MU CBÄ CENTRUM BIOSTATISTIKY A ANALÝZ Lékařská a Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita <**"*/> Analýza biodiverzity Indexy biodiverzity / Analýza biodiverzity Biodiverzita ? Místo na Zemi -^ žijí zde organismy, tj. je zde biodiverzita -^ jak ji popsat, vysvětlit a co to znamená ? Dvě složky biodiverzity: Různorodost - počet různých organismů (kvalita) Relativní abundance - poměr výskytu organismů (kvantita) tf v* ^ OOC^i dH ♦♦♦♦♦♦ Vlastnosti taxonů c=> ekologické <=> fyziologické (=i etologické <=> genetické Analýza populací c=i věková struktura populační dynamika Analýza společenstev <=^ biodiverzita sukcese společenstev interakce a dynamika společestva složky společenstva VÝUKA CBA CENTRUM BIOSTATISTIKY A ANALÝZ Analýza biodiverzity Typy biodiverzity ♦ Na biodiverzitu můžeme nahlížet z různých pohledů: ♦ Taxonomická diverzita - výskyt a četnost jedinců druhů nebo jiných taxonomických jednotek y^^^^i^^iP^j^jf^]/^ ♦ Genetická - výskyt různých kombinací alel v populacích organismů aa Aa AA ^ 0 ♦ Ekologická/funkční - funkce, kterou organismy vykonávají v rámci společenstva (predator, parazit, dekompozitor, sesilní <3> mobilní organismy atd.) ♦ Fyziologická/biochemická diverzita - způsoby a biochemické dráhy používané organismy k zpracování substrátu VÝUKA CBA CENTRUM BIOSTATISTIKY A ANALÝZ Analýza biodiverzity Taxonomie Různorodost organismů (kvalita) ♦ Určení minimální kvalitativní jednotky odpovídá typu biodiverzity, kterou chceme postihnout ♦ Použití různých typů rozdělení organismů poskytuje různé pohledy na složení a typ jejich společenstva, proto je vhodné použít při hodnocení více možností kvalitativního přístupu ♦ V případě některých organismů lze použít pouze určité přístupy k jejich biodiverzitě (např. z důvodu nedostatku informací nebo nemožnosti některých postupů) O »OH m\ KP\ £Q> Skupiny - ekologie, etologie, fyziologie VÝUKA CBA CENTRUM BIOSTATISTIKY A ANALÝZ Analýza biodiverzity Kvantita organismů ♦ Kvantita organismů může být měřena různými způsoby Počty *a §>eOs 5>E Biomasa Aktivita ♦ Různé způsoby měření mají použití pro určité typy organismů nebo za určitých situací ♦ Kvantita organismů odráží obsazení prostředí organismy -lze analyzovat vzhledem k parametrům a historii daného prostředí tQ> »Q> iQ> ofojol O ^C3 £k3> o w*| m ♦ o o ♦ €^ o ok^okřM op>k^k^k^k^ o o tQ> o íQ>\q>\ VÝUKA CßA CENTRUM BIOSTATISTIKY A ANALÝZ Analýza biodiverzity Definice biodiverzity ♦ Biodiverzita je odrazem pestrosti organismů V, ♦ V zcela nejjednodušším významu odpovídá biodiverzita počtu druhů ♦ V složitějším významu odráží také relativní abundance taxonů, tj. strukturu společenstva ♦ Kromě druhového složení je možné popisovat diverzitu i na nižší nebo vyšší úrovni než je organismus ♦ Příkladem nižší úrovně může být např. genetická diverzita druhu ♦ Příkladem vyšší úrovně jsou např. ekologické skupiny organismů ♦ V celkovém důsledku ji lze definovat jako komplexní pohled (taxonomický, ekologický, genetický) na složení společenstva organismů VÝUKA «Sr CENTRUM BIOSTATISTIKY A ANALÝZ Analýza biodiverzity Problémy s biodiverzitou - co znamená větší diverzitu ? y *&>"< X VYUKA 50 40 30 20 10 CBA CENTRUM BIOSTATISTIKY A ANALÝZ Analýza biodiverzity Indexové hodnocení diverzity *s*= Indexy Počet druhů Dominance Počet druhu a jejich