Základy ekologie Michal Hájek Světlana Zahrádková Odum, E., (1971): Základy ekologie, Academia Praha book odum book begon angl Begon, M., Harper, J.L., Towsend C.R. (1997): Ekologie, Votobia, 949 str. book begon cesky ‹#› 4 • Essentials TBH essent cesky ‹#› 5 Colin Townsend Michael Begon John L. Harper oikos = obydlí - dům - domov „Každý z nás je ekologem…“ „Již staří Řekové…“ Ernst HAECKEL (1866) Věda o vzájemných vztazích organismů k jejich anorganickému a organickému prostředí, zvláště o jejich přátelských a nepřátelských vztazích k těm rostlinám a živočichům, s nimiž přicházejí do styku. C. J. KREBS (1972) Ekologie je vědecké studium interakcí, které determinují distribuci a abundanci organismů. EKOLOGIE ‹#› 7 Hraniční obory ekologie Biologické discipliny: morfologie fyziologie etologie biogeografie, genetika molekulární biologie aj. Nebiologické discipliny: matematika fyzika chemie biochemie, meteorologie geografie geologie aj. ‹#› 8 Co a jak studuje ekologie Obecná ekologie Speciální ekologie podle organismů, taxonomických skupin podle prostředí - vodní (akvatické) - suchozemské (terestrické) - půdní (voda nebo vzduch) - těla organismů Základní a aplikovaný výzkum – spojené nádoby • prostorová škála od buňky po globální ekosystém • časová škála • přiměřenost škály studované problematice význam dlouhodobých studií Studium časoprostorových (spatiotemporal) změn Měřítka přístupu - škály (scales) • „biologická“ jedinec autekologie - ekologie jednotlivých individuí limity přizpůsobení, vliv prostředí na výskyt adaptací, chování, rozšíření, biologické rytmy... populace demekologie - ekologie populací - abundance, distribuce, struktura, natalita, mortalita, růst a dynamika společenstvo synekologie - ekologie společenstev, jejich složení a struktura, koloběh látek a energie v ekosystémech, produktivita biosystémů, vliv člověka... Měřítka přístupu - škály (scales) ‹#› 11 Metody studia v ekologii •Metody studia: terénní (společenstva, populace, organismus) • přírodní prostředí • umělé prostředí (antropocenózy) • • laboratorní systémy • matematické modely • •Význam designu experimentu • náhodné a stratifikované náhodné vzorkování • •Význam statistických metod -statistika nám neříká, co je pravda, ale co je důvěryhodné/spolehlivé! • •Interpretace výsledků statistických analýz •- arbitrární nastavení hraničních hodnot – obvykle P<0.05 • • • ‹#› 12 Testování významnosti • nulová hypotéza: mezi teplotou a abundancí není vztah přímka proložená metodou nejmenších čtverců P = 0,5 P = 0,1 P = 0,01 P = 0,04 ‹#› 13 Metody studia v ekologii •Whitehead: • • • • • • • • •Popis (cílený!) ® vysvětlení ® predikce ® kontrola ® využití • •Vazba k aplikované vědě – a naopak • •často stimul k výzkumu pochází z praxe • • Hledej jednoduchost, ale nedůvěřuj jí. ‹#› 14 Ekologie je úžasná věda •…Krása ekologie tkví….v tom, že nás při vší své složitosti nutí rozumět základním a zjevným problémům, že dokáže najít obecné zákonitosti a využívat je k predikcím a postulátům, které si s touto složitostí poradí. • • •Principy ekologické jsou přenositelné a využitelné i ve zdánlivě odlehlých oborech (sociologii, ekonomika…) • • ‹#› 15 Prostředí Prostředí: abiotická a biotická složka Prostředí obecně: plynné nebo kapalné látky: médium pevné látky: substrát terestrické - amfibické - akvatické organismy ‹#› 16 „Pojmologie“ •Monotop - prostředí osídlené jedincem určitého druhu • •Demotop - prostředí populace • •Biotop - prostředí osídlené společenstvem - biocenózou • •Ekotop - souhrn abiotických faktorů bez ohledu na organismy a jejich soubory • •Areál - část zemského povrchu, v níž se vyskytuje určitý taxon •Hranice jsou dány