Environmentální rizika biodiverzity Z5151 Mgr. Karel Brabec, Ph.D. brabec@sci.muni.cz Ekologie působení stresoru SYLABUS 1) Úvod (struktura ekosystémů, biologická diverzita, ekologické procesy) 2) Biodiverzita – teorie, charakteristiky, řídící faktory 3) Environmentální rizika (typologie); schéma DPSIR (Řídící faktory, Tlaky, Stavy, Dopady, Odezvy) 4) Biodiverzita – časo-prostorové aspekty 5) Ekologie působení stresoru 6) Biodiverzita a ekosystémové procesy 7) Vztahy biodiverzity ke klimatu 8) Scénáře změn využití krajiny 9) Změny biotopů (Natura 2000, Ochrana stanovišť) 10) Vliv chemického znečištění na biodiverzitu 11) Biologické invaze 12) Ekosystémové služby 13) Analýza rizik pro biodiverzitu STRES POMALIŠOVÁ, Michaela (ed.), 2010. Hodnocení kvality života ve městech se zapojením veřejnosti: (zrcadlo místní udržitelnosti) : praktická příručka pro politiky, zástupce místních úřadů a neziskové organizace k hodnocení kvality života ve městech a obcích České republiky se zapojením veřejnosti DEFINICE STRESU V EKOLOGII Stres - tlak: Snížení kapacity realizovat genetický potenciál stressor (stimul) x stress (reakce) Disturbance (narušení) – redukce počtu organismů - vytváří prostor pro novou kolonizaci případně způsobuje změny v dostupnosti zdrojů nebo fyzikálních podmínek (faktory) Stress definition (Shireen Davies, University of Glasgow, UK): loss of homeostasis – an organism’s ability to maintain a stable internal environment. DEFINICE STRESU V EKOLOGII Stresor jako externí faktor • Stres jako interní stav zapřičiněný stresorem • Stresová reakce jako kaskáda změn (interních) spuštěných stresem DEFINICE STRESU V EKOLOGII Narušení ekosystémů intenzivní disturbancí způsobují mortalitu organismů a jiná ekologická poškození, následovanými obnovou prostřednictvím sukcese. Více: Ecological Stress - Environmental, Species, Ecosystems, and Stressors - JRank Articles http://science.jrank.org/pages/6549/Stress-Ecological.html#ixzz5THtytLSe STRES A DISTURBANCE • Fyzikálně-chemické faktory teplota, pH, salinita, mechanický stres, toxické látky • Aspekty vázané na zdroje světlo, živiny (C, N, P), voda, kyslík, organismy (jako potrava), prostor • Ekologické aspekty predace, densita (kompetice), parazitismus DEFINICE STRESU V EKOLOGII DEFINICE STRESU V EKOLOGII DEFINICE STRESU V EKOLOGII DEFINICE STRESU V EKOLOGII DEFINICE STRESU V EKOLOGII EKOLOGIE STRESU 1) molekulární úroveň 2) buněčná úroveň 3) jedinec 4) populace 5) společenstvo 6) ekosystém Stress definition (Shireen Davies, University of Glasgow, UK): loss of homeostasis – an organism’s ability to maintain a stable internal environment. TEORIE STŘEDNĚ INTENZIVNÍHO NARUŠENÍ INTERMEDIATE DISTURBANCE HYPOTHESIS (IDH) I. při nízké úrovni ekologického narušení je druhová bohatost nízká díky vysoké míře kompetičního vyloučení (competitive exclusion) II. při střední úrovni narušení je diverzita maximální, protože druhy prosperující v ranných i konečných fázích sukcese mohou koexistovat III. při vysoké míře narušení druhová bohatost klesá z důvodu narůstajícího přesunu druhů https://en.wikipedia.org/wiki/Intermediate_disturbance_hypothesis Wilkinson, David M. (1999). "The Disturbing History of Intermediate Disturbance". Oikos. 84 (1): 145–7. EKOLOGIE STRESU 1) molekulární a ekofyziologická úroveň 2) stres na úrovni buněk 3) stres na úrovni organismů EKOLOGIE STRESU – MOLEKULÁRNÍ ÚROVEŇ 1) cold exposure at the molecular level, describes how cell membranes and protein structures are affected by low temperatures (Cossins) 2) altering the ratio of unsaturated to saturated lipids to increase the fluidity of membrane structures at lower temperatures 3) the production of metabolites, such as glycerol, that depress the freezing point of cellular fluids and stabilise protein structures 4) the expression of heat shock proteins to protect proteins from damage that can lead to cell death EKOLOGIE STRESU – MOLEKULÁRNÍ ÚROVEŇ Moře kolem