Biodiverzita. (biologická diverzita)

Transkript

1 Biodiverzita (biologická diverzita)

2 Souhrn všech genomů všech organismů na Zemi.

3 Celková pestrost biologické rozmanitosti (variability) s různým rozsahem - od genetické variability, přes druhy a poddruhy až po společenstva.

4 Je nutnou podmínkou života, sama je výsledkem působení přírodní selekce u volně žijících druhů.

5 Důvody pro zachování biodiverzity Vlastní hodnota organismu bez ohledu na využití pro člověka Přímá užitná hodnota: Potřebujeme ke svému životu určité komponenty biodiverzity Poskytování tzv. ekologických služeb: - koloběh živin - biologická produkce - trofická funkce - čištění vody a vzduchu - ochrana před erozí půdy - tvorba atmosférického kyslíku - odčerpávání, vazba oxidu uhličitého - udržení stability a integrity ekosystémů aj.

6 1/ genetická diverzita 2/ druhová diverzita 3/ ekosystémová diverzita

7 1/ genetická diverzita variabilita uvnitř druhu

8 Intradruhová diverzita Výsledek fylogenet. vývoje, izolace, ale i šlechtitelské práce dána různorodostí příslušníků nebo skupin příslušníků téhož druhu subpopulací, ekosystémů, plemen, linií apod.

9 2/ druhová diverzita druhové bohatství

10 Interdruhová diverzita (druhová) Dána počtem druhů v rámci jednotlivých taxonomických jednotek U živočichů: například: popsáno více jak živočichů z toho pouze savců, tj. 0,5% ptáků, tj. 1% ale hmyzu, tj 75%

11 3/ ekosystémová diverzita různost ekosystémů

12 Kvantifikace biodiverzity Počet druhů na Zemi Pesimistický odhad 5 30 milionů Optimistický odhad milionů Dnes registrováno cca 1,4 milionů druhů tj. cca 5-25% z odhadovaného počtu druhů

13 Druhotná pestrost biosféry počty identifikovaných organismů Celková pestrost biosféry je 1 mil 700 tis (1,7 x 10 6 ) V boreálních (severských) oblastech: 0,1 x 10 6 (6%) V klimatických mírných oblastech: 1 x 10 6 (59%) V tropických oblastech: 0,6 x 10 6 (35%) Znalost druhové pestrosti je nekompletní, hlavně pokud se jedná o tropické oblasti. Odhady o celkové pestrosti biosféry jsou v řádu milionů druhů. Nejpočetnější systematickou skupinou jsou bezobratlí, konkrétně hmyz a z nich brouci.

14 Kvantifikace biodiverzity Pokles biodiverzity (eroze biodiverzity) snižování intradruhové variability, tj. genetické proměnlivosti uvnitř druhů vymírání plemen, zvyšování jejich homogenity aj. snižování interdruhové variability vymírání druhů aj.

15 Kvantifikace biodiverzity Pokles biodiverzity (eroze biodiverzity) VYMÍRÁNÍ DRUHŮ na Zemi mohlo žít dosud asi 500 mil. druhů dnes žije asi 5 30 mil. druhů 90 94% druhů vyhynulo

16 Vymírání Je ztráta taxonu v celém jeho rozšíření na Zemi. Vymírání je nenahraditelná a politováníhodná ztráta biologické rozmanitosti na Zemi - jediné planetě, kde je život v této podobě znám. Vymírání může být i přirozeným procesem v důsledku náhodných katastrofických událostí, biologické inerakce jako kompetice, působení nemocí, predátorů, dlouhodobého faktoru stresu apod. Současný vzestup a rozvoj člověka a globální změny životního prostředí vyvolávají dramatický nárůst rychlosti vymírání druhů. Mnoho druhů již vymřelo a mnoho jich bylo přivedeno na okraj vyhynutí vlivem člověka. Vlivem člověka za poslední 4 století vymřelo (vyhynulo) asi 700 druhů obratlovců. Odhadem denně vymře asi až100 druhů organismů. Pozor - velmi variabilní odhady.

