Ekologie (vztahy v přírodě)

Příroda sestává ze živých i neživých složek. Mezi živé složky přírody patří organizmy: rostliny, živočichové, houby, mikroorganizmy aj. Mezi neživé složky přírody náleží např. vzduch, voda či horniny a minerály (nerosty). Půda sestává jak ze živých součástí (organizmy, které zde žijí), tak z neživých (úlomky hornin, humus, voda, plyny aj.).

Ucelené součásti přírody se označují jako ekosystémy. Ekosystémy lze rozdělovat např. na suchozemské (les, louka) a vodní (rybník, jezero). Velké a dlouhodobě stálé ekosystémy se označují jako biomy.

Ekologie se zabývá vztahy v přírodě. Zkoumá vztahy mezi organizmy navzájem i mezi organizmy a prostředím. Termín ekologie často bývá nesprávně používán pro ochranářské aktivity a tvorbu životního prostředí. Nejde o jedno a to samé. Přehled o ekologii a souvislostech v přírodě však může být předpokladem pro ochranu životního prostředí: ví se, co a jakým způsobem chránit.

Ekosystémy

Ucelené součásti přírody se označují jako ekosystémy. Ty obsahují živé i neživé složky.

Přirozené ekosystémy vznikají (víceméně) bez zásahu člověka (např. tropický deštný les, korálové útesy, přirozený lesní porost). Naopak umělé ekosystémy musí člověk udržovat a dodávat do nich energii (např. hnojení, orba a osévání pole, sečení či spásání louky). Bez zásahu člověka by se umělé ekosystémy postupně změnily v přírodní.

Ekosystémy jsou různě stabilní, neboli snášejí jen určitou míru narušení. Postupně se vyvíjejí, to se označuje jako sukcese (např. hromada zeminy postupně zaroste bylinami, keři, nastěhují se sem živočichové aj.). V ekosystémech může být různá biodiverzita neboli různorodost skupin/druhů organizmů.

Pro ekosystémy je důležitá i přítomnost „mrtvé“ organické hmoty: např. staré dřevo či výkaly živočichů poskytují podmínky pro život množství organizmů a podílejí se na koloběhu živin.

Organizmy a jejich prostředí

Organizmy jsou přizpůsobené na určité podmínky (adaptace) a snášejí jen jejich určité rozpětí (ekologická valence). Organizmy snášející jen úzký rozsah podmínek se považují za bioindikátory (např. mnohé lišejníky rostou jen v prostředí s čistým vzduchem).

Areál splňuje ekologické požadavky organizmu, je to území, kde se vyskytují jedinci určitých druhů. Organizmy mohou být na určitém místě původní (mít zde tzv. primární areál). Také mohou žít na místech, kde se původně nevyskytovaly (sekundární areál, např. u invazních organizmů, které se šíří na novém území a vytlačují původní druhy).

Abiotické podmínky (faktory) prostředí souvisejí s neživou přírodou. Ovlivňují živé organizmy.

Světlo

Viditelné světlo je zdrojem energie pro fotosyntézu, ale též obecně slouží k orientaci či komunikaci organizmů. Světlo organizmy vnímají světločivnými buňkami či zrakem. To u živočichů souvisí např. s přítomností určitého zbarvení (mj. výstražného či maskovacího), rostliny na své pestře zbarvené části mohou lákat např. opylovače.

Změny intenzity světla vedou u živočichů k ovlivňování biorytmů, které souvisejí např. s rozmnožováním či migrací. Životní cyklus rostlin je ovlivněn délkou dne. Organizmy mají různé nároky na světlo: živočichové se nedostatku světla (to je spojeno např. s noční aktivitou či životem v podzemí) přizpůsobili např. odrazivou vrstvou za sítnicí, zvětšením očí, světélkováním (bioluminiscencí) či naopak nahrazením zraku jinými smysly.

UV záření má kratší vlnové délky a větší energii než viditelné záření, ničí proteiny a nukleové kyseliny. Organizmy se UV záření či nadbytku viditelného světla mohou bránit pomocí pigmentů (např. melanin u živočichů, karotenoidy u rostlin). U živočichů a hub je určitá míra UV záření nezbytná pro vznik vitaminu D.

