Země – planeta vody Osnova přednášky •Ekologický význam vody •Druhy a typy vod •Hydrologický cyklus •Fyzikálně-chemické vlastnosti vody •Základní ekologické faktory vodního prostředí •Topografické členění sladkých vod •Základní charakteristiky mořského prostředí • • • • • Ekologický význam vody •Význam vody pro vznik a vývoj života •Výskyt vody, její druhy a zdroje •Hydrosféra •Vlastnosti vody •Základní ekologické faktory vodního prostředí •Typologie mořských a sladkovodních ekosystémů •Základní charakteristika mořského prostředí a brakických vod Země - struktura povrchu •Vnitřní struktura Země •Vnitřní stavba Země Význam vody pro vznik a vývoj života •Moře - kolébka života – ideální vlastnosti mořské vody: • •Stálé chemické a fyzikální vlastnosti •Velkou rozpouštěcí schopnost •Velké povrchové napětí •Velkou tepelnou kapacitu • •Vznik života v moři – mnoho nižších rostlin a všichni mořští bezobratlí mají ve svých buňkách stejnou osmotickou hodnotu jako mořská voda. •Mořská vody je pro ně ideální fyziologický roztok. Země - kolébka života •Chemické složení a fyzikální vlastnosti Země •Hlavní události vývoje na Zemi Voda – základní údaje •Moře a oceány – 70,8 % •Plocha oceánů – 361, 18 miliónů km2 •Plocha souše – 149,39 miliónů km2 • •Střední hloubka oceánů - 3 795 m •Maximální hloubka oceánů – cca 11km •Sladká voda - cca 2% zemského povrchu •Na 1cm2 zemského povrchu připadá 273 l vody: • Z toho: 269 l mořská voda • 4,5 l led • 0,3 l sladká voda • 0,003 l vodní pára Rozdělení vody na Zemi •Oceány a moře – 97,2 % •Slané vody souší – 0,0008 % •Ledovce a věčný sníh – 2,15 % •Jezera, rybníky, nádrže – 0,009 % •Vodní toky – 0,0001 % •Podzemní voda – 0,62 % •Kapilární voda v půdě – 0,005 % •Voda v atmosféře – 0,001 % Rozdělení vody na Zemi Význam vody •Voda – stálá součást všech systémů – u vyšších živočichů a člověka tvoři největší podíl tělesné hmotnosti • •Nejvíce u zárodku: • ve stáří 1 měsíc – 95% hmotnosti • po narození – 75 – 80 % vody • v dospělosti – 60 % (70kg – 42kg vody) • •Voda v těle univerzální rozpouštědlo – umožňuje látkovou a energetickou výměnu • Rozdělení tekutin v lidském těle Obsah vody v těle a vodní bilance živočichů •Vodní živočichové % suchozemští živočichové % • •Venušin pás 99 žížaly 84-88 •Sasanky a medúzy 80-90 měkkýši 50-90 •Slávka jedlá 84 hmyz (dospělý) 50-90 •Štika obecná 80 kachna 70 •Pstruh obecný 75 skot domácí 52-60 • Hydrologický cyklus •Velký oběh •Malý oběh • •Voda v atmosféře – 12 700 km3 (25mm) •Průměrné množství srážek – 510 000 km3 •Doba jednoho koloběhu – 9 dní (40x za rok) Velký koloběh vody na Zemi Schéma hydrologického cyklu - kvantifikace Schéma oběhu množství vody Průměrný roční úhrn srážek na Zemi Odtokové procesy v krajině Fyzikálně-chemické vlastnosti vody Unikátní vlastnosti čisté vody • •Molekula vody je tvořena jedním atomem vodíků a dvěma atomy vodíku • •Různé konce molekuly vody mají různé elektrické náboje: • •O – záporný náboj •H – kladný náboj • •Opačné náboje se přitahují jako póly magnetu • •Vzniká tak tzv. chemická vazba – vodíkový můstek • •Tyto vazby jsou velmi slabé, díky nim má ale voda unikátní vlastnosti. • •Voda je vynikající rozpouštědlo ! • Prostorové uspořádání molekuly vody •Prostorové uspořádání (a); •3D zobrazení (b); schéma (c) Schéma vodíkových můstků Voda jako rozpouštědlo