Ekologie a životní prostředí -...

Ekologie a životní prostředí

Biologie I 14. přednáška

Ekologie jako věda

14/2

studium vzájemných vztahů uvnitř přírody - vztahy mezi organismem a jeho životním prostředím - vzájemné vztahy organismů fyziologické reakce jedinců

struktura a dynamika populací interakce mezi druhy uspořádání biologických společenstev zpracování a využití energie a látek v ekosystémech ovlivnění organismů prostředím a prostředí organismy

Ekologie jako věda

14/3

úrovně studia

jedinec

populace

společenstvo

ekosystém

biosféra

krajina

Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN 978-0-321-77565-8)

Ekologie jako věda

14/4

základní pojmy

ekosystém - základní funkční jednotka přírody

přirozené ekosystémy

získávají energii potřebnou ke svému udržení obvykle ze slunečního záření

dlouhodobá rovnovážná koexistence organismů v definovaném a vůči okolní přírodě vymezeném prostředí

umělé ekosystémy potřebují ke své existenci ještě dodatkovou energii pocházející buď ze zdrojů neobnovitelných nebo obnovitelných či v nejlepším případě nevyčerpatelných zastavení přísunu dodatkové energie vede k návratu ekosystému do původního stavu

Ekologie jako věda

14/5

biotop = habitat, stanoviště

živé a neživé prostředí soubor vlivů, které vytvářejí životní prostředí všech zde žijících organismů

biocenosa společenstvo organismů žijících ve vzájemné rovnováze

soubor populací všech druhů rostlin, živočichů, hub a mikroorganismů, které žijí v určitém biotopu

biom dílčí oblast biosféry charakterizovaná určitým typem biotických a abiotických podmínek, které dávají vznik určitým charakteristickým typům rostlinných a živočišných společenstev

základní pojmy

Ekologie jako věda

14/6

populace skupina jedinců stejného druhu nacházejících se v jednom určitém místě v

daném čase

ekologická nika souhrn životních podmínek, které umožňují životaschopnou existenci populace

určitého druhu

základní pojmy

Ekologie jako věda

14/7

základní pojmy biom ekosystémy (většinou velmi rozsáhlé) s podobnými vlastnostmi - vodní (sladko- a slanovodní, …) - suchozemské / (step, poušť, les…) - atmosferické - pedosferické

dílčí oblast biosféry

charakterizovaná určitým typem biotických a abiotických podmínek, které dávají vznik určitým charakteristickým typům rostlinných a živočišných společenstev

biosféra soubor všech biomů na Zemi „živý obal Země“

antroposféra lidské životní prostředí

umělé ekosystémy, uzpůsobené pro lidský život

Ekologie jako věda

14/8

používané metody pozorování i experiment neříká, co je dobře, ale spíš, co se stane, když…

Biology 2ed (Brooker, Widmaier, Graham, Stiling, McGraw-Hill, 2010, ISBN 978-0073532219)

Biotop a jeho složky

14/9

charakter určen abiotickými faktory fyzikální, chemické

biotickými složkami ostatní přítomné organismy a jejich vzájemné vztahy


14/10

sluneční záření

viditelné záření ~ 50 % nejdůležitější složka - 400 – 700 nm využíváno při fotosyntéze v zelených rostlinách tvořících následně energetický zdroj heterotrofních organismů.

ultrafialové záření ~ 10 % krátkovlnná čast spektra - pod 350 nm může být pro organismy nebezpečná (mutagenní, kancerogenní), avšak jeho intenzita se výrazně sníží při průchodu ozónovou vrstvou atmosféry.

infračervené záření ~ 45% dlouhovlnná oblast – nad 750 nm nositelem tepla, zahřívá zemský povrch i organismy, spolu s paprsky odraženými od těchto struktur ohřívá i atmosféru.


