EKOLOGIA dla BIOTECHNOLOGII

EKOLOGIA dla
BIOTECHNOLOGII
Zespół i biocenoza
Ekosystem złoŜony z wielu gatunków
Energia
konkurencja
drapieŜnictwo
pasoŜytnictwo
mutualizm
Ciepło
SPECJACJA
NIEBYT
WYMIERANIE
ewolucyjna
skala czasu
historia = przypadek
PULA
GATUNKÓW
ograniczenia dyspersji
ograniczenia środowiskowe
interakcje
LOKALNA
BIOCENOZA
(ZESPÓŁ)
ASSEMBLY
RULES”
ekologiczna
skala czasu
ZESPÓŁ I BIOCENOZA
ZESPÓŁ: dowolnie duŜa grupa gatunków w interakcji
BIOCENOZA:
•zbiór wszystkich gatunków ekosystemu
•zespół wszystkich gatunków ekosystemu, w interakcjach
•unikatowy, charakterystyczny zespół gatunków danego
typu ekosystemu
WZORCE W STRUKTURZE BIOCENOZ
• REDUNDANCJA
• ROZKŁAD LICZEBNOŚCI
(STRUKTURA DOMINACJI)
• STRUKTURA WIELKOŚCI CIAŁA
• OGRANICZONE PODOBIEŃSTWO
• NISZA EKOLOGICZNA KONKURENCJA
• REGUŁY SKŁADANIA
• SUKCESJA
WZORCE W STRUKTURZE BIOCENOZ
• REDUNDANCJA
„ZA DUśO” GATUNKÓW
• ROZKŁAD LICZEBNOŚCI (STRUKTURA
DOMINACJI)
• STRUKTURA WIELKOŚCI CIAŁA
• OGRANICZONE PODOBIEŃSTWO
• NISZA EKOLOGICZNA - KONKURENCJA
• REGUŁY SKŁADANIA
• SUKCESJA
Schemat prostego ekosystemu, przedstawiający tylko
sieć zaleŜności troficznych
WZORCE W STRUKTURZE BIOCENOZ
• REDUNDANCJA
• ROZKŁAD LICZEBNOŚCI (STRUKTURA
DOMINACJI)
DUśO RZADKICH, MAŁO
POSPOLITYCH
• STRUKTURA WIELKOŚCI CIAŁA
• OGRANICZONE PODOBIEŃSTWO
• NISZA EKOLOGICZNA - KONKURENCJA
• REGUŁY SKŁADANIA
• SUKCESJA
WSKAŹNIKI RÓŻNORODNOŚCI
H’= 0,702
S = 12
N = 84
H’ = 2,485
MODELE ROZKŁADU LICZEBNOŚCI GATUNKÓW
W ZESPOLE
Wykres liczebności gatunków wg rang
względna liczebność populacji, n/N
PTAKI PUSZCZY NIEPOŁOMICKIEJ, GRĄDY 150-LETNIE
1.0
0.1
„BROKEN STICK”
0.01
SZEREG GEOMETRYCZNY
0.001
ranga gatunku wg. liczebności
WZORCE W STRUKTURZE BIOCENOZ
• REDUNDANCJA
• ROZKŁAD LICZEBNOŚCI (STRUKTURA
DOMINACJI)
• STRUKTURA WIELKOŚCI CIAŁA
DUśO MAŁYCH, MAŁO DUśYCH
• OGRANICZONE PODOBIEŃSTWO
• NISZA EKOLOGICZNA - KONKURENCJA
• REGUŁY SKŁADANIA
• SUKCESJA
Proporcja liczby gatunków
W DANEJ GRUPIE
TAKSONOMICZNEJ
PRZEWAśAJĄ
GATUNKI
O MAŁYCH
ROZMIARACH
CIAŁA
Masa ciała (g)
log (ZAGĘSZCZENIE POPULACJI; N/km2)
ZAGĘSZCZENIE POPULACJI SSAKÓW W LASACH
RÓWNIKOWYCH
GATUNKI MAŁE SĄ LICZEBNIEJSZE
(NA OGÓŁ)
log (MASA CIAŁA, g)
Liczebność populacji
log (zagęszczenie)
GATUNKI DUśE SĄ MAŁO LICZEBNE,
Z MAŁYMI RÓśNIE BYWA
Długość ciała [mm]
Chrząszcze na paprociach
w Brunei
log (masa ciała, kg)
Ryby głębinowe
w Atlantyku
WZORCE W STRUKTURZE BIOCENOZ
• REDUNDANCJA
• ROZKŁAD LICZEBNOŚCI (STRUKTURA
DOMINACJI)
• STRUKTURA WIELKOŚCI CIAŁA
• OGRANICZONE PODOBIEŃSTWO
ZASADA HUTCHINSONA,
„ZASADA ELTONA”
• NISZA EKOLOGICZNA - KONKURENCJA
• REGUŁY SKŁADANIA
• SUKCESJA
GRYZONIE
(KALIFORNIA)
GOŁĘBIE
Nowa Gwinea
REGULARNE ODSTĘPY WIELKOŚCI
CIAŁA KOEGZYSTUJĄCYCH
GATUNKÓW
ZASADA OGRANICZONEGO PODOBIEŃSTWA
(Hutchinson 1959)
PRZYKŁAD SCHOENERA, 1984
(Accipiter sp.)
