Populace a společenstva Definice, pojmy Populační dynamika Biotické interakce Regulace škodlivých organismů
Thomas Malthus, 1789 Charles Darwin, 1859 Essay on the Principle of Population. Lidstvo nemá neomezené možnosti, ale naopak je spoutáno populačním zákonem. Podmínky obživy rostou lineárně, zatímco populace roste geometricky. On the Origin of Species, Pohlavní výběr závisí na převaze určitých jedinců nad druhými stejného pohlaví, což se týká propagace druhů; zatímco přírodní výběr závisí na vítězství obou pohlaví, v každém věku, za normálních podmínek života
Populace Soubor jedinců téhož druhu na vymezeném území, mezi kterými probíhá výměna genetické informace specifický genofond přizpůsobení specifickému prostředí základní jednotka evolučního procesu
Organismy, prostředí a populační procesy Vlastnosti prostředí potrava prostor konkurenti... Populační procesy Populační proměnné Vlastnosti organismů životní cyklus plodnost pohyblivost obranné strategie natalita mortalita migrace zpětná vazba hustota distribuce věková struktura změny chování adaptivní evoluce zpětná vazba změny prostředí - koevoluce dle Berrymana (1981)
Charakteristické znaky populace Velikost Rozmístění (disperze) jedinců Vnitřní struktura (velikostní, pohlavní, věková,...) Rychlost a typ populačního růstu...
Velikost populace Početnost (abundance) absolutní (celkový počet jedinců) relativní (vzorek populace) hustota (denzita) ve vztahu k ploše, objemu Pokryvnost (dominance) Biomasa
Prostorová struktura - disperze Pravidelná (lesní a zemědělské monokultury) Náhodná (u euryekních organismů nebo v homogenním prostředí) Shloučená (patchy distribution) v souvislosti se sociální chováním živočichů nebo disperzními mechanismy rostlin
Věková a velikostní struktura Juvenilní jedinci (prereproduktivní) Adultní jedinci (reproduktivní) Postreproduktivní Skupina stejného stáří = kohorta
Zastoupení pohlaví sexuální složení Sexuální index = počet samic / celkový počet jedinců Primární poměr pohlaví při splynutí gamet (1:1) Sekundární poměr při narození/vylíhnutí Terciární poměr v dospělosti
Četnost rozmnožování druhu Polykarpické / polycyklické druhy (rozmnožují se opakovaně) Monokarpické / monocyklické druhy (rozmnožují se jedenkrát za život)
Potravní vztahy Mezi živými organismy navzájem Organická odumřelá hmota Anorganické živiny
Autotrofní organismy výživa anorganické látky zdroj energie sluneční záření (fotoautotrofní) nebo oxidace anorganických substrátů (chemoautotrofní) Heterotrofní organismy získávání energie rozkladem látek vytvořených autotrofy
Potravní zaměření Biofágové (konzumující živá těla) bakteriofágové fytofágové herbivoři fytoparazité zoofágové predátoři zooparazité Saprofágové (odumřelá těla v rozkladu) nekrofágové koprofágové
Šíře potravních nároků Monofágní druhy potravně specializované Polyfágní druhy široké potravní spektrum Pantofágní druhy všežravci
Vztahy (interakce) v populaci pozitivní / negativní komunikace prostřednictvím signálů (chemické, akustické, optické) vnitrodruhová konkurence exploatační (sdílením společného zdroje) interferenční (přímým stykem jedinců)
Migralita stěhování a šíření populací Příčiny: prostor, potrava, rozmnožování klima Formy migrality aktivní / pasivní Směr migrality (migrace emigrace imigrace
Demografický rozbor populací Analýza počtu jedinců v populaci a procesů vedoucích k jeho změnám.
