Základy ekologie Doc. RNDr. Milan Gelnar, CSc. Doc. RNDr. Michal Hájek, PhD Ústav botaniky a zoologie, PřF MU, Brno Čtvrtek 8.00 – 10.00 (distanční výuka – viz IS) 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 •Evoluční ekologie, životní strategie, evoluční kompromisy, reprodukční strategie, allometrické vztahy, vliv velikosti. •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) Doc. RNDr. Milan Gelnar, CSc. C:\Users\para\Desktop\ZK\IMG_20161122_132124_1.jpg Doc. RNDr. Michal Hájek, PhD Osnova přednášky •Úvod – sylabus přednášky - vyučující •Studijní literatura •Co je a není ekologie ? Základní definice a pojmy •Stručná historie ekologie •Ekologie jako věda, metody ekologického výzkumu •Základní koncept ekologie •Ekologická hierarchie, ekologie jako komplexní věda •Ekologické faktory •Ekologie versus evoluce •Adaptace a tolerance •Ekologická valence a ekologická nika •Evoluce a procesy speciace, divergence, konvergence Doporučná literatura Co je to 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. Ekologie není synonymem životního prostředí, environmentalismu, dějin přírody, nebo věd o životním prostředí. Úzce souvisí s evoluční biologií, genetikou, a etologií ale i s množstvím dalších disciplín a subdisciplín (záleží na konkrétním předmětu zkoumání). Důležitým cílem pro ekology je zlepšit porozumění toho, jak biodiverzita ovlivňuje ekologickou funkci. Ekologové se snaží vysvětlit: Životní procesy, interakce a adaptace organismů Pohyb materiálu a energie prostřednictvím živých společenství Sukcesi a rozvoj ekosystémů Počet a distribuci organismů a biologickou rozmanitost v rámci životního prostředí Co je a není ekologie 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 •Globální ekologie •Teoretická ekologie •Ekologická statistika •Imunoekologie •Molekulární ekologie • • Ekologie a systém biologických věd Biologický dort – Odum (1977) Biologické disciplíny blízce příbuzné ekologii Systém ekologických věd •obecná ekologie: zabývá se obecně platnými ekologickými principy. •ekologie mikroorganismů, ekologie rostlin, ekologie živočichů, ekologie člověka: zabývají se vztahy mezi příslušnými organismy a prostředím. •ekologie moře: vztahy mezi organismy a prostředím v mořích. •ekologie lesa: nauka o lesním prostředí •ekologie krajiny: souvislosti mezi částmi krajiny, změny v krajině (včetně důsledků činností člověka). •ekologie globální: souvislosti a změny na celé planetě Zemi a jejich vliv na život. •aplikovaná ekologie: zabývá se praktickou aplikací ekologických poznatků •produkční ekologie: zabývá se produkční analýzou trofických úrovní a koloběhem hmoty a energie v ekosystému • 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 Nové hraniční obory ekologie •agroekologie: zkoumá zemědělské organismy z pohledu jejich vnějšího prostředí; využívá metody ekologie a agronomie. •bioekologie: •ekofyziologie: zabývá se studiem změn a adaptací fyziologických funkcí souvisejících se změnami prostředí •ekoimunologie: sleduje vliv prostředí a jeho změn na práci a efektivitu imunitního systému •ekologie obnovy: zabývá se obnovou ekosystémů do původního stavu (viz též rekultivace, revitalizace vodních toků a meliorace) •ekotoxikologie: kombinuje poznatky vědy studující ekosystémy (ekologie) a vědy studující interakce chemických látek s živými organismy (toxikologie), je součástí toxikologie životního prostředí, je však zaměřena na studium vlivu toxických látek na dynamiku populace uvnitř ekosystémů •environmentalistika: zabývá se vztahem člověka a životního prostředí. Tvoří tak doplněk ekologie. • •Digitální ekologie •environmentální dějiny: •geobotanika (ekologická