Základy ekologie Doc. RNDr. Milan Gelnar, CSc. Doc. RNDr. Michal Hájek, PhD Ústav botaniky a zoologie, PřF MU, Brno A11/306; čtvrtek 8.00 – 10.00 Doc. RNDr. Michal Hájek, PhD 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 •Behaviorální ekologie, potravní vztahy, způsoby výživy, komunikace, teritorium; evoluční ekologie •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, •Přehled ekosystému střední Evropy (opadavé listnaté lesy, horské jehličnaté lesy, kosodřevina, křoviny, ES sladkých vod, skalní ES, písečné duny, moře, rašeliniště, louky, primární alpinské bezlesí, kulturní step, synantropní ekosystémy) Osnova přednášky •Ekologie – základní definice a pojmy •Metody ekologického výzkumu •Ekologie versus evoluce •Ekologické faktory •Ekologická valence a ekologická nika •Biosféra a působení člověka 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. 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 •Conservation ecology •Restoration ecology •Global ecology •Theoretical ecology •Ekologická statistika •Imunoekologie •Molekulární ekologie • • Organismus Biocenóza Prostředí Vzájemné působení v ekologii Předpokládané počty druhů Ekologie je komplexní věda Ekologie – základní definice a pojmy •Ekologie je zabývá třemi stupni biologické organizace: • •Jednotlivým organismem •Populací složenou z jedinců téhož druhu •Společenstvem – složeným z většího či menšího počtu populací • Hierarchické stupně biologické integrace Ekologická hierarchie 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 úrovně ekologie 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 4 biologické disciplíny blízce příbuzné ekologii Biologický dort – Odum (1977) 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 Ekologie jako exaktní věda Prezentace ekologických dat Histogram Scatter plot diagram Základní typy scatter plot grafu Analýza ekologického vztahu Pozitivní vztah mezi N a produkcí Jednoduchý model lineární regrese Ekologie jako experimentální věda Ekologie versus Evoluce • • Charles Darwin (1809 – 1882) Charles Darwin, 1849 Darwinova pracovna v Down House v Kentu, Anglie Přírodní výběr - Darwinova teorie, 1859 Jedinci, kteří tvoří jednu populaci nejsou stejní (velikost, reakce na teplotu, fyziologie atd. - heterogenita) Některé z těchto vlastností jsou dědičné, takže favorizované formy se přenášejí do další generace. Každá populace je schopna vyprodukovat nadmíru potomstva, avšak jedinci se prakticky reprodukují v menší míře než jsou reálně schopni. Různí jedinci po sobě zanechávají různé množství potomků. Počet potomků, které jedinec po sobě zanechává může záviset na interakcích mezi jeho vlastnostmi a prostředím. 5 letá cesta kolem světa lodi H.M.S. Beagle H.M.S. Beagle Přírodní výběr, adaptace k prostředí Evoluční změny zahrnují: Adaptivní charakteristiky Změny ve frekvenci individuálních genů, které se přenášení z generace na generaci Zdatnost - fitness Nejzdatnější jedinci jsou takoví, kteří v porovnání s jinými zdatnými jedinci zanechávají nejvíc potomstva Přírodní výběr zvýhodňuje nejzdatnější jedince z právě přítomných a ne z maximálně zdatných tj. nejsou nejdokonalejší Evoluce optimalizuje fitness organismů 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 k diverzifikaci druhů ? Adaptace k prostředí Dědičný charakter: morfologický fyziologický behaviorální Pomáhá jakýmkoliv způsobem při přežívání a reprodukci ! Je výsledkem přírodního výběru ! Evoluční divergence ptáků specializovaných na různé ekologické niky Specializované potravní niky ptáků Adaptace ústního ústrojí živočichů a)Bodavě savé u komára b) b)Kousací u sarančete c) c)Zobák semenožravého ptáka d) d)Zobák pro filtraci vody e) e)Zobák dravce f) f)Chrup přežvýkavce g) g)Chrup šelmy Adaptace na úrovni zažívacího traktu obratlovců a)Nepřežvýkavý herbivor – dlouhé tenké střevo a