Populace s nepřekrývajícími se generacemi (hmyz) N 0 -počáteční velikost populace N 1..N t velikost populace v dalších sezónách λ (konečná) rychlost růstu populace N 1 = λ N 0 (velikost populace v 1. sezóně) N 2 = λ (λ N 0 ) = λ 2 N 0 (velikost v 2. sez) N 3 = λ (λ 2 N 0 ) = λ 3 N 0 N t = λ t N 0
Populace s překrývajícími se generacemi (savci, ptáci) jedinci různého stáří = rozdílné hodnoty natality a mortality podle věku kontinuálně (ve stálém prostředí) nebo diskrétně (sezónnost) se množící populace
Vlivy působící na reprodukční rychlost populace věková struktura (v časových intervalech) věkově specifická úmrtnost věkově specifické přežívání typ I: minimální pravděpodobnost úmrtí až do konce věku typ II: p úmrtí nezávisí na věku typ III: p úmrtí vysoká na začátku věku věkově specifická plodnost
Populační dynamika Změny populační hustoty typ a rychlost růstu: výchozí početnost natalita (množivost, porodnost) maximální (fyziologická) ekologická (realizovaná) mortalita (úmrtnost) maximální (fyziologická) ekologická (realizovaná) migralita imigrace emigrace N t+1 = N t + Na Mo+ Im-Em
Typy růstu populace Závisí na nosné kapacitě (únosnosti) prostředí Růstové křivky exponenciální růst lineární růst sigmoidální (logistický) růst
Specifická rychlost růstu (r) r = dn/ (N 0.dt)
Exponenciální populační růst (N 1 = N 0 + RN 0 ), kde N 1 = 10 a R=0.5 (modrá), R=0 (černá), R=-0.5 (červená).
Nosná kapacita prostředí (carrying capacity) Maximální udržitelné zatížení území populací určitého druhu (maximální úživnost území pro daný druh) Maximální velikost populace, která může trvale žít na daném území (natalita v populaci = mortalita)
Zdroj: Chytrý, 2004
Populační (životní) strategie Komplex fyziologických, reprodukčních, disperzních a interakčních vlastností umožňujících přežití a šíření druhu ve specifickém prostředí.
r - stratégové označení podle r specifické rychlosti růstu krátký věk, menší tělo, rané rozmnožování velký energetický vklad do rozmnožování vysoká natalita i mortalita obsazují narušovaná stanoviště
K - stratégové označení podle K nosné kapacity prostředí dlouhý věk, velké tělo, pozdní rozmnožování velký energetický vklad do přežití velká konkurenční schopnost nízké výkyvy početnosti
Populační stategie R-C-S (Grime 1979) Zdroj: Lepš 2007 Rozdíly v odolnosti stresu (S), konkurenci (C) a narušování (R) R-stratégové vysoká reprodukční schopnost a rychlý vývoj, odolnost narušování C-stratégové vysoká konkurenšní schopnost na stanovištích bez stresu a narušování S-stratégové tolerantní vůči stresu, citliví k narušování a konkurenci
Primární strategie druhů STRES S - stratégové R - stratégové NARUŠOVÁNÍ C-stratégové KONKURENCE
název vztahu populace A populace B poznámka NEUTRALISMUS 0 0 (jsou na sobě nezávislé) PROTOKOOPERACE + + (nejvolnější případy kladných vztahů: hnízdění různých ptáků na jednom místě -úspěšnější obrana) ALIANCE + + (dočasné sdružování jedinců různých druhů - zlepšená obrana před nebezpečím - jedni dobrý zrak, druzí dobrý čich - pštrosi a zebry, žirafy a sloni, ptáci a kopytníci) KOMENZALISMUS + 0 (hyeny, šakali, supi - velké šelmy) MUTUALISMUS - SYMBIÓZA + + (trvalá, nezbytná vazba: hlízkovité bakterie a kořeny bobovitých rostlin, rostliny a opylovači, sasanka a rak poustevníček, mšice a mravenci, mykorrhiza, lichenismus) AMENZALISMUS - 0 (sinice produkující toxiny a ryby, obojživelníci, savci) KOMPETICE - KONKURENCE - - (dospělci chrousta a housenky obaleče dubového, rak behenní vytlačí raka říčního, veverka popelavá vytlačí veverku obecnou) PREDACE + - (dravec a kořist) PARAZITISMUS + - (parazit a hostitel) HYPERPARAZITISMUS + - (parazit a parazit)