14/11


změny v intenzitě

Biology 11ed (Raven, Johnson, Mason, Losos, Singer, McGraw-Hill, 2011, ISBN 978-1-259-18813-8)

v závislosti na zeměpisné šířce

v závislosti na ročním období


14/12


nároky na teplotu studenomilné (psychrofilní) teplomilné (termofilní)

dělení podle schopnosti udržovat tělní teplotu studenokrevní teplokrevní



14/13

vzduch

atmosféra

plynný obal nad zemským povrchem

troposféra část atmosféry do výšky asi 10 km

složení: dusík 78 %

kyslík 21 %

oxid uhličitý 0,03%

argon 1 %

methan 0,0002 %

prachové částice a vodní pára


14/14

vzduch

koloběh kyslíku


14/15

vzduch

ozonová vrstva chrání před účinky UV záření UVa (400–315 nm) dlouhovlné UV

UVb (315–280 nm) středněvlné UV UVc (< 280 nm) krátkovlnné (germicidní) UV

- obsah ozonu snižují volné radikály (NO·, OH·, Cl· a Br·) - používáním freonů (chloro-/fluoro-uhlovodíky) vzrůstá obsah radikálů Cl a Br - UV způsobí vznik Cl· z molekuly freonu

Cl· + O3 → ClO· + O2 ClO· + O3 → Cl· + 2 O2

jeden radikál Cl· je schopen „zničit“ 10 000 molekul O3


14/16

vzduch

proudění souvislost s ohříváním a ochlazováním atmosféry a rotací země

Life – The Science of Biology 9 ed (Sadava, Hillis, Heller, Berenbaum, WH Freeman, 2009, ISBN 9781429219624)

spoluvytváří klima a počasí podíl na cirkulaci vody vyrovnávání teplotních rozdílů rozšiřování pylu, semen, pachových signálů


14/17

vzduch

znečištění a kyselé deště

Life – The Science of Biology 9 ed (Sadava, Hillis, Heller, Berenbaum, WH Freeman, 2009, ISBN 9781429219624)

prachové částice CO2 skleníkové plyny oxidy síry ovlivnění vzdálených míst okyselení vodních ekosystémů poškození porostů skleníkový efekt


14/18

voda

v terestrických ekosystémech limitující faktor

zisk hlavně atmosférickými srážkami

nutná pro fyziologické procesy

adaptace na suché prostředí – xerofilní druhy

adaptace na vlhké prostředí – hygrofilní druhy

v akvatických ekosystémech životní prostředí


14/19

voda

rezervoár Objem vody (10

6 km³)

Procento z celku

oceány 1370 97,25

kry a ledovce 29 2,05

spodní voda 9,5 0,68

jezera 0,125 0,01

půdní vlhkost 0,065 0,005

atmosféra 0,013 0,001

řeky a potoky 0,0017 0,0001

biosféra 0,0006 0,00004

rezervoár Průměrný čas

setrvání

oceány 3 200 let

ledovce 20 - 100 let

Sezonní sněhová pokrývka

2 - 6 let

Půdní vlhkost 1 - 2 měsíců

Podzemní voda: mělká

100 - 200 let

Podzemní voda: hluboká

10 000 let

jezera 50 - 100 let

řeky 2 - 6 měsíců

atmosféra 9 dní

http://en.wikipedia.org/wiki/1_E15_m%C2%B3





14/20

voda

koloběh


14/21

voda

proudění vody v oceánech na základě zemské rotace a převládajících větrů



14/22

voda

znečištění vody na základě lidské činnosti

zhoršení kvality vod

eutrofizace obvykle nádrže s pomalým prouděním

obohacení o živiny, zejména dusík a fosfor



14/23

půda

pedosféra nejsvrchnější vrstva vrstva pevného podílu Země, která tvoří půdu

leží na rozhraní litosféry, atmosféry, hydrosféry a biosféry

složena ze zvětralého zemského povrchu s obsahem organických látek (humus)

významná složka terestrických ekosystémů

ukotvení kořenů rostlin

obsahuje mikroorganismy destruující odpadní biomasu


14/24

půda

druhy půd podle velikosti částic písčitá, hlinitá, jílovitá

rostliny odebírají dusík, draslík, fosfor, vápník

selektivně

v umělých ekosystémech dodáváno

hnojením (statková i průmyslová hnojiva)