vyrovnanost VÝUKA CBA CENTRUM BIOSTATISTIKY A ANALÝZ Analýza biodiverzity Počet druhů ♦ Mezi indexy této skupiny patří skutečný počet druhů a Margalefuv a Menhinicksuv index, které váží počet druhů počtem jedinců ♦ Nevýhodou je, že není nijak postihován tvar společenstva (species abundance curve), tj. vzájemné poměry abundancí taxonů Margalefuv index Menhinickuv index D Mg = (S-l) InTV DMh = S Viv VÝUKA CBA CENTRUM BIOSTATISTIKY A ANALÝZ Analýza biodiverzity Dominance ♦ Tyto indexy zjišťují, zda jsou ve společenstvu přítomny silně dominantní druhy nebo je společenstvo spíše vyrovnané ♦ Hodnoty indexů jdou opačným směrem než v případě indexů počítajících s vyrovnaností a počtem druhů (Shannon, Brillouin) a proto se často používá jejich odpočet od jedné nebo převrácená hodnota Simpson index Berger Parker index *>=i m(rii-l) N(N -1) v J d = N max N VÝUKA CBA CENTRUM BIOSTATISTIKY A ANALÝZ Analýza biodiverzity Vyrovnanost společenstva a počet druhů ♦ Doplňkem těchto indexů je tzv. evenness, která je počítána jako podíl indexu skutečného společenstva a teoretické maximální hodnoty pro daný počet druhů (tj. pokud by měly zcela vyrovnané abundance) - evennes vlastně vyjadřuje jak moc je reálné společenstvo vzdáleno od maximální vyrovnanosti L Do této skupiny patří Shannonuv a Brillouinův index, liší se od sebe použitím, Brillouinův index by měl být používán pouze pro skutečně vzorkovanou část společenstva (příkladem mohou být infrakomunity parazitů, kdy sesbíráme všechny parazity na hostiteli), Shannonuv index při výpočtu uvažuje, že část společenstva vzorkována nebyla VÝUKA CBA CENTRUM BIOSTATISTIKY A ANALÝZ Analýza biodiverzity Shannon index ♦ nje abundance i-tého druhu, N celkový počet jedinců a S počet druhů Shannonův index fí'= _^ pi \n pi p. = m N Shannonův index s korekcemi rj, X- ! S -l 1-Z^"1 Z^"1"^"2) H = ~2^ pi In pi---------+----=-z— + —---------:------- N 12N- 12N- Shannon evenness E = Hr Hr H max In S VYUKA CBA CENTRUM BIOSTATISTIKY A ANALÝZ Analýza biodiverzity Brillouinův index ♦ Možným problémem při výpočtu je neschopnost Excelu spočítat faktoriál více než 160, lze obejít použitím logaritmu Brillouinův index HB = lnM-^lnwi! N Brillouin evenness E = HB' HB max HBmm = — In - max N N\ N VL^jy N VVL^J \ + 1 J \ J kde N_ S je celá část N_ a r=N-S N_ VÝUKA CBA CENTRUM BIOSTATISTIKY A ANALÝZ Analýza biodiverzity Q statistic I ♦ Měřítko sklonu křivky abundancí kumulativního počtu druhů Q = i R1~l i — nm + y ľlr + — nR2 log (R2\ KR\j 35 n S 30 \ "c 25 \ o o 20 J Q. i15 i 101 I « 0 -I- #• .* • 10 100 Abundance (log) Inr - celkový počet druhů mezi kvartily S - celkový počet druhů ve vzorku R1 a R2 - 25% a 75% kvartil nR1 - počet druhů ve třídě, do níž spadá dolní kvartil počtu druhů nR2 - počet druhů ve třídě, do níž spadá horní kvartil počtu druhů R1 - počet jedinců ve třídě, do níž spadá dolní kvartil počtu druhů R2 - počet jedinců ve třídě, do níž spadá horní kvartil počtu druhů 1000 VÝUKA CBA CENTRUM BIOSTATISTIKY A ANALÝZ Analýza biodiverzity Q statistic II ♦ Dalším způsobem výpočtu je odhad hodnoty Q S: -S 35 n 30 \ J J X' ~ f, log(^) 3 "o 25 o 0 20 Q. i15 1 10 I » 0 .*• .