EKOFYZIOLOGIE: CO STUDUJE A APLIKACE U ZVÍŘAT A ROSTLIN - BIOLOGIE - 2025

Ecofisiología je obor ekologie, která studuje na funkční odezvu organismů přizpůsobit se změnám životního prostředí. Každá živá bytost se musí přizpůsobit svému prostředí, aby přežila, a tato adaptace je strukturální i funkční.

Tato disciplína je známá také jako fyziologická ekologie nebo fyziologie prostředí a vytváří základní i aplikované znalosti. Je tedy možné znát vztah mezi fyziologií organismu a změnami prostředí.

Ekofyziologické experimenty. Zdroj: Rasbak

Ekofyziologie rovněž poskytuje informace v oblasti rostlinné a živočišné výroby k produkci potravin. Například studie o ekofyziologii rostlin tolerantní vůči extrémním podmínkám prostředí byly užitečné při genetickém zlepšení.

Ekofyziologické studie rovněž umožňují stanovit, které jsou nejvhodnější podmínky prostředí k dosažení větší produktivity zvířat. Lze tedy stanovit rozsah variací faktorů prostředí, aby se zvířata ve výrobních jednotkách poskytla pohodlí.

Co studuje ekofyziologie?

Ekofyziologie je disciplína, v níž se sbíhají fyziologie a ekologie. Fyziologie věda, která studuje fungování živých bytostí a ekologii, řeší vztahy mezi živými bytostmi a jejich prostředím.

V tomto smyslu ekofyziologie studuje dynamický vztah mezi měnícím se prostředím a přizpůsobením metabolismu rostlin nebo zvířat těmto změnám.

- Ekologické experimenty

K dosažení svého cíle používá ekofyziologie jak deskriptivní výzkum, tak experimentální metodu. Za tímto účelem identifikuje fyzikálně-chemické faktory, které působí v životním prostředí, a určuje jejich účinek na tělo.

Těmito faktory mohou být zdroje, které organismus používá k přežití, nebo podmínky, které ovlivňují jeho fungování. Následně se stanoví fyziologická odpověď živého organismu na změny uvedeného faktoru.

Metabolické systémy zapojeny

Je nezbytné identifikovat organické a funkční systémy podílející se na adaptivní reakci organismu na změnu určitého faktoru. Například, když dojde ke změnám teploty, dojde k reakci termoregulačního systému jedince.

Experimentální design

Ekofyziologie používá návrh experimentů ke stanovení fyziologické odpovědi organismu na změny faktoru. Příkladem toho může být vystavení jedinců rostlinného druhu různým koncentracím soli v substrátu.

- Typy změn prostředí

Jakmile byly faktory, které mají být studovány, definovány, je nutné identifikovat změny, ke kterým dochází v prostředí a jejich časová povaha, a definovat tři typy:

Cyklické změny

Tyto změny se periodicky opakují, jako je střídání klimatických období nebo den a noc. S ohledem na tyto skutečnosti si živá bytost vyvinula cyklické fungování, sledující rytmus změn prostředí.

Denní a noční cyklus. Zdroj: Caliver

Například pád listů v suchém období ke snížení potu kvůli nedostatku vody. V případě zvířat existují také cyklické změny; například změna peří některých ptáků.

Ptákigan (Lagopus muta) tundry má sezónní homochromii a představuje bílé zimní peří, zatímco na jaře se mění na tmavé a pestré tóny. Jejich kamufláž je tedy přizpůsobena rovnoměrné bílé sněhu a poté po zbytek roku tmavým tónům prostředí.

Další adaptací zvířat na cyklické změny je hibernace medvědů a jiných druhů v zimním období. To zahrnuje změny metabolismu, které zahrnují snižování tělesných funkcí, jako je teplota a srdeční frekvence.

Náhodné změny

Tyto typy změn se vyskytují náhodně, bez stanovené pravidelnosti. Například sesuv horského svahu, únik ropy nebo příchod nového predátora nebo patogena.

Tyto změny představují pro druh větší riziko, protože se vyskytují drasticky, v těchto případech závisí reakce organismů na plasticitě již existujících funkcí.