częstość
0.015
oczekiwany
obserwowany
0.1
0.05
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2.0
stosunek większy gat./mniejszy gat.
wg. Schoener, 1984
WZORCE W STRUKTURZE BIOCENOZ
• REDUNDANCJA
• ROZKŁAD LICZEBNOŚCI (STRUKTURA
DOMINACJI)
• STRUKTURA WIELKOŚCI CIAŁA
• OGRANICZONE PODOBIEŃSTWO
• NISZA EKOLOGICZNA - KONKURENCJA
„DUCH MINIONEJ KONKURENCJI”?
• REGUŁY SKŁADANIA
• SUKCESJA
KONKURENCYJNY
PODZIAŁ SIEDLISK
(KONKURENCYJNE
UWOLNIENIE
(COMPETITIVE RELEASE)
Diamond 1975
NISZA EKOLOGICZNA:
GRINNEL: zbiór cech gatunku, pozwalający na
przeŜycie i wydanie potomstwa w warunkach
konkurencji itd.
• ELTON: miejsce gatunku w środowisku biotycznym,
wyznaczana przez interakcje z innymi gatunkami
•Odum: „zawód gatunku”
•MacFadyen, HUTCHINSON: wielowymiarowa bryła
w superprzestrzeni wyznaczonej przez osie zasobów
środowiska
[Nisza fundamentalna, nisza realizowana]
NISZA
EKOLOGICZNA
WZORCE W STRUKTURZE BIOCENOZ
• REDUNDANCJA
• ROZKŁAD LICZEBNOŚCI (STRUKTURA
DOMINACJI)
• STRUKTURA WIELKOŚCI CIAŁA
• OGRANICZONE PODOBIEŃSTWO
• NISZA EKOLOGICZNA - KONKURENCJA
• REGUŁY SKŁADANIA
PRZYPADEK CZY KONIECZNOŚĆ?
• SUKCESJA
AFRYKA
AMERYKA PD.
KONWERGENCJA
MORFOLOGICZNA
GATUNKÓW
W ZESPOŁACH
LASÓW DESZCZOWYCH
AFRYKI
I AMERYKI PD.
PODOBIEŃSTWO MORFOLOGICZNE
PTAKÓW WRÓBLOWATYCH
Panama
Liberia
DENDROGRAM
PODOBIEŃSTWA
SPOSOBÓW śEROWANIA PTAKÓW
SPECJACJA
NIEBYT
WYMIERANIE
ewolucyjna
skala czasu
historia = przypadek
PULA
GATUNKÓW
ograniczenia dyspersji
ograniczenia środowiskowe
interakcje
LOKALNA
BIOCENOZA
(ZESPÓŁ)
ASSEMBLY
RULES”
ekologiczna
skala czasu
RÓśNORODNOŚĆ
BIOLOGICZNA
BIOSFERY
CO NAS TO OBCHODZI?
ARGUMENTY ZA OCHRONĄ
RÓśNORODNOŚCI BIOLOGICZNEJ
• Ekologiczne („diversity begets stability”)
• Utylitarne (pokarm, surowce, leki,
biotechnologia, ekoturystyka itd.)
• Poznawcze („dla nauki”)
– Wersja słaba („Nauka to potęgi klucz”)
– Wersja mocna („Ciekawi jesteśmy”)
• Estetyczno-etyczne
– Wersja słaba („Naturalne środowisko
człowieka”)
– Wersja mocna („Tak nam się podoba”)
RÓśNORODNOŚĆ ==> STABILNOŚĆ?
[„Diversity begets stability”]
Matematyczne modele układów dwu (lub
niewielu) gatunków są immanentnie niestabilne
Nie zawsze. Modele układów
wielogatunkowych są jeszcze mniej stabilne
Laboratoryjne układy eksperymentalne
dwu- lub kilkugatunkowe są niestabilne
Owszem, ale układy wielogatunkowe teŜ!
RÓśNORODNOŚĆ ==> STABILNOŚĆ?
Wyspy (ubogie w gatunki) są podatne na inwazje
Prawda, ale są teŜ spektakularne przykłady
inwazji na kontynenty
Monokultury są podatne na inwazje i szkodniki
Problem koewolucji, a nie bioróŜnorodności.
Uprawy to sztuczne stadia wczesnosukcesyjne.
Naturalne „monokultury” są stabilne.
