Ekologia – zagadnienia

02 – Podstawowe pojęcia ekologii

• Definicje ekologii

Ekologia – nauka o strukturze i funkcjonowaniu przyrody, zajmująca się badaniem oddziaływań pomiędzy organizmami a ich środowiskiem oraz wzajemnie między tymi organizmami. Ekologia zajmuje się badaniem powiązań między organizmami żywymi a środowiskiem abiotycznym (układy biologiczne istnieją w sieci powiązań między sobą i otaczającym je środowiskiem), opartych na różnego rodzaju interakcjach. Odkrywanie tych zjawisk dokonywało się od starożytności, ale ekologia jako samodzielna nauka rozwinęła się w zasadzie w XIX w. Ekologia nie jest nauką obojętną wobec egzystencji przyrody i człowieka, dlatego często w potocznych dyskusjach utożsamiana bywa z sozologią i filozofią. Ekologia najogólniej jest nauką o porządku i nieporządku w przyrodzie oraz konsekwencjach wynikających dla istnienia biosfery i człowieka.

• Ekologia głęboka a ekologia jako nauka ścisła. Gałęzie ekologii. Historia ekologii

• Trójkąt wiedzy w ekologii

• Związki ekologii z naukami pokrewnymi
  Sposób postępowania w ekologii: Wzorce, Procesy, Determinanty procesów

• Wyobrażenia-Hipotezy-Modele-Weryfikacja-Wykorzystanie

• Zarządzanie adaptywne

Zarządzanie Adaptywne (lub Adaptywne Zarządzanie Zasobami) jest złożonym procesem podejmowania najbardziej optymalnych decyzji w celu zmniejszenia niepewności (niewiedzy) poprzez sukcesywne kolekcjonowania aktualnych danych. Zarządzanie Adaptywne jest narzędziem służącym zarówno do zmiany pewnego systemu, jak i do nauki o nim.

Zastosowanie Zarządzania Adaptywnego w projektowaniu ekologicznym polega na zintegrowaniu danego projektu, sposobu jego zarządzania i monitorowania jego przebiegu w celu systematycznej kontroli jego głównych założeń i ich adaptacji. W projektowaniu ekologicznym wyróżnia się trzy składniki Zarządzania Adaptywnego:

• testowanie założeń (konsekwentne stosowanie różnych czynności w celu uzyskania pożądanego efektu; punkt ten zakłada wybór najlepszej znanej strategii postępowania w oparciu o wiedzę na temat danego obszaru, a następnie monitorowanie całego procesu by sprawdzić prawdziwość założeń)

• adaptacja/zastosowanie (zmiana założeń na bieżąco w oparciu o problemy napotkane przy realizacji projektu)

• nauka (szczegółowa dokumentacja przebiegu projektu, jego dobrych i złych stron oraz wyciągnięcie wniosków z ich analizy)

• Projektowanie iteratywne

Rozwój iteratywny - hipoteza dotycząca powstawania bardzo zbliżonych form z jednej (mało zmiennej) formy wyjściowej w różnych okresach rozwoju ewolucyjnego. Mógłby zachodzić np. pod wpływem zwolnienia się tej samej lub podobnej niszy ekologicznej.

• Projektowanie ekologiczne

03 – Ekologia molekularna

Jakie to ma cechy?

• molekularne podstawy dziedziczenia cech; różnice między białkiem, DNA, RNA

Kwas deoksyrybonukleinowy (dawn. kwas dezoksyrybonukleinowy), w skrócie DNA – wielkocząsteczkowy organiczny związek chemiczny należący do kwasów nukleinowych. Występuje w chromosomach i pełni rolę nośnika informacji genetycznej organizmów żywych.

W skład cząsteczki DNA zwykle wchodzą dwa łańcuchy (DNA dwuniciowy), które biegną antyrównolegle (tzn. koniec jednego jest dokładnie naprzeciw początku drugiego). Łańcuchy owijają się wokół wspólnej osi i tworzą tzw. prawoskrętną podwójną helisę. Reszty cukrowe i fosforowe, połączone ze sobą wiązaniem fosfodiestrowym, znajdują się na zewnątrz helisy, natomiast zasady skierowane są do wnętrza i tworzą pary zasad połączone według wzoru:

A-T (A-U)<->G-C<->T-A (U-A)<->C-G

Kwasy rybonukleinowe, RNA – organiczne związki chemiczne z grupy kwasów nukleinowych, zbudowane z rybonukleotydów połączonych wiązaniami fosfodiestrowymi. Z chemicznego punktu widzenia są polimerami kondensacyjnymi rybonukleotydów. Występują w jądrach komórkowych i cytoplazmie, często wchodząc w skład nukleoprotein. Znanych jest wiele klas kwasów rybonukleinowych o zróżnicowanej wielkości i strukturze, pełniących rozmaite funkcje biologiczne. Zarówno struktura, jak i funkcja RNA jest silnie uzależniona od sekwencji nukleotydów, z których zbudowana jest dana cząsteczka. Ułożenie zasad azotowych w RNA nie jest dowolne. Ich kolejność jest lustrzanym odbiciem kolejności ułożenia zasad azotowych w matrycowej nici DNA, a takie same (zamieniając tyminę na uracyl) w nici kodującej.

• transkrypcja, translacja, replikacja, mutacje, mechanizmy naprawcze

Transkrypcja w genetyce oznacza proces syntezy RNA na matrycy DNA przez różne polimerazy RNA, czyli przepisywanie informacji zawartej w DNA na RNA.

Translacja – proces syntezy łańcucha polipeptydowego białek na matrycy mRNA. W jego wyniku dochodzi do ostatecznego przetłumaczenia informacji genetycznej zawartej pierwotnie w kodzie genetycznym DNA na konkretną strukturę białka, zależną od uszeregowania aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym.

• zegar molekularny, tempo ewolucji genów

Zegar molekularny – metoda pozwalająca oszacować kolejność i czas oddzielania się różnych linii ewolucyjnych na podstawie liczby mutacji nagromadzonych u poszczególnych współczesnych form. Według hipotezy zegara molekularnego istnieje statystyczna proporcjonalność pomiędzy czasem, który upłynął od ostatniego wspólnego przodka dwóch homologicznych łańcuchów białek a liczbą aminokwasów różniących się pomiędzy ich sekwencjami.

• genom (liczony w pkg i parach zasad), zakres wielkości genomu, junk DNA, różnice między genomem eukariotycznym i prokariotycznym

Genom – materiał genetyczny zawarty w podstawowym (haploidalnym) zespole chromosomów. Termin mylony jest z genotypem, czyli całością informacji genetycznej zawartej w chromosomach organizmu

• genotyp, homozygota i heterozygota, fenotyp, DNA kodujące, gen, budowa genu, plastyczność fenotypowa

Genotyp – zespół genów danego osobnika warunkujących jego właściwości dziedziczne. Jest to sparowany układ alleli (często myli się go z genomem, czyli składem genetycznym podstawowego (monoploidalnego) zestawu chromosomów[1]). Można go wyrazić symbolicznie za pomocą oznaczeń aa, AA lub Aa, gdzie aa i AA oznaczają homozygotę pod względem tego genu, a Aa oznacza heterozygotę.