Voda je díky svých fyzikálně chemickým vlastnostem vynikající rozpouštědlo • •Proces rozpouštění krystalu NaCl: • •Na ionty – kladný náboj (+) •Cl ionty – záporný náboj (-) • •Vazby mezi ionty jsou silnější něž mezi molekulami vody, dochází k rozpouštění soli ve vodě. • •Molekuly vody obklopují ionty a to vede k oslabení jejich vazeb/působení na molekuly vody a jejich rozpuštění ve vodě. Struktura molekuly vody závisí na teplotě Mezimolekulární vazby v molekule vody Voda ve třech skupenstvích Skupenské teplo a změny skupenství vody Přenos tepelné energie Základní ekologické faktory vodního prostředí • Podmínky • •Teplota •pH vody •Salinita •Hustota •Hydrostatický tlak •Pásmovitost (zonace) •Proudění vody •Slapové jevy •Znečištění • • • • • Zdroje • •Záření •Oxid uhličitý •Kyslík •Minerální živiny •Organismy (potrava, samice) •Prostor – hloubka topografie vodního prostředí • Teplota vody •Teplota je míra tepelného stavu látky •Subjektivně vnímána jako pocity mrazu, chladu, horka •Objektivně měřena změnami některých fyzikálních veličin (např. objemu) •Ekologická definice tepla – sluneční energie přeměněná v energii tepelnou •Jeden ze základních životních předpokladů životních procesů všech živočichů včetně člověka •Důležitý faktor prostředí organismů. Zdroje tepla •Sluneční energie (infračervené záření) •Geotermální teplo (sopečná činnost, termální prameny) •Teplo antropogenní původu •Teplo uvolněné rozkladem organické hmoty • Změny teploty •Sezónní a denní cyklus •Zeměpisná šířka •Nadmořská výška •Změny s hloubkou •Kontinentalita •Mikroklimatická proměnlivost Termobiologické typy živočichů •Poikilotermní – ektotermní – jsou závislé na vnějších zdrojích tepla • •Homoiotermní – endotermní – regulují svou teplotu vytvářením tepla ve vlastní těle • Ekologická pravidla •Bergmanovo – v chladnějších podmínkách větší a hmotnější než v teplejších oblastech (tučňák císařský na pobřeží a ve vnitrozemí Antarktidy) • •Allenovo – v chladnějších oblastech kratší uši, ocasy, zobáky, končetiny (liška polární v tundře, fenek berberský v pouštích) • •Glogerovo – v teplejších a vlhčích oblastech jsou někteří živočichové tmavší než jejich příbuzné formy v suchých a chladných oblastech • •Jordanovo – určuje vztahy meristických znaků kostnatých ryb k teplé vodě Variace teploty vody s hloubkou moře • •S přibývající hloubkou dochází k poklesu teploty vody v mořích • •Termoklina je oblast prudkého poklesu teploty vody Srovnání profilu teploty vody v tropech, na pólech a v hloubkách Roční rozsah teplot vzduchu a teplota vody pH vody •pH jak v suchozemském, tak i ve vodním prostředí má silný vliv na výskyt a početnost organismů • •Reakce vody (pH) je podmíněna koncentrací vodíkových iontů. pH je určováno rovnovážnými stavy mezi kyselinou uhličitou a hydrouhličitanem vápenatým. • •Dešťová voda: pH = 5,65 •Mořská voda: pH = 8,1 – 8,3 •Sladká voda: pH = 3 - 10 Stupnice pH V kyselém prostředí klesá druhová rozmanitost •Zvýšená kyselost působí třemi způsoby: • •Znemožnění osmoregulace, aktivity enzymů nebo výměny plynů •Zvýšení koncentrace toxických těžkých kovů •Omezení kvality potravních zdrojů • •Tolerance organismů vůči pH •Euryiontní: • viřník Brabchiomus urcelaris: pH= 4,5- 11,0 • ploštěnka Planaria maculata: pH = 4,9-9,2 •Stenoiontní: • nálevník Spirostomum ambiguum: pH = 7,4 - 7,6 • perloočka Bythotrephes longimanus: pH = 7,3 - 9,0 Salinita •Obsah solí (salinita) vody je ovlivňován a především jejich polohou a podkladem •Sladkovodní (brakické) biotopy •Osmotické problémy živočichů – kolísání: 0,05-0,4%; ze solí převládají uhličitany •Mořské biotopy •Izotonické prostředí •Převládají chloridy – 35‰ •Vnitrozemská moře = 2 – 8 ‰ Proces difuze – rovnoměrná koncentrace Princip osmózy Regulace solí ve vodě Mořská ryba Sladkovodní ryba Sladkovodní původ mořských ryb •Moře = kolébka života (osmotické poměry bezobratlých, Cyclostomata, Elasmobranchii, Holocephali, Osteichthyes • •Ostracodermi = první známí obtratlovci ve sladkovodních usazeninách siluru a devonu (pancířnatí praobratlovci) •Mořské ryby: málo hypotonické moči, pijí mořskou vodu •Sladkovodní ryby: hodně hypotonické moči Vliv salinity na rozšíření a výskyt •Ústí moře do řeky – plynulý gradient • •Ryby tažné = cyklicky euryhalinní • •Ostatní ryby = euryhalinní nebo stenohalinní Hustota vody – závislost na teplotě Teplotní (fyzikální) anomálie vody a tvorba ledu Sezónní změny teploty vody ve sladkovodních jezerech mírného pásma Roční cyklus teploty ve sladkých stojatých vodách – fyzikální anomálie vody •Letní stratifikace vody podle teploty •Podzimní totální cirkulace vody •Zimní inverzní stratifikace vody •Jarní totální cirkulace vody • Hydrostatický tlak •Růst hydrostatického tlaku s hloubkou vody Proudění •Proudění vzduchu •Proudění vody –Proudění ve sladkých vodách –Proudění v oceánech a mořích • •Proudění (cirkulace) patří obecně k významným a místy se i periodicky opakujícím ekologickým faktorům • •Má velký vliv na aktivitu a rozšiřování živočichů • (např. water-born diseases) Proudění ve sladkých vodách Znázornění říčního kontinua Rozmístění velkých řek Cirkulace vody v oceánech a mořích Mořské proudy - dráha pohybu bot z nehody v roce 1990 a místa jejich nalezení. Oblasti zdvihu mořské vody Hromadění křemitého kalu Ukládání sedimentů v oblasti pasivního kontinentálního okraje Pásmovitost (zonace) – břehy a pobřeží •Biotopy nejsou stejné v celém svém rozsahu = mění se •1. zonálně •2. mozaikovitě •Podél gradientu podmínek vznikají uspořádání pásové neboli zonační – zonace •Zonace horizontální (břehy řek a moří) •Zonace kruhové (břehy jezer a rybníků, ostrovů nebo močálů) •Mozaika = mozaikovité společenstvo, Rozdíly životních podmínek v malých úsecích biotopu. Typická malá plošná rozloha a vzájemná závislost jednotlivých částí mozaiky (rašeliniště s bulty a šlenky, pískové duny s holými vegetací prostými plochami, parkový les) •Bulty – vyvýšeniny vytvořené polštáři rašeliníků, trsy ostřic nebo suchopýrů •Šlenky – sníženiny mezi polštáři nebo trsy vyplněné vodou Ekologické zonace Společenstvo zoo a phytoplanktonu Zonace versus Expozice •Expozice – vyjadřuje jak dlouho jednotlivé druhy vydrží v určitém prostředí – např. zonace mořského břehu •Zonace není pouze výsledek expozice ! •Expozice může znamenat více věcí, tj. kombinací např. vysychání, extrémní teploty, změny salinity, nadměrné osvětlení •Expozice může podmínit biologickou interakci, aniž by sama byla limitující •Expozice vysvětluje pouze horní hranici výskytu. Zonace je však dána i horní hranicí výskytu (např. mořské biotopy) • Základní ekologické faktory vodního prostředí • Podmínky • •Teplota •pH vody •Salinita •Hustota •Hydrostatický tlak •Pásmovitost (zonace) •Proudění vody •Slapové jevy •Znečištění (viz aplikovaná ekologie) • • • • • Zdroje • •Záření ve vodě •Oxid uhličitý •Kyslík •Minerální živiny •Organismy (potrava, samice) •Prostor – hloubka - typologie vodního prostředí • Záření - světlo jako zdroj •Biologické rytmy – pravidelné oscilace navozené různými faktory (délka dne, teplota vlhkost) •Fotoperioda - změny v délce světelné části dne příčinou sezónní periodicity života organismů • •Fotoperioda má mimořádný význam na reprodukci živočichů, synchronizuje dobu pohlavní aktivity s ročními sezónami Záření Průnik částí světelného spektra do vody • •Modré světlo proniká nejhlouběji. • •Červené naopak nejméně hluboko. Cykličnost - diapauza - dormance •Živočichové přečkávají v klidu nepříznivé období: •Kviescence – do klidové fáze vlivem vnějších podmínek •Diapauza – aktivní stádia se vyskytují jen v příznivém období •Hibernace – v klidu v chladné části roku •Estivace – snížení metabolismu v období sucha a tepla • •Cirkadiánní rytmy – diurnální, nokturnální, krepuskulární, indiferentní •Lunární rytmy – důsledek mořského dmutí. Měsíční kulminace – (Eunice viridis) • • • Sezónní variace produkce planktonu Záření Fotokinetické reakce •Světlo vyvolává polohové a pohybové reakce (positivní versus negativní) •Fototropismus – změna polohy přisedlých forem •Fotokineze – vyhledávání míst s nejlepším osvětlením •Fototaxe – pohyby směrované přímo ke světlu •Menotaxe – orientace podle světla světelný kompas) Záření Světlo a biochemický cyklus živin Tok energie v mořském ekosystému Výskyt mořských organismů závisí na teplotě mořské vody – teplotní oblasti Hlavní mořské biogeografické oblasti založené na teplotě vody Oxid uhličitý jako zdroj •Spolu s vodou a světelným zářením se přímo podílí na procesu fotosyntézy • •Energie záření, která je pohlcována chlorofylem, je využívána ke štěpení molekul vody, oxid uhličitý je redukován a uvolňuje se kyslík. • •Koncentrace CO2 je v atmosféře kolem 300ppm tj. kolísá zhruba od 0,027 – 0,033% • Fotosyntéza a dýchání Karbonátový systém Zdroje CO2 •Zdrojem je téměř výlučně atmosféra: •Hoření uhlíkatých látek •Dýchání živých organismů •Rozklad organických látek •Sopečná činnost •Znečištění ovzduší • •V průmyslových oblastech roste koncentrace až 10x •Termitiště CO2 až 50 x více •Doupata a nory zvířat – zvýšené hodnoty •Sopečná činnost – úhyny ptáků a savců • • Cyklické kolísání CO2 •Cirkadiánní kolísaní ve vodách •Rozpustnost závisí na obsahu solí, teplotě a tlaku •Vliv na poměry mezi uhličitanem a hydrouhličitanem vápenatým ve vodě •Teplá moře a limnické systémy snašší vylučování vápníku. •Živočichové zde žijící mají pevnější schránky, než v oblastech chladnějších a hlubinných Kyslík jako zdroj •Kyslík je pro živočichy a rostliny zdrojem • •Na souši – všude dostatek, pokles s nadmořskou výškou. Mount Everest (8848m) asi 8% vzduchu •V půdě – složení půdního vzduchu je jiné než v atmosféře •Ve vodě – obsah kyslíku je zde velmi proměnlivý. •Vliv na rozpustnost kyslíku ve vodě má teplota a tlak ovzduší •Nízká difuze a rozpustnost – ve vodě limitující faktor Rozpustnost O2 ve vodě •Speciální adaptace živočichů: • •Zajištění stálého průtoku vody kolem respiračních orgánů •Velký povrch respiračních orgánů •Pernaté výběžky