Bogate w gatunki ekosystemy (np.lasy deszczowe)
są wolne od gradacji owadów
Nie prawda, tam teŜ są ogromne fluktuacje
populacji. Za to klimat jest stabilny
ZNACZENIE FUNKCJONALNE RÓśNORODNOŚCI
EKSPERYMENTY (lata 80. i 90.)
• Tilman (preria); 1-24 gatunków, setki powt.
– wzrost produktywności
– wzrost „niezawodności”
– lepsze wykorzystanie zasobów
• Lawton „ekotron”; 9 - 15 - 31 gat. 16 powt.
– wzrost produktywności i respiracji
• Nee et al.. „mikrokosmosy”, dziesiątki powt.
– wzrost niezawodności (powtarzalności)
EKSPERYMENT
„BIODEPTH”
STANOWISKO
W PORTUGALII
GATUNKI
ZWORNIKOWE
(„KEYSTONE
SPECIES”)
GATUNKI
ZWORNIKOWE
(„KEYSTONE
SPECIES”)
ARGUMENTY ZA OCHRONĄ
RÓśNORODNOŚCI BIOLOGICZNEJ
• Ekologiczne („diversity begets stability”)
• Utylitarne (pokarm, surowce, leki,
biotechnologia, ekoturystyka itd.)
• Poznawcze („dla nauki”)
– Wersja słaba („Nauka to potęgi klucz”)
– Wersja mocna („Ciekawi jesteśmy”)
• Estetyczno-etyczne
– Wersja słaba („Naturalne środowisko człowieka”)
– Wersja mocna („Tak nam się podoba”)
ROŚLINY UPRAWNE
kilkanaście gatunków,
większość zapotrzebowania:
•pszenica
•kukurydza
•ryŜ
•ziemniaki
Zielarze, XVI wiek
Nadal większość leków
to naturalne
związki roślinne
albo ich pochodne
ARGUMENTY ZA OCHRONĄ
RÓśNORODNOŚCI BIOLOGICZNEJ
• Ekologiczne („diversity begets stability”)
• Utylitarne (pokarm, surowce, leki,
biotechnologia, ekoturystyka itd.)
• Poznawcze („dla nauki”)
– Wersja słaba („Nauka to potęgi klucz”)
– Wersja mocna („Ciekawi jesteśmy”)
• Estetyczno-etyczne
– Wersja słaba („Naturalne środowisko człowieka”)
– Wersja mocna („Tak nam się podoba”)
„DLA NAUKI”:
Poznanie naukowe jest częścią kultury,
nie tylko zapleczem techniki
ARGUMENTY ZA OCHRONĄ
RÓśNORODNOŚCI BIOLOGICZNEJ
• Ekologiczne („diversity begets stability”)
• Utylitarne (pokarm, surowce, leki,
biotechnologia, ekoturystyka itd.)
• Poznawcze („dla nauki”)
– Wersja słaba („Nauka to potęgi klucz”)
– Wersja mocna („Ciekawi jesteśmy”)
• Estetyczno-etyczne
– Wersja słaba („Naturalne środowisko
człowieka”)
– Wersja mocna („Tak nam się podoba”)
Albrecht Duerer, 1505
Stanisław Wyspiański
(1869-1907)
Cornflower
May 9/10, 1896
„In the meantime, excursions
to Bielany, to the meadows
along Vistula, to draw flowers
and to stylize them (…) This
is a whole world, shining like
a rainbow, weird, I want to
integrate myself into it. What
a wonder!
July 13, 1896
Pasque flower
Sasanka łąkowa
(Pulsatilla pratensis)
Fort Bodzów, 26.04.2003
May 23, 1896 at Twardowski Cave
Poppy
Bniec biały
(Melandrium album)
kwiat Ŝółtawo biały/szyjka
zielonkawo-biała/ osłonka bladozółto-zielona/na kantach
brązowa (przy pączkach/kanty
winiowe, przy maleńkich zielone
ciemne; włoski białe.
słupki Ŝółte ze szczotkami
ciemno zółtemi – (cała łodyga
przy kwiecie obsadzona
robaczkami czarnymi
maluńkiemi połyskującemi)
liście zielone ciemne – omszałe
/spody oliwkowo – zielone – Ŝyłki
Ŝółte – włoski białe na łodyŜce i
listku (stąd kontury białe listków
a wyrost blady).
w wielkich lisciach u dołu rośliny
Ŝyłki białe rózowe od końca a
liść prawie czarny – zielony.
White catchfly
Silene pratensis
15. ipca 1896, za Wisłą
Prunella grandiflora
July 14 (1896), swamps at Vistula
Głowienka wielkokwiatowa
(Prunella grandiflora)
Kostrze meadows, July11, 2002
Ponad wrzosem
Szczygieł z kosem
Powadzili się o to,
kto z nich lepiej śpiewa.
Koło drzewa...
Ignacy Krasicki
Szczygieł i Kos
Uciekła mi
przepióreczka
w proso...