Homozygota - organizm posiadający identyczne allele danego genu (np. aa lub AA) w chromosomach. Homozygoty wytwarzają zawsze gamety jednakowego typu - identyczne pod względem materiału genetycznego (danej cechy). Homozygotyczność może dotyczyć jednego, kilku lub nawet wszystkich genów w organizmie.

Heterozygota to organizm posiadający zróżnicowane allele tego samego genu (np. Aa), w tym samym locus na chromosomach homologicznych. Gamety osobnika heterozygotycznego mogą być różne, tzn. mogą zawierać zupełnie odmienny materiał genetyczny.

Fenotyp – zespół cech organizmu, włączając w to nie tylko morfologię, lecz również np. właściwości fizjologiczne, płodność, zachowanie się, ekologię, cykl życiowy, zmiany biologiczne, wpływ środowiska na organizm. Fenotyp jest ściśle związany z genotypem, bowiem to właśnie oddziaływanie między genotypem a środowiskiem daje fenotyp.

(plastyczność fenotypowa) Ten sam genotyp może dać różne fenotypy w różnych środowiskach lub odwrotnie - mimo odmiennych genotypów uzyskać podobny fenotyp.

Gen – podstawowa jednostka dziedziczności, która determinuje powstanie jednego polipeptydu lub kwasów rRNA lub tRNA; fragment DNA nadający komórce zdolność do tworzenia jakiegoś RNA (różnych mRNA, tRNA, rRNA i in.), a pośrednio kodujący zwykle także jakieś białko (za pośrednictwem mRNA; mRNA określa budowę określonego białka, a tRNA i rRNA to cząsteczki pomocnicze uczestniczące w tworzeniu białek kodowanych w różnych mRNA; poszczególne rodzaje ogromnie zróżnicowanych cząsteczek mRNA zakodowane są w różnych genach).

Typowe geny zawierają informacje o tym:

• jak zbudować jakieś białko (tzn. w jakiej kolejności połączyć aminokwasy w ciągły łańcuch)

• w jakich okolicznościach (warunkach) należy to białko tworzyć

• z jaką intensywnością i przez jaki czas je wytwarzać

• do jakiego przedziału komórki je przesyłać (np. do mitochondriów czy do wakuoli)

• u organizmów tkankowych także informację o tym, w których tkankach, w jakiego typu komórkach dany produkt ma powstawać.

• dostosowanie (fitness) a przystosowanie (adaptation)

Dostosowanie (darwinowskie "fitness") – zasadnicze pojęcie w darwinowskim mechanizmie ewolucji drogą doboru naturalnego. W modelach genetyki populacyjnej parametr ten oznaczana się zwykle jako w. Jest miarą sukcesu ewolucyjnego, czyli jest wypadkową długości życia i liczby potomstwa.

Przystosowanie w biologii jest wytworzeniem i posiadaniem pewnych cech lub narządów przez dany organizm, które pozwalają mu na poprawne funkcjonowanie w danym środowisku.

• zmienność genetyczna w populacjach, heterozygotyczność, krajobraz dostosowania (fitness landscape),

• genetyka populacji, populacja panmiktyczna, teoria Hardy'ego-Weinberga

Populacja panmiktyczna, zbiór osobników tego samego gatunku na danym terenie, posiadający wspólną pulę genową, u których kojarzenie zachodzi w sposób losowy.

Prawo Hardy'ego-Weinberga – prawo dotyczące częstotliwości występowania genotypów i alleli w populacji. Dla uproszczenia, opisuje dziedziczenie w populacji mendlowskiej. Zgodnie z nim, jeżeli nie ma czynników zakłócających (takich jak np. dobór naturalny, mutacje) stosunek występowania poszczególnych genotypów jest stały we wszystkich pokoleniach i zależy tylko od stosunków występowania alleli.

• strategia ewolucyjna, gra ewolucyjna, teoria gier, strategia ewolucyjnie stabilna

Jak to działa?

• czy ilość DNA ma znaczenie? kiedy się może opłacić? (advantage of large genom)

• czy ilość DNA w pkg przekłada się na liczbę par zasad?

• czy typ i ilość DNA wpływają na funkcjonalność ekologiczną osobnika?

• czy wszystkie odcinki DNA ewoluują tak samo szybko?

• samolubny gen (selfish gene) - czy przyjęcie takiej perspektywy w czymkolwiek pomaga?

Określenie "samolubny" nie oznacza przypisania genom jakiejś woli czy motywacji, a tylko opisanie sposobu działania. Przetrwają tylko te geny, których skutki służą ich własnym interesom, przy czym dobro organizmu ma tu mniejsze znaczenie, a wyższe poziomy analizy żadnego. Pewną analogią mogłoby być stwierdzenie, że kurczak jest dla jajka metodą na wytworzenie większej ilości jajek. W ten właśnie sposób Dawkins opisuje organizmy jako "pojazdy" lub maszyny przetrwania, dla których geny są "replikatorami tworzącymi te organizmy dla pozyskiwania zasobów i kopiowania się w jak największej ilości". Z perspektywy organizmu geny są czymś w rodzaju planu konstrukcyjnego zwierającego pewne korzystne dla niego właściwości, ale z perspektywy genu organizm jest tylko metodą na wytworzenie większej ilości genów.

• czy plastyczność fenotypowa jest większa u organizmów wyspecjalizowanych czy u generalistów (gatunków uniwersalnych)?

• jak współczesne użytkowanie powierzchni ziemi przez człowieka wpływa na selekcję? czy selekcja jest bardziej, czy mniej stabilna niż zazwyczaj w historii życia na ziemi?

• jakie zmiany w strukturze krajobrazu są bardziej niebezpieczne: izolacja i fragmentacja czy usuwanie barier oddzielających izolowane populacje?

• ewolucja bakterii odpornych na antybiotyki

• ekologiczne konsekwencje rozprzestrzeniania GMO, model obcego organizmu inwazyjnego

Jak to badać i analizować

• PCR, mikromacierze DNA

Reakcja łańcuchowa polimerazy, PCR (ang. Polymerase Chain Reaction) – łańcuchowa reakcja polimerazy, metoda powielania łańcuchów DNA w warunkach laboratoryjnych, polegająca na sekwencji wielokrotnego podgrzewania i oziębiania próbki. Technika została wynaleziona w 1983 roku przez Kary'ego Mullisa z kalifornijskiej firmy Cetus, za co Mullis otrzymał w roku 1993 Nagrodę Nobla.

PCR znajduje wiele zastosowań, m.in. w badaniach nad genomem, charakterystyce ekspresji genów, klonowaniu genów, diagnostyce klinicznej, identyfikacji osób zaginionych, kryminalistyce, paleontologii.

• badania białek (elektroforeza itp) a badania DNA: o czym mówią

Elektroforeza – technika analityczna, rzadziej preparatywna, stosowana w chemii i biologii molekularnej, zwłaszcza w genetyce. Jej istotą jest rozdzielenie mieszaniny związków chemicznych na możliwie jednorodne frakcje przez wymuszanie wędrówki ich cząsteczek w polu elektrycznym.

• jakie typy DNA nadają się do wykrywania szybkich zmian ewolucyjnych (bliskiego pokrewieństwa, np. między rodzeństwem) a jakie do zmian powolnych ( do badań pokrewieństwa między gatunkami)?