vodních korýšů •Zvláštní respirační pigmenty (larvy pakomárů) •Musí se neustále vracet na hladinu (kytovci, želvy, čolci) • •Tolerance živočichů – euryoxybiontní (deficity kyslíku) x stenooxybiontní (torentilní úseky) •Zdrojem kyslíku je atmosféra a asimilace rostlin Absorpce kyslíku •Absorpční koeficient pro O2 je při teplotě 20 oC 1/32; pro N2 1/65 •V 1 litru vody je v nasyceném stavu 10,9mg O2 a 17,6 N2 •Relativní poměr O : N je proto ve vodě podstatně větší (1:2) než v atmosféře (1:5) •Vliv teplotní stratifikace vody •Vliv znečištění vody Látky rozpuštěné ve vodě Oligotrofní versus eutrofní jezera Prostor – typologie vodního prostředí •Ekologie sladkých vod •Ekologie oceánů a moří Prostorová struktura toku Topografické členění sladkých vod • Topografické členění •Prameniště - pramen, pramenná stružka •Potok – horní tok (pásmo pstruhové – horní a dolní) •Řeka – střední tok (pásmo lipanové, pásmo parmové) •Veletok – dolní tok (pásmo cejnové, brakická zóna) •Ústí toku – brakická zóna • • • • Ekologické členění •Krenal – eukrenal, hypokrenal • •Rhitral – epirhitral, metarhitral, hyporhitral • •Potamal – epipotamal, metapotamal, hypopotamal Teplota versus rychlost proudění •Souvisí s geologickým a topografickým podmínkami, které určují spád toku • •Prameniště – nejmenší kolísání s rozpětím do 5oC •Horní úsek toku – roční výkyvy do 10oC •Střední úsek toku – roční výkyvy nad 10oC •Dolní úsek toku – roční výkyvy nad 15oC Schéma prostorové struktury jezera Rozmístění velký jezer na Zemi Ekologie moře Studium mořských hlubin Vertikální struktura moří a oceánů Přílivová zóna moře Světové oceány Základní charakteristiky mořského prostředí Rozmístění hlavních oceánů a moří Světové oceány v číslech a procentech Složení mořské vody Porovnání hloubky oceánů a nadmořské výšky pevniny •Průměrné hloubky oceánů •Největší hloubka a největší výška Hypsografická křivka – zastoupení intervalů hloubek a výšek na Zemi v procentech. Schéma hlavních hloubkových zón oceánů a moří Satelitní snímek rozložení povrchové teploty vody moří a oceánů Rozložení průměrných povrchových teplot vody a mořské proudy Změny salinity v hloubce Závislost teploty a hustoty na hloubce • a)Závislost teploty na hloubce pro nízké a vysoké zeměpisné šířky. Vrstva, ve které dochází k výrazném změně hustoty se nazývá pyknoklina. b) b)Závislost teploty na hloubce pro nízké a vysoké zeměpisné šířky. Vrstva, ve které dochází k výrazné změně v teplotě vody se nazývá termoklina. c) c)Vetrikální průřez oceánem ukazuje závislost teploty a hustoty na hloubce. Typický profil salinity, teploty a hustoty vody v otevřeném oceánu Typická termoklina (a) profil mírného pásma (b) otevřený oceán Slapové jevy - Příliv jako ekologický faktor Leuresthes tenuis ve tření na pobřeží Kalifornie Pozice Slunce, Měsíce a Země ve vztahu k přílivu je zásadní Distribuce typů přílivů - semidiurnálního, smíšeného semidiurnálního a diurnálního Proudění vzduchu Cirkulace větru na severní polokouli Působení větru na vlny • Idealizovaná série vln Pohyb částic vody ve vlnách Profil vlny a rotace vodních částic Mechanismus vzniku přípoje Tok energie a účinnost potravního řetězce v oceánu Potravní řetězec v oceánu Hierarchická organizace druhů podle jejich trofického stupně a typu prostředí Degradace přírodního kapitálu Děkuji za pozornost