botanika):. • • • •globalistigeonika: sleduje dopady činností člověka a jím vyvolaných aktivit na přírodní prostředí a interakci přírodního a antropogenního prostředí. •gradologie: zabývá se gradacemi, jejich příčinami a důsledky; je zaměřena na problematiku přemnožování škodlivých druhů v zemědělství a lesnictví. •historická ekologie (archeoekologie): zabývá se historickým vlivem člověka na ekosystémy a naopak v období holocénu. •krajinná ekologie (geoekologie; environmentální geografie): zabývá se studiem komplexní struktury vztahů mezi společenstvy organismů (biocenózami) a podmínkami jejich prostředí v určitém výseku krajiny. Využívá metody ekologie, fyzické geografie a geologie. •Informační ekologie •lesnická ekologie: zabývá se ekologií lesů. •lidská ekologie (ekologie člověka; humánní ekologie; sociální a kulturní ekologie; humanitní environmentalistika): hledá porozumění světu přírody i člověka v jejich jednotě a strategie porozumění vedoucí k řešení globálních i místních problémů. •myslivost: soubor činností prováděných v přírodě ve vztahu k volně žijící zvěři jako součásti ekosystému. •paleoekologie: používá data z fosilií a subfosilií k rekonstrukci ekosystémů minulosti. • Aplikace ekologického myšlení •Existuje mnoho praktických aplikací ekologického myšlení v ochraně přírody, řízení přírodních zdrojů (např. agroekologie, zemědělství, lesnictví, agrolesnictví, rybolov), urbanismu (ekologie města), komunitním zdraví, ekonomii, základní a aplikované vědě, stejně jako v lidských sociálních interakcích (ekologie člověka). •V původním a správném významu je tedy ekologie věda, která se zabývá vztahem organismů a jejich prostředí a vztahem organismů navzájem. Jako první tak nazval a definoval tento vědní obor Ernst Haeckel v roce 1866. •Dále se pojem ekologie užívá chybně v širokém smyslu jako ochrana životního prostředí nebo dokonce místo přírodní prostředí (např. ekologicky šetrný výrobek znamená výrobek šetrný k životnímu prostředí). Toto užití - viz ochrana přírody. •Ekologie se také nepřesně používá pro označení ideologie environmentalismu (tzv. hlubinná ekologie, je subdisciplína ekologie, která je základním přesvědčením radikálního ekologického hnutí ). Toto užití - viz ekologismus nebo environmentalismus. Ekologie vychází a čerpá z řady vědních disciplín: biologie, meteorologie, klimatologie, geologie, geografie, fyzika, chemie, antropologie, lékařské vědy (hygiena), ekonomie, právo, historie, psychologie, technické vědy. Ekologie jako exaktní věda •Metody ekologického výzkumu Ekologie jako exaktní věda 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 Příklad analýzy ekologického vztahu Pozitivní vztah mezi N a produkcí Jednoduchý model lineární regrese Ekologie jako experimentální věda Organismus Biocenóza Prostředí Základní ekologický systém Základní koncepty studia ekologie •Studované ekologické systémy mohou být tak malé jako je velikost určitého organismu a tak veliké jako je celá biosféra •Ekologové studují přírodu vždy na různých úrovních •Rostliny, živočichové a mikroorganismy hrají v ekologických systémech vždy různé/rozdílné role •Pojem habitat definuje místo, kde organismus žije, nika pak jeho funkci •Ekologické systémy a procesy mají vždy svůj charakteristický rozměr v prostoru a čase •Ekologické systémy a procesy jsou řízeny na základě fyzikálních a biologických principů • •Ekologové studují přírodu vždy metodami založenými na pozorování a nebo na experimentu • •Člověk (lidská společnost) tvoří významnou část biosféry • •Vliv člověka na přírodu má v ekologii stále větší význam 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 a dochází k