Směrové změny

Jsou to změny v prostředí, které lidé záměrně způsobují pro určité účely. Příkladem je odlesňování lesa za účelem založení pastviny nebo zásah mokřadu za účelem pěstování rýže.

- Obecné postuláty

Z akumulace experimentálních a observačních důkazů v přírodním prostředí se ekofyziologie snaží definovat obecné postuláty. Toto jsou obecné principy, které vycházejí z pravidelnosti určitých fyziologických odpovědí na změny prostředí.

Liebigův zákon minima

Sprengel (1828) usoudil, že určujícím faktorem růstu organismu je ten nejne vzácnější v životním prostředí. Později byl tento princip popularizován Liebigem (1840) a je známý jako zákon minima nebo Liebigův zákon.

Bartholomew (1958) použil tento princip na distribuci druhů, přičemž zdůraznil, že je určován nejpříznivějším faktorem životního prostředí.

Shelfordův zákon tolerance

V roce 1913 Victor Shelford uvedl, že určitý druh existuje v definovaném rozsahu variace pro každý faktor prostředí a jejich interakce. Toto je známé jako limity tolerance, mimo které druh nepřežije.

Shelfordův zákon tolerance. Zdroj:

Tento princip definuje, že v amplitudě variace určitého faktoru prostředí existují pro organismus tři možné stavy. Tyto stavy jsou optimální, fyziologický stres a nesnášenlivost.

V tomto smyslu budou v optimálním rozmezí faktoru hojné populace tohoto druhu. Když se vzdálíme od optima, vstoupí do stresové zóny, kde populace klesá a mimo toleranční limit druh zmizí.

- Digitální technologie a ekofyziologie

Ekofyziologická studia byla stejně jako ve všech vědách posílena vývojem nových technologií. Tato disciplína byla díky své experimentální povaze podporována zejména vývojem digitálních technologií.

Dnes existuje rozmanitost přenosných elektronických zařízení, která umožňují měření faktorů prostředí v terénu. Mezi ně patří mimo jiné měřiče slunečního záření, teplota, relativní vlhkost, plocha listů.

Příklady použití u zvířat

- Vliv teploty na produktivitu hospodářských zvířat

Velmi důležitým oborem je ekofyziologie aplikovaná na živočišnou výrobu, která usiluje o pochopení reakce chovných zvířat na změnu faktorů prostředí. Jedním z těchto faktorů je teplota, která zohledňuje současný trend zvyšování průměrné globální teploty.

Homeotermie

Převážná většina plemenných zvířat je homeotermická, to znamená, že si udržují stabilní vnitřní teplotu i přes změny prostředí. Toho je dosaženo investováním chemické energie, aby se kompenzovalo zvýšení nebo snížení venkovní teploty.

Tento proces kompenzace vnější teploty se dosahuje termoregulací, která zahrnuje hypotalamus, dýchací systém a kůži.

Ležící slepice

Bylo zjištěno, že denní doba krmení nosnice je důležitá pro její produktivitu. V tomto případě to souvisí s asimilační kapacitou jídla v závislosti na tepelném stresu.

Ležící slepice. Zdroj: Peloy (Allan HM)

Pokud je krmivo dodáváno v nejteplejších hodinách dne, slepice ho méně asimiluje a jeho produkce klesá. V důsledku toho zvýšení teploty prostředí znamená snížení produktivity slepic ve volném výběhu.

Dobytek

Zvýšení teploty nutí zvířata k aktivaci fyziologických mechanismů termoregulace. To zahrnuje investici energie, která se odečte od přírůstku hmotnosti nebo produkce mléka.

Na druhé straně, jak se teplota zvyšuje, zvířata mění své priority krmení. V těchto případech se zvyšuje příjem vody a snižuje se spotřeba sušiny s následným úbytkem hmotnosti.

- Znečištění a žáby

Ekofyziologické studie umožňují spojit fyziologii živočišných druhů s jejich prostředím a stanovit možné negativní účinky znečištění. Příkladem toho je současný stav ohrožení, kterému jsou žáby a ropuchy vystaveny.