• metody badania zmienności genetycznej w populacjach, współczynniki zmienności

• analizy pokrewieństwa (kinship)

• bazy danych odcinków DNA

Jak to wykorzystać

• różne przykłady praktycznego wykorzystania w mieście metod genetycznych

• pomysły na wykorzystanie wiedzy o genach - rozprzestrzenianie sie odporności na antybiotyki, opracowywanie strategii użycia zmniejszających zagrożenie; w jakim kierunku iść z tym dalej?

• ewolucyjny, molekularny monitoring spójności (connectivity) populacji - projektowanie łączności między subpopulacjami adekwatej do faktycznie wcześniej istniejących

• nowe technologie miejskie?

04 – Ekologia fizjologiczna

Podstawowe pojęcia – co to jest i co to ma?

• Fizjologia. Różnica między morfologią, anatomią i fizjologią.

Fizjologia – nauka o mechanizmach rządzących przebiegiem czynności życiowych organizmów. Jednym z podstawowych pojęć fizjologii jest homeostaza utrzymywana dzięki mechanizmowi sprzężenia zwrotnego. Fizjologia w swych badaniach opiera się na pracach z innych nauk przyrodniczych takich jak: cytologia, anatomia, biofizyka, biochemia. Z jej osiągnięć korzystają medycyna , weterynaria oraz rolnictwo.

• Metody i cele fizjologii a metody ekologii – płaszczyzna styku

• Ekofizjologia zwierząt, roślin, grzybów, bakterii, wirusów etc.

• Fizjologia procesów życiowych: wzrost i rozwój, odżywianie, oddychanie, wydalanie, integracja ciała, budżet energetyczny, regulacja procesów życiowych, wymiana informacji z otoczeniem,

• Nisza fizjologiczna (fundamentalna) i nisza ekologiczna (realizowana).

Nisza ekologiczna - zespół czynników biotycznych i abiotycznych zapewniający populacji warunki do życia (np. światło, pokarm, miejsce). Na terenie biocenozy populacje konkurują o korzystne czynniki. Zgodnie z zasadą Gausego jedna nisza może być zajęta tylko przez jedną populację. Nisza ekologiczna określa miejsce danej populacji w biocenozie.

Określa znaczenie i rolę danego gatunku w ekosystemie, tj. sposób przetwarzania energii (miejsce w łańcuchu pokarmowym), zachowania się, wpływ na środowisko i zależności od innych gatunków. Rodzaje nisz ekologicznych:

• przestrzenna (siedlisko, występowanie danego organizmu),

• troficzna (pokarm, zaspokajanie potrzeb),

• fizjologiczno-przystosowawcza (czynności, oddziaływania).

Nisze ekologiczne:

• sąsiadujące,

• zachodzące na siebie,

• rozdzielne.

• Zakres toleracji i zakres optimum. Nisza n-wymiarowa wg Hutchinsona.

Optimum ekologiczne – wąski zakres ekologicznych czynników zapewniających danemu gatunkowi najlepsze warunku rozwoju, np. optimum termiczne dla człowieka wynosi 22-24 °C. Gdy dany osobnik znajduje się poza tym optimum, jego organizm zaczyna reagować. W zależności od wielkości zmiany czynnika będą to różne objawy. Np. jeżeli człowiek znajduje się w temperaturze ok. 18 °C lub 28 °C, wywoła to u niego niewielką korektę funkcjonowania organizmu. Są to jednak temperatury tolerowane, dlatego będzie odczuwał tylko ciepło lub zimno. Zmiana temperatury do ok. 10 °C lub 34 °C utrudnia zapamiętywanie i/lub czytanie, lecz nie zagraża czynnościom życiowym. Dłuższe przebywanie w temperaturze 0 °C lub 45 °C może doprowadzić do śmierci.

• Nisza ekologicza a formowanie się adaptacji. Nisza a zjawisko konkurencji. Nisza a gradient specjaliści-generaliści. Liczba nisz a liczba gatunków. Szerokość niszy.

• Ewolucja nisz.

Jak to funkcjonuje?

• Dlaczego gatunki posiadają niszę ekologiczną?

• Co jest ważniejsze w kształtowaniu się nisz ekologicznych: warunki abiotyczne czy interakcje?

• Które właściwości gatunków (fizjologiczne) są stałe, a które zmienne? Od czego to zależy?

• Czy posiadanie plastyczności fenotypowej ma wpływ na szerokość niszy?

Jak się to bada i analizuje i jakie są dostępne dane i modele?

• Dane o gatunkach roślin i zwierząt. Problem danych fizjologicznych i tzw. wymagań – którą niszę opisują? Problem zmienności między- i wewnątrzpopulacyjnej.

• Baza RWW. Liczby wskaźnikowe Ellenberga oraz l. w. Zarzyckiego. Baza LEDA? Bazy danych o gatunkach zwierząt.

• Modele ekofizjologiczne. Modelowanie niszy ekologicznej. Modele rozmieszczenia gatunków w przestrzeni geograficznej. Modele rozmieszczenia gatunków w przestrzeni sztucznej.

Jak to można wykorzystać?

• Sadzenie roślin zgodnie z wymaganiami (nisza fundamentalna) oraz zgodnie z siedliskiem (nisza realizowana). Plusy i minusy.

• Projektowanie roślin do wnętrz metodą bioklimatyczną.

• Projektowanie ekologiczne.

• Ekologia człowieka i ergonomia.

05 – Ekologia populacji

Podstawowe pojęcia – co to jest i co to ma?

• Definicje populacji. Populacja biologiczna a populacja statystyczna. Adekwatność pojęcia populacja do organizmów klonalnych lub rozmnażających się płciowo. Populacja a gatunek. Definicje gatunku u różnych grup organizmów. Przyczyny problemów z definiowaniem gatunku i populacji. Historia badań populacji. Maltuzjanizm.

Populacja biologiczna – zespół organizmów jednego gatunku żyjących równocześnie w określonym środowisku i wzajemnie na siebie wpływających, zdolnych do wydawania płodnego potomstwa. Nie jest to jednak suma osobników jednego gatunku, a zupełnie nowa całość.

Statyczna teoria zasobów, maltuzjanizm, teoria przeludnienia - teoria, której twórcą był Thomas Malthus, opublikowana w 1798 roku. Według Malthusa skoro liczba ludności rośnie w postępie geometrycznym, a produkcja żywności - w arytmetycznym to nieunikniony jest stan przeludnienia.

Teoria ta opiera się o tezy Giovanniego Botero, który utrzymywał, że ludzkość ma nieograniczoną i niepohamowaną zdolność do zwiększania swojej liczebności oraz A.R.J. Turgot, który sformułował teorię zmniejszających się dochodów w rolnictwie opartą na obserwacji, że ilość ziemi jest skończona.

• Cechy pierwotne i wtórne populacji.

• Liczebność. Zagęszczenie. Struktura populacji. Struktura wieku, płci, wielkości. Kształty krzywej struktury populacji.

• Populacje zamknięte i otwarte. Modele wzrostu liczebności populacji zamkniętej. Model eksponencjalny. Modele wzrostu liczebności u gatunków o strategiach r i K. Wpływ wartości współczynnika r na przebieg krzywej. Model logistyczny. K-pojemność środowiska. Założenia obu modeli. Prawo optymalnego plonu.

Strategia życiowa to uwarunkowany genetycznie zespół cech osobniczych, umożliwiający danemu gatunkowi przetrwanie.

Każdy gatunek posiada własną strategię, generalnie mówi się jednak o dwóch typach (r i K).

