Organismy a prostředí. Podmínky a zdroje Rozdělení ekologických faktorů Ekologická tolerance Ekologická nika Vliv hlavních faktorů

Transkript

1 Organismy a prostředí Podmínky a zdroje Rozdělení ekologických faktorů Ekologická tolerance Ekologická nika Vliv hlavních faktorů

2 Prostředí Environment Umwelt Okružajaščaja sreda Ekologické faktory: - poskytují zdroje nezbytné k životu - ovlivňují životní pochody a projevy -ovlivňují rozmnožování a disperzi -předurčují zeměpisné rozšíření - podporují vznik adaptačních mechanismů -...

3 Ekologické faktory Abiotické geografické geologické klimatické pedologické hydrologické Biotické biotické interakce trofické vztahy antropogenní vlivy

4 Prostorové vymezení prostředí Ekotop - souhrn abiotických faktorů Monotop -prostředí osídlené jedincem Demotop prostředí populace Biotop -prostředí osídlené společenstvem Areál oblast výskytu sledovaného taxonu (např. původní, adventivní) Lokalita přesně účelově vymezená oblast (např. pro experimenty nebo pozorování)

5 Klasifikace ekologických faktorů Podle stupně cykličnosti: - primárně periodické faktory - sekundárně periodické faktory - neperiodické faktory Podle vlivu na evoluční procesy: - morfoplastické faktory vnější struktura - fyzioplastické faktory životní pochody - etoplastické faktory - chování

6 Podmínky a zdroje Zdroj spotřebováván či transformován (živiny, kořist, radiace, kyslík,...) Podmínka vyjadřují stav prostředí, bývají proměnlivé ovlivňují (modifikuje) životní pochody (teplota, intenzita radiace, vlhkost vzduchu,...

7 Shelfordův zákon tolerance Každý organismus toleruje pouze určité rozmezí působení ekologických faktorů. Rozpětí (interval) mezi horní a dolní mezí tolerance

8 Limity ekologických faktorů Obr. 1 A Letální bod dolní Ekologická amplituda p 1 a p 2 Letální bod horní L 1 L 2 Podmínky: suboptimální optimální suboptimální I Optimální podmínky - důležité z hlediska rozmnožování Suboptimální podmínky - významné z hlediska rozšíření

9 Liebigův zákon minima Justus von Liebig (1/2 19. stol.) Růst rostlin je limitován faktorem, který je v minimu a z tohoto důvodu nemohou být v plné míře využity ostatní zdroje, přestože by jich byl dostatek

10 Ekologická valence (k určitému faktoru): Úzká stenovalentní druhy (-termní, -fágní, - oxybiontní,...) Široká euryvalentní druhy Obr. 1 Poloha optima u daného faktoru: v nízkých hodnotách: oligove středních hodnotách: mezove vysokých hodnotách: poly- A p 1 a p 2 L 1 L 2 I Tolerance ke komplexu ekologických faktorů: Vysoká euryekní druhy Nízká stenoekní druhy Podle stanoviště: stenotopní / eurytopní druhy

11 Prostředí a přírodní výběr (selekce) Přirozený výběr Tvrdý negativní selekce všech jedinců neschopných přežití Měkký jedinců se specifickými vlastnostmi, které rozhodují o přežití

12 Přízpůsobování se prostředí Adaptace: přizpůsobení se podmínkám prostředí během individuálního života (ontogeneze) nebo fylogenetického vývoje probíhá u jedinců / populací / společenstev / taxonů,... fyziologická / morfologická / anatomická... Preadaptace: dříve vzniklá adaptace z jiného důvodu

13 Trade-off Kompromis jeden ze základních konceptů behaviorální ekologie a teorie životních historií (life-history theory) Organismus musí zvolit jen jednu z možností, jak se adaptovat Využití dalšího adaptačního mechanismu je tím znemožněno

14 Typy adaptací Morfologická: tvar listů, orgánů, těla,... Fyziologická: metabolické změny produkce enzymů, životní cykly,... Etologická: změna chování v zajetí, nové způsoby získávání potravy,...

15 Evoluční adaptace Bergmanovo pravidlo teplokrevné organismy náležející k jednomu druhu žijící v severněji položených oblastech mají mohutnější tělo, čímž relativně zmenšují plochu styku s prostředím ve vztahu k hmotnosti těla Allenovo pravidlo živočichové mají menší tělní extremity (ocasy, zobáky, uši, nosy) v porovnání s příbuznými druhy v teplotně příznivějších podmínkách

16 Divergence a konvergence v průběhu evoluce Divergence: rozbíhání vývoje znaků v průběhu fylogenetického vývoje - vznik nových druhů Konvergence: vzniklá podobnost fylogeneticky vzdálených organismů v důsledku podobných podmínek prostředí

17 Ekologická nika Rozmezí ekologických faktorů, ve kterém může organismus uplatnit svoje životní projevy a ekologické funkce nika základní (celé rozmezí) nika realizovaná (skutečně realizovaná)

18 Základní a realizovaná nika

19

20 Hutchinsonova mnohorozměrná nika multidimensional hypervolume Soubor vybraných zdrojů (případně abiotických faktorů), které tvoří n- rozměrný podprostor určitého prostoru charakterizovaného stejnými proměnnými.