• 10 100 Abundance (log) 1000 je počítán pro všechny páry Sj a S j' a Nj a N j' (j > \ , j=1,2, S - kumulativní počet druhů N - počet jedinců ve třídě r- počet tříd a (i=1,2,......r(r-1)/2) ■r) Z vzniklé řady čísel je Q zjištěno jako medián nebo geometrický průměr VYUKA CBA CENTRUM BIOSTATISTIKY A ANALÝZ Analýza biodiverzity Algoritmy v MS Office ♦ Programy MS Office obsahují plnohodnotný programovací jazyk MS Visual Basic - v tomto jazyce jsou také psána makra ♦ Pomocí maker (Visual Basicu) lze ovládat všechny části programů Office -tabulky, databáze, grafy atd. a ve spojení s formuláři vytvářet i složitější aplikace ♦ Pro zjištění složitějších příkazů je vhodné analyzovat klasická makra J^MM«l:IMffllBWMMI.BEimran ^ File Edit View Insert Format Debug Run Tools Add-Ins Window Help :§ii-BU^eft|""| > n ■ m ' %f ^ fr* ■* I gj I m i, coi i I Nápověda - zadejte dotaz ^ _ if x^ Proiect - VBAProiect m ei |[ö] + %§. atpvbaen.xls (ATPVBAEN.XLA) + |ŕÍ Button (Button.Hla) S-tí Funcres (FUNCRES.XLA) É■■■%&. VBAProject (IndeKy.Kls) B-S Microsoft Excel Objects ■([] Listl (Input) 8 ThisWorkbook Forms É-Q Modules -*££ GlobVar ■ir*l£ IndexyDiv -*$£ InputData ■*•>£ OutputRes ■^ŕᣠVýpočty I (General) t| I Input Dat Sub InputDat() 1 počet radku a sloupců Selection.Rows.Count Selection.Columns.Count načteni matice druhu SjJ____I VÝUKA CBA CENTRUM BIOSTATISTIKY A ANALÝZ Analýza biodiverzity Proměně Proměnné slouží pro ukládání výsledků, dat atd., je vhodné je definovat, definice se skládá z jména proměnné a jejího typu Základní typy proměnných: Double - reálná čísla Long - celá čísla String - text Objekty -jako proměnná mohou být definovány například grafy, listy Excelu atd., s každým objektem je spjata sada jeho parametrů, které je možné nastavit, např. data a formát grafu Dim jménoProměnné As Double definice proměnné Dim jménoPoleO As Double definice dynamického pole (pole=matice, tabulka), následuje jeho dimenzování ReDim jménoPole(1 to 10, 1 to 2) - dvourozměrné pole 10x2 buněk VÝUKA «Sr CENTRUM BIOSTATISTIKY A ANALÝZ Analýza biodiverzity Základní příkazy Ohraničení programu/makra r r Cyklus s počtem opakování Sub jméno_Makra() For i = 1 To r End Sub Next i Podmínka - větvení Cyklus s podmínkou If (podmínka) Then Do Else Loop Until (podmínka) End if Do While (podmínka Loop VYUKA CBA CENTRUM BIOSTATISTIKY A ANALÝZ Analýza biodiverzity Načtení dat Sub InputDatO ' počet radku a sloupců r = Selection.Rows.Count s = Selection.Columns.Count ' načteni matice druhu ReDim Matice(r + 1, s + 1) For i = 1 To r For j = 1 To s Matice(i, j) = Selection.Cells(i, j) Next j Next i ♦ Data označená v listu jsou označena jako Selection, jednotlivé buňky oblasti mohou být adresovány pomocí Selection.Cells(i, j), kde i a j jsou souřadnice ve vybraných datech (obdoba A1 adresování v listu Excelu) a načteny do normálních proměnných ♦ Velikost selekce jako základ informace pro její načtení je zajištěna příkazy Selection.Rows.Count Selection.Columns.Count End Sub VYUKA CBA CENTRUM BIOSTATISTIKY A ANALÝZ Analýza biodiverzity Výpis dat Worksheets.Add after:=Worksheets("lnpuť) ActiveSheet.Name = "Indices,, Cells(1, 1) = "Locality" Cells(1, 2) = "Number of species,, Cells(1, 3) = "Number of parasites,, První dva příkazy vytváří v sešitu nový list a pojmenovávají jej, jednotlivé buňky listu jsou adresovány pomocí příkazu Cells(i, j), kde i, j představují souřadnice buněk v listu (obdoba A1 adresování) VÝUKA CBA CENTRUM BIOSTATISTIKY A ANALÝZ