Ekologie - úvod a populační ekologie

Úvod do ekologie a vysvětlení populační ekologie a jejích principů.

Strávili jsme společně mnoho týdnů

povídáním si o
fyziologii rostlin a zvířat,

o tom, jak buňky spolupracují

a tvoří tkáně, orgány a orgánové soustavy.

Zkrátka aby vytvořily nás,
organickou hmotu.

Pro pochopení celého organismu je
důležité vědět,

co se děje na všech těchto úrovních.

A to samé platí pro ekologii.

Jen detailní pohled a globální nadhled
v rámci živého organismu

je nahrazen náhledem na celou Zemi.

Podle úrovně náhledu můžeme
o naší planetě pochopit množství

zajímavých věcí - například se můžeme
zaměřit na skupiny v rámci druhu

a jakým způsobem žijí společně
na společném území.

To je populační ekologie.

Také existuje ekologie společenstev,

kde se zabýváme skupinami
různých organismů,

které společně žijí, a snažíme
se zjistit, jak se vzájemně ovlivňují.

Při nejvzdálenějším pohledu

je to ekologie ekosystémů,
která studuje, jak se živé

a neživé věci ovlivňují v rámci celého ekosystému.

Začneme pohledem na úroveň

populační ekologie, tedy studium skupin

v rámci jednoho druhu,
které interagují převážně společně.

Pro pochopení proč jsou tyhle populace rozdílné

v různých časových obdobích
a na různých místech.

Možná se ptáte, proč je tohle
pro někoho vůbec užitečné?

Vlastně je to nesmírně užitečné
pro kohokoli a neustále.

Pojďme se podívat například na epidemii viru západonilské horečky,

která udeřila v Dallasu v Texasu v létě 2012.

Podle dallasské statistiky na virus
zemřelo 12 lidí,

alespoň dle posledních údajů.

Nakazilo se celkem příbližně 300 lidí.

V roce 2011 bylo v Texasu

ohlášeno pouze 27 případů této nemoci
a pouze dvě úmrtí.

Ten rozdíl je značný.

Takže co se stalo?

Vlastně jde o problém
populační ekologie.

Západonilská horečka
je nemoc přenášená komáry

a populace komárů
v okolí Dallasu v roce 2012

vzrostla obrovským tempem,

čímž došlo k účinnějšímu přenosu choroby.

Proč nákaza vypukla v takové míře
v roce 2012 a ne ten rok předtím?

A proč se to stalo v Texasu
a ne v New Jersey?

Odpověď zní: populační ekologie.

(hudba)

Předtím, než začneme řešit záhady propuknutí virových nákaz,

musíme pochopit základy populační ekologie.

Pro začátek, populace je jen skupina jednotlivců
jednoho druhu,

kteří vzájemně pravidelně interagují.

To, jak často organismy interagují,
závisí na geografii..

Mnohem více se budou potkávat lidé,
kteří žijí blízko než ti,

kteří od sebe žijí daleko.

Výsledek je takový,
že ti, kteří žijí blíž,

jsou zárověň těmi,
se kterými bojujeme o jídlo,

o prostor k životu, družky a tak dále.

Ale pro porozumnění, proč se populace liší

místo od místa a čas od času,

potřebuje populační ekolog
znát několik věcí.

Musí znát její hustotu,

v tomto případě kolik komárů,

kteří by se mohli setkat,
se nachází v oblasti Dallasu.

Populační hustota se mění podle několika faktorů,

z nichž většina je celkem jasná.

Hustota se zvyšuje,

když se jedinci rodí či se přistěhují.

Snižuje se úmrtími, emigrací

a odchodem jednotlivců.

Jednoduché, viďte?
Ale jako populační ekologové

musíme také znát geografické uspořádání

jednotlivců v rámci populace.

Tohle je jejich rozptyl.

Jako u komárů: jsou všichni pohromadě?

Jsou stejnoměrně rozmístěni v celé zemi?

Je tady nějaké náhodné uspořádání?

Odpověď na tyto otázky dává vědcům

náhled na danou populaci v daný moment

a pomáhá vyřešit hádanku
jako je šíření viru západonilské horečky.

Zde je důležité studium toho,
jak se populace mění v čase.

Proto se musíme zabývat
centrálním principem populační ekologie

a tím je populační růst.

Je mnoho faktorů,
které řídí populační růst

a mohou jej výrazně ovlivňovat,
což se liší druh od druhu.

Jsou to faktory jako plodnost,

tedy kolik potomků
může mít jedinec za život.

Tento faktor logicky
ovlivňuje velikost populace.

Například, proč populace komárů
narůstá tak rychle,

když populace ohroženého
černého nosorožce je

ohrožena jakýmkoliv pytlačením?

