The course AE I intends to give an insight into ecosystem ecology, with focus on general ecosystem concepts and
global patterns. We intentionally avoid biome classifying approach to keep coherent picture of Earth climate,
energetics, water and nutrient (re)cycling through the biosphere, with a hindsight to Earth history. We like to
present an overview of biological solutions to cope with environmental conditions and to exploit the resources
needed for life. Indeed we do distinguish terrestrial and aquatic realms as they “work” in very different physical
conditions setting specific constraints for each. We deal neither with topics regarding population and community
ecology (up to macroecological scales) nor biodiversity patterns - those are presented in Advanced Ecology II
lecture.
Last update: Sacherová Veronika, RNDr., Ph.D. (31.05.2023)
Tato přednáška má za cíl poskytnout vhled do ekosystémové ekologie, s důrazem na obecné koncepty a globální
patrnosti. Úmyslně se vyhýbáme tradičnímu klasifikačnímu biomovému pojetí, abychom ekosystémovou ekologii
představili koherentně, v celkovém obrazu zemského klimatu, energetiky a koloběhu živin v biosféře. Užitečný nám
přijde i pohled do minulosti, jak se tyto globální patrnosti během historie Země nastavovaly a měnily. Spolu s tím
se budeme snažit ukázat, jaká organismy řeší různé nároky/podmínky svého prostředí a jakým způsobem získávají
zdroje potřebné k životu. V tomto kontextu se nám jeví nevyhnuteIné rozdělit biosféru na dva fyzicky odlišné domény
- terestrické a vodní prostředí.
V této přednášce se nezabýváme aspekty populační ekologie, ekologie společenstev ani na makroekologické
škále, stejně jako opomíjíme globální patrnosti diverzity - to je obsahem druhé, navazující přednášky Advanced
Ecology II.
Last update: Sacherová Veronika, RNDr., Ph.D. (31.05.2023)
Literature -
Lenton T, Watson A (2011) Revolutions that made the Earth. Oxford Univ Press, 423 pp
Sterner R, Elser J (2002) Ecological Stoichiometry: The Biology of Elements from Molecules to the Biosphere. Princeton Univ Press, 439 pp.
Miller C, Wheeler P (2012) Biological Oceanography. Wiley. 464 pp
Bonan G (2016) Ecological Climatology, Concepts and Applications. Cambridge Univ Press, 692
Lampert W., Sommer U (2007) . Limnoecology - The Ecology of Lakes and Streams. Oxford Univ Press, 324
Agren G, Andresson A (2012) Terrestrial Ecosystem Ecology - Principles and Applications. Cambridge Univ Press, 330 pp.
and many books by Vaclav Smil
Last update: Sacherová Veronika, RNDr., Ph.D. (31.05.2023)
Lenton T, Watson A (2011) Revolutions that made the Earth. Oxford Univ Press, 423 pp
Sterner R, Elser J (2002) Ecological Stoichiometry: The Biology of Elements from Molecules to the Biosphere. Princeton Univ Press, 439 pp.
Miller C, Wheeler P (2012) Biological Oceanography. Wiley. 464 pp
Bonan G (2016) Ecological Climatology, Concepts and Applications. Cambridge Univ Press, 692
Lampert W., Sommer U (2007) . Limnoecology - The Ecology of Lakes and Streams. Oxford Univ Press, 324
Agren G, Andresson A (2012) Terrestrial Ecosystem Ecology - Principles and Applications. Cambridge Univ Press, 330 pp.
and many books by Vaclav Smil
Last update: Sacherová Veronika, RNDr., Ph.D. (31.05.2023)
Syllabus -
Ecosystem - concept, layers, holism x reductionism, complex adaptive system. Gaia. Ecosystem functions. Dynamics and stability of the ecosystem. Savanna question. Resistance, resilience and diversity, ecosystem services. Classification, examples?
Gross climatic picture - basic global patterns (climatic cells), seasonality, air/atmosphere properties, wind : surface sea currents, thermohaline conveyor belt. Earth climate history : biosphere/ecosystem shaping and consequences for present
This might (in terms of schedule) overflow to next week:
Global energetics of Earth - energy distribution, greenhouse effect, energy transfers (sea currents). A comparison with energy budget of humans. Hydrological cycle - global and local - concept of Biotic pump (Makarieva, Gorshkov)
Global biogeochemic cycles - carbon (sources and sinks, focus on CO2, sequestration,, CH4. Anthropogenic shares (this more elaborated in environmental issues). Nitrogen - fixation, denitrification, rocks as a source. Phosphorus - sources, mykorrhiza, transoceanic transport, deposits to sediments - incl phosphate trap. Sulphur (anoxygenic photosynthesis, sea aerosols, DMS). Silica - perhaps?Ecosystem role of microbes (bacteria, arechea, protists?) in carbon/nutrient cycling, stoichiometric constraits. This lecture should extend previous more general lecture - insight to particular/specific ecosystems (cryosphere, deep biosphere, thermal vents, live in anoxy … etc)
Ecosystem energetics - primary production, autotrophy, photosynthesis, chemolithotrophy. PP/biomass relations, global patterns of biomass/PP, their limits. Energetic efficiency of food webs. (measuring PP, perhaps). …
Aquatic realm I. - limits and advantages of aquatic environment(s) - intro to water as physical environment (pressure, temperature,viscosity, … mixing etc…) Role of Co2/C03- in aquatic ecosystems
Aquatic realm II - Morphological, physiological and behavioral (and other) adaptations to aquatic environment: Senses, movement, feeding, antipredatory adaptations etc...)