Teplota

Teplo ze Slunce na Zemi přichází hlavně ve formě viditelného světla a infračerveného záření. Teplota je dána počasím a klimatem místa, v němž organizmy žijí. Suchozemské rostliny udržují teplotu svých těl pomocí odevzdávání a vypařování vody (transpirace). Živočichové mohou být ektotermní (jejich teplota je závislá na teplotě prostředí) či endotermní (udržují si stálou tělesnou teplotu). Stálá tělesná teplota je typická pro ptáky a savce. Ti v chladnější oblastech mívají kratší tělní přívěsky, aby o teplo nepřicházeli (to popisuje Allenovo pravidlo).

Vzduch

Živé organizmy ovlivňuje chemické složení vzduchu (což je svázáno se zásadními biochemickými procesy: fotosyntézou a buněčným dýcháním), ale také jeho teplota, tlak či proudění. Rostliny vzduch využívají např. k přenosu pylu či diaspor (plodů, semen). Někteří živočichové mohou vzduchem aktivně létat, živočichové či jiné organizmy se mohou nechat pasivně přenášet (tzv. vzdušný plankton).

Voda

Voda je součástí životního prostředí, je obsažena také v organizmech samotných. Ve vodě bývají rozpuštěné minerální látky (obsah solí se označuje jako salinita) či plyny. Povrchové napětí vody někteří bezobratlí živočichové využívají k pohybu po hladině. Rostliny mohou mít různé nároky na vodu, u těch žijících v suchém prostředí mnohdy bývá vyvinuta sukulence (tvoří si zásoby vody ve ztlustlých orgánech, zabraňují ztrátám vody pomocí CAM fotosyntézy). Živočichové se dostupnosti vody přizpůsobují např. určitým množstvím potních žláz či průběhem vylučování. U živočichů pohybujících se ve vodě se v rámci evoluce nezávisle vyvíjel hydrodynamický tvar těla.

Chemické látky

Makrobiogenní prvky jsou ve velkém množství nezbytné pro život (\mathrm{C}, \mathrm{H}, \mathrm{O}, \mathrm{N}, \mathrm{P}, \mathrm{S}). V menším množství organizmy vyžadují prvky oligobiogenní a stopové. Přítomnost určitých chemických prvků přeneseně souvisí s kyselostí/zásaditostí prostředí (pH).

Biotické faktory souvisejí s tím, jak se živé organizmy ovlivňují navzájem.

Více jedinců určitého druhu tvoří populaci. Velikost populací je dána natalitou (porodností) a mortalitou (úmrtností). Velikosti populací mohou kolísat v čase (např. zvětšení populace kořisti vede ke zvětšení populace predátora). Růst populace je obvykle omezen podmínkami prostředí. Populace může mít určitý rozptyl (rozmístění jedinců v prostoru). Populace mohou migrovat neboli se dvoucestně přesouvat na delší vzdálenosti (tam a zpět).

Více populací v určitém prostoru tvoří společenstvo (biocenózu). Ekologická nika je soubor všech faktorů prostředí působících na organizmus. Opuštěná ekologická nika může být obsazena jiným organizmem s podobnými nároky.

Vnitrodruhové vztahy

Vnitrodruhové vztahy existují mezi jedinci stejného druhu. Jedinci mohou napodobovat své chování, soutěžit o pohlavní partnery či si vymezovat teritorium. Konkurence vzniká zejména u větších populací, kdy jedinci bojují o zdroje.

Mezidruhové vztahy

Predace je potravní vztah, kdy predátor (dravec) zabíjí svou kořist. Mezi různými druhy organizmů může existovat i kompetice (konkurence).

Jako symbióza se v biologii označuje jakýkoli úzký mezidruhový vztah, nehledě na jeho (ne)výhodnost pro zúčastněné strany. Organizmy mohou na symbióze být zcela či částečně závislí. Dále jsou uvedeny typy symbiózy dle výhodnosti pro zúčastněné organizmy (+ znamená výhodnost pro zúčastněný organizmus, − nevýhodnost, 0 víceméně bez ovlivnění).