Zaprvé, komáři mohou mít až 2000 potomků
během jejich

dvoutýdenního života.

Oproti tomu nosorožec
jich může mít tak 5 za čtyřicet let.

Nicméně populace většinou nevyužije celý

svůj potenciál a nemůže růst věčně.

Pro pochopení jak rychle nebo pomalu,

intenzivně či mírně populace roste,

se musíme soustředit na to,
co určuje hranice růstu.

Tyto faktory se příznačně nazývají

limitující faktory.

Řekněme, že jste komár
v Dalasu v roce 2011,

rok před vypuknutí virové nákazy.

V té době růst nebyl takový
jako v roce 2012.

Takže něco ten růst omezovalo.

Abychom zjistili, co byly
tyto limitující faktory,

musíme nejdřív zjistit,
co potřebuji jako komár

k úspěšnému životu a reprodukci.

První věc je najít potravu,

takže jako komár jím různé věci,

ale k úspěšné reprodukci
jako samička

potřebujete k jídlu krev.

Takže musíte najít obratlovce,
kterému vysajete nějakou krev.

Předpokládejme, že v Dalasu
není nedostatek obratlovců,

ze kterých se dá sát krev.

Mám v Dallasu velmi dobré přátele,
též obratlovce.

Bylo by možné i vysát
nějakou jejich krev.

Dalším faktorem je teplota, protože

komáři jsou ektotermní,
aktivita závisí na teplotě.

Musí být teplo, aby
komáři byly aktivní.

V Texasu je dost teplo
a zima 2011/2012 byla zvlášť teplá.

Vlastně léto 2012 bylo výjimečné horké,

což napomohlo zrychlení
životního cyklu komárů.

To je jeden z limitujících faktorů,

který byl pro komáry z Dallasu odstraněn.

Dále, partneři.

Pokud jsem samička komára,

potřebuji si najít hezkého samečka.

Ideálně s prací a vlastním autem,

protože Dallas je velké město.

Tohle vlastně není tak složité,

protože komáří samci jen vytvoří

každý večer v rozmnožovací sezóně hejno

a vše, co musí udělat samičky,

je najít takové hejno a přiletět tam

a najít partnera. Jasné jak facka.

Konečně, prostor -

Ha!

Tady máme další důležité vodítko.

Komáři snášejí vajíčka do stojaté vody

a pokud něco komáří larva nesnáší,
tak je to déšť.

Splachuje totiž tu malou kaluž vody,

ve které žijí.

Kvůli krušným suchům v létě 2012

se vytvořilo spoustu ložisek
stojaté špinavé komáří vody,

které sloužily jako školky pro spoustu

komárů nakažených
virem západonilské horečky.

Když pozorujeme tyto důkazy,

najdeme alespoň
dva limitující faktory

pro růst populace komárů,

které nebyly v roce 2011 přítomny.

Omezení teploty a prostoru.

Bylo dostatečně teplo a byla spousta míst,

kam se daly snášet vajíčka -
sodoma gomora!

Populační ekologové rozlišují

tyto faktory na dvě skupiny -

závislé na hustotě a nezávislé na hustotě.

Takhle to dělají,
protože potřebují zjistit,

jak moc populační vývoj závisí

na počtu jedinců v populaci,

a nebo jestli je ovlivněn něčím jiným.

Důvod, proč jsou tyto limity důležité,

je to, že ovlivňují
tzv. nosnou kapacitu prostředí,

kde se komáři vyskytují.

To znamená množství jedinců,

které může prostředí, kde žijí,
uživit ze svých zdrojů.

Na hustotě závislé limitující faktory
omezují růst z důvodu

vytíženosti prostředí
způsobené velikostí populace.

Například tam není dostatek jídla,

vody a prostoru pro každého

nebo proto, že když je tolik jedinců,

zvětší se populace jejich predátorů,

což umožňuje držet populaci na uzdě.

Nákaza může být dalším
faktorem ovlivněným hustotou.

Velké množství jedinců
žijících v blízkém kontaktu

umožňuje bleskové šíření nákazy.

Nemyslím si, že by komáři z Dallasu

někdy v blízké době přišli
o dostatek obratlovců k večeři,

ale hypoteticky,
populační exploze u komárů

by mohla vést k podobné populační explozi

u tadaridy guánové, což je hlavní

létající savec státu Texas,

který se živí komáry.

To by byl limitující faktor
závislý na hustotě.

Více komárů znamená více netopýrům,

což vede k úbytku komárů.

Je to celkem jednoduché.

Když limitující faktory
závislé na hustotě

začnou fungovat a
omezovat růst populace,

znamená to, že bylo dosaženo
nosné kapacity prostředí.

Druhý typ limitních faktorů

nemá nic společného
s množstvím jedinců v populaci

nebo její hustotou.