• Gatunki zaliczane do strategii r cechują się krótkim trwaniem życia, szybkim rozwojem i wczesnym rozmnażaniem. To gatunki niewielkich rozmiarów, kolonizujące nowe obszary, na którym brak konkurencji. Jednym słowem organizmy żyjące zgodnie z strategią r cechuje duża rozrodczość i duża śmiertelność. Przykładem jest np. mniszek lekarski.

• Strategia K opiera się na długim życiu i dużych rozmiarach ciała. Gatunki tego rodzaju wykazują zdolność do konkurencji z innymi gatunkami, wydają nieliczne potomstwo, jednakże wielokrotnie. Reprodukcja dostosowana jest do warunków środowiska.

• Wzorce rozwoju populacji. Populacje rówieśne. Samoprzerzedzanie. Reguła 4/3.

• Populacje gatunków iteroparycznych i semelparycznych.

Gatunek iteroparyczny - gatunek, którego przedstawiciele mają zdolność do wielokrotnego przystępowania lub ciągłego udziału w procesie rozmnażania. Należy tu większość organizmów żywych.

Gatunek semelpatryczny – gatunek, którego przedstawiciele rozmnażają się raz w życiu. Proces rozmnażania ze względów ekologicznych i fizjologicznych kończy się śmiercią organizmu rodzicielskiego po wydaniu potomstwa. Przykłady: łosoś szlachetny, bambus, lobelia jeziorna, agawa.

Jak to funkcjonuje?

• Co może nam powiedzieć kształt struktury wieku populacji?

• W jaki sposób funkcjonuje populacja – jak się tworzy, jak zanika?

• Jak określić, w jaki sposób optymalnie eksploatować populację naturze i w hodowli?

• W jaki sposób liczebność populacji wpływa na jej stabilność? Czy duże populacje są bezpieczniejsze, niż małe?

• Jakie elementy strategii życiowych są na ogół związane z poszczególnymi modelami wzrostu?

• Jakie siedliska są związane z różnymi modelami wzrostu?

• Czy lepiej jest być gatunkiem semelparycznym, czy iteroparycznym? Kiedy? Czy ma to związek z liczebnością populacji?

• Czy lepiej być gatunkiem r czy K?

• Gatunki rzadkie i gatunki inwazyjne – czy ma to związek z ich strategią?

• Jak porównywać fitness gatunków, które mają różne strategie, np. skrajne r i skrajne K?

Jak się to bada i analizuje i jakie są dostępne dane i modele?

• Miary liczebności i zagęszczenia populacji. Liczba osobników, biomasa, liczba części nadziemnych.

• Metody badań bezpośrednich i pośrednich. Zliczanie, metoda kwadratów.

• Bazy danych parametrów populacji różnych gatunków. Zagęszczenia. Dostępność. Zapotrzebowanie.

• Metody badania struktury i dynamiki populacji różnych grup organizmów.

• Prognozowanie liczebności i zagęszczenie populacji różnych gatunków. Potential habitat modelling. Potential range modelling.

Jak to można wykorzystać?

• Co zyskuje się, traktując żywe organizmy jako populację? Co tracimy?

• Jakie są ograniczenia metod populacyjnych?

• Jakie populacje żyją w mieście: w budynkach, na terenach zieleni, w wodach?

• Liczebność populacji miejskich? Które populacje miejskie warto tak analizować?

• Teoria optymalnego plonu w odniesieniu do populacji miejskich. Metody regulacij zagęszczenia.

• Gatunki pożądane i niepożądane. Gatunki inwazyjne.

Gatunek inwazyjny - gatunek alochtoniczny o znacznej ekspansywności, który rozprzestrzenia się naturalnie lub z udziałem człowieka i stanowi zagrożenie dla fauny i flory danego ekosystemu, konkurując z gatunkami autochtonicznymi o niszę ekologiczną, a także przyczyniając się do wyginięcia gatunków miejscowych.

Gatunki inwazyjne stanowią drugie, zaraz po niszczeniu siedlisk największe zagrożenie dla światowej bioróżnorodności. Inwazyjne gatunki roślin stanowią szczególny problem na obszarach chronionych, wypierając rodzime gatunki roślin, dla ochrony których utworzono te obszary. W takim przypadku zachodzi konieczność usuwania intruzów (głównie przez mechaniczne niszczenie). Oto niektóre najgroźniejsze gatunki inwazyjne Polski: barszcz Sosnowskiego, rdestowiec ostrokończysty.

• Które organizmy są w mieście bardziej pożądane – r czy K?

• Które są bardziej przewidywalne? Pod jakim względem – całkowitej liczebności i zagęszczenia? Zagęszczenia lokalnego w dowolnym miejscu?

• Czym powinny różnić się metody zarządzania gatunkami r i K?

• Jak sadzić gatunki r i K w obiektach architektury krajobrazu?

• Przydatność struktury wieku w analizach obiektów zabytkowych.

06 – Ekologia interakcji międzygatunkowych

Co to jest i jak to funkcjonuje?

Definicja interakcji międzygatunkowej. Rodzaje interakcji pozytywnych i negatywnych.

Zależności (interakcje) międzygatunkowe – oddziaływania i relacje zachodzące między różnymi osobnikami lub populacjami wspólnie bytującymi w określonym środowisku. Dzielą się na:

• oddziaływania antagonistyczne

  • konkurencja

  • pasożytnictwo

  • drapieżnictwo

  • allelopatia

  • amensalizm

• oddziaływania nieantagonistyczne

  • symbioza – relacja przynosząca obustronne korzyści,

    • mutualizm - cechujacy się intensywnym wzajemnym uzależnieniem,

    • protokooperacja – interakcja bez uzależnienia;

  • komensalizm – stosunek, w którym jedna strona korzysta, a dla drugiej oddziaływanie jest obojętne;

  • neutralizm – brak wzajemnych oddziaływań.

Konkurencja (oddziaływanie -/-).

Rodzaje konkurencji. Konkurencja o zasoby, konkurencja "na zabój". Konkurencja pośrednia. Przykłady. Hipoteza stosunku zasobów (niewymienialnych).

Konkurencja - jedna z antagonistycznych interakcji międzypopulacyjnych, w której dwie populacje tego samego lub różnych gatunków, zazwyczaj o podobnych wymaganiach środowiskowych, rywalizują o tę samą niszę ekologiczną. Dochodzi do współzawodnictwa o ograniczone zasoby środowiska, np. o pożywienie, miejsce do życia. W wyniku tego oddziaływania obie populacje tracą.

W przypadku populacji tego samego gatunku mówi się o konkurencji wewnątrzgatunkowej. Konkurencja ta redukuje szybkość wzrostu populacji proporcjonalnie do częstości spotkań osobników tego samego gatunku. Może doprowadzić do zajęcia przez słabszą populację niszy o mniej optymalnych warunkach.

W przypadku populacji różnych gatunków mówi się o konkurencji międzygatunkowej. Konkurencja ta redukuje szybkość wzrostu populacji proporcjonalnie do częstości spotkań osobników różnych gatunków. Może doprowadzić do zrównoważonego dopasowania się gatunków lub do tego, że jedna populacja zastąpi drugą albo zmusi ją do zajęcia innej niszy ekologicznej (np. inne pożywienie, okresy aktywności). Szczególnie silnie proces ten zachodzi dla gatunków blisko ze sobą spokrewnionych, o podobnych wymaganiach, zajmujących w naturalny sposób podobne nisze. Zjawisko separacji gatunków blisko spokrewnionych nazywane jest zasadą Gausego, od rosyjskiego biologa, który jako pierwszy potwierdził tę zasadę doświadczalnie.