střídáním plodin

intenzivní využívání – ochuzení o minerální látky a humus

nárůst množství cizorodých a toxických látek


14/25

půda

znečištění půdy porušení podzemních zásobníků chemikálií

používání pesticidů

prosakováním kontaminovaných povrchových vod

vyluhováním odpadů ze skládek

vypouštění průmyslových odpadů do půdy

polutanty uhlovodíky

rozpouštědla

pesticidy

těžké kovy jako olovo, kadmium, rtuť

polyaromatické uhlovodíky

ropné uhlovodíky

Biocenosa

14/26

společenstvo organismů určitého ekosystému - rostliny - fytocenoza

- živočichové - zoocenoza

- mikroorganismy

soubor koexistujících populací různých

druhů vyskytujících se na

jednom místě

zahrnuje jenom biotické interakce

omezení funkční

prostorové

taxonomické

14/27

popis na základě druhového složení počet druhů

diverzita

vyrovnanost populací

má věkovou a prostorovou strukturu

přírodní / přirozená / umělá

ekoton – přechodná zóna

Biocenosa

14/28

biomy světa

Biocenosa

14/29

druhová diverzita

Biocenosa

14/30

druhová diverzita

Biocenosa

14/31

relativní zastoupení druhu

Simpsonův index dominance

S

i

iPdomSimpson1

2)(

Diversita=1/Simpson

i

S

i

i PPH ln.´1

Shannonův index diversity

N

NP i

i

0 při absolutní dominanci jednoho druhu

ln S při absolutní vyrovnanosti

druhová diverzita

Biocenosa

14/32

Celkový počet jedinců ve všech třech společenstvech je 100.

Společenstvo 1 Společenstvo 2 Společenstvo 3

moucha 10 60 60

vosa 30 10 20

včela 30 10 20

sršeň 10 10 0

čmelák 20 10 0

druhová diverzita

Biocenosa

14/33

Simpson – čím je vyšší, tím jsou ve společenstvu víc zastoupené dominanty.



moucha 10 60 60

vosa 30 10 20

včela 30 10 20

sršeň 10 10 0

čmelák 20 10 0

druhová diverzita

Biocenosa

14/34

Simpson – čím je vyšší, tím jsou ve společenstvu víc zastoupené dominanty. Spol 1: (10/100)2 + (30/100)2 + (30/100)2 + (10/100)2 + (20/100)2 = 0,24



moucha 10 60 60

vosa 30 10 20

včela 30 10 20

sršeň 10 10 0

čmelák 20 10 0

druhová diverzita

Biocenosa

14/35

Simpson – čím je vyšší, tím jsou ve společenstvu víc zastoupené dominanty. Spol 1: (10/100)2 + (30/100)2 + (30/100)2 + (10/100)2 + (20/100)2 = 0,24 Spol 2: 0,4 Spol 3: 0,44



moucha 10 60 60

vosa 30 10 20

včela 30 10 20

sršeň 10 10 0

čmelák 20 10 0

druhová diverzita

Biocenosa

14/36

druhová bohatost závisí na velikosti plochy

lze počítat

ZAcS .

zvětšíme-li plochu o dvakrát, počet druhů se zvýší 2z krát (parametry odhadujeme regresí, z bývá mezi 0,2 a 0,35)

nebo

AbaS log.

zvětšíme-li plochu dvakrát, počet druhů se zvýší o b.log(2)

pro malé plochy predikuje záporný počet druhů

druhová diverzita

Biocenosa

Biocenosa

14/37

důvody Sampling effect hodně druhů = větší pravděpodobnost že některý z nich bude schopný

zastávat určitou “funkci”

Complementarity effect více druhů má dohromady lepší schopnost využívat zdroje

nebo jeden druh může případně funkčně nahradit druh jiný, pakliže tento vymizí

tvorba vztahů mezi jednotlivci a populacemi v ekosystému

negativní / pozitivní / neutrální

koexistence druhů

Biocenosa

14/38

koexistence druhů

Vztah Charakteristika

neutralismus druhy jsou na sobě nezávislé

kooperace volný vztah, v němž soužití není nutné, ale prospěšné

mutualismus uzavřený vztah, z něhož mají oba partneři prospěch

komenzalismus uzavřený vztah, v němž pouze jeden z partnerů (komenzál) má ze spolužití

prospěch, druhý (hostitel) zůstává nedotčen

amenzalismus jeden druh (inhibitor) potlačuje růst druhého druhu (amenzál) a brání jeho

přežití, aniž využívá jeho potravu

kompetice jeden druh potlačuje druhý, oba jsou si navzájem škodní a oba spolužitím

strádají

predace jeden druh (predátor) zabíjí jiný druh (kořist) jako potravu

parazitismus jeden druh (parazit) získává potravu ze žijícího těla jiného druhu (hostitele)

