EKOFIZJOLOGIA: CO BADA I STOSUJE U ZWIERZĄT I ROŚLIN - BIOLOGIA - 2025

Ecofisiología jest oddział ekologii, która bada odpowiedzi funkcjonalnej organizmów na dostosowanie się do zmian środowiskowych. Każda żywa istota musi dostosować się do swojego środowiska, aby przetrwać, a adaptacja ta jest zarówno strukturalna, jak i funkcjonalna.

Ta dyscyplina znana jest również jako ekologia fizjologiczna lub fizjologia środowiska i generuje zarówno wiedzę podstawową, jak i stosowaną. W ten sposób można poznać związek między fizjologią organizmu a zmianami środowiskowymi.

Eksperymenty ekofizjologiczne. Źródło: Rasbak

Podobnie ekofizjologia dostarcza informacji z zakresu produkcji roślinnej i zwierzęcej do wytwarzania żywności. Na przykład badania ekofizjologii roślin odpornych na ekstremalne warunki środowiskowe były przydatne w doskonaleniu genetycznym.

Podobnie badania ekofizjologiczne pozwalają ustalić, które warunki środowiskowe są najbardziej odpowiednie do osiągnięcia większej produktywności zwierząt. W ten sposób można ustalić zakresy zmienności czynników środowiskowych, aby zapewnić komfort zwierzętom w jednostkach produkcyjnych.

Co bada ekofizjologia?

Ekofizjologia to dyscyplina, w której zbiegają się fizjologia i ekologia. Fizjologia nauka zajmująca się funkcjonowaniem istot żywych i ekologią zajmuje się związkami między istotami żywymi a ich środowiskiem.

W tym sensie ekofizjologia bada dynamiczną zależność między zmieniającym się środowiskiem a adaptacjami metabolizmu roślin lub zwierząt do tych zmian.

- Eksperymenty ekologiczne

Aby osiągnąć swój cel, ekofizjologia stosuje zarówno badania opisowe, jak i metodę eksperymentalną. W tym celu identyfikuje czynniki fizyczno-chemiczne, które działają w środowisku i określa ich wpływ na organizm.

Czynnikami tymi mogą być zasoby, które organizm wykorzystuje do swojego przetrwania lub warunki, które wpływają na jego funkcjonowanie. Następnie ustala się fizjologiczną odpowiedź żywego organizmu na zmiany tego czynnika.

Zaangażowane układy metaboliczne

Konieczne jest zidentyfikowanie systemów organicznych i funkcjonalnych zaangażowanych w adaptacyjną odpowiedź organizmu na zmianę określonego czynnika. Na przykład, kiedy zachodzą zmiany temperatury, jest odpowiedź ze strony systemu termoregulacji danej osoby.

Eksperymentalny projekt

Ekofizjologia wykorzystuje projekt eksperymentów do ustalenia fizjologicznej odpowiedzi organizmu na zmiany czynnika. Przykładem może być poddawanie osobników gatunku roślin działaniu różnych stężeń soli w podłożu.

- Rodzaje zmian środowiskowych

Po określeniu badanych czynników należy zidentyfikować zmiany zachodzące w środowisku i ich czasowy charakter, definiując trzy typy:

Cykliczne zmiany

Zmiany te powtarzają się okresowo, takie jak zmiana pór roku lub dnia i nocy. W obliczu nich żywa istota rozwijała się cyklicznie, zgodnie z rytmem zmian środowiskowych.

Cykl dnia i nocy. Źródło: Caliver

Na przykład opadanie liści w porze suchej, aby zmniejszyć pocenie się z powodu braku wody. W przypadku zwierząt istnieją również dostosowania do tych cyklicznych zmian; na przykład zmiana upierzenia niektórych ptaków.

Pardwa (Lagopus muta) z tundry ma sezonową homochromię i prezentuje białe zimowe upierzenie, podczas gdy wiosną zmienia się w ciemne i zróżnicowane odcienie. W ten sposób ich kamuflaż jest dostosowany do jednolitej bieli śniegu, a następnie do ciemnych odcieni otoczenia w pozostałej części roku.

Kolejnym przystosowaniem się zwierząt do cyklicznych zmian jest hibernacja niedźwiedzi i innych gatunków w okresie zimowym. Obejmuje to zmiany w tempie metabolizmu, które obejmują zmniejszenie funkcji organizmu, takich jak temperatura i tętno.

Losowe zmiany

Tego typu zmiany zachodzą losowo, bez ustalonej regularności. Na przykład osunięcie się zbocza góry, wyciek ropy lub pojawienie się nowego drapieżnika lub patogenu.