Konkurencja może być bezpośrednia (populacje wzajemnie szkodzą sobie ograniczając możliwość rozwoju, nawet jeśli zasoby środowiska są nieograniczone) lub pośrednia (populacje wzajemnie szkodzą sobie wykorzystując ograniczone zasoby środowiska).

Konkurencja jest jednym z mechanizmów doboru naturalnego w teorii ewolucji Darwina. Konkurencja jest typowym oddziaływaniem np. wśród roślin.

Klasyczne opracowanie matematyczne konkurencji opisuje jedno z równań Lotki i Volterry.

Drapieżnictwo (oddziaływanie +/-)

Drapieżnictwo w sensie ścisłym i szerokim. Przykłady.
Regulacja liczebności ofiar przez drapieżnika. Drapieżnik jako czynnik selekcyjny.

Drapieżnictwo – sposób odżywiania się zwierząt, polegający na wykorzystaniu jako pokarm ciała innego zwierzęcia i w odróżnieniu od pasożytnictwa prowadzący do śmierci ofiary. Jest jedną z form oddziaływań antagonistycznych, korzystną dla drapieżnika, a niekorzystną dla ofiary; może mieć charakter międzygatunkowy lub wewnątrzgatunkowy (kanibalizm).

Wykres zmian liczebności populacji w relacji drapieżnik-ofiara

Roślinożerność (oddziaływanie +/-)

Roślinożerność jako drapieżnictwo sensu lato. Mechanizmy obrony przed roślinożercami: fizyczne, chemiczne i behawioralne. Mechanizmy stałe i indukowane. Zasady omijania mechanizmów obronnych. "Wyścig zbrojeń" w układzie roślinożerca-drapieżnik.
Konkurencja o zasoby w warunkach presji roślinożerców. Wpływ dostępności zasobów na możliwość uruchomienia mechanizmów obronnych. Koszt mechanizmów obronnych a wrodzone tempo wzrostu gatunków (Relative Growth Rate).
Układ wzajemnego wpływu. Układ braku wzajemnego wpływu.

Roślinożerność (fitofagia) – sposób odżywiania się (pobierania pokarmu), polegający na zjadaniu roślin. Z reguły polega na zjadaniu roślin (spasanie) bez ich uśmiercania, jak u przeżuwaczy ale prowadzić może także tak jak w drapieżnictwie do śmierci rośliny. Jest jedną z podstawowych form odżywiania się, istotną dla funkcjonowania ekosystemu. W przyrodzie występuje wiele różnorodnych przystosowań konsumentów do roślinożerności.

Roślinożerca zjadając części roślin obniża ich dostosowanie. Dobór naturalny doprowadził do wytworzenia przez rośliny mechanizmów obronnych, takich jak kolce, włoski parzące, związki trujące, np. alkaloidy, glikozydy i inne oraz do powstania odpowiednich przystosowań u roślinożerców. Większość roślinożerców lądowych nie trawi celulozy, stanowiącej znaczną część biomasy roślin i dlatego żyje w symbiozie z bakteriami i protistami (np. przeżuwacze, termity), które są do tego zdolne. W takim przypadku pokarmem roślinożercy w rzeczywistości są przede wszystkim ciała tych mikroskopijnych symbiontów.

Mutualizm (oddziaływanie +/+)

Przykłady mutualizmu ścisłego i obligatoryjnego (symbioza) i nieobligatoryjnego. Koewolucja - ewolucja mutualizmu. Znaczenie ułatwiania w środowiskach skrajnych, w tym w środowisku miejskim. Mikoryza. Bakterie azotowe. Zapylacze. Roznosiciele owoców i nasion. Endosymbioza.

Mutualizm - jedna z interakcji protekcjonistycznych między populacjami, charakteryzująca się obopólnymi korzyściami o takim stopniu, który praktycznie wzajemnie uzależnia istnienie obu populacji.

Przykłady:

• przeżuwacze i ich bakterie jelitowe,

• mikoryza – współpraca roślin naczyniowych z grzybami,

• rośliny bobowate i bakterie asymilujące azot,

• storczyki i grzyby,

• termity i ich fauna jelitowa (wiciowce rozkładające celulozę).

Mikoryza – jest to występujące powszechnie zjawisko, polegające na współżyciu korzeni lub innych organów, a nawet nasion roślin naczyniowych z grzybami (dotyczy około 85% gatunków roślin wyższych z całego świata). Tego typu symbioza daje obu gatunkom wzajemne korzyści, polegające na obustronnej wymianie substancji odżywczych – rośliny mają lepszy dostęp do wody i rozpuszczonych w niej soli mineralnych, ale także do substancji regulujących ich wzrost i rozwój, które produkuje grzyb, ten zaś korzysta z produktu fotosyntezy roślin - glukozy.

Bakterie azotowe, bakterie diazotroficzne – bakterie (a także archeany obecnie niezaliczane do właściwych bakterii) zdolne do diazotrofii, czyli przyswajania — przy użyciu enzymu nitrogenazy — azotu cząsteczkowego (N2) występującego w atmosferze. Bakterie azotowe mogą żyć wolno lub w symbiozie z roślinami i grzybami, która może przyjmować różne formy i stopień współzależności.

Endosymbioza – specyficzny rodzaj symbiozy, w którym komórki jednego organizmu żyją wewnątrz komórek lub tkanek drugiego.

Endosymbioza występuje np. u owadów. W ich przewodzie pokarmowym lub w mycetocytach i mycetomach mogą żyć różne drobnoustroje: bakterie, grzyby niższe, pierwotniaki, które umożliwiają gospodarzom korzystanie z błonnika, produkują witaminy itp. Drobnoustroje te, tj. endosymbionty, przenoszone są z pokolenia na pokolenie przez samice lub wnikają do komórek jajowych; u karaczanów i termitów, endosymbionty bywają w ciele tłuszczowym. Endosymbioza znana jest u błonkówek, muchówek, chrząszczy, wszy, gryzków, pluskwiaków równoskrzydłych i różnoskrzydłych.

Endosymbioza jest powszechna u glonów i bakterii. Przykładem endosymbiontów są bakterie brodawkowe i inne bakterie (często sinice) asymilujące azot atmosferyczny, zoochlorelle, zooksantelle, cyjanelle (endosymbiotyczne sinice).

Ułatwianie (oddziaływanie +/0)

Ułatwianie (facilitation). Ewolucja ułatwiana. Znaczenie ułatwiania w środowiskach skrajnych w tym w środowisku miejskim.

Jak to badać i analizować?

Model konkurencji wg Lotki-Volterry - równania, pojęcia, rozwiązania modelu dla różnych kombinacji zagęszczenia i siły konkurencyjnej obu populacji. Symulacja modelu L-W w Excelu. Model konkurencji o zasoby wg Tilmana. Zasoby wymienialne i niewymienialne. Rozwiązania modelu Tilmana dla gatunków o różnych zdolnościach ekstracji zasobów ze środowiska.