21 Faktory ovlivňující obsazení nik Orobinec širo- a úzkolistý Zdroj: Chytrý, 2004

22 Zdroj: Chytrý, 2004

23

24 Ekologické faktory z hlediska adaptace organismů Sluneční radiace Voda Živiny

25 Sluneční radiace

26 Globální radiace v různých oblastech (GJ/m 2 /rok)

27 Charakteristika slunečního záření záření = šíření energie prostorem základní jednotka = foton povaha částicová (korpuskulární) vlnová (undulární)

28 Proměnlivost záření jako zdroje x charakter fotosyntetického aparátu Pravidelná proměnlivost v přísunu záření denní a roční rytmy (střídání období nasycení a nedostatku) kromě pólů, resp. rovníku důsledky pohyby listů, opadávání, tvorba různého typu listů v průběhu ontogeneze... Nepravidelná proměnlivost zastínění oblaky, jinými listy,... důsledky patrovitost s rozdílným postavením nebo morfologií listů, heterofýlie,...

29 Pasivní charakter rostlin: Nemožnost rychlého přizpůsobení se architektury a morfologie uvedeným změnám vznik zón vyčerpání zdroje (resouce depletion zone RDZ)

30 Roční chod záření v různých zeměpisných šířkách Holandsko rovníková Afrika upraveno podle de Witta, 1965

31 Denní nepravidelnost v jednotlivých obdobích roku

32 Adaptace rostlin na sluneční záření Heliofyty (slunobytné) vertikálně (vzpřímeně) orientované listy adaptace na vysoké intenzity PAR pouštní, horské, vodní apod. Heliosciofyty snášejí ozáření i zastínění rostliny travinných společenstev Sciofyty (stínobytné) horizontálně orientované listy efektivnější využití záření negativně reagují na vyšší intenzitu PAR lesní rostliny, mechy, kapradiny

33 Rostliny stinných a slunných stanovišť Sciofyty (rostliny stinných stanovišť) horizontálně orientované listy efektivnější využití záření negativně reagují na vyšší intenzitu PAR Heliofyty (rostliny slunných stanovišť) vertikálně (vzpřímeně) orientované listy adaptace na vysoké intenzity PAR

34 Stinné a slunné listy Slunné listy obvykle menší, silnější, mají více buněk a více chloroplastů na jednotku plochy, hustší průduchy a větší množství a vyšší aktivitu karboxylačních enzymů. Jsou proto fotosynteticky mnohem aktivnější. Rostliny mají zpravidla většinu listů umístěných tak, Stinné listy obvykle ve spodních patrech zastíněné, řidší pletiva

35 Fotosyntéza Fotochemický proces, při kterém dochází k přeměně energie fotonových kvant na energii chemických vazeb organických sloučenin. Zelené rostliny, sinice tvorba primární produkce ekosystémů

36 Fotosyntéza Fáze světelná = transformace energie fotosystém II a I elektronový tok fotolýza vody a vznik kyslíku a protonů (Hillova reakce) syntéza NADPH a ATP Fáze temnostní syntéza sacharidů v Calvinově cyklu karboxylace redukce regenerace

37 Fáze fotosyntetického procesu světelná fáze temnostní fáze hydrolýza vody vznik protonového gradientu redukce NADP + na NADPH uložení energie fosforylací ADP na ATP absorpce fotonových kvant chlorofyly a karotenoidy excitace barviv a přenos uvolněných elektronů na akceptor fixace CO 2 v Calvinově cyklu

38 Proces fotosyntézy Základní rovnice fotosyntézy: 6 CO H 2 O + energie C 6 H O H 2 O

39 Základní typy fotosyntézy Fotosyntéza typu C 3 první produkt asimilace kyselina fosfoglycerová (3 atomy uhlíku) vznik asimilatů za účasti enzymu rubisco (ribulóza 1,5 bifosfát karboxyláza / oxygenáza celý proces se odehrává v 1 buňce Hlavní zástupci většina dvouděložných rostlin pšenice, žito, jílek, srha, bob, fazol, jetel, vojtěška, dub, buk, bříza, borovice

40 Základní typy fotosyntézy Fotosyntéza typu C 4 první produkt asimilace oxaloacetát (4 atomy uhlíku) vznik asimilatů za účasti enzymu PEPs (fosfoenolpyruvát karboxyláza) asimiláty transportovány do pochev cévních svazků nutnost transportu mimo buňku odštěpení CO 2 a zabudování v Calvinově cyklu Hlavní zástupci převážně teplomilné trávy (1/2 druhů z celkem 10 tis.) kukuřice, cukrová třtina, proso, čirok, ježatka, bér, laskavec, šrucha

