EKOFYZIOLÓGIA: ČO ŠTUDUJE A POUŽÍVA U ZVIERAT A RASTLÍN - BIOLÓGIE - 2026

Ecofisiología je odbor ekológia, ktorá študuje na funkčnú odozvu organizmov prispôsobiť sa zmenám životného prostredia. Každá živá bytosť sa musí prispôsobiť svojmu prostrediu, aby prežila, a táto adaptácia je štrukturálna aj funkčná.

Táto disciplína je známa aj ako fyziologická ekológia alebo ekológia prostredia a vytvára základné aj aplikované vedomosti. Je teda možné poznať vzťah medzi fyziológiou organizmu a zmenami prostredia.

Ekofyziologické experimenty. Zdroj: Rasbak

Ekofyziológia rovnako poskytuje informácie v oblasti rastlinnej a živočíšnej výroby na výrobu potravín. Napríklad pri genetickom zlepšení boli užitočné štúdie o ekofyziológii rastlín tolerantných voči extrémnym podmienkam prostredia.

Ekofyziologické štúdie tiež umožňujú zistiť, ktoré z najvhodnejších podmienok prostredia sú na dosiahnutie väčšej produktivity zvierat. Môžu sa teda stanoviť rozsahy variácií faktorov prostredia, aby sa zvieratám poskytlo pohodlie vo výrobných jednotkách.

Čo študuje ekofyziológia?

Ekofyziológia je disciplína, v ktorej sa zbližujú fyziológia a ekológia. Fyziológia veda, ktorá študuje fungovanie živých bytostí a ekológia, sa zaoberá vzťahmi medzi živými bytosťami a ich prostredím.

V tomto zmysle ekofyziológia študuje dynamický vzťah medzi meniacim sa prostredím a prispôsobením metabolizmu rastlín alebo zvierat týmto zmenám.

- Ekologické experimenty

Ekofyziológia na dosiahnutie svojho cieľa uplatňuje deskriptívny výskum aj experimentálnu metódu. Na tento účel identifikuje fyzikálno-chemické faktory, ktoré pôsobia v životnom prostredí, a určuje ich vplyv na organizmus.

Týmito faktormi môžu byť zdroje, ktoré organizmus používa na prežitie alebo podmienky, ktoré ovplyvňujú jeho fungovanie. Následne sa stanoví fyziologická reakcia živého organizmu na zmeny uvedeného faktora.

Zahrnuté metabolické systémy

Je potrebné identifikovať organické a funkčné systémy, ktoré sa podieľajú na adaptívnej reakcii organizmu na zmenu určitého faktora. Napríklad, keď dôjde k zmenám teploty, dochádza k reakcii termoregulačného systému jednotlivca.

Experimentálny dizajn

Ekofyziológia používa návrh experimentov na zistenie fyziologickej odpovede organizmu na zmeny vo faktore. Príkladom toho môže byť vystavenie jednotlivcov rastlinných druhov rôznym koncentráciám solí v substráte.

- Druhy environmentálnych zmien

Po určení faktorov, ktoré sa majú študovať, je potrebné identifikovať zmeny, ktoré sa vyskytujú v životnom prostredí a ich časová povaha, a vymedziť tri typy:

Cyklické zmeny

Tieto zmeny sa pravidelne opakujú, napríklad striedanie klimatických období alebo deň a noc. Vzhľadom na tieto skutočnosti si živá bytosť vyvinula cyklické fungovanie v súlade s rytmom zmeny životného prostredia.

Denný a nočný cyklus. Zdroj: Caliver

Napríklad pád listov v období sucha na zníženie potu kvôli nedostatku vody. V prípade zvierat existujú aj tieto cyklické zmeny; napríklad zmena peria určitých vtákov.

Ptákigan (Lagopus muta) tundry má sezónnu homochromiu a predstavuje biele zimné perie, zatiaľ čo na jar sa mení na tmavé a pestré tóny. Preto je ich kamufláž prispôsobená jednotnej bielej farbe snehu a potom tmavým odtieňom prostredia počas zvyšku roka.

Ďalšou adaptáciou zvierat na cyklické zmeny je hibernácia medveďov a iných druhov v zimnom období. Zahŕňa to zmeny metabolizmu, ktoré zahŕňajú zníženie telesných funkcií, ako je teplota a srdcová frekvencia.

Náhodné zmeny

Tieto typy zmien sa vyskytujú náhodne, bez stanovenej pravidelnosti. Napríklad zosuv pôdy na horskom svahu, únik ropy alebo príchod nového predátora alebo patogénu.