• mutualizmus (+/+) – Např. rostlina a její opylovač, sasanka plášťová a rak poustevníček, člověk a jeho střevní mikrobiom (soubor mikroorganizmů v těle).
• komenzálizmus (+/0) – Např. štírek, který je přenášený mouchou, epifytické rostliny žijící přichycené na stromech.
• parazitizmus (+/−)
  • U živočichů se rozlišují vnější parazité (např. klíště, veš, komár sající krev) a vnitřní parazité (např. motolice, tasemnice, roup).
  • Parazitoidi zabíjejí svého hostitele, např. larvy lumka vyvíjející se v larvách pilořitek.
  • U rostlin se klasicky rozlišují poloparazité, kteří sami fotosyntetizují (např. jmelí) a berou hostiteli hlavně vodu a minerální látky. Úplní parazité (holoparazité) jsou na svém hostiteli aspoň po část života zcela závislí (např. podbílek šupinatý parazitující na kořenech rostlin, kokotice evropská jakožto stonkový parazit, hlístník hnízdák parazitující na houbách).

Potravní řetězce popisují, jak se látky a energie v přírodě přesouvají mezi organizmy. Obvykle mají 4–5 článků.

Na počátku potravních řetězců stojí producenti, což bývají fotosyntetizující organizmy. Díky fotosyntéze ukládají energii slunečního záření do chemických vazeb a vytvářejí organické látky bohaté na energii. Typickými producenty jsou zelené rostliny, řasy, sinice či někteří protisté.

Producenty se živí konzumenti 1. řádu, což jsou obvykle býložraví (živící se rostlinami) či všežraví živočichové. Konzumenty 1. řádu žerou konzumenti 2. řádu (podobně dále s konzumenty dalších řádů). Na vrcholu potravních řetězců stojí masožraví vrcholoví predátoři.

Mrtvá těla všech účastníků potravního řetězce zpracovávají rozkladači (dekompozitoři). Ti uvolňují různé látky zpět do prostředí, jsou tak k dispozici dalším organizmům. Mezi rozkladače typicky patří bakterie, houby či různí bezobratlí živočichové (např. larvy much).

Znázornění potravních řetězců je do určité míry zjednodušující: ve skutečnosti např. určitý živočich nežere jen jeden druh jiného živočicha (pro přesnější vyjádření potravních vztahů se využívají tzv. potravní sítě).

Rozkladači (dekompozitoři) se významně podílejí na koloběhu látek v přírodě. Rozkládají mrtvou organickou hmotu (mrtvé organizmy). Na rozkladu určité součásti přírody se obvykle podílí více druhů rozkladačů současně nebo ve vzájemné návaznosti.

Organická hmota je rozkladači zpracovávána na jednodušší látky. Tyto látky (živiny i minerální látky) se pak vracejí do prostředí a mohou je využít další organizmy. Mrtvá organická hmota (např. dřevo, těla živočichů) se díky rozkladačům v přírodě dlouhodobě nehromadí. Rozkladači se podílejí i na vzniku půd.

Příklady rozkladačů

Mezi typické rozkladače patří nezelené bakterie a houby. Živočichové se mohou živit mrtvou rostlinnou hmotou (např. žížala, stínka) či výkaly (třeba koprofágní brouci, např. hnojník obecný či chrobák velký). Mrchožrouti se živí většími mrtvými těly živočichů (takto se částečně živí např. orel mořský).

Nároky rozkladačů na prostředí

Houby, bakterie a bezobratlí živočichové jakožto rozkladači obvykle pro svou aktivitu potřebují vlhké prostředí. Zároveň je potřeba, aby se jim zpracovávané organizmy „nebránily“ – např. proti bakteriím a houbám dokáže zasáhnout imunitní systém živočichů. Mnozí rozkladači vyžadují kyslík, někteří se bez něj obejdou (anaerobní bakterie). Aktivita rozkladačů se snižuje při nízké teplotě (třeba během zimy).

Využití rozkladačů člověkem

Rozkladači (např. žížaly) mají význam při kompostování, v rámci něhož se organické zbytky (třeba z kuchyně, zahrady) přemění na živinami bohatý kompost. Ten se dá využít při pěstování rostlin.

Negativní působení rozkladačů

Rozkladači mohou člověku škodit: např. houby způsobují „plesnivění“ potravin (houba tedy „sní“ potravinu dříve, než to stihne udělat člověk) či rozklad (hnilobu) dřeva. Pro dřevěné konstrukce může být ohrožením i dřevokazný hmyz (např. červotoč).