Biocenosa

14/39

kompetice

soutěž o zdroje pokud je zdrojů nedostatek mezi jakýmikoli druhy důsledek – redukce hustoty jednoho z druhů nebo i obou nebo přizpůsobení jednoho z druhů, který začne využívat i jiné zdroje


Biocenosa

14/40

kompetice

princip konkurenčního vyloučení dva druhy, které mají stejné nároky na zdroje, nemohou spolu existovat na jednom místě lokálně může dojít k vymizení slabšího druhu


Biocenosa

14/41

kompetice

princip konkurenčního vyloučení


Biocenosa

14/42

amenzalismus

potlačení konkurence rostliny – alelopatie produkce fytoncidů houby – produkce antibiotik bakterie a sinice – produkce toxinů působí na vyšší rostliny a živočichy


Biocenosa

14/43

predace

+ / - nepočetná skupina predátorů početná skupina kořisti adaptace – kvalita smyslů, způsob života


Biocenosa

14/44

predace

závislost 1: linearní závislost 2: konvexní (nejvíce rozšířená) závislost 3: sigmoidní závislost

vztah mezi hustotou kořisti a rychlostí jejího úbytku

Hollingova rovnice pro konvexní závislost

P = a S N [počet ulovené kořisti za dobu hledání S] = [účinnost pátrání] x [čas hledání] x [hustota

kořisti]

S = T – H P [čas hledání] = [celkový čas] – [čas

zpracování kořisti] x [počet ulovené kořisti]

P = a (T – H P) N

NHa

TNaP

..1

..

Biocenosa

14/45

predace

model dravec – kořist (Lotka – Volterra)

CqNCafdt

dC

NcaNrdt

dN

....

...

N = počet jedinců kořisti C = počet jedinců konsumentů t = čas r = rychlost růstu a = účinnost pátrání (attack rate) f = rychlost rozmnožování kořisti q = úmrtnost predátorů


Biocenosa

14/46

predace

kategorie predátorů praví predátoři usmrtí kořist a jako jedince ji vyřadí okamžitě z populace parazitoidi hmyz – omráčí kořist, tím ji ihned vyřadí z populace kořisti, do živé vloží vajíčko (larva parazitoida vyžírá živou kořist, až ji nakonec usmrtí) okusovači (spásači) okusují část kořisti, obvykle rostliny praví parazité kořist, která je zdrojem potravy, žije dál (je to i v zájmu parazita)


Biocenosa

14/47

predace

obrana proti predátorům - živočichové


Biocenosa

14/48

predace

obrana proti predátorům - rostliny


Biocenosa

14/49

parazitismus

+ / - podobná strategie jako u predace není usmrcení kořisti, ale dlouhodobé odebírání živin na všech taxonomických úrovních u vyšších eukaryot – endoparazité exoprazité

Biocenosa

14/50

saprofytismus

hostitelem je mrtvý organismus rozklad biomasy

Biocenosa

14/51

symbiosa

pozitivní pro oba fixace dusíku lišejníky opylovači

Biocenosa

14/52

komensalismus

jednomu organismu/druhu přináší výhody, druhého to neovlivní

Biocenosa

14/53

mutualismus

zvýhodnění obou organismů


Biocenosa

14/54

altruismus

vzájemně se chrání jedinci jednoho druhu často velmi silně vyvinuté mezi rodiči a potomky může hraničit až se sebeobětováním u vyšších živočichů

neutralismus

druhy se nemusí vůbec ovlivňovat mezi druhy neexistují žádné vztahy

Populační růst

14/55

jak se bude měnit počet jedinců v následujících generacích pro relativně kratší časové úseky matematické modely

exponenciální růst při osidlování nového území

logistický růst omezení dostupnými zdroji

Populační růst

14/56

omezení růstu závisející na hustotě obvykle biotické faktory

nezávisející na hustotě obvykle abiotické faktory

katastrofy, výkyvy počasí, …


Populační růst

14/57

omezení růstu


Bottom-up kontrola omezujícím faktorem je dostupnost potravy

Top-down kontrola omezujícím prvkem je vliv přirozených nepřátel

Tok energie

14/58

živé organismy – vysoká uspořádanost na udržení je zapotřebí dodávat energii tok energie se řídí termodynamickými zákony u všech procesů jsou ztráty energie – teplo primární produkce – energie ze slunečního záření zelené zachytí asi 0,1 % přicházející sluneční energie sekundární produkce – u heterotrofů integrující prvek – potrava obsahuje stavební a energetické látky