Mnoho těchto faktorů je popsáno

jako nějaká katastrofa.

Sopečný výbuch, monzun či Černobyl.

V každém případě nějaký důležitý aspekt

životního stylu populace se
změnil natolik, že je těžší obstát.

Ale tyto faktory nemusí mít
nijak velký dopad.

Když se vrátíme ke komárům,
řekněme v roce 2013,

každý den po tři měsíce
byla v Dallasu ohromná bouřka.

Déšť překazí nerušený vývoj
komářích vajíček ve shlucích

volně plovoucích ve stojatých vodách.

Takže počet narozených
bude výrazně nižší.

Stejně tak kdyby se změnila teplota

a bylo v létě nečekaně chladněji,

tempo růstu by se zpomalilo.

Je možné si představit
milion různých situací,

více či méně významných,
které mohou vést

k dosažení nosné kapacity prostředí

nebo k populačnímu zhroucení
v důsledku působení vnějších faktorů.

Práce populačního ekologa je zjistit,
které faktory to jsou

a k tomu slouží matematika.

Naše kamarádka matematika nám říká,

že každá populace, a vlastně cokoliv,
bude růst exponenciálně,

pokud její růst nelimitují určité faktory.

Exponenciální růst znamená, že populace

roste rychlostí poměrnou
k velikosti populace.

Takže na začátku roku 2012 máme v Dallasu

řekněme jen 1000 komárů,

ale po jednom měsící máme tři tisíce.

A protože máme třikrát více
rozmnožujících se komárů,

populace poroste trojnásobně rychle,

než když jsme měli jen jeden tisíc.

A teď máme devět tisíc.

Takže poroste třikrát tak rychle

než když jsme měli tři tisíce.

A tak až do nekonečna.

V tomto scénáři může nosná

kapacita políbit komárům
jejich chitinový zadek.

Není možné je zastavit!

Ale tohle se normálně neděje, tedy může

po nějakou omezenou dobu.

Například lidská populace se začala množit

exponenciálně od průmyslové revoluce,

ale nakonec něco vždycky srazí
velikost populace zpět.

To může být faktor závislý na množství,

jako hlad či epidemie.

Nebo faktor nezávislý na množství,

jako asteroid,
který zničí celý kontinent.

Každopádně růstová křivka
nemůže navždy stoupat.

A když se tyto faktory zapojí do hry,

populace zažívá pouze logaritmický růst.

Což znamená, že růst populace je omezen

nosnou kapacitou ekosystému,
což je,

když se nad tím zamyslíme,
logický důsledek.

Vidíte, jak je tento graf na vrchu placatý?

Faktor, který toto omezuje,

je téměř vždy faktorem
závislým na velikosti a hustotě populace.

Takže když si vezmeme komáry,
tempo jejich populačního růstu

se nakonec musí zbrzdit,
protože jim dojde jídlo nebo prostor.

A když se dostaneme k tomu maximu,

zjistíme nosnou kapacitu

komáří populace v daném prostředí.

Teď pojďme použít všechny tyto myšlenky

v jednoduché rovnici, která nám umožní

vypočítat populační růst čehokoliv.

Vím, je to matematika, ale probuďte se,

tohle je důležité,
město Dallas na vás spoléhá!

Takže pojďme vypočítat růst komáří

populace v Dallasu za dva týdny.

Všechno, co musíme udělat
k určení rychlosti růstu (r),

je vzít počet narozených

minus počet zemřelých

a to vydělit původní velikostí populace,

kterou zjednodušeně označujeme N.

Takže začneme s populací

řekněme 100 komárů,

a každý z nich žije v průměru dva týdny,

takže počet mrtvých za dva týdny bude 100.

Polovina z nich budou samičky,

takže 50 a každá z nich
může za život přivést na svět

asi 2000 potomků, takže 50 x 2000.

Uf!

Takže 50 komářích mamin krát 2000 dětí

a dostáváme počet narozených
= 100 000 komářích dětí.

Jakmile vše dosadíme,

ačkoli tohle je naprosto
hypotetická situace,

uvidíme rozsah
komářího problému v Dallasu.

Za dva týdny bude mít populace komárů

100 000 potomků a jen 100
jich zemře.

Takže tempo populačního růstu,

když to spočítáme, je 999.

To znamená, že z každého komára

na počátku těchto 14 dnů

vznikne 999 nových jedinců

ke konci dvou týdnů.

Což je 99800 % nárůst!

Ježkovy oči!

Tohle jsou hypopetická čísla,

ale dávají nám představu o tom,

jak se může populace vymknout z ruky,

pokud všechny tyto faktory
hrají v její prospěch.

A to žijete v blažené nevědomosti,
pokud nevíte,

jak vypadá graf růstu lidské populace

za posledních několik tisíc let...