diverzifikaci druhů ? Předpokládané počty druhů Různé biolopgické funkce organismů •Prokaryota (Archaebacteria, Eubacteria) – jednoduché organismy bez buněčného jádra, vysoká rozmanitost chemických reakcí, mají obrovský ekologický význam jako součást elementárních cyklů v ekosystému • •Protista – extrémně rozmanitá skupina většinou jednobuněčných organismů majících buněčnou membránu a jiné buněčné organely • •Zelené řasy – jedna z linií fotosyntetizujících protistů, odpovídají za většinu biologické produkce ve sladkovodních ekosystémech •Zelené rostliny – komplexní, primárně terestrické fotosyntetizující (autotrofní) organismy, fixují většinu organického uhlíku v biosféře • •Houby – primárně terestrické heterotrofní organismy obrovského významu jako rozkladači recyklující organický odpad v ekosystému. Mnoho patogenních a symbiotických forem. • •Živočichové – akvatické a terestrické heterotrofní organismy živící se jinými formami života nebo jejich organickými zbytky. Jejich komplexita a mobilita vedla k obrovské diversifikaci jejich životních forem. • Hierarchie biologických systémů Princip enkapse Hierarchie biologické systémů •Ekologie je zabývá především těmito základními stupni biologické organizace/hierarchie: • –Jednotlivým organismem –Populací složenou z jedinců téhož druhu –Společenstvem – složeným z většího či menšího počtu populací –Ekosystémy – složenými z většího či menšího počtu společenstev – • 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/metodické úrovně ekologie Úroveň porozumění procesům biologické integrace Studium ekologie podle hierarchické úrovně zkoumaných objektů •Úroveň jedince (autekologie): nejužší pojem, týká se pouze vztahu jednoho konkrétního jedince k ostatním jedincům, nebo k okolnímu prostředí. Výměna energie a látek s prostředím, přežívání a rozmnožování, základní jednotka přírodního výběru, chování. Příklad: ekologie zajíce •Úroveň populace (demekologie): zabývá se vztahy mezi soubory jedinců stejného druhu (populace) a prostředím. Dynamika populace v prostoru a čase, základní jednotka evoluce. Příklad: ekologie zaječí populace, osídlující podhorské louky v Pošumaví. •Úroveň společenstva (synekologie): se zabývá vztahy mezi souborem jedinců různých druhů pobývajících na jednom stanovišti (společenstvo). Interakce mezi populacemi, základní jednotka biodiversity. Příklad: ekologie bukového lesa. •Úroveň ekosystému (ekologie biomu): zabývá se nejvyšší úrovní přírodních objektů (biom), je blízce příbuzná biogeografii, tedy nauce o rozmístění organismů na Zemi. Tok energie látek v prostředí. Příklad: ekologie středoevropských opadavých lesů. •Úroveň biosféry (globální ekologie): studuje procesy v biosféře, zabývá se globálními ekologickými, ale i sociálními problémy, které s ekologií souvisí. Různé části/komponenty biosféry jsou vzájemně propojeny pohyby vzduchu, vody a organismů. Globální ekologie je blízká globalistice. Ekologie je komplexní věda Organismus Biocenóza Prostředí Co to jsou ekologické faktory a jak působí ? Jak působí ekologické faktory na organismus ? Organismus Teplota Vlkost Světlo Oheň Biocenóza Kompetice Proudění Znečištění Jaké jsou základní ekologické faktory ? •Co je a není ekologický faktor ? •Můžeme tyto faktory nějak členit/klasifikovat ? • •Podle povahy působení ? •Fyzikální, chemické, klimatické, environmentální, akvatické, terestrické, edafické, etologické, sociologické atd. atd. •Odtud např.: • •Abiotické versus Biotické •Podmínky versus Zdroje • •Na co všechno působí tyto faktory ? •Jak tyto faktory vůbec vznikají ? Co je generuje ? •Mohou mezi nimi být nějaké souvislosti/interakce? • Vítejte ve Vesmíru 