Tego typu zmiany stwarzają większe zagrożenie dla gatunku, ponieważ występują drastycznie, w tych przypadkach odpowiedź organizmów zależy od plastyczności w już istniejących funkcjach.

Zmiany kierunkowe

Są to zmiany w środowisku celowo spowodowane przez człowieka w określonych celach. Przykładem tego jest wylesianie lasu w celu założenia pastwiska lub interwencja na terenach podmokłych w celu uprawy ryżu.

- Postulaty ogólne

Wychodząc od gromadzenia dowodów doświadczalnych i obserwacyjnych w środowisku przyrodniczym, ekofizjologia próbuje zdefiniować ogólne postulaty. Są to ogólne zasady, które wyłaniają się z regularności pewnych fizjologicznych odpowiedzi na zmiany środowiskowe.

Prawo minimum Liebiga

Sprengel (1828) postulował, że czynnik determinujący wzrost organizmu jest jednym z najbardziej rzadkich w środowisku. Później zasada ta została spopularyzowana przez Liebiga (1840) i jest znana jako prawo minimum lub prawo Liebiga.

Bartholomew (1958) zastosował tę zasadę do rozmieszczenia gatunków, wskazując, że determinuje go najbardziej ograniczający czynnik środowiskowy.

Prawo tolerancji Shelforda

W 1913 roku Victor Shelford stwierdził, że określony gatunek istnieje w określonym zakresie zmienności dla każdego czynnika środowiskowego i ich interakcji. Nazywa się to granicami tolerancji, poza którymi gatunek nie przeżywa.

Prawo tolerancji Shelforda. Źródło: http://ecologiaambiental.wikispaces.com/

Zasada ta określa, że ​​w amplitudzie zmienności pewnego czynnika środowiskowego istnieją trzy możliwe stany organizmu. Te stany są optymalne, fizjologiczny stres i nietolerancja.

W tym sensie w optymalnym zakresie współczynnika populacje gatunku będą obfite. Odchodząc od optimum, wkraczamy w strefę stresu, w której populacje maleją, a gatunek zanika poza granicami tolerancji.

- Technologia cyfrowa i ekofizjologia

Jak w każdej nauce, badania ekofizjologiczne zostały wzmocnione przez rozwój nowych technologii. Ze względu na eksperymentalny charakter dyscyplinie tej w szczególności sprzyja rozwój technologii cyfrowej.

Obecnie istnieje wiele przenośnych urządzeń elektronicznych, które umożliwiają pomiar czynników środowiskowych w terenie. Należą do nich między innymi mierniki promieniowania słonecznego, temperatura, wilgotność względna, powierzchnia liści.

Przykłady zastosowań u zwierząt

- Wpływ temperatury na produktywność zwierząt hodowlanych

Bardzo istotną dziedziną jest ekofizjologia stosowana w produkcji zwierzęcej, która stara się zrozumieć reakcję zwierząt hodowlanych na zmienność czynników środowiskowych. Jednym z tych czynników jest temperatura, biorąc pod uwagę aktualny trend wzrostu średniej temperatury na świecie.

Homeothermy

Zdecydowana większość zwierząt hodowlanych ma charakter homeotermiczny, to znaczy utrzymuje stałą temperaturę wewnętrzną pomimo zmian środowiskowych. Osiąga się to poprzez inwestowanie energii chemicznej w celu skompensowania wzrostu lub spadku temperatury zewnętrznej.

Ten proces kompensacji temperatury zewnętrznej uzyskuje się poprzez termoregulację, która obejmuje podwzgórze, układ oddechowy i skórę.

Nioski

Stwierdzono, że pora dnia karmienia kur niosek jest ważna dla jej produktywności. W tym przypadku ma to związek ze zdolnością asymilacji pożywienia w funkcji stresu cieplnego.

Nioski. Źródło: Peloy (Allan HM)

Jeśli paszę podaje się w najgorętszych godzinach dnia, kura gorzej przyswaja, a jej produkcja spada. W konsekwencji wzrost temperatury otoczenia implikuje spadek produktywności kur z wolnego wybiegu.

Bydło

Wzrost temperatury zmusza zwierzęta do aktywacji fizjologicznych mechanizmów termoregulacji. Obejmuje to inwestycję energii, która jest odejmowana od przyrostu masy ciała lub produkcji mleka.

Z drugiej strony wraz ze wzrostem temperatury zwierzęta zmieniają swoje priorytety żywieniowe. W takich przypadkach zwiększa się pobór wody, a zmniejsza się zużycie suchej masy, co w konsekwencji prowadzi do utraty wagi.

