let – Homo s. sapiens – jediný hominid – technologie •10 000 – neolitická revoluce •6 000 v Mezopotámii první města •496-332 př.n.l. – Sokrates, Platon, Aristoteles – racionalistická filosofie •1543 – Mikuláš Koperník (heliocentrismus) •1687 – Isaac Newton – zákony pohybu a gravitace •1859 – Charles Darwin – evoluce •1900 – telegraf – celosvětově •1939 – komerční lety přes Atlantik •1961 – J. Gagarin – 1. kosmonaut •1971 – kapesní kalkulačka •1981 – na trhu první PC – IBM •1990 – vznik WWW •1997 – počítač Deep Blue poráží šachového velmistra Garry Kasparova •1998 – WWW celosvětové rozšíření • • Základní struktura planety Země 1)Lithosféra 2)Hydrosféra 3)Atmosféra 4)Biosféra 5) A)Zemské jádro B)Plášť C)Zemská kůra Model sluneční soustavy Ekologické faktory a planetární pohyby •Rotace Země kolem Slunce – roční cyklus – sezónnost – teplota, fotoperioda, délka světelného dne (např. jaro, léto, podzim, zima) • •Rotace Země kolem své osy – denní cyklus (střídání noci a dne) • •Rotace Měsíce kolem Země – měsíční cyklus – mořské dmutí (příliv a odliv) • Tok energie ze Slunce na Zemi Solární energie dopadající na Zemi Pozice Slunce, Měsíce a Země ve vztahu k přílivu je zásadní Planetární pohyby a cykličnost ekologických faktorů ? •Podle cykličnosti ? •Které faktory to jsou ? •Jaké budou na ně adaptace u různých organismů ? • •Cykličnost se odvozuje od planetárních pohybů ! • •Mohou mít faktory prostředí hierarchický charakter ? • • Ekologické faktory podle cykličnosti I • •Primárně periodické: •Teplota, světlo, mořské dmutí • •Sekundárně periodické: •Vlhkost, hustota, viskozita, rozpustnost plynů, potravní faktory, biologické interakce, oheň, zemědělství, • •Neperiodické: •Sopečná činnost, zemětřesení, živelné katastrofy (tsunami), katastrofy působené člověkem • Členění ekologických faktorů II • Abiotické •Teplota •Vlhkost (Voda) •Světlo •Půda •Oheň •Znečištění • • Biotické •Natalita a mortalita •Populační dynamika •Hustota populace •Kompetice •Biologické interakce •Antropogenní vlivy • • Členění ekologických faktorů III • Podmínky •Teplota •Světlo •Vlhkost •Hustota •Viskozita •Proudění •Znečištění • • • Zdroje •Záření jako zdroj •Anorganické molekuly jako zdroj (CO2, H2O, O2) •Organismy jako zdroj (sezónnost, nutriční hodnota, počet samic) •Prostor jako zdroj Pokračování - Ekologie úvod – část II •Evoluce versus ekologie •Historie biologické evoluce – Charles Darwin •Adaptace, valence, ekologická nika •Divergence versus konvergence •Procesy speciace •