Vztahy mezi populacemi mezidruhové (biotické) intarakce Rozmanité formy soužití v důsledku dlouhodobého společného vývoje koevoluce Vzájemně se neovlivňující populace Negativně / pozitivně se ovlivňující
Amenzalismus a alelopatie Vztahy dvou populací, při které je jedna z nich negativně ovlivňována metabolickými produkty druhé populace Producent látky neovlivněn nebo zvýhodněn 0, + Akceptor poškozen - Amenzalismus u živočichů Alelopatie u rostlin
ALLELOPATIE αλληλων (allelon) - vzájemně, mezi sebou παϑοσ (pathos) - poškozovat Procesy vznikající v důsledku sekundárních metabolitů produkovaných rostlinami, mikroorganismy, viry a houbami, zahrnující efekty (jak pozitivní tak negativní) které ovlivňují růst a vývoj a biologických systémů.
Přirozené obranné látky rostlin Brukvovité (Brassicaceae) R-N=C=S isothiokyanáty Lipnicovité (Poaceae) R R O OH R N OH O cyklické hydrolamin kyseliny
Alelopatie - vzájemné ovlivňování rostlin mezi sebou chemická obrana před dalšími rostlinami fytotoxické kořenové exudáty
Obranné látky Fytoncidy obrana rostlin proti mikroorganismům a parazitům Telergony varovné, obranné a likvidační látky vylučované živočichy
Predace, herbivorie, mycetofágie, bakterifágie Populace jednoho druhu je potravou jiného druhu Predátor vyřazuje jedince z populace Vztah + -
Parazitismus a patogenie Parazitismus vztah mezi různými organismy, kdy jeden využívá produkty látkové výměny druhého +- ekto, endoparazitismus parazitoidé (usmrcují hostitele) Patogenie podobný vztah mezi mikroorganismy a makroorganismy
Komenzalismus (Lat. com mensa = sdíleti stůl) Jedna populace využívá druhou bez jejího znatelného poškozování +,0 Vztah může být příležitostný nebo nezbytný Supi, hyeny, hlodavci,...
Protokooperace a mutualismus Oboustranně kladné ovlivňování +,+ Zabezpečování živin, prostředí apod. Protokooperace nezávazný, účelový, často náhodný vztah (opylovači, přenašeči semen) Mutualismus dlouhodobě utvářený nezbytný vztah (symbióza) člověk a užitkové rostliny mravenci a hmyz, houby mykorhiza (ektotrofní, endotrofní) lišejníky mikrobiální obsah bachoru
Společenstvo (biocenóza) Biocenóza je průměrným vnějším životním podmínkám odpovídající výběr a počet druhů a individuí, vzájemně se podmiňujících a ve vymezeném území se trvale udržujících Karl August Möbius, 1877 Společenstvo je soubor populací různých druhů vyskytujících se v určitém prostoru a čase mezi nimiž jsou vzájemné vztahy.
Rozdělení podle původu a řízení Přírodní (přirozená) společenstva neovlivněná člověkem (prales, poušť,..) Polopřirozená společenstva využívaná nebo ovlivňovaná člověkem (extenziní louky, rumiště) Umělá společenstva vytvořená a řízená člověkem (agroekosystémy, chovné rybníky,...)