41 Základní typy fotosyntézy Fotosyntéza typu CAM (Crassulacean Acid Metabolism) fotosyntéza probíhá v jednom typu buněk první produkt asimilace kyselina jablečná (malát) vzniká v noci za účasti karboxylačního enzymu enzymu PEPs (fosfoenolpyruvát karboxyláza) malát se hromadí ve vakuole ve dne se z malátu uvolňuje CO 2 zabudová se do asimilátů v Calvinově cyklu s pomocí enzymu Rubisco Hlavní zástupci sukulenty a epifyty Crassulaceae, Cactaceae, Euphorbiaceae, Agavaceae, Portulacaceae

42 Diurnální a sezónní proměnlivost záření Zelené rostliny musí čelit střídání období nadbytku a nedostatku světla během dne (s výjimkou polárních oblastí) a během roku (s výjimkou tropů). Stromy temperátních oblastí shazují listy v zimě, přitom u rostlin v podrostu může být zima z hlediska světelného požitku nejlepším obdobím (viz jarní lesní heliofyty a vždyzelené druhy v podrostu). Rychlost fotosyntézy je největší u listů, které žijí nejkratší dobu (např. jednoletky) a nejmenší u listů dlouho žijících (mediteránní vždyzelené dřeviny, jehličnany).

43 Teplota Základní podmínka životních pochodů

44 Vliv na fenologické projevy Teplota zpravidla určuje, zda organismus může začít individuální vývoj Suma efektivních teplot ovlivňuje individuální vývoj dosažení vývojových stádií Některé organismy potřebují období nízkých teplot (vernalizaci) pro nástup do generativní fáze Během zimy mohou organismy hibernovat / být ve stavu dormance Kviescence období po přerušení dormance, kdy ještě nedochází k žádným fenologickým projevům

45 Počet vzešlých rostlin na 1 m2 Cykly vzcházení pozdních jarních druhů Cykly vzcházení sledovaných plevelů během let GASCI 600 CHEAL ECHCG X-00 IV-01 XI-01 V-02 XII-02 VI-03 I-04 Zdroj: Jursík 2004

46 Klasifikace organismů podle vztahu k teplotě Endotermní organismy regulují teplotu tvorbou tepla ve vlastním těle (ptáci, savci) Regulační schopnosti selhávají při extrémních teplotách Ektotermní organismy využívají vnější zdroje tepla Poikilotermní organismy mění tělesnou teplotu se změnami teploty prostředí (rostliny, houby, prvoci apod.). Homoiotermní organismy udržují přibližně stejnou tělesnou teplotu při změnách teploty v prostředí (ptáci, savci). Mohou snížit tělesnou teplotu během hibernace.

47 Teplotní extrémy - ektotermní Vysoké teploty max. zpravidla 50 C, obvykle blízko fyziol. optima! ochlazování transpirací morfologicky chlupaté listy, trny, vosková vrstva Nízké teploty tvorba krystalů, poškození membrán akumulace roztoků s nízkým bodem tuhnutí tolerance k mrazu se mění v průběhu ontogeneze

48 Teplotní extrémy - endotermní Endotermní udržují konstantní tělesnou teplotu mezi C. Teplo obvykle uniká do okolního prostředí - bráněno srstí, peřím, tukem, regulací krevního oběhu,... Velká spotřeba energie zvláště při nízkých teplotách nižší - nejvýhodnější žít v ekologickému optimu. Organismy mohou být aktivní v širším rozmezí teplot

49 Voda Voda se vyznačuje zcela unikátními chemickými i fyzikálními vlastnostmi (např. malá molární hmotnost, polární vazba, vodíkové můstky, nejvyšší hustota při 4 C, při přechodu do pevného skupenství zvětšení objemu, velké měrné skupenské teplo tání, velká měrná tepelná kapacita) Prvotní formy života byly zcela závislé na vodním prostředí. Živá pletiva obsahují v průměru % vody. Na vodě jako rozpouštědle jsou závislé téměř všechny metabolické pochody v živých organizmech. Voda zajišťuje interakce s prostředím příjem živin, regulace teploty

50 Vodní bilance rostlin Poikilohydrické rostliny -přizpůsobují svůj obsah vody v pletivech podle okolí - bakterie, kvasinky, plísně i jiné houby, xerofilní mechy, některé výtrusné rostliny a vzácně také krytosemenné rostliny (semena, pylová zrna). Homoiohydrické rostliny - dokáží krátkodobý nedostatek vody vyrovnávat z důvodu přítomnosti vakuoly. Vlastní ochranné mechanismy zabraňující rychlé ztrátě vody při poklesu vzdušné i půdní vlhkosti (např. kutikula, chlupy a emergence na povrchu těla rostliny, rozsáhlý kořenový systém, regulace transpirace). Při vyschnutí dochází k nevratnému poškození buňky.