17 Vymírání jako přirozený proces Skoro všechny druhy, které kdy žily, jsou dnes vyhynulé. Poměr žijících a vyhynulých taxonů je 1:1999. Tyto druhy pravděpodobně nebyly schopny se vyrovnat se změnami životního prostředí.

18 Zaměření programů ochrany druhů Velcí obratlovci (jsou veřejností nejlépe přijímáni) Pozoruhodné rostliny Hmyz, bezobratlí - jsou přehlíženi i přesto, že jsou primárním zdrojem potravy pro mnoho obratlovců. Jsou predátory semen, proto ovlivňují složení lesů, pralesů,... Jsou důležitými opylovači rostlin.

19 Kvantifikace biodiverzity Počty popsaných druhů a jejich odhadované počty Říše Popsané druhy Odhadovaný počet Bakterie Protista (řasy, prvoci aj.) Živočichové Houby Rostliny Celkem Odhadovaný počet druhů: 5 30 milionů (14 milionů cca střed odhadu) Zdroj: Globad Diversity Assessment

20 Fakta světové biodiverzity

21 Obratlovci, kteří vymřeli od roku 1600

22 Ohrožení ptáci na celosvětové úrovni a na úrovni států

23 Ohrožení savci na celosvětové úrovni a na úrovni států

24 Biologická rozmanitost na úrovni států

25 Centra diverzifikace zemědělských plodin

26 Celosvětová rozloha půdy klasifikovaná jako zemědělská

27 Ohrožené a vymřelé druhy

28 Odhadované roční změny lesnatosti

29 Ztráty rostlinných genetických zdrojů: příklady na úrovni států

30 Stav hlavních rostlinných a živočišných genetických zdrojů pro výživu ve světě

31 Některá varující data o stavu biodiverzity v ČR 44% druhů rostlin a živočichů ohroženo 41% obratlovců ohroženo V ČR 46 druhů ryb, 17 druhů, tj. 37% ohroženo (v Norsku např. neohrožen ani jeden z žijících druhů ryb, v Nizozemí naopak 80%) V ČR 20 druhů obojživelníků, 19 druhů, tj. 90% ohroženo

32 Některá varující data o stavu biodiverzity v ČR 10 druhů plazů, všechny druhy vedeny jako ohrožené, tj. 100% Ze 390 druhů ptáků v ČR je ohroženo 147 druhů, tj. 52%, na Kypru jen 3% ČR má 85 druhů savců, z toho 29 druhů, tj. 34% je ohroženo (v Polsku jen 12%, celosvětově 13%)

33 Fakta světové biodiverzity Rakousko Téměř 3000 živočišných druhů (z nichž 2300 hmyzích) je zařazeno na seznam ohrožených druhů

34 Fakta světové biodiverzity Bělorusko Od 19. století v Bělorusku vymizelo nebo v původním areálu již není zaznamenáno 238 druhů suchozemských obratlovců

35 Fakta světové biodiverzity Bělorusko Od 50. let 20. století se celková rozloha rašelinišť v Bělorusku snížila z 4,13 na 2,3 milionu ha

36 Fakta světové biodiverzity Bělorusko Od roku 1750 se lesnatost země snížila z 80% na 35%

37 Fakta světové biodiverzity Slovensko Předpokládá se, že před začátkem intenzivního působení člověka na vegetaci bylo až 90% území státu pokryto lesy

38 Fakta světové biodiverzity Slovensko Téměř desetina mokřadů byla odvodněna

39 Fakta světové biodiverzity Ukrajina Lesy v současnosti pokrývají 14,3% celkové rozlohy Ukrajiny v porovnání s 28% v roce 1850

40 Fakta světové biodiverzity Finsko Každý osmý druh rostlin a živočichů ve Finsku je ohrožený

41 Fakta světové biodiverzity Finsko Rozloha finských rašelinišť se snížila z 10,4 na 6 mil. ha v důsledku odvodňování při těžbě dřeva. Další milion hektarů se nyní využívá pro zemědělské účely