Modele różniczkowe w układzie drpaieżnik-ofiara (Model Rosenzweiga-Arthura). Rozwiązania modelu R-A dla różnych liczebności drapieżnika i ofiary. Reakcje drapieżnika na zmiany dostępności ofiar: liczebnościowa, funkcjonalna, zagęszczeniowa i inne. Warunki oscylacji w układzie drapieżnik-ofiara.

Jak to wykorzystać?

Toksyczność i kolczastość jako pojawianie się mechanizmów obronnych u roślin.
Konkurencja między roślinami w Obiektach Aarchitektury Krajobrazu.
Roślinożercy bezkręgowi i patogeny roślin ozdobnych w OAK.

07 – Ekologia biocenoz

Co to jest i co to ma?

Definicja zbiorowiska i zespołu (community). Asocjacyjna koncepcja biocenoz Clementsa i szkoły Braun-Blanquet'a (association). Indywidualistyczna koncepcja biocenoz Gleasona.
Pojęcie zespołu (biocenozy) w ekologii zwierząt a pojęcie zbiorowiska i zespołu w ekologii roślin, a w szczególności w fitosocjologii (szkoła Baun-Blanqueta). Pojęcie siedliska wg Dyrektywy Siedliskowej UE.

Biocenoza – zespół populacji organizmów roślinnych (fitocenoza), zwierzęcych (zoocenoza) i mikroorganizmów danego środowiska (biotopu), należących do różnych gatunków, ale powiązanych ze sobą różnorodnymi czynnikami ekologicznymi i zależnościami pokarmowymi, tworzących całość, która pozostaje w przyrodzie w stanie homeostazy (czyli dynamicznej równowagi). Biocenoza oraz biotop, czyli środowisko fizyczne (nieożywione) tworzą ekosystem. Biocenozy mogą być naturalne (sawanna, las, jezioro) i sztuczne (park, ogród).

Josias Braun-Blanquet stworzył hierarchiczny system jednostek fitosocjologicznych (syntaksonów), w którym podstawową jednostką jest zespół roślinny reprezentowany w przyrodzie przez konkretne płaty roślinne, czyli fitocenozy. Przy wyróżnianiu zespołów oparł się na kryterium florystycznym, tworząc koncepcję gatunków charakterystycznych.

Według klasycznego modelu wymiana gatunków w późniejszych stadiach sukcesji jest ułatwiana przez gatunki żyjące we wcześniejszych latach. Rozwój biocenozy odbywa się stopniowo i jest progresywny, od prostych biocenoz pionierskich do stadium ostatecznego klimaksu. Sukcesja taka przebiega wyłącznie dzięki zależnościom biotycznym — rośliny i zwierzęta stadiów pionierskich tak zmieniają środowisko, że staje się ono korzystne dla nowego zestawu gatunków, a cykl taki powtarza się do czasu osiągnięcia klimaksu. Zgodnie z poglądem Clementsa, rozwój biocenozy w drodze sukcesji jest wobec tego analogiczny do rozwoju pojedynczego organizmu

Fitocenoza (biocenoza roślinna) - realnie istniejące zbiorowisko roślinne wchodzące w skład określonej biocenozy i stanowiące w jej obrębie wyodrębniające się, niepowtarzalne zjawisko przyrodnicze. Fitocenoza jest podstawową jednostką roślinności. Cechą wyróżniającą konkretną fitocenozę jest inna niż w sąsiedztwie kombinacja gatunków roślin zorganizowanych w zbiorowisko w podobnych warunkach ekologicznych, biogeograficznych i historycznych.

Fitosocjologia albo fitocenotyka, fitocenologia – dział botaniki (dyscyplina botaniczna), którego przedmiotem badań jest roślinność. Zajmuje się badaniem zbiorowisk roślinnych występujących w naturze tj. fitocenoz oraz ich klasyfikowaniem (zob. syntaksonomia). Celem fitosocjologii jest stworzenie empirycznego modelu roślinności za pomocą kombinacji gatunków charakteryzującej unikalne jednostki roślinności zwane syntaksonami. Nazewnictwo syntaksonów jest ustalane zgodnie z Międzynarodowym Kodem Nomenklatury Fitosocjologicznej (International Code of Phytosociological Nomenclature).

Siedlisko przyrodnicze - pojęcie używane w terminologii prawnej Unii Europejskiej w związku z programem Natura 2000. Wprowadzone zostało w celu identyfikacji obszarów lądowych lub wodnych o określonych cechach środowiska przyrodniczego, wyodrębnianych w oparciu o cechy geograficzne, abiotyczne i biotyczne. Termin ten nawiązuje do biogeocenozy albo ekosystemu obejmując postaci lub fragmenty tych układów identyfikowane zwykle przez określone zbiorowiska roślinne lub warunki geograficzno-ekologiczne.

Synekologia, synchorologia i syntaksonomia.

Synekologia – dział ekologii zajmujący się badaniem struktury i funkcjonowania grup organizmów oraz wzajemne zależności między nimi a środowiskiem.

Synchorologia – badania rozmieszczenia zbiorowisk roślinnych

Syntaksonomia – dział fitosocjologii zajmujący się systematyką zbiorowisk roślinnych. W oparciu o określone i jednolite kryteria florystyczne porządkuje abstrakcyjne fitocenony w hierarchiczny układ jednostek zwanych syntaksonami.

Różnorodność biologiczna zespołów. Bogactwo, równomierność.

Różnorodność biologiczna, bioróżnorodność (ang. biodiversity) – oznacza zróżnicowanie życia na wszelkich poziomach jego organizacji. Różnorodność biologiczna to zróżnicowanie wszystkich żywych organizmów występujących na Ziemi w ekosystemach lądowych, morskich i słodkowodnych oraz w zespołach ekologicznych, których są częścią. Dotyczy ona różnorodności w obrębie gatunku (różnorodność genetyczna), pomiędzy gatunkami oraz różnorodności ekosystemów. Bioróżnorodność jest często stosowanym określeniem dla sumy gatunków lub ekosystemów analizowanych lub porównywanych obszarów. W celu porównywania różnorodności biologicznej rozmaitych środowisk lub różnorodności biologicznej zespołów organizmów zamieszkujących jakieś środowisko stosuje się rozmaite wskaźniki, do najczęściej stosowanych należą:

• bogactwo gatunkowe (liczba znalezionych gatunków)

• bogactwo rzadkich gatunków (liczba gatunków znalezionych w określonym, niewielkim odsetku próbek)

• wskaźniki Shannona, Simpsona, Margaleff, Pielou i inne

Sukcesja pierwotna i wtórna. Klimaks klimatyczny i glebowy. Roślinność potencjalna i roślinność rzeczywista. Siedliska przyrodnicze.

Sukcesja pierwotna - sukcesja ekologiczna rozpoczynającą się od zasiedlenia terenu dziewiczego, np. nagich skał, lawy, nowej piaszczystej wydmy. Powierzchnia nagiego gruntu, pozbawiona swojej pierwotnej roślinności na skutek pożaru, powodzi czy zlodowacenia, nie pozostaje długo bez roślin i zwierząt. Szybko jest kolonizowana przez rozmaite gatunki, które następnie modyfikują jeden lub więcej czynników środowiskowych. Ta modyfikacja środowiska może z kolei umożliwić osiedlenie się następnych gatunków.