Tieto zmeny predstavujú väčšie riziko pre daný druh, pretože sa vyskytujú drasticky, v týchto prípadoch závisí odpoveď organizmov od plasticity už existujúcich funkcií.

Smerové zmeny

Sú to zmeny v prostredí, ktoré ľudia úmyselne spôsobujú na určité účely. Ide napríklad o odlesnenie lesa na založenie pastviny alebo zásah mokradí na pestovanie ryže.

- Všeobecné postuláty

Ekofyziológia sa od akumulácie experimentálnych a observačných dôkazov v prírodnom prostredí snaží definovať všeobecné postuláty. Toto sú všeobecné princípy, ktoré vyplývajú z pravidelnosti určitých fyziologických reakcií na zmeny životného prostredia.

Liebigov zákon minima

Sprengel (1828) predpokladal, že určujúcim faktorom rastu organizmu je jeden z najneobvyklejších v prostredí. Neskôr tento princíp propagoval Liebig (1840) a je známy ako zákon minima alebo zákon Liebiga.

Bartholomew (1958) uplatnil tento princíp na distribúciu druhov, pričom zdôraznil, že je determinovaný najviac obmedzujúcim environmentálnym faktorom.

Shelfordov zákon tolerancie

V roku 1913 Victor Shelford uviedol, že určitý druh existuje v definovanom rozsahu variácií pre každý faktor prostredia a ich vzájomné pôsobenie. Toto je známe ako tolerančné limity, mimo ktorých druh neprežije.

Shelfordov zákon tolerancie. Zdroj: http://ecologiaambiental.wikispaces.com/

Táto zásada definuje, že v rozmedzí variácie určitého environmentálneho faktora existujú pre organizmus tri možné stavy. Tieto stavy sú optimálne, fyziologický stres a intolerancia.

V tomto zmysle budú populácie druhov v optimálnom rozsahu faktora hojné. Keď sa vzdialime od optima, človek vstúpi do stresovej zóny, kde sa populácie znížia a mimo tolerančného limitu druh zmizne.

- Digitálne technológie a ekofyziológia

Ekofyziologické štúdie sa rovnako ako vo vede zvyšujú vývojom nových technológií. Táto disciplína bola vďaka svojej experimentálnej povahe podporovaná najmä vývojom digitálnych technológií.

V súčasnosti existuje množstvo prenosných elektronických zariadení, ktoré umožňujú meranie environmentálnych faktorov v teréne. Medzi ne patria okrem iného merače slnečného žiarenia, teplota, relatívna vlhkosť, plocha listov.

Príklady aplikácií u zvierat

- Vplyv teploty na produktivitu hospodárskych zvierat

Veľmi dôležitou oblasťou je ekofyziológia aplikovaná na živočíšnu výrobu, ktorá sa snaží porozumieť reakcii chovných zvierat na zmenu environmentálnych faktorov. Jedným z týchto faktorov je teplota, berúc do úvahy súčasný trend zvyšovania priemernej globálnej teploty.

homeothermy

Prevažná väčšina plemenných zvierat je homeotermická, to znamená, že si zachovávajú stabilnú vnútornú teplotu napriek zmenám prostredia. Dosahuje sa to investíciou chemickej energie na kompenzáciu zvýšenia alebo zníženia vonkajšej teploty.

Tento proces kompenzácie vonkajšej teploty sa dosahuje termoreguláciou, ktorá zahŕňa hypotalamus, dýchací systém a pokožku.

Nosnice

Zistilo sa, že denný čas kŕmenia nosníc je dôležitý pre jeho produktivitu. V tomto prípade to súvisí s asimilačnou kapacitou potravín v závislosti od tepelného stresu.

Nosnice. Zdroj: Peloy (Allan HM)

Ak sa krmivo dodáva v najteplejších hodinách dňa, sliepka ho menej asimiluje a jeho produkcia klesá. V dôsledku toho zvýšenie teploty prostredia znamená zníženie produktivity sliepok vo voľnom výbehu.

dobytok

Zvýšenie teploty núti zvieratá aktivovať fyziologické mechanizmy termoregulácie. Ide o investíciu energie, ktorá sa odpočíta od prírastku hmotnosti alebo výroby mlieka.

Na druhej strane, keď sa teplota zvyšuje, zvieratá menia svoje priority kŕmenia. V týchto prípadoch sa zvyšuje príjem vody a klesá spotreba sušiny s následnou stratou hmotnosti.

- Znečistenie a žaby

Ekofyziologické štúdie umožňujú prepojiť fyziológiu živočíšnych druhov s prostredím a zistiť možné negatívne účinky znečistenia. Príkladom je súčasný stav ohrozenia, ktorým sú žaby a ropuchy vystavené.