42 Fakta světové biodiverzity Finsko V jižním Finsku existovalo v 50. letech 20. století 23,4 % různých tajgových (boreálních) rašelinišť v přírodním stavu, avšak do roku 1985 se jejich rozloha snížila na 3,8 %

43 Fakta světové biodiverzity Německo V letech v bývalém Západním Německu vymizelo 57% všech mokřadů

44 Fakta světové biodiverzity Švýcarsko Od roku 1800 zmizelo 90% švýcarských mokřadů. Rozloha zaplavovaných říčních niv se snížila rovněž o 90% a ze zbývajících niv pouze 20% je ještě dnes pravidelně přirozeně zaplavováno

45 Fakta světové biodiverzity Irsko Irská rašeliniště kdysi pokrývala přibližně 1,3 milionu ha neboli 16% rozlohy souše této země. V současnosti zůstává jen 19% ( ha) z původní plochy nedotčeno člověkem. Úbytek vrchovišť dosáhl 92% a pokryvných rašelinišť 82%

46 Fakta světové biodiverzity Arménie Ve stepních ekosystémech se vyskytuje mezi rostlinnými druhy: po intenzivním nadměrném spásání však jejich skutečný počet klesá přibližně na 15

47 Fakta světové biodiverzity Arménie V letech bylo zničeno 8% lesního pokryvu země. Celá řada oblastí v Arménii je dnes úplně odlesněna

48 Fakta světové biodiverzity Izrael Jezero Hula bylo v 50. letech vysušeno, což zničilo unikátní mokřadní ekosystém

49 Fakta světové biodiverzity Izrael Během posledních 50 let zvýšil Izrael lesnatost z méně než 1% až na 10% svého území

50 Fakta světové biodiverzity Polsko V roce 1845 pokrývaly lesy jen 6,5 milionu hektarů Polska. Od té doby se lesní pokryv zvýšil na 8,78 milionu hektarů

51 Fakta světové biodiverzity Francie Od počátku 80. let 20. století se zalesněná plocha zvýšila o 3%

52 Fakta světové biodiverzity Slovinsko Lesnatost se zvýšila ze 47% v roce 1961 na 53% v roce 1990

53 Fakta světové biodiverzity Brazílie Asi 15% amazonského pralesa již bylo zničeno. Původní vegetace byla zničena ze 40%. Zbývá jen 8,75% původního atlantského pralesa

54 Fakta světové biodiverzity Brazílie V letech se rozsah a rychlost odlesňování v brazilské Amazonii ustálily na 0,4% ročně. V letech 1995/96 představoval rozsah odlesňování km 2 ročně

55 Fakta světové biodiverzity Kuba Od roku 1900 byla rozšiřováním zemědělství lesnatost snížena o 53,2%. Po roce 1959 začalo ještě drastičtější odlesňování a lesnatost se snížila na 14%

56 Fakta světové biodiverzity Sýrie Větrná a vodní eroze znehodnotila hektarů půdy (desertifikace)

57 Fakta světové biodiverzity Turecko 90% pastvin v Turecku se v důsledku neregulované pastvy považuje za poškozené a neplodné

58 Fakta světové biodiverzity Madagaskar Více než hektarů přírodních lesů je každým rokem vypáleno nebo smýceno

59 Fakta světové biodiverzity Thajsko V roce 1960 bylo 54% území Thajska pokryto lesy: toto číslo se však do roku 1992 snížilo na 26%

60 Počet druhů Kriticky ohrožený Savci Ohrožený Ptáci Obojživelníci Zranitelný Plazi Ryby

61

62

63

64 Rychlost vymírání Koncem permu (před 245 mil lety): masově vymřelo 96% druhů Koncem křídy (před 65 mil lety): synchronně vymřelo mnoho obratlovců včetně dinosaurů a pterosaurů. Vysoká rychlost vymírání byla známa hlavně u malých a izolovaných populací, např. na ostrovech v oceánech. Čím menší a izolovanější, tím rychlejší vymírání. To samé platí pro "ostrovy biotopů na kontinentech". Příčiny: 1. neadekvátní oblasti nevhodných biotopů 2. neschopnost migrovat přes vodní plochu a tak kolonizovat ostrov Teorie ostrovní biografie: Lepší je vytvořit velkou plochu, než mnoho malých.