dobře vyvinuté slepé střevo b) b)Přežvýkavec – žaludek se skládá ze čtyř částí (bachor, čepec, kniha, slez) c) c)Zažívací trakt ptáka – má vole d) d)Masožravý savec – jícen, žaludek, tenké střevo, malé slepé střevo, tlusté střevo Specializace organismů a gradient prostředí Allopatrická (geografická) speciace Speciace v důsledku geografické izolace – příklad divergence Selekce na příkladu zbarvení plžů a)Frekvence distribuce zbarvení před selekčním tlakem b) b)Stabilizují efekt eliminuje světlé a tmavé varianty c) c)Směrová selekce vede k posunu průměru jedním směrem d) d)Disruptivní selekce eliminuje „průměrné“ varianty fenotypu a může vést až ke vzniku dvou druhů Geologické procesy a biologická evoluce Rekonstrukce dělení starého superkontinentu Gondwany •Historické vlivy: • •Pohyby zemských hmot – výskyt organismů byl během evoluce ovlivněn •pohybem kontinentů – Wegener (1915) – kontinentální drift. • •Během tohoto pohybu – výrazné klimatické změny. • •Zásadní vliv na rozšíření organismů na povrchu země. • •● poloha jižního pólu Evoluce velkých nelétavých ptáků a kontinentální drift •Míra příbuznosti zjišťována metodou hybridizace DNA • •První divergencí je odlišení tinamy • •Následující divergence odpovídají rozpadu Gondwany a následnému kontinetálnímu driftu • •Průrva mezi Austrálií a ostatními jižními kontinenty • •Vstup Atlantiku mezi Afriku a Jižní Ameriku • •Záliv Tasmánského moře (80MIL) • •Předchůdci Kiwi se dostali na Nový Zéland (40MIL) • Model evoluce 13 druhů darwinových pěnkav na ostrovech Galapágy •Kolonizace proběhla ve třech krocích: • 1)Druh imigrující z Jižní Ameriky dosáhl Galapágy a kolonizoval ostrov San Cristobal 2) 2)Po stabilizaci populace se tento druh šířil na další ostrovy a adaptoval se na nové podmínky a změnil se geneticky 3) 3)Po dostatečné době isolace se původní populace dostaly do kontaktu již jako nové druhy , které se vzájemně nekříží Darwinovy pěnkavy na Galapágách Adaptivní radiace 10 druhů darwinových pěnkav Evoluční strom havajských druhů rodu Drosofila •Nejstarší druhy – D. primaeva (1) a D. attigua (2) jsou pouze na ostrově Kauai • •Další druhy jsou umístěny nad ostrovy • •Na Nithau a Kahoolawe se žádná Drosofila nevyskytuje • •První kolonizátoři dosáhli Havajské ostrovy zřejmě před 40 MIL Proces allopatrické speciace: geografické barevné variace mloků rodu Ensatina •Populace mloků rodu Ensatina z geografické oblasti Central Valey v Kalifornii • • • • •Rozrůzněné populace původního druhu E. e. eschscholtzii žijící v oblasti jsou isolovány geografickou barierou • • • • •Druhy E.e. eschscholtzii a E.e. klauberi lze již považovat za samostatné druhy, které se nekříží Příklad konvergentního vývoje tvaru těla u velkých mořských masožravců •Shodu mezi povahou organismů a jejich prostředím můžeme vnímat jako podobnost tvaru a chování organismů, které žijí v podobném prostředí, ale patří k rozdílným evolučním liniím. • •Struktury zcela odlišného evolučního původu zde plní obdobné role – jsou tedy analogické, na rozdíl od struktur homologických, kdy dochází ke vzniku odpovídajících struktur ze společného předka. • •Hovoříme tedy o konvergentní evoluci. Příklad homologního vývoje předních končetin Konvergence a paralely •Klasickým příkladem paralelní evoluce je evoluční radiace placentárních savců a vačnatců. • •Australští vačnatci dospěli na tento kontinent v křídě ( cca před 90 MIL), kdy jediní v této bodě přítomni savci byli podivní vejcorodí savci z řádu ptakořitých (dnes pouze ježury a ptakopysci). • •Došlo k evolučnímu rozrůznění a tento proces v mnoha směrech stejný jako u jiných savců na jiných kontinentech. • •Dokonalá shoda jak v podobě organismů a jejich způsobu života je tak mimořádně nápadná. • •Jsou to tzv. ekologicky ekvivalentní druhy. Organismus Biocenóza Prostředí Vzájemné působení v ekologii Speciace