Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Populace a společenstva
Definice, pojmyPopulační dynamika
Biotické interakceRegulace škodlivých organismů
Essay on the Principle of Population. On the Origin of Species, Thomas Malthus, 1789 Charles Darwin, 1859
Lidstvo nemá neomezené možnosti, ale naopak je spoutáno populačním zákonem. Podmínky obživy rostou lineárně, zatímco populace roste geometricky.
Pohlavní výběr závisí na převaze určitých jedincůnad druhými stejného pohlaví, což se týkápropagace 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 probíhávýměna genetické informace– specifický genofond– přizpůsobení specifickému prostředí– základní jednotka evolučního procesu
Vlastnosti prostředí
zpětná vazba
Populační procesy
zpětná vazba
Vlastnosti organismů
Populační proměnné
životní cyklusplodnostpohyblivostobranné strategie
potravaprostorkonkurenti...
natalitamortalitamigrace
hustotadistribucevěková struktura
změny chováníadaptivní evoluce
změny prostředí - koevoluce
Organismy, prostředí a populační procesy
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 splynutígamet (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 šířenípopulací
• Příčiny: prostor, potrava, rozmnožováníklima
• Formy migrality– aktivní / pasivní
• Směr migrality– (migrace – emigrace – imigrace
Demografický rozbor populací
Analýza počtu jedinců v populaci a procesůvedoucích k jeho změnám.
Populace s nepřekrývajícími se generacemi (hmyz)
N0 - počáteční velikost populaceN1..Nt – velikost populace v dalších sezónáchλ – (konečná) rychlost růstu populace
N1 = λ N0 (velikost populace v 1. sezóně)N2 = λ (λ N0) = λ2 N0 (velikost v 2. sez)N3 = λ (λ2 N0 ) = λ3 N0
Nt = λt N0
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 množícípopulace
Vlivy působící na reprodukčnírychlost 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
Nt+1 = Nt + 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 / (N0.dt)
Exponenciální populační růst(N1 = N0 + RN0), kde N1 = 10 a R=0.5 (modrá), R=0 (černá), R=-0.5 (červená).
Nosná kapacita prostředí(carrying capacity)
• Maximální udržitelné zatížení územípopulací určitého druhu (maximálníúživnost 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 vlastnostíumožňujících 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)
• 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
Zdroj: Lepš 2007
Primární strategie druhů
STRES
NARUŠOVÁNÍ KONKURENCE
S - stratégové
R - stratégové C - stratégové
(parazit a parazit) -+ HYPERPARAZITISMUS
(parazit a hostitel) -+ PARAZITISMUS(dravec a kořist) -+ PREDACE
(dospělci chrousta a housenky obaleče dubového, rak behenní vytlačí raka říčního, veverka popelavávytlačí veverku obecnou)
--KOMPETICE -KONKURENCE
(sinice produkující toxiny a ryby, obojživelníci, savci) 0 -AMENZALISMUS
(trvalá, nezbytná vazba: hlízkovité bakterie a kořeny bobovitých rostlin, rostliny a opylovači, sasanka a rak poustevníček, mšice a mravenci, mykorrhiza, lichenismus)
+ + MUTUALISMUS -SYMBIÓZA
(hyeny, šakali, supi - velké šelmy) 0 + KOMENZALISMUS
(dočasné sdružování jedinců různých druhů -zlepšená obrana před nebezpečím - jedni dobrý zrak, druzí dobrý čich - pštrosi a zebry, žirafy a sloni, ptáci a kopytníci)
+ + ALIANCE
(nejvolnější případy kladných vztahů: hnízděnírůzných ptáků na jednom místě - úspěšnějšíobrana)
+ + PROTOKOOPERACE
(jsou na sobě nezávislé) 0 0 NEUTRALISMUS
poznámka populace B populace A název vztahu
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 sebouπαϑοσ (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)
Lipnicovité (Poaceae)
isothiokyanáty
N
O OH
O
OH
R
R
R
cyklickéhydrolamin kyseliny
R-N=C=S
fytotoxické kořenové exudáty
Alelopatie - vzájemné ovlivňovánírostlin mezi sebou
chemická obrana před dalšími rostlinami
Obranné látky
• Fytoncidy – obrana rostlin proti mikroorganismům a parazitům
• Telergony – varovné, obranné a likvidačnílátky 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)
Společenstvo je soubor populací různých druhů vyskytujících se v určitém prostoru a čase mezi nimiž jsou vzájemné vztahy.
Biocenóza je průměrným vnějším životním podmínkám odpovídající výběr a počet druhůa individuí, vzájemně se podmiňujících a ve
vymezeném území se trvale udržujícíchKarl August Möbius, 1877
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 druhovápestrost „prolínání“ společenstev
Trofická struktura společenstva
Popisuje potravní vztahy (energo-materiálové 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.)
vojtěška
skot
člověk vojtěška
skot
člověk
vojtěška
skot
člověk
pšenice
mšice
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 společenstvu1. pastevně-kořistnický řetězec 2. detritový (rozkladný) řetězec
3. p
araz
itick
ý
Tok energie v suchozemském společenstvupastevně-kořistnický řetězec detritový (rozkladný) řetězec
primární producenti
konzumenti 1. řádu(herbivoři, býložravci, fytofágové)
konzumenti 2. řádu(karnivoři, predátoři, masožravci)
konzumenti 3. řádu(top karnivoři, predátoři, masožravci)
rozkladači(detrivoři, saprofágové)
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. klimaxovéstádium (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 populacív produkčních společenstvech
• Produkční společenstva jsou řízena člověkem
• Řízení často porušuje autoregulačnímechanismy
• Dochází k přemnožení škodlivých organismů
• Škodlivé organismy způsobují celosvětově30 – 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 úroveňvýnosů 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 množstvíregulátora 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 úrovnía abiotických faktorů prostředí.
• Plevele vytvářejí společenstva a ochrana musí zajistit účinek na několik (zpravidla 3-5) rozhodujících plevelných druhů. Naproti tomu většina bioregulátorů je druhověspecifická.
• Ústup pouze jednoho druhu je zpravidla kompenzován druhy dalšími. Použití nespecifických bioregulátorů nenímožné 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 – použitíGM 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) odolnéneselektivním herbicidům
– snadnější potlačení plevelů, vyloučenífytotoxicity 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
• International Organisation forBiological and Integrated Control ofNoxious Animals and Plants
• West Palaearctic Regional Section
*1976
Poslání instituce
• Vytváření konceptuálního rámce integrované produkce (ICP) jako dlouhodobě udržitelného produkčního systému– vymezení pojmů– pravidla IP v plodinových systémech– implementace na úrovni farem