klimatickými, půdními a biotickými podmínkami. • •Lokalita - stanoviště: při výzkumu, přesné vymezení • ‹#› 17 Ekologické názvosloví podle typu prostředí: přípona -kolní terikolní silvikolní agrikolní petrikolní nidikolní organismus prostředí ‹#› 18 Ekologické faktory - všechny vlivy prostředí a podmínky existence živočichů v prostředí - eliminují výskyt druhů v prostředích, působí na zeměpisné rozšíření druhů - mají vliv na rozmnožování, úmrtnost a stěhování živočichů, působí na hustotu jejich populací - podporují vznik různých adaptací, vyvolávají druhově příznačné regulační mechanismy umožňující přežívání v nepříznivých podmínkách. ‹#› 19 Podmínky - fyzikálně-chemické vlastnosti prostředí (teplota, vlhkost...), mohou být měněny, ale nespotřebovávají se. Zdroje - environmentální zdroje jsou živými organismy spotřebovávány v průběhu jejich života a reprodukce (potrava, prostor, samice..). ‹#› 20 Klasifikace ekologických faktorů: abiotické - klimatické faktory - hydrické faktory - edafické faktory biotické - vnitrodruhové ( intraspecifické, homotypické) faktory - mezidruhové (interspecifické, heterotypické) faktory - antropogenní faktory - trofické faktory ‹#› 21 Klasifikace ekologických faktorů: Podle stupně cykličnosti: - primárně periodické faktory světlo teplota slapové jevy - sekundárně periodické faktory vlhkost vnitrodruhové vztahy - neperiodické faktory (přírodní, antropogenní) Podle vlivu na evoluční procesy: - morfoplastické faktory - fyzioplastické faktory - etoplastické faktory ‹#› 22 Vztah organismů k ekologickým faktorům Zákon minima J. Liebig (1840): “Růst rostlin je limitován tím prvkem, který je v minimu”. Zákon tolerance Shelford (1943): “Každý druh toleruje určité rozpětí libovolného faktoru a nejlépe v prostředí prospívá, působí-li vlivy v rozsahu optimálních hodnot”. ‹#› 23 Ekologická valence (Hesse, 1924): “Ekologická valence druhu je určena vzdáleností mezi minimem a maximem působení ekologického faktoru”. Limitující faktory - působí v rozsahu mezních hodnot a jsou pro přežití jedinců zvláště kritické. - valence ‹#› 24 Ekologická valence - stenovalentní druhy - valence úzká - euryvalentní druhy - valence široká Příklady: k teplotě - stenotermní - eurytermní k salinitě - stenohalinní - euryhalinní ke kyslíku - stenooxybiontní - euryoxybiontní k potravě - stenofágní - euryfágní Poloha optima: v nízkých hodnotách působení faktoru oligo- ve středních……………………………….. mezo- ve vysokých……………………………….. poly- ‹#› 25 Poloha optima Stenovalentní druhy Euryvalentní druhy dolní oligostenovalentní oligoeuryvalentní střední mezostenovalentní mezoeuryvalentní horní polystenovalentní polyeuryvalentní Podle typu prostředí: stenoekní - euryekní druhy Podle stanoviště: stenotopní - eurytopní druhy ‹#› 26 nika Ekologická nika ‹#› 27 Odpovědi organismů na vlivy vnějších faktorů, speciace Reakce: rychlé fyziologické změny na obvykle jednorázové změny – prahová intenzita Adaptace: přizpůsobení se organismu podmínkám prostředí během individuálního života nebo fylogenetického vývoje - odezva na dlouhodobý nebo opakovaný podnět - biologicky výhodné změny - Vztahuje se na jednotlivce i jeho jednotlivé orgány a buňky, populace, druhy a vyšší taxony i na celá společenstva. Habituace – snížená citlivost vůči změnám vnějších faktorů. Deformace – neschopnost kompenzovat vnější vlivy. ‹#› 28 Typy adaptací: Morfologické a.: tvar a funkce končetin tvar ústního ústrojí hmyzu... Fyziologické a.: změny salinity změny metabolismu mechanismy dýchání hibernace, diapauza... Etologické a.: orientace v prostoru získávání potravy ochrana před predátory... ‹#› 29 Vliv adaptací na vnitřní prostředí organismů - podle strategie