1) Dobré umístění (Země o 15% dále od Slunce – zamrzly by oceány; kdyby o 5% blíže - vypařila by se voda) 2) Správný typ planety (tekuté magma – průnik plynů na povrch – podmínka vzniku atmosféry) 3) Země je dvojitá planeta (Měsíc udržuje Zemi ve správném úhlu a rychlosti otáčení kolem osy – podmínky pro vznik a udržení života) 4) Správné načasování – 65 MIL extinkce dinosaurů – podmínky pro nástup savců včetně člověka Základní struktura planety Země 1)Lithosféra 2)Hydrosféra 3)Atmosféra 4)Biosféra 5) A)Zemské jádro B)Plášť C)Zemská kůra Vývoj vesmíru a lidstva (Kurzweil, 1999) •před 10 až 15 miliardami zrod vesmíru •o 10-43 vteřiny později vzniká gravitace •1 MLD po Velké třesku - vznik galaxií •5 MLD – vznik Země •3,4 MLD – anaerobní prokaryota •1,7 MLD – jednoduchá DNA •700 MIL – mnohobuněčné R a Ž •570 MIL– kambrijská exploze •80 MIL – počátek rozvoje savců •65 MIL – vyhynutí dinosaurů •50 MIL – antropoidní primáti •15 MIL – první hominidi •5 MIL – Homo habilis – nástroje •2 MIL – Homo erectus – oheň, jazyk, zbraně •100 000 let – Homo sapiens neandrtalensis •90 000 let – vznik Homo sapiens sapiens •40 000 let – Homo s. sapiens – jediný hominid – technologie •10 000 – neolitická revoluce •6 000 v Mezopotámii první města •496-332 př.n.l. – Sokrates, Platon, Aristoteles – racionalistická filosofie •1543 – Mikuláš Koperník (heliocentrismus) •1687 – Isaac Newton – zákony pohybu a gravitace •1859 – Charles Darwin – evoluce •1900 – telegraf – celosvětově •1939 – komerční lety přes Atlantik •1961 – J. Gagarin – 1. kosmonaut •1971 – kapesní kalkulačka •1981 – na trhu první PC – IBM •1990 – vznik WWW •1997 – počítač Deep Blue poráží šachového velmistra Garry Kasparova •1998 – WWW celosvětové rozšíření • • Model sluneční soustavy Ekologické faktory a planetární pohyby •Rotace Země kolem Slunce – roční cyklus – sezónnost – teplota, fotoperioda, délka světelného dne (např. jaro, léto, podzim, zima) • •Rotace Země kolem své osy – denní cyklus (střídání noci a dne) • •Rotace Měsíce kolem Země – měsíční cyklus – mořské dmutí (příliv a odliv) • Rotace Země kolem Slunce Tok energie ze Slunce na Zemi Solární energie dopadající na Zemi Cyklus Měsíce a průměrný měsíční příliv Pozice Slunce, Měsíce a Země ve vztahu k přílivu je zásadní Distribuce typů přílivů - semidiurnálního, smíšeného semidiurnálního a diurnálního Planetární pohyby a cykličnost ekologických faktorů ? •Podle cykličnosti ? •Které faktory to jsou ? •Jaké budou na ně adaptace u různých organismů ? • •Cykličnost se odvozuje od planetárních pohybů ! • •Mohou mít faktory prostředí hierarchický charakter ? • • Ekologické faktory podle cykličnosti I • •Primárně periodické: •Teplota, světlo, mořské dmutí • •Sekundárně periodické: •Vlhkost, hustota, viskozita, rozpustnost plynů, potravní faktory, biologické interakce, oheň, zemědělství, • •Neperiodické: •Sopečná činnost, zemětřesení, živelné katastrofy (tsunami), katastrofy působené člověkem • Členění ekologických faktorů II • Podmínky •Teplota •Světlo •Vlhkost •Hustota •Viskozita •Proudění •Znečištění • • • Zdroje •Záření jako zdroj •Anorganické molekuly jako zdroj (CO2, H2O, O2) •Organismy jako zdroj (sezónnost, nutriční hodnota, počet samic) •Prostor jako zdroj Členění ekologických faktorů III • Abiotické •Teplota •Vlhkost (Voda) •Světlo •Půda •Oheň •Znečištění • • Biotické •Natalita a mortalita •Populační dynamika •Hustota populace •Kompetice •Biologické interakce •Antropogenní vlivy • • Pokračování - Ekologie úvod – část II •Evoluce versus ekologie •Historie biologické evoluce – Charles Darwin •Adaptace, valence, ekologická nika •Divergence versus konvergence •Procesy speciace •