65 Atributy zyšující náchylnost k vymření: 1. Velká velikost těla 2. Malé nebo omezené geografické rozšíření 3. Potravní specializace 4. Malá genetická variabilita 5. Výskyt v určitém biotopu

66 Minimální životaschopná populace velkých obratlovců je nezbytná pro dlouhodobé přežívání a zajištění genetické variability. U mnoha druhů musí čítat aspoň jedinců, aby se zabránilo inbreedingu. Klasifikace druhů z hlediska ochrany před vymřením: 1. Vzácné 2. Zranitelné 3. Ohrožené 4. Kriticky ohrožené 5. Vyhubené Pozn.: CITES (Conention on the International Trade in Endandgered Species of Fauna and Flora)

67 Vývoj biodiverzity (globální biodiverzity) OBDOBÍ RYCHOST VYMÍRÁNÍ DRUHŮ před 70 mil. let 1 druh za 1000 let od n.l. do r druh za 80 let od r do druh za 5 let od r do druh za 9,5 měs. od r do druh za 8 měs. současnost 1 6 druhů za den * výhled r druh za hodinu * * veškerá fauna a flora Průměrná evoluční rychlost vymírání druhů je 1-10 druhů za 5 let

68 Kolísání globální biodiverzity(bezobratlí) Počet vzniklých rodů během kambria a ordoviku nárůst biodiverzity téměř celé prvohory ustálený stav (tu a tam vymírání a opětný nárůst) prvohorní poklid největší vymírání na konci permu (téměř vyhynutí života na Zemi) od počátku druhohor plynulý nárůst biodiverzity (pokles jen na konci druhohor vymření dinosaurů)

69 Kolísání globální biodiverzity(bezobratlí) Průměrný počet rodů vymírání a opět prudká evoluční radiace vždy byly nějaké vzmachy a propady přesto je globální biodiverzita relativně stabilní v rozsahu druhů mechanismus udržování globální biodiverzity není přesně znám (snad přísun energie na Zemi)

70 4 rizika pro diverzitu 1/ ničení biotopů 2/ introdukce druhů 3/ exploatace přírodních zdrojů 4/ narušení potravních řetězců

71 Teorie malé populace ztráta variability, na níž závisí adaptivní evoluce populace (druhu).

72 Genetická diverzita hospodářských zvířat

73 Genetická diverzita je různost mezi živými organismy uvnitř druhu nebo různost mezi subpopulacemi uvnitř druhu, která je geneticky podmíněna.

74 Genotyp jedince se nemění, jedinec brzy umírá. Populace pokračují, jejich genofond se proměnlivý. Čím více je genetické variability v populaci, tím lépe přežívá a její vývoj je rychlejší.

75 Geneticky fixované rozdíly mezi plemeny jsou výsledkem umělé selekce. Fenotypová rozmanitost je u hospodářských zvířat větší než u volně žijících druhů. V rámci plemene dochází k omezování diverzity a směrování genofondu k určenému cíli.

76 Plemeno Populace vytvořená člověkem pro jeho účely Skupina navzájem se rozmnožujících zvířat, která mají více společného, než s ostatními zvířaty Skupina hosp. zvířat, která se navzájem podobají chovatelskou historií, exteriérem, fyziologickými a etologickými znaky a užitkovostí

77 V současnosti je lidstvo při krytí nutričních potřeb závislé na druzích zvířat a rostlin. Celkový počet plemen je odhadován na 4000.