úpravy vnitřního prostředí v rámci adaptačních mechanismů: 2 typy organismů konformační adaptace (př. poikilotermní obratlovci) regulační (př. homoiotermní obratlovci) Rozdělení adaptací: Individuální adaptace – v mezích genotypu individua – resistenční adaptace Vývojové adaptace – v rámci fylogeneze druhu – posun mezí přežití druhu – kapacitní adaptace ‹#› 30 Vývojové adaptace nejdou cestou dědičnosti získaných vlastností, ale prostřednictvím biologicky pozitivních mutací, jejichž nositelé mají vůči podmínkám prostředí větší adaptibilitu – větší možnost přežití – stabilizaci a rozšíření jejich genotypu v populaci. ‹#› 31 •Darwin a Wallace byli kamarádi ‹#› 32 Teorie evoluce přírodním výběrem •jedinci v populaci se liší • •některé odlišnosti se dědí • •ve většině populací zemře většina jedinců dříve, než se stačí rozmnožit • •různí předci zanechávají různé počty následovníků (tedy těch potomků, kteří se rozmnožili) • •jedinci s nejvyšším počtem následovníků mají největší vliv na dědičné vlastnosti následující generace • •jsou to jedinci, kteří se nejlépe vyrovnali s podmínkami prostředí • •podstata úspěchu jedince tkví v jeho ekologických vlastnostech • ‹#› 33 Přírodní výběr tvrdý - vymizení všech jedinců, kteří nejsou schopni v daném prostředí přežívat a rozmnožovat se buď a nebo, dočasný proces měkký - týká se vlastností, které ovlivňují rozdílnou schopnost přežívání a rozmnožování slabší má smůlu, permanentní proces Přirozený výběr není cílený, ale je důsledkem evoluční minulosti druhu – dávné vztahy, historické vlastnosti prostředí… Organismy v současném prostředí přežívají jen proto, že za normálních okolnosti jsou změny prostředí velmi pomalé – ne tak ovšem změny antropogenní – RIZIKA! ‹#› 34 Princip trade-off •každý druh má určité vlastnosti •každý musí snášet určitá omezení (constrains) • omezené množství zdrojů • disturbance •musí se s omezeními vyrovnat v rámci svých možností a • •„jeden nemůže dělat všechno dobře“ • • tedy dochází k vynuceným kompromisům (trade offs) • •životní strategii • •Blíže viz Storch D. & Mihulka S. (2000): Úvod do současné ekologie. Portál Praha, 160 s. • ‹#› 35 Evoluce v rámci druhu • •Druhy mají své specifické konzervativní znaky –velký klasifikátor Carl von Linné je využil ke klasifikaci • •V rámci druhu však existuje určitá variabilita –v různých místech areálu druhu mohou existovat různé podmínky –přírodním výběrem pak budou selektovány odlišné varianty jedinců –pokud to nebude převáženo hybridizací jedinců z různých částí areálu, –dojde k evolučnímu oddělení – vzniku nového druhu (speciace) • •Definice pojmu druh – viz lekce o populacích • •vvvv – • – ‹#› 36 Speciace, šíření druhů příčiny, limity kosmopolit x endemit Alopatrie: rozšíření druhů bez územního překrývání (části populace výchozího druhu byly od sebe odděleny nějakou bariérou, např. geografická izolace ) Sympatrie: překrývání oblastí dvou druhů (druhy jsou již ekologicky nebo etologicky izolované) ‹#› 37 Divergence a konvergence Divergence: rozbíhání znaků organismů v průběhu fylogenetického vývoje, jeden z typických znaků evoluce. Vede k tvorbě nových druhů. Konvergence: podobnost v tělesné stavbě a vývoj analogických struktur (orgánů a znaků) u organismů fylogeneticky velmi vzdálených. Vzniká jako přizpůsobení k životu v podobných životních podmínkách. ‹#› 38 Alopatrická speciace •Klasický scénář: –Oddělení populací geografickou bariérou: •reprodukční izolace, prezygotická izolace (např. změna v chování) •buď samostatný vývoj, nebo sekundární kontakt •Při sekundárním kontaktu nanejvýš vznik potomků s nízkou fitness • ‹#› 39 • ‹#› 40 • ‹#› 41 • ‹#› 42 • ‹#› 43 • ‹#› 44 • ‹#› 45 • ‹#› 46 •