Sukcesja wtórna - sukcesja, której punktem wyjścia jest ekosystem zmieniony przez człowieka - np. półnaturalny albo sztuczny. W Polsce taką sukcesję najczęściej możemy zaobserwować na terenach porolnych, przede wszystkim polach i łąkach ugorowanych z powodu słabej gleby. Sukcesja wtórna zmierza do odtworzenia się naturalnego zbiorowiska charakterystycznego dla lokalnych warunków środowiskowych. Jej stadia są zazwyczaj nieco odmienne od występujących w trakcie sukcesji pierwotnej, inny jest bowiem jej punkt startowy. Sukcesja wtórna prowadzi do prawie całkowitego odtworzenia się ekosystemów o dość prostej strukturze - zarówno przestrzennej jak i pokarmowej.

Sieci troficzne, interakcje potencjalne i zrealizowane. Regulacja liczebności w sieciach troficznych: oddolna (bottom-up) i odgórna (top-down). Hipoteza HSS (why the world is green).

Sieć troficzna (sieć pokarmowa) – w ekologii sieć zależności pokarmowych między organizmami jednego lub różnych gatunków, żyjących w jednym ekosystemie, mających podobne zwyczaje pokarmowe. Sieci troficzne są tworzone przez wzajemnie przeplatające się łańcuchy pokarmowe. Sieci mogą być mniej lub bardziej złożone, a wynika to głównie z obecności w danej biocenozie organizmów o różnych poziomach troficznych oraz przedostawania się do niej organizmów ze środowisk sąsiednich.

Regulacja od podstawy (bottom-up control) albo od szczytu piramidy troficznej (top-down control) – gdy zmiany ilości konsumentów są skorelowane pozytywnie ze zmianami ilości pokarmu mamy do czynienia z regulacją od podstawy piramidy troficznej; gdy korelacja jest odwrotna – regulacja następuje od szczytu piramidy. Najwyraźniej przewaga jednego albo drugiego kierunku regulacji objawia się w okresach zaburzeń, np. w okresach zmiany warunków abiotycznych, pojawienia się bądź zniknięcia ważnej grupy organizmów itp. W warunkach stabilnych ustala się równowaga pomiędzy oboma kierunkami oddziaływań regulacyjnych

• kontrola od dołu w górę BOTTOM- UP. Polegające na ingerowaniu w pulę nutrientów dostępnych na najniższych poziomach troficznych.

• kontrola odgórna TOP- DOWN. Polega ona głównie na manipulowaniu najwyższym poziomem troficznym

HIPOTEZA HSS (Harkston, Smith, Slobodkin) – “Green world” 1960 – obserwacja, że świat jest zielony (co jest możliwe do zaobserwowania gołym okiem) nad którym nie jest z góry sprawowana żadna kontrola (tam, gdzie pozwalają warunki, temperatura, dostępność światła itp) które są w nieograniczony sposób dostępne dla roślinożerców. Ogranicza ich tylko ilość drapieżników (ograniczenie od dołu – ilość drapieżników jest niejako ograniczona liczbą roślinożerców) – jednak duża część „green world” jest dla roślinożerców niedostępna

Jak to funkcjonuje?

Stabilność i regulacja biocenoz. Mechanizmy tworzenia się i funkcjonowania zbiorowisk: utrzymywanie się gatunków pomimo zróżnicowania przewagi konkurencyjnej.
Niszowe mechanizmy funkcjonowania zbiorowisk (niche-based): separacja nisz, podzial zasobów, zróżnicowanie wewnętrzne areału w przestrzeni i w czasie, możliwośc utrzymania się dzięki odporności na presję roślinożerców. Hipoteza segregacji przestrzennej.

Różnorodność a stabilność biocenozy.
Sukcesja - przemiany zbiorowisk jako stany, kiedy niemożliwe jest trwałe istnienie zespołu. Niszowe mechanizmy sukcesji - rola dostępności zasobów jako siła sterująca sukcesją. Strategie r i K jako strategie wczesnosukcesyjne (pionierskie) i późnosukcesyjne (klimaksowe)

Jak się to bada i analizuje?

Zdjęcia fitosocjologiczne metodą Braun-Blaunqueta. Mapy roślinności rzeczywistej i potencjalnej.
Fitosocjologiczny system klasyfikacji zbiorowisk roślinnych jako podstawa do systemu ochrony siedlisk wg Dyrektywy Siedliskowej UE i systemu obszarów NATURA 2000.
Wykaz siedlisk podlegających ochronie wg załącznika 2 do Dyrektywy Siedliskowej.
Modele dynamiki drzewostanów. Modele sukcesji: konceptualne, statystyczne, mechanistyczne.
Współczynniki różnorodności: bogactwo gatunkowe, równomierność. Współczynniki różnorodności Shanonna-Wienera i Simpsona.

Jak to wykorzystać?

Możliwości wykorzystania wiedzy o gatunkach roślin i modeli matematycznych w zarządzaniu zbiorowiskami biocenozami w środowisku zurbanizowanym.
Różnorodność biologiczna jako kryterium waloryzacji siedlisk.
Projektowanie zbiorowisk roślinnych. Projektowanie sieci troficznych. Manipulacja biocenozami poprzez kaskadę troficzną.

Kaskada troficzna - określa zmianę struktury piramidy ekologicznej, w której organizmy z podporządkowanych sobie hierarchicznie poziomów troficznych oddziałują wzajemnie na siebie. Do kaskady troficznej dochodzi przez zmiany ilościowe jednego z poziomów piramidy. Zmiany te mają bezpośredni wpływ na sąsiednie poziomy i pośredni na pozostałe poziomy. Przykładem są zaburzenia porządku łańcucha pokarmowego: nagła nieobecność drapieżnika (np. myszołowa), dotychczas dominującego piramidę, powoduje bezpośrednio zwiększenie populacji roślinożernych ofiar (myszy), i pośrednio zmniejszenie stanów roślin (zboża).

08 – Ekologia ekosystemów

???

09 – Ekologia metapopulacji

Imigracja jako modyfikacja przewidywań oscylacji wg modeli Lotki-Volterry (Gause). Drapieżne i roślinożerne roztocza w modelach interakcji Huffakera. Metapopulacja wg Levins'a: zasiedlanie zerojedynkowe, stąd prosta populacja populacji i zastosowanie prostych modeli logistycznych. Realistyczne modele typu SPOM (Stochastic Patch Occupancy Models) i uwzględnienie fragmentacji. Metapopulacja wg Hanskiego. Metapopulacja typu źródło-ujście Pulliama. Θ

Równanie Lotki-Volterry znane też jako model Lotki-Volterry lub model drapieżnik-ofiara to nieliniowe równanie różniczkowe pierwszego stopnia. Równanie Lotki-Voltery stanowi model układów dynamicznych występujących w ekosystemach (np. w symulacji zachowania populacji ofiar i drapieżników).

przebieg czasowy

Zasada Gausego - zasada konkurencyjnego wypierania. Jeśli dwa gatunki (populacje) posiadają identyczne wymagania względem niszy ekologicznej, nie mogą współistnieć i w konsekwencji jeden wypiera drugi. Konkurencyjne oddziaływanie może być związane z przestrzenią życiową, dostępem do pokarmu, światła, podatnością na działanie drapieżców, chorób itp.