78 Kvantifikace interplemenné diverzity Počet plemen Dnes využívaných necelé Ohrožených nebo vzácných tj. min. 25% ze současného počtu Statistika FAO zavádí kategorii tzv. rizikových plemen, tj. 68% z celk. počtu plemen

79 Kulturně historické důvody: NCGR, AGR a další projekty Ekonomické důvody: Např.: Význam uchování biodiverzity jen 1% užitku převýší dle odhadů krát náklady na konzervaci genových zdrojů Vědecké důvody: Ztráta genu před poznáním jeho funkce Praktické šlechtitelské důvody: Uchování variability výběrové základny

80 Význam uchování biodiverzity Estetické důvody: plemeno je produktem prostředí a patří k jeho koloritu Etické důvody: povinnost člověka pečovat o uchování kult. hist. dědictví Ekologické důvody: ekologická rovnováha Ostatní důvody: náboženské, politické i jiné

81 Genetická diverzita Šíře genetické variability Eroze genetické diverzity Zužování genetické variability - Hlavní příčiny: antropogenní destrukční vlivy (intrer- a intradruhová diverzita) intenzifikace výroby (interplemenná diverzita) selekční tlak (intraplemenná diverzita)

82 Příčiny snižování diverzity hospodářských zvířat Intenzifikace zemědělství 1/3 objemu výroby výsledek intenzivní produkce 2/3 objemu výroby výsledek extenzivní produkce Zužování poměru = pokles stavů zvířat = pokles počtu využív. plemen = pokles biodiverzity

83 Příčiny snižování diverzity hospodářských zvířat Selekční tlak v populacích Šlechtění zvířat na intenzivní jednostrannou produkci = snížení proměnlivosti (genet. diverzity) Komerční příčiny Bezohledná expanze firem zejména do rozvoj. zemí bez ohledu na místní podmínky

84 Omezování diverzity Mizení plemen Snižování vnitropopulační diverzity

85 Příčiny mizení plemen nižší užitkovost nižší genetický zisk méně přesný odhad plemenné hodnoty obliba chovatelů strukturální změny umělá inseminace - ohrožuje diverzitu i ve velkých populacích

86 Počet využívaných a původních plemen v některých evropských zemích

87 Přehled plemen hosp. zvířat vyhynulých v některých evropských zemích od roku 1892

88 Další příčiny ohrožení diverzity náhodný tlak inbreeding zhoršení reprodukce

89 Objektivní metody hodnocení genetické diverzity posouzení vnějších rozdílů biochemický polymorfismus krevní skupiny molekulární markery

90 Objektivní metody hodnocení genetické diverzity srovnání pořadí nukleotidů v DNA nebo RNA nebo pořadí aminokyselin v proteinech RFLP AS-PCR, SSCP, DGGE, TGGE, heteroduplexní analýza, AFLP, mikrosatelity SNP

91 Důvody pro ochranu genetické diverzity uchování genetické diverzity pro budoucí šlechtění uchování kulturního dědictví

92 Uchování genetické diverzity pro budoucí šlechtění Nové antagonismy mezi znaky Úbytek geneticky využitelné variability Odhalení nových vlastností u původních plemen Změna ekonomického významu užitkových znaků Změna technologie chovu, životního prostředí Změna dostupných zdrojů krmiv Změna v nárocích na lidskou výživu

93 Využití biotechnologií ve šlechtění Umožní přenos genů pro tyto příznivé vlastnosti do moderních plemen Zatím však není u hosp. zvířat prakticky využitelné

94 Kritéria ohrožení plemene N e = 4 N m N f N m + N f

95 Skot: N e má být nejméně 50, to odpovídá nárůstu inbreedingu ročně o 1%, při poklesu na 10 hrozí značná inbreedingová deprese.

96 Nárůst inbrídingu F = 1 2 N 1 1 F = + 8 N m 8 N f

97 Fixační index (koeficient inbreedingu) F je míra korelace mezi spojujícími se gametami. Při panmixii F = 0.

98 Velikost populace holštýnského skotu pět nejvýznamnějších holštýnských otců v USA zplodilo 42% býků deset býků v zemích Interbull v roce 1995 zplodilo 43% býků pět býků zplodilo 17% amerických elitních holštýnských krav u dalších plemen (ayrshire, brown swiss, guernsey, jersey) byla situace ještě horší

99 Kritéria ohrožení plemene Skutečný počet přežívajících zvířat Počet podniků (10) Organizační zajištění chovu Existence plemenné knihy Průměrný věk chovatelů atd.