Antarktidy představuje extrémní podmínky, ale zároveň se vyznačuje dlouhodobou (25 mil. let) teplotní stabilitou – vývoj chladnomilných organismů s malou tolerancí k výkyvům teploty. Lloyd Peck and colleagues from the British Antarctic Survey, UK, and the European Institute of Marine Studies, France • u druhů ryb žijících v antarktických mořích byla zaznamenána 4x pomalejší adaptace ke zvyšující se teplotě (změny klimatu) než u druhů z mírného pásu • mořské druhy z antarktických a tropických oblastí jsou přizpůsobeny k malému kolísání teploty – snášejí hůře zvyšovaní teploty ve srovnání s biotou mírného pásu EKOLOGIE STRESU – MOLEKULÁRNÍ ÚROVEŇ • ryba fundul mumiový obývající přímořské mokřady na východním pobřeží USA vykazuje následující variabilitu tolerance vůči teplotě, salinitě, saturaci kyslíkem: https://en.wikipedia.org/wiki/Mummichog#/media/File:Mummichog.jpg Fundulus heteroclitus (Linnaeus, 1766) fundul mumiový • v severní oblasti větší tolerance vůči nízké teplotě a sladkovodnímu prostředí • v jižní oblasti větší tolerance vůči vysoké teplotě a méně tolerantní vůči sladké vodě EKOLOGIE STRESU – MOLEKULÁRNÍ ÚROVEŇ • stabilní podmínky v laboratoři mohou představovat stres pro jedince zvyklé na variabilitu prostředí v přírodních podmínkách EKOLOGIE STRESU – ORGANISMÁLNÍ ÚROVEŇ • u obratlovců jsou při stresu vylučovány glukokortikoidní hormony • při dlouhodobém trvání stresu (hladovění, nadměrná hustota jedinců) dochází působením hormonů k poškozování organismů • vyšší citlivost k infekcím, snížený růst, plodnost, délka života • stres také ovlivňuje délku koncových částí chromozómů (teloméry) – indikátor dlouhověkosti • stres může rozvíjet i inhibovat dlouhodobou paměť organismů EKOLOGIE STRESU – BUNĚČNÁ ÚROVEŇ 1) Protein teplotního šoku (hsp - heat shock protein) je označení pro skupinu proteinů, které zajišťují univerzální stresovou odpověď buněk, například při vystavení buňky vysoké teplotě, extrémnímu pH nebo třeba těžkým kovům. Váží se na nesbalené proteiny, chrání je či pomáhají jejich sbalení (chaperonová aktivita). Figure 1.2: Functions of Heat shock proteins. Two of functions of heat shock proteins. A: As new proteins are being produced; heat shock protein assist in the folding of protein into functional proteins. B: After stress, heat shock proteins also assist in refolding or degradation of damaged or denatured proteins. (Modified from Whitley et al., 1998.) EKOLOGIE STRESU – EKOFYZIOLOGIE RESILIENCE X REZISTENCE rezistence – akt vzdorování nebo schopnost vzdorovat rezilience - schopnost vyrovnat se se změnou RESILIENCE X REZISTENCE RESILIENCE X REZISTENCE Holling (1973) used the term ‘‘ecological resilience’’ in relation to the stability of ecosystem structure and function (reviewed in Peterson et al., 1998 & Gunderson, 2000). rezistence – rozsah změny struktury společenstva způsobené disturbancí (vydržet nebo uniknout) rezilience – schopnost následné obnovy RESILIENCE X REZISTENCE The aerial life-stage of aquatic insects, for example, is sometimes considered a drought-resistant adaptation as well as a resilience strategy Likewise, desiccation-resistant life stages (e.g., resting eggs), which are clearly resistance adaptations to drying, are also viewed as traits supporting resilience by providing a pioneering advantage to the organisms that remain on site and can therefore rapidly re-colonize restored sites PŘÍKLAD 1 PŘÍKLAD 1 PŘÍKLAD 2 pokles kyslíku ve vodě • vyhledávání míst s vyšší koncentrací (nebo nižší teplotou) • dýchací pohyby (pošvatka), zapojení jiného způsobu dýchání (čolek) • omezení příjmu potravy • další adaptace jsou energeticky náročné PŘÍKLAD 2 mechanický stres a vodní rostliny PŘÍKLADY • Fyzikálně-chemické faktory teplota, pH, salinita, mechanický stres, toxické látky • Aspekty vázané na zdroje světlo, živiny (C, N, P), voda, kyslík, organismy (jako potrava), prostor • Ekologické aspekty predace, densita (kompetice), parazitismus