- Zanieczyszczenia i żaby

Badania ekofizjologiczne pozwalają powiązać fizjologię gatunków zwierząt z ich środowiskiem i ustalić możliwe negatywne skutki zanieczyszczenia. Przykładem tego jest obecny stan zagrożenia, na jakie narażone są żaby i ropuchy.

Żaba (Atelopus zeteki) wrażliwa na zanieczyszczenia. Źródło: Brian Gratwicke

Około połowie z 6500 znanych gatunków płazów grozi wyginięcie. Zwierzęta te są bardzo wrażliwe na zmiany temperatury, wilgotności czy zanieczyszczenia środowiska.

Oddychanie i krążenie płazów

Fizjologia oddychania płazów jest bardzo osobliwa, ponieważ oddychają one zarówno przez płuca, jak i przez skórę. Kiedy są poza wodą, wykorzystują płuca, aw wodzie oddychają przez skórę, która jest przepuszczalna dla O2, CO2 i wody.

Wpływ

Forma oddychania sprawia, że ​​zwierzęta te są podatne na wchłanianie zanieczyszczeń zarówno z powietrza, jak i wody. Z drugiej strony ze względu na niskie stężenie tlenu w wodzie osłabiają się, ponieważ nie wchłaniają go prawidłowo.

W takich warunkach mogą umrzeć lub osłabić się i być podatne na atak chorobotwórczych grzybów i bakterii. Jednym z największych zagrożeń jest chorobotwórczy grzyb Batrachochytrium dendrobatidis, który hamuje przepływ elektrolitów w skórze.

Przykłady zastosowań w roślinach

- Ekofizjologia roślin

Globalne ocieplenie spowoduje produkcję niektórych upraw na niektórych obszarach ze względu na prawo tolerancji. Oznacza to, że czynniki takie jak dostępność wody wykraczają poza zakres tolerancji gatunku.

Kserofity. Źródło: Tomas Castelazo

Jednak gatunki z suchej strefy opracowały strategie przystosowania się do deficytu wody. W tym sensie badania w zakresie ekofizjologii roślin strefy suchej dostarczają możliwych dróg do poprawy genetycznej roślin.

Osmolity

Jedną z tych strategii jest modyfikacja ekspresji genów w celu produkcji białek, które pomagają tolerować niedobór wody. Wśród tych białek są osmolity, które pomagają komórkom utrzymać ich turgor nawet przy niewielkiej ilości wody.

Znajomość tych białek i ich metabolizmu może zostać wykorzystana w inżynierii genetycznej do ulepszenia upraw.

- Ekofizjologia roślin halofilnych

Jednym z problemów rolnictwa jest zasolenie gleb spowodowane stężeniem soli dodawanych przez wody nawadniające. Im więcej gleb ulega zasoleniu, tym mniej gruntów uprawnych jest dostępnych do produkcji żywności.

Rośliny halofilne

Istnieją jednak gatunki roślin przystosowane do przetrwania w warunkach dużego stężenia soli w glebie. Są to tak zwane rośliny halofityczne (halos = sól; fito = roślina).

Gatunki te rozwinęły szereg adaptacji morfologicznych i fizjologicznych jako mechanizmy unikania wchłaniania soli, jej unieruchamiania lub wydalania.

Rośliny halofityczne jako pokarm

Znajomość ekofizjologii tych roślin jest podstawą do rozwoju systemów rolniczych i wykorzystania ich jako źródła pożywienia. W ten sposób gatunki halofityczne uprawiane na zasolonych glebach rolniczych mogą być wykorzystywane jako pasza dla zwierząt gospodarskich.

Bibliografia

1. Ariasa, RA, Maderb, TL i Escobara, PC (2008). Czynniki klimatyczne wpływające na wydajność produkcyjną bydła mięsnego i mlecznego. Arch. Med. Vet.
2. Blaustein, AR, Wake, DB i Sousa, WP (1994). Spadki płazów: ocena stabilności, trwałości i podatności populacji na wymieranie lokalne i globalne. Biologia konserwatorska.
3. Calow, P. (red.) (1998). Encyklopedia ekologii i zarządzania środowiskowego.
4. Hawkesford, MJ i De Kok, LJ (2007). Ekofizjologia roślin (tom 6). Siarka w roślinach. Perspektywa ekologiczna.
5. Lüttge, U. i Scarano, FR (2004). Ekofizjologia. Magazyn Brazylia. Nerw.
6. Pereyra-Cardozo, M. i Quiriban, A. (2014). Białka tolerujące stres wodny u roślin. SEMIÁRIDA, Journal of the Faculty of Agronomy UNLPam.
7. Purves, WK, Sadava, D., Orians, GH and Heller, HC (2001). Życie. Nauka o biologii.
8. Raven, P., Evert, RF i Eichhorn, SE (1999). Biologia roślin.