Metapopulacja według teorii Levinsa (1969, 1971) – grupa lokalnych populacji (subpopulacji) połączonych ze sobą wskutek przemieszczania się osobników pomiędzy nimi i których wymieranie oraz kolonizacja są związane z lokalnymi współczynnikami rozrodczości oraz śmiertelności. Wyniki badań empirycznych metapopulacji mają istotne znaczenie dla ochrony przyrody. Pozwalają na wykazanie kilku podstawowych zasad w tej dziedzinie:

• Bardziej korzystna jest ochrona kilku subpopulacji niż jednej, nawet jeżeli ma ona stosunkowo dużą powierzchnię.

• Programy ochronne należy przygotowywać tak, by przede wszystkim obejmowały one subpopulacje stanowiące źródła, a nie ujścia meta populacji.

• Jeżeli zabiegami ochronnymi obejmuje się tylko część meta populacji, lepiej jest, gdy będą to subpopulacje w postaci sieci, a nie linii.

• W miarę możliwości należy starać się, aby w objętej ochroną meta populacji występowała stosunkowo duża liczba osobników przemieszczających się pomiędzy subpopulacjami. Efekt ten można osiągnąć, przygotowując lub konserwując konsekwentnie korytarze i „kładki’ (steppingstone populations).

Zgodnie z teorią meta populacji Hanskiego lokalna liczebność i zasięg (zakres) zasiedlenia jest nieprzewidywalny. Proporcja (stosunek) dyspersji jest kluczowym czynnikiem utrzymującym lokalną populację: niska dyspersyjność pokazuje niski stosunek zasiedlenia i lokalnej liczebności, podczas gdy silna dyspersyjność może skutkować szerokim zasiedleniem i lokalna liczebnością.

Zastosowanie: Stepping stones. Korytarze ekologiczne. Strefy rdzenia i strefy wspomagające. Genetyka metapopulacji. Ocena żywotności metapopulacji. Ochrona gatunków pożądanych. Zwalczanie gatunków niepożądanych.

Korytarz ekologiczny – ciąg dzikiej roślinności, zadarnione pasy wzdłuż dróg i cieków wodnych, a także nie uprawiane obrzeża pola, które łącząc się z innymi pasami roślinności tworzą sieć, stanowiącą schronienie dla zwierząt, będącą swoistym szlakiem komunikacyjnym dla wielu gatunków roślin i zwierząt, które nie wytworzyły mechanizmów do przemieszczania się.

Pierwotna koncepcja korytarzy ekologicznych (migracyjnych) zakładała istnienie ciągłości pasa przez który następuje migracja. Inna koncepcja to idea tzw. łańcucha siedlisk pomostowych (ang. stepping stone habitats) - niezależnych od siebie odrębnych ekosystemów, które spełniają podstawowe warunki niszy wędrującej populacji i umożliwiają przeżycie jej osobników w trakcie przemieszczania się w korytarzu, w którego skład te ekosystemy wchodzą.

Korytarze ekologiczne to tereny leśne, zakrzaczone i podmokłe z naturalną roślinnością o przebiegu liniowym (pasowym) położone pomiędzy płatami obszarów siedliskowych. Korytarze zapewniają zwierzętom odpowiednie warunki do przemieszczania się – dają możliwość schronienia i dostęp do pokarmu. Są niezwykle ważne ze względu na fragmentację środowiska (podział siedliska na małe, odizolowane od siebie płaty) wskutek działalności człowieka i przekształcenia powierzchni ziemi.

Umożliwiają one przemieszczanie się organizmów oraz ich wzajemne kontakty np. doliny rzeczne, pasma górskie, prądy rzeczne.

Szerokość korytarza migracyjnego jest uzależnione od wymagań konkretnego gatunku.

Korytarze ekologiczne dla prawidłowego funkcjonowania muszą być pozbawione barier ekologicznych, obecność barier utrudnia lub całkowicie hamuje przemieszczanie się gatunków, którym korytarz powinien służyć.

10 – Ekologia metazbiorowisk

Makroekologia. Liczba gatunków a wielkość badanego obszaru. Species-area curve. Hipotezy tłumaczące zależność między bogactwem gatunków a obszarem analizy lub między zasięgiem a liczebnością gatunków: hipoteza gatunków głównych i towarzyszących (core-satellite), hipoteza błędu pomiarowego (najłatwiej znajdujemy gatunki częste i to zwiększa ich frekwencję), hipoteza specjalizacji ekologicznej . 7 form rzadkości w różnych skalach przestrzennych. Cechy związane z rzadkością.

Core-satellite species (hipoteza gatunków podstawowych i towarzyszących) – według tej hipotezy gatunki dzielą się na 2 grupy:

1. złożoną z gatunków pospolitych i wysoko liczebnych

2. złożoną z gatunków rzadkich

Hipoteza specjalizacji ekologicznej – gatunki o szerokim zakresie tolerancji (general iści) są jednocześnie powszechne i wysoko liczebne (specjaliści)

Definicja metazbiorowiska. Parametry, którymi można opisać metazbiorowisko. Próba zbudowania możliwie prostego modelu metazbiorowiska.

Metazbiorowisko = układ zbiorowisk

Dyspersyjne mechanizmy powstawania zbiorowisk. Teoria biogeografii wysp McArthura-Wilsona. Założenia - świat złożony z kontynentu i wysp. Założenie neutralności gatunków - każdy ma jednakową szansę migracji i przeżycia na wyspie. Parametry - odległość od kontynentu, wielkość wyspy. Nieliniowa zależność od imigracji w przypadku wysp różnej wielkości.

Uwzględnienie wielkości imigracji zależnej od odległości wyspy od kontynentu od (I) i wymierania (ekstynkcji E) pozwala na określenie stabilnie utrzymującej się liczby osobników (S)

Zunifikowana teoria bioróżnorodności i biogeografii Hubbella (UNTB - Unified Theory of Biodiversity and Biogeography) - przykład modelu IBM (individual based model).

• J: całkowita liczebność zbiorowiska

• D: liczba osobników ginących w danej jednostce czasu

Koła białe i czarne to osobniki dwu gatunków zajmujące w zbiorowisku wszystkie dostępne miejsca;

po zaburzeniu wolne miejsca są kolonizowane przez gatunki lokalne i przez nielicznych imigrantów (koła szare)

Założenia modelu - cross-scalling od poziomu pojedynczego zbiorowiska do skali globalnej. Założenie neutralności osobników - każdy osobnik (każdego gatunku) ma jednakową szansę na zajęcie pustego miejsca.
Parametry: N - liczebność zbiorowiska, D - śmiertelność (liczba osobników ginąca w czasie, P - frekwencja gatunku w metazbiorowisku, M - prawdopodobieństwo imigracji z metabiorowiska, Θ(theta) - liczba bioróżnorodności, obrazująca szansę powstawania nowych gatunków, związana z czasem, jaki zbiorowisko spędza w stanie aktywnym w ciągu roku. Odstępstwa danych empirycznych od przewidywań optymalnych modeli UNTB jako empiryczny dowód na występowanie przewagi konkurencyjnej i możliwość połączenia teorii UNTB z teoriami niszowymi.

Ekologia Krajobrazu. Ekologiczna definicja krajobrazu jako zespołu ekosystemów. Kształty płatów. Fragmentacja. Izolacja. Strefy buforowe. Rozwinięcie powierzchni i strefy kontaktowej.

Ekologia globalna. Zmiany globalne. Globalne ocieplenie klimatu. Inwazje biologiczne. Utrata różnorodności. Globalne cykle biogeochemiczne.