100 Metody záchrany genových rezerv In situ Ex situ

101 Ex situ Kryokonzervace spermatu Kryokonzervace embryí

102 Závěr význam pro budoucí šlechtění uchování diverzity v komerčních populacích

103 Cachena breed

104 registrováno 500 zvířat jedno z nejmenších plemen na světě, max. výška 110 cm rusticita téměř celý rok pastevní chov velmi kvalitní mléko vhodné pro výrobu sýrů

105 Brava breed

106 9000 zvířat rusticita, chov v marginálních oblastech střední velikost, variabilita v typu, velikosti i barvě používá s pro býčí zápasy extensivní

107 Alentejana breed

108 Garvonesa (Chamusca) breed

109 55 zvířat červená nebo tmavá barva dlouhé rohy

110 Mertolenga breed

111 Heterozygotnost (H) H = 1 n 2 p i i= 1 p i frekvence i-té alely, n počet alel

112 Heterozygotnost mezi lokusy s různým počtem alel v populaci lze srovnat podle standardizované heterozygotnosti H s = H teor / Hmax kde H max je dosažena, mají-li všechny alely stejnou frekvenci.

113 Je možné diversitu populace hodnotit podle koeficientu inbreedingu (měří redukci individuální heterozygotnosti v důsledku odchýlení od náhodného páření) F is = H s - H i / H s H i - průměrná pozorovaná heterozygotnost na jedince v subpopulaci H s - průměrná očekávaná h. v populaci s náhodným pářením

114 Efekt rozdělení do subpopulací lze měřit fixačním indexem (měří redukci h. v subpopulaci v důsl. nenáhodného připařování ve srovnání s celou populací): F st = H t - H s / H t H t - očekávaná h. v celé populaci s náhodným připařováním.

115 Celkový fixační index F it = H t - H i / H t

116 (1 F is ) (1 F st ) = (1 F it )

117 Polymorfní informační obsah (PIC) PIC = H 2 n 1 2 n p i p i= 1 j= i+ 1 2 j

118 Pravděpodobnost genetické identity dvou příslušníků jednoho plemene G1 = r ni ni 1 ni 4 p + 4 ij i= 1 j= 1 j= i k = j+ 1 p 2 ij p ik 2 r počet lokusů, n i počet alel na i-tém lokusu, p ij, p ik frekvence j-té a k-té alely na i-tém lokusu

119 Efektivní počet alel 1 EA = n i Σ p 2 i j=1 kde p i jsou frekvence alel

120 Rovněž se používá ukazatel availability 1 - počet pozorovaných alel v populaci / počet zvířat ve výběru.

121 Dendrogram Neighbor-Joining, vstupní distance Nei standard, +kříženci německá červinka!! polská červinka!! české strakaté!!! +-česká červinka! --3černostrakaté! +německé černostrakaté

122 Dendrogram Neighbor-Joining, vstupní distance Cavalli-Sforza +-české strakaté! kříženci!! +--2!!!! +--německá červinka! !! +-polská červinka!!! +-česká červinka! --3-černostrakaté! +německé černostrakaté

123 Dendrogram Neighbor-Joining, vstupní distance Reynolds +--česká červinka!! +--kříženci !! německá červinka!!!!! polská červinka!!! +-české strakaté! --3-černostrakaté! +německé černostrakaté

124 Dendrogram CONTML, všechny lokusy české strakaté!! něm.červ !! pol.červ.!!!!! kříženci!!! česká červinka! černostrakaté! +-německé černostrakaté

125 Dendrogram Neighbor-Joining method, Nei s distances

126 Dendrogram Neighbor-Joining method, Nei s distances, not bootstrapped data