Druhová struktura společenstva Podle systematické příslušnosti organismů Fytocenóza (možno dále členit...) rostlinná část (vyšších rostlin, mechů,...) Zoocenóza živočišná část (hmyzu, ptactva,...) Populace, které mají řídící (dominantní) funkci např. vzhledem ke své velikosti a postavení vůči ostatním populacím, určují ráz společenstva
Prostorová struktura Vertikální (svislé) rozvrstvení tzv. STRATIFIKACE SPOLEČENSTVA. např. v lese např. rozlišujeme stromové, keřové, bylinné, přízemní, kořenové patro Horizontální PLOŠNÁ DISTRIBUCE POPULACÍ přechodová zóna = ekoton vysoká druhová pestrost prolínání společenstev
Trofická struktura společenstva Popisuje potravní vztahy (energomateriálové toky) mezi organismy ve společenstvu
Znázornění trofické struktury ekosystému trofické pyramidy Pyramida početnosti (nadhodnocuje drobné org.) Pyramida biomasy / plochu Pyramida energie (vždy tvar pravé pyram.) člověk skot vojtěška mšice pšenice vojtěška skot člověk člověk skot vojtěška
Tok a transformace energie v ekosystému
Trofické řetězce pastevně kořistnický ( řetězec dravců ) detritový ( řetězec saprofytů ) parazitický vzájemným propojením vzniká trofická síť
Tok energie v suchozemském společenstvu 1. pastevně-kořistnický řetězec 2. detritový (rozkladný) řetězec 3. parazitický
Tok energie v suchozemském společenstvu pastevně-kořistnický řetězec detritový (rozkladný) řetězec konzumenti 3. řádu (top karnivoři, predátoři, masožravci) konzumenti 2. řádu (karnivoři, predátoři, masožravci) konzumenti 1. řádu (herbivoři, býložravci, fytofágové) rozkladači (detrivoři, saprofágové) primární producenti
Trofická úroveň organismy, které získávají energii (z rostlin) přes stejný počet stupňů
Tok a využití energie v trofickém oddílu (úrovni)
Základní typy trofických řetězců v agroekosystémech (Loomis a Connor, 1992)
Časové změny (proměnlivost) společenstev Ekologická sukcese - vývoj a změny ve složení společenstev v ekosystému. Na konci procesu změn dochází ke konečnému stavu - nastává tzv. klimaxové stádium (klimax)
Typy sukcese Primární: na nově osídlovaném území Sekundární: vychází z narušeného společenstva
Řízení společenstev v agroekosystémech (agrobiocenóz) Cílený výběr užitkových druhů (populací) Selekce v rámci populací Potlačování nežádoucích populací Snížení druhové pestrosti (pauperizace) Udržování sukcese permanentně v juvenilním stádiu
Antropogenní ovlivňování populací v produkčních společenstvech Produkční společenstva jsou řízena člověkem Řízení často porušuje autoregulační mechanismy Dochází k přemnožení škodlivých organismů Škodlivé organismy způsobují celosvětově 30 40 % ztrát produkce, Evropa cca 15 %
Ochrana rostlin Preventivní metody narušují životní cyklus škodlivého organismu, brzdí populační dynamiku Přímé metody chemické (pesticidy) biologické (přirození antagonisté) biotechnologické (transgenní rostliny) fyzikální metody ochrany
Příklady preventivních metod Střídání plodin v osevních postupech Pěstování odolných (tolerantních) odrůd, chov odolných plemen Welfare v chovech zvířat Zpracování půdy omezující škodlivé organismy Používání zdravého osiva a sadby Karanténní opatření v chovu zvířat...
Chemické metody použití biocidů Antibiotika Pesticidy herbicidy (plevele) insekticidy (hmyz) fungicidy (houbové choroby) rodenticidy (hlodavci) akaricidy (roztoči)...
Přednosti chemické ochrany Vysoká účinnost a spolehlivost Selektivita vůči necílovým organismům? Vysoká produktivita práce Relativně nízké náklady Všeobecná dostupnost Použití v širokém časovém rozpětí Nepřímé efekty: úspora energie, lidské práce, ochrana půdy,...