Žába (Atelopus zeteki) citlivá na znečištění. Zdroj: Brian Gratwicke

Asi polovině ze 6 500 známých druhů obojživelníků hrozí vyhynutí. Tato zvířata jsou velmi citlivá na změny teploty, vlhkosti nebo kontaminantů prostředí.

Dýchání a oběh obojživelníků

Fyziologie dýchání obojživelníků je velmi zvláštní, protože dýchají jak plícemi, tak kůží. Když jsou mimo vodu, používají plíce a ve vodě dýchají kůží, která je propustná pro O2, CO2 a vodu.

Dopad

Forma dýchání způsobuje, že tato zvířata jsou citlivá na absorpci znečišťujících látek ze vzduchu i vody. Na druhé straně díky nízké koncentraci kyslíku ve vodě oslabují, protože ho neabsorbují správně.

Za těchto podmínek mohou zemřít nebo zeslábnout a být náchylní k napadení patogenními houbami a bakteriemi. Jednou z největších hrozeb je patogenní houba Batrachochytrium dendrobatidis, která inhibuje tok elektrolytů v kůži.

Příklady aplikací v rostlinách

- Ekofyziologie rostlin

Globální oteplování povede k produkci určitých plodin v některých oblastech kvůli zákonu tolerance. To znamená, že faktory, jako je dostupnost vody, půjdou mimo rozsah tolerance daného druhu.

Xerofyty. Zdroj: Tomas Castelazo

Druhy vyprahlých zón však vyvinuly strategie pro přizpůsobení se nedostatku vody. V tomto smyslu poskytuje výzkum v ekofyziologii rostlin v suchých zónách možné cesty pro genetické zlepšení rostlin.

Osmolytů

Jednou z těchto strategií je modifikace genové exprese za účelem produkce proteinů, které pomáhají tolerovat deficit vody. Mezi tyto proteiny patří osmolyty, které pomáhají buňkám udržet si jejich turgor i s malým množstvím vody.

Znalost těchto bílkovin a jejich metabolismu může být genetickým inženýrstvím využita ke zlepšení plodin.

- Ekofyziologie halofilních rostlin

Jedním z problémů, kterým zemědělství čelí, je slanost půdy v důsledku koncentrace solí přidaných zavlažovacími vodami. Když se více půdy znečišťuje, je pro produkci potravin k dispozici méně půdy.

Halofilní rostliny

Existují však druhy rostlin přizpůsobené k přežití v podmínkách vysoké koncentrace solí v půdě. Jedná se o tzv. Halofytické rostliny (Halos = sůl; fyto = rostlina).

Tyto druhy vyvinuly řadu morfologických a fyziologických adaptací jako mechanismů, které zabraňují absorpci soli, imobilizují ji nebo vylučují.

Halofytické rostliny jako jídlo

Znalost ekofyziologie těchto rostlin slouží jako základ pro rozvoj zemědělských systémů a jejich použití jako zdroje potravy. Tímto způsobem lze halofytické druhy pěstované na zasolených zemědělských půdách použít jako krmivo pro hospodářská zvířata.

Reference

1. Ariasa, RA, Maderb, TL a Escobara, PC (2008). Klimatické faktory, které ovlivňují produktivní výkon hovězího a mléčného skotu. Arch. Med. Vet.
2. Blaustein, AR, Wake, DB a Sousa, WP (1994). Obojživelnost klesá: posuzování stability, vytrvalosti a náchylnosti obyvatel k lokálním a globálním vymírání. Biologie zachování.
3. Calow, P. (Ed.) (1998). Encyklopedie ekologie a environmentálního managementu.
4. Hawkesford, MJ a De Kok, LJ (2007). Ekofyziologie rostlin (svazek 6). Síra v rostlinách. Ekologická perspektiva.
5. Lüttge, U. a Scarano, FR (2004). Ekofyziologie. Brazil Magazine. Bot.
6. Pereyra-Cardozo, M. a Quiriban, A. (2014). Proteiny odolné vůči vodnímu stresu v rostlinách. SEMIÁRIDA, Časopis Agronomické fakulty UNLPam.
7. Purves, WK, Sadava, D., Orians, GH a Heller, HC (2001). Život. Věda o biologii.
8. Raven, P., Evert, RF a Eichhorn, SE (1999). Biologie rostlin.