Chemický prvek uhlík (\mathrm{C}) je zásadní pro život na Zemi. Je součástí organických látek v živých organizmech (např. sacharidů/cukrů, tuků, bílkovin).

Uhlík se také nachází v zemské kůře, např. jako minerál grafit nebo jako součást uhličitanu vápenatého (\mathrm{CaCO_3}, např. ve vápenci). Uhlík se v rámci organických látek nachází v zemním plynu, uhlí či ropě (z té se vyrábí např. benzín či nafta). Zemní plyn, uhlí a paliva vyrobená z ropy lze označit jako fosilní paliva.

V atmosféře je uhlík vázaný v plynném oxidu uhličitém (\mathrm{CO_2}).

Oxid uhličitý je skleníkový plyn. Zvětšování jeho množství v atmosféře vlivem lidské činnosti způsobuje klimatickou změnu. Proto je užitečné uvědomit si, jak se uhlík (jako součást oxidu uhličitého) dostává do atmosféry a z ní.

Fotosyntéza

Fotosyntézu provádějí zejména řasy/rostliny. Využívá se při ní oxid uhličitý a voda. Za účasti světla vznikají organické látky bohaté na energii a kyslík. Fotosyntéza tedy vede k odstraňování uhlíku z atmosféry a jeho ukládání do organické hmoty (např. do dřeva, do půdy).

Buněčné dýchání

Drtivá většina živých organizmů (včetně těch fotosyntetizujících) používá k získávání energie buněčné dýchání (přesněji aerobní respiraci). V rámci buněčného dýchání živiny reagují s kyslíkem, uvolňuje se využitelná energie, vzniká oxid uhličitý a voda.

Rozklad

Rozkladači získávají energii zpracováním látek z odumřelých organizmů. Pokud látky ve výsledku zpracují pomocí kvašení či buněčného dýchání, uvolňuje se oxid uhličitý. V případě tzv. anaerobní respirace („dýchání bez účasti kyslíku“) se může uvolňovat i methan (\mathrm{CH_4}), který je též skleníkovým plynem.

Další děje

• Oxid uhličitý se do určité míry může rozpouštět ve vodě, což vede k okyselování (acidifikaci) oceánů.
• Oxid uhličitý se dále dostává do atmosféry vlivem aktivity sopek (ve srovnání s lidskou činností se ho sopečnou činností uvolňuje asi 60× méně).

Činnost člověka a globální souvislosti

Člověk ke své činnosti potřebuje energii. Tu mnohdy získává spalováním biomasy nebo fosilních paliv (např. v průmyslu, dopravě, energetice). To vede k uvolňování oxidu uhličitého do atmosféry.

Na emisích oxidu uhličitého se dále podílí změny využití půdy a odlesňování (ekosystémy ztrácejí schopnost vázat uhlík, uvolňuje se uhlík nashromážděný v biomase). Odlesňování se týká např. tajgy či tropických lesů.

Oxid uhličitý vzniká i při zpracování některých surovin, např. pálení vápence na vápno/cement či při výrobě oceli.

Množství oxidu uhličitého v atmosféře se zvětšuje, tedy rychlost uvolňování převyšuje rychlost ukládání v přírodě.

Určité látky důležité pro život podléhají složitým koloběhům (cyklům). Mezi tyto látky (prvky) patří zejména uhlík (\mathrm{C}), dusík (\mathrm{N}), fosfor (\mathrm{P}) a síra (\mathrm{S}).

Následující tabulka uvádí výskyt prvků uhlíku a dusíku a návazné procesy.

Koloběhy uhlíku a dusíku přibližují i následující schémata:

Síra (\mathrm{S}) se uvolňuje z hornin či je spojena se sopečnou činností. V živých organizmech je součástí některých aminokyselin. Je obsažena i ve fosilních palivech. Z nich se obvykle při zpracování odstraňuje, aby se její oxidy neuvolňovaly do ovzduší.

Fosfor (\mathrm{P}) je zásadní mj. pro rostliny. V malé koncentraci je v mořské vodě, získává se zejména z hornin (např. apatitu) či guána (trusu mořských ptáků).

Koloběh vody (\mathrm{H_2O}) je spojen se změnami jejího skupenství.