Žaba (Atelopus zeteki) citlivá na znečistenie. Zdroj: Brian Gratwicke

Asi polovici zo 6 500 známych druhov obojživelníkov hrozí vyhynutie. Tieto zvieratá sú veľmi citlivé na zmeny teploty, vlhkosti alebo kontaminantov prostredia.

Dýchanie a obeh obojživelníkov

Fyziológia dýchania obojživelníkov je veľmi zvláštna, pretože dýchajú pľúcami aj kožou. Keď sú mimo vody, používajú svoje pľúca a vo vode dýchajú kožou, ktorá je priepustná pre O2, CO2 a vodu.

náraz

Forma dýchania spôsobuje, že tieto zvieratá sú citlivé na absorpciu znečisťujúcich látok zo vzduchu i vody. Na druhej strane, kvôli nízkej koncentrácii kyslíka vo vode, oslabujú, pretože ho neabsorbujú správne.

Za týchto podmienok môžu zomrieť alebo oslabiť a sú náchylné na napadnutie patogénnymi hubami a baktériami. Jednou z najväčších hrozieb je patogénna huba Batrachochytrium dendrobatidis, ktorá potláča tok elektrolytov v pokožke.

Príklady aplikácií v rastlinách

- Ekofyziológia rastlín

Globálne otepľovanie bude mať za následok produkciu určitých plodín v niektorých oblastiach kvôli zákonu tolerancie. To znamená, že faktory, ako je dostupnosť vody, idú mimo rozsah tolerancie daného druhu.

Xerophytes. Zdroj: Tomas Castelazo

Druhy vyprahnutých zón však vyvinuli stratégie na prispôsobenie sa nedostatku vody. V tomto zmysle poskytuje výskum v ekofyziológii rastlín v suchých zónach možné spôsoby genetického zlepšenia rastlín.

osmolyty

Jednou z týchto stratégií je modifikácia génovej expresie za vzniku proteínov, ktoré pomáhajú tolerovať nedostatok vody. Medzi tieto proteíny patria osmolyty, ktoré pomáhajú bunkám udržiavať si ich turgor aj pri malom množstve vody.

Znalosť týchto proteínov a ich metabolizmu sa môže pomocou genetického inžinierstva využiť na zlepšenie úrody.

- Ekofyziológia halofilných rastlín

Jedným z problémov, ktorým poľnohospodárstvo čelí, je slanosť pôd v dôsledku koncentrácie solí pridávaných do zavlažovacích vôd. Čím viac pôd je zasolených, tým menej pôdy je k dispozícii na výrobu potravín.

Halofilné rastliny

Existujú však druhy rastlín prispôsobené na prežitie v podmienkach vysokej koncentrácie solí v pôde. Ide o tzv. Halofytické rastliny (Halos = soľ; fyto = rastlina).

Tieto druhy vyvinuli sériu morfologických a fyziologických prispôsobení ako mechanizmov na zabránenie absorpcie soli, jej znehybnenie alebo vylúčenie.

Halofytické rastliny ako potrava

Znalosť ekofyziológie týchto rastlín slúži ako základ pre rozvoj poľnohospodárskych systémov a ich využitie ako zdrojov potravy. Týmto spôsobom sa halofytické druhy pestované na slaných poľnohospodárskych pôdach môžu používať ako krmivo pre hospodárske zvieratá.

Referencie

1. Ariasa, RA, Maderb, TL a Escobara, PC (2008). Klimatické faktory, ktoré ovplyvňujú výrobnú výkonnosť hovädzieho dobytka a mlieka. Arch. Med. Vet.
2. Blaustein, AR, Wake, DB a Sousa, WP (1994). Obojživelnosť klesá: posudzovanie stability, pretrvávania a náchylnosti obyvateľstva k miestnym a globálnym vyhynutiam. Biologia ochrany.
3. Calow, P. (Ed.) (1998). Encyklopédia ekológie a environmentálneho manažmentu.
4. Hawkesford, MJ a De Kok, LJ (2007). Ekofyziológia rastlín (zväzok 6). Síra v rastlinách. Ekologická perspektíva.
5. Lüttge, U. a Scarano, FR (2004). Ekofyziologie. Brazílsky časopis. Bot.
6. Pereyra-Cardozo, M. a Quiriban, A. (2014). Bielkoviny odolné voči vodnému stresu v rastlinách. SEMIÁRIDA, Vestník Agronomickej fakulty UNLPam.
7. Purves, WK, Sadava, D., Orians, GH a Heller, HC (2001). Life. Veda o biológii.
8. Raven, P., Evert, RF a Eichhorn, SE (1999). Biológia rastlín.