Potravní řetězce

14/59

potravní řetězec znázorňuje pohyb energie z potravy mezi jednotlivými populacemi

běžně 3 – 7 článků

příklady - pastevně – kořistnický - detritový - parazitický

Potravní řetězce

14/60

pastevně – kořistnický řetězec na počátku fotoautotrofní zelené rostliny (producenti biomasy) tuto biomasu konzumují býložraví či všežraví živočichové (herbivoři, omnivoři). na další trofické úrovni se nacházejí tzv. konzumenti 2.řádu, obvykle masožravci (karnivoři), potrava je živočišná biomasa (vytvořená na předchozí trofické úrovni)

Potravní řetězce

14/61

detritový řetězec saprofytičtí destruenti zpracování biologického odpadu, mineralizace udržení koloběhu prvků

Potravní řetězce

14/62

parazitický řetězec organismy závislé na metabolismu jiného druhu

Potravní řetězce

14/63

komplexní provázání více do jednoho celku

Potravní řetězce

14/64

rozdíl mezi rostlinnou a živočišnou potravou stavební látky - živočichové – bílkoviny - rostliny – sacharidy poměr uhlíku a dusíku (C/N) - rostliny ~ 40:1 - houby, bakterie a živočichové ~ 8:1 rostlinná potrava pro živočicha nutné doplnit dusík, nebo odstranit část uhlíku

Potravní řetězce

14/65

potravní pyramida

Potravní řetězce

14/66

energetická pyramida

Potravní řetězce

14/67

pyramida biomasy

Potravní řetězce

14/68

početní pyramida

Potravní řetězce

14/69

člověk a potravní řetězce

nejčastěji vrcholový predátor, na vrcholu potravního řetězce

Potravní řetězce

14/70

cizorodé látky v potravních řetězcích

nerozložitelné látky – může dojít

k akumulaci

budou se hromadit v tělech

vrcholových predátorů

Kjótský protokol

14/71

mezinárodní smlouva k Rámcové úmluvě OSN o klimatických změnách závazek snížit emise skleníkových plynů podepsáno 11. 12. 1997 účinnost od 16. 2. 2005 vztahuje se na plyny oxid uhličitý (CO2) methan (CH4) oxid dusný (N2O) hydrogenované fluorovodíky (HFCs) polyfluorovodíky (PFCs) fluorid sírový (SF6) porovnávání emisí s rokem 1990 nebo 1995 členové přílohy B se závaznými cíli v druhém období

členové přílohy B se závaznými cíli v prvním období, ale ne v druhém strany neuvedené v příloze B bez závazných cílů členové přílohy B se závaznými cíli v prvním období, kteří odstoupili od protokolu signatáři protokolu, kteří protokol neratifikovali ostatní členské státy OSN a pozorovatelé, které nejsou smluvní stranou protokolu

Kjótský protokol

14/72

relativní podíl plynů na skleníkovém efektu

Kjótský protokol

14/73

přepočet jednotlivých plynů na ekvivalenty CO2 kolika tunám CO2 odpovídá tuna daného plynu podle současných znalostí o schopnosti vyvolávat skleníkový efekt mění se v průběhu let

1994 1997 dnes

N2O 270 320 310

CH4 11 25 21

oxid uhličitý zůstává nejvýznamnějším antropogenním skleníkovým plynem, protože je emitován v daleko největším množství

GMO

14/74

geneticky modifikované organismy jejich genový materiál byl změněn pomocí genových technologií obvykle vložení části DNA z jiného organismu Resistence k chorobám Prodloužení doby zrání plodů a skladovatelnosti hlíz brambor Modifikace olejů, škrobu a proteinů s cílem získat dostatečnou dodávku surovin pro potraviny, biodegradovatelných plastů, detergentů, … Tolerance k herbicidům, aby odrůdy rostlin snášely specifické herbicidy Zvýšená tolerance k teplotním, vodním a „solným“ stresům Architektura rostliny (trpasličí rostliny) Akumulace toxických kovů Redukce vypadávání semen v době sklizně Zvýšení obsahu minerálů a vitamínů Eliminace alergenů a produkce vakcín

Většina vědců PRO (ale ne všichni) Ekologistická hnutí PROTI

Ekologie a životní prostředí -...

Documents

Transcript of Ekologie a životní prostředí -...