Pozorováním organizmů lze určit, jaké mají ekologické vztahy (s dalšími organizmy a prostředím). V některých případech je vztah zřejmý přímo (např. vidíme ptáka na břehu řeky, jak loví ryby), jindy nás k odvození vztahu může dovést stavba těla organizmu (pták má protáhlý, dýkovitý zobák) či prostředí, v němž organizmus žije (pták se pohybuje na břehu řeky → nejspíše tady bude hledat potravu).

Lze hodnotit potravní vztahy (např. dravec-kořist), různé typy symbiózy (např. parazitizmus, mutualizmus) i souvislost organizmů a ekosystému.

Potravní vztahy, výživa

Co se týče potravních vztahů živočichů, draví živočichové jsou obvykle přizpůsobeni lovu dobře vyvinutými smysly, rychlým pohybem a ostrými částmi těla, které mohou sloužit k trhání masa či zabíjení kořisti (např. drápy, špičáky savců, ostrá špička zobáku ptáků, kousací ústní ústrojí některých blanokřídlých). Kořist bývá zpravidla menší než dravec. Býložraví živočichové se mnohdy pohybují pomaleji než dravci, rostlinnou potravu mohou porcovat (např. řezáky bobra) či drtit (např. stoličky sudokopytníků, ústní ústrojí hlemýždě, vroubkovaný zobák kachny – ta žere převážně rostliny). Rostliny se ožeru brání např. kolci či trny.

Rostliny (a další organizmy – např. sinice, lišejníky, řasy nepatřící mezi rostliny) získávají živiny pomocí fotosyntézy, k níž je potřeba energie světla. Fotosyntetizující organizmy jsou obvykle zelené (ale není to pravidlem). Označují se jako producenti.

Parazitizmus

V rámci parazitizmu parazit dlouhodobě škodí hostiteli, aniž by měl za cíl jej zabít. Parazit a hostitel bývají v bezprostřední blízkosti (jejich těla jsou v dlouhodobějším kontaktu). Vnější parazité živočichů (např. klíště, blecha) mají obvykle zjednodušenou stavbu těla a ústní ústrojí přizpůsobené přijímání krve, lymfy či částí kůže/jiných tkání. U hostitele se přítomnost většího množství parazitů může projevit jako nemoc či vede ke strádání organizmu (např. toulavá kočka napadená svrabem). Přítomnost vnitřních parazitů živočichů zpravidla nelze zvnějšku jednoduše zjistit.

Živočišní parazité rostlin obvykle sají jejich mízu, k čemuž využívají bodavě sací ústní ústrojí. Také mohou tkáně rostliny vyžírat zevnitř (např. minující housenky klíněnky v listech jírovce). Pokud je rostlina napadena parazitem, často se to projeví deformací či schnutím jejích částí nebo tvorbou hálek.

Parazitické rostliny mohou být nezelené (např. záraza, podbílek, kokotice), případně mohou i fotosyntetizovat (jmelí). V každém případě jsou napojené na vodivá pletiva jiné rostliny či podhoubí houby.

Mutualizmus (vzájemně prospěšná symbióza)

V rámci mutualizmu mohou být organizmy jak ve stálém bezprostředním kontaktu (např. klouzek žijící v mykorhize s modřínem bude své plodnice tvořit blízko modřínu), tak v kontaktu občasném (např. včela opylující květ trnky, straka vybírající parazity ze srsti muflona). Projevy mutualizmu jsou pozitivní, organizmy vypadají „zdravěji“/nevypadají, jako by strádaly: např. tráva bujněji roste tam, kde je podhoubí čirůvky májovky, rostliny lákají opylovače barevností a vůní svých květů.

Rozkladači

Rozkladači (dekompozitoři) se obvykle nacházejí na (mrtvé) organické hmotě (mršinách, rozkládajícím se dřevě, výkalech apod.). Může se jednat o okem neviditelné mikroorganizmy (bakterie) či například povlaky vláknitých hub. Mezi rozkladače patří i někteří živočichové, např. brouci a jejich larvy.

Přenos částí sloužících k rozmnožování

V terénu lze snadno pozorovat některá přizpůsobení rostlin, např. co se týče přenosu jejich plodů/semen.

Stanoviště, vývoj ekosystému

Na základě stanoviště (místa, kde se organizmus konkrétně vyskytuje) lze odhadnout jeho ekologické nároky či charakter/stáří ekosystému.