Nedostatky chemické ochrany Cizorodé látky (xenobiotika) aplikované do prostředí Zatížení abiotických složek prostředí (úlet, těkání, smyv, proplavování) Zatížení potravních řetězců (rezidua) Poškozování necílových organismů Změny v populacích shift, rezistence Závislost na chemickém průmyslu
Používat chemickou ochranu? Umožňuje udržet požadovanou úroveň výnosů a kvalitu produktů Napomáhá konkurenceschopnosti výrobců Trade-off: vyrobit více z jednotky plochy, nebo ničit další přirozená stanoviště (deštné pralesy, savany,...)?
Biologická ochrana Využití přirozených nepřátel (antagonistů) škůdců, plevelů (a chorob).
Biologická ochrana učebnicový příklad http://linus.mcs.uts.edu.au
Využití v praxi Proti škůdcům parazitoidi a paraziti (roztoči, blanokřídlí,...) Proti plevelům fytopatogenní organismy (houbové choroby) fytofágní organismy (motýli, brouci, ryby,...)
Biologická ochrana Trichogramma Phytoseilus závislost na měnících se podmínkách prostředí měnící se množství kořisti zpoždění populační dynamiky
Typy aplikace bioagens INTRODUKCE z jiných geografických oblastí s cílem trvalého regulačního efektu INOKULACE opakovaná introdukce do oblastí, kde není schopen dlouhodobě přežívat AUGMENTACE posílení existující populace v období gradace škodlivého organismu INUNDACE uvolnění velkého množství regulátora na krátké období účinku
Specifika biologické ochrany Předpokladem je dlouhodobě ustálená dynamická rovnováha mezi nabídkou potravního zdroje (plevele) a potřebou bioregulátora, což je v agroekosystémech (jednoletých kulturách) obtížně dosažitelné Bioregulátor je závislý nejen na množství dostupné potravy, ale zároveň je vystaven i tlaku vlivu vyšších trofických úrovní a abiotických faktorů prostředí. Plevele vytvářejí společenstva a ochrana musí zajistit účinek na několik (zpravidla 3-5) rozhodujících plevelných druhů. Naproti tomu většina bioregulátorů je druhově specifická. Ústup pouze jednoho druhu je zpravidla kompenzován druhy dalšími. Použití nespecifických bioregulátorů není možné z důvodu nebezpečí poškození kulturních rostlin. Účinek závisí na populační dynamice bioregulátora zpravidla nelze zajistit rychlý a spolehlivý účinek v krátkém časovém úseku.
Fyzikální metody ochrany působení vysoké teploty, záření,... proti škůdcům a chorobám sterilizace půdy, nářadí,... proti plevelům plamenomety, pára energeticky náročné poškození necílových organismů
Biotechnologické metody použití GM odrůd Rezistence ke hmyzím škůdcům Bt odrůdy (od Bacillus thuringiensis) produkující δ-endotoxin toxický pro hmyz vypuštění aplikace insekticidů Tolerance k neselektivním herbicidům Roundup Ready a Liberty Link odrůdy sóji, kukuřice, bavlníku a řepky (canoly) odolné neselektivním herbicidům snadnější potlačení plevelů, vyloučení fytotoxicity pro plodinu
Celosvětové plochy GM plodin
Integrovaná ochrana Systémový přístup využívající všechny dostupné a přijatelné metody (ekonomicky, ekologicky, environmentálně, zdravotně,...) s cílem udržet populaci škodlivého organismu pod ekonomickým prahem škodlivosti opatření preventivní kurativní (léčebná)
Mezinárodní koordinace cílů a postupů integrované ochrany *1976 International Organisation for Biological and Integrated Control of Noxious Animals and Plants West Palaearctic Regional Section
Poslání instituce Vytváření konceptuálního rámce integrované produkce (ICP) jako dlouhodobě udržitelného produkčního systému vymezení pojmů pravidla IP v plodinových systémech implementace na úrovni farem