How the World really works - sensu Smil - current environmental issues (climatic change) plus biological invasions and other (even perhaps past) issues - acid rains, czech carp ponds tragedy… ?
Last update: Rubešová Jana, RNDr., Ph.D. (17.02.2026)
Ekosystém - koncept, vrstvy. Holismus a redukcionismus, komplexní adaptivní systém. Gaia. Ekosystémové funkce. Dynamika a stabilita ekosystému. A co na to savana? Odolnost, pružnost a diverzita. Ekosystémové služby. Klasifikace, příklady?
Celoplanetární fungování klimatu, klimatické buňky, sezonalita, vlastnosti vzduchu a atmosféry, vítr → povrchové mořské proudění, termohalinní cirkulace. Klimatická a biologická minulost Země → vliv na podobu současné biosféry a ekosystémů.
Globální energetika Země - distribuce energie, skleníkový efekt, přesuny energie po Zemi. Srovnání s energetikou lidské populace. Vodní cyklus Země, globální a lokální. Koncept biotické pumpy sensu Makarieva, Gorshkov.
Globální biogeochemické cykly - uhlík - zdroje a ukládání, CO2, sequestration, CH4. Vliv/podíl člověka (ale víc pak v posledních přednáškách). Dusík - fixace, denitrifikace, horniny jako zdroj N. Fosfor - zdroje, mykorhiza, transoceánský transport, depozice do sedimentů, včetně fosfátové pasti. Síra (anoxygenní fotosyntéza, mořské aerosoly,, DMS). Taky křemík? Ekosystémová role mikrobů (bakterie, Archea, prvoci?) v koloběhu živin. Stoichiometrické limity.
Tato lekce by měla detailněji rozvést předchozí obecnosti - s náhledem třeba do kryosféry, termálních vývěrů, anoxického prostředí či “hluboké” biosféry atd).
Energetika ekosystému - primární produkce, autotrofie, fotosyntéza, chemolithotrofie, poměr PP/biomasa včetně globálních patrností, jejich limity. Energetická účinnost v potravních řetězcích. Možná dojde i na metody měření PP.
Vodní prostředí I. - limity a výhody vodního prostředí - úvod do vody jako prostředí k životu (tlak, teplota, viskozita, míchání atd … Úloha CO2/C03- ve vodních ekosystémech.
Vodní prostředí II - morfologické, fyziologické a behaviorální adaptace na život ve vodě: smysly, pohyb, obstarávání si potravy, antipredační adaptace … atd).
Vodní prostředí III - Potravní řetězce ve vodě, primární a sekundární produkce, české kapříny, eutrofizace, acidifikace, sezónní změny.
Terestrické prostředí I - limity a výhody suchozemského života: jak si opatřit a hospodařit s vodou, evapotranspirace. Gradienty - elevační, otázka treeline atp. Globální vzory PP a biomasy - jejich limity.
Terestrické prostředí II - biomechanika, smysly, termoregulace = (nejen) klasický pohled na jedince a jeho interakce s prostředím.
Terestrické prostředí III - ekologická sukcese, klimax, sezónní změny, disturbance (požáry, záplavy atd.).
Jak svět doopravdy funguje - přednáška v duchu a pojetí světa Václava Smila - současná klimatická změna a co s ní lidstvo může dělat. Plus další současné environmental issues - třeba biologické invaze a další.
Last update: Sacherová Veronika, RNDr., Ph.D. (31.05.2023)
Learning outcomes
Extended Annotation
Advanced Ecology I provides a rigorous, top-down exploration of the Earth as a singular, complex adaptive system, shifting the focus from individual species to the planetary machinery of energetics, climate, and biogeochemical cycling. By intentionally bypassing traditional biome classifications, the course offers a coherent synthesis of how the biosphere exploits resources and manages the flow of water and nutrients across both terrestrial and aquatic realms. Students will examine the "biological solutions" life has evolved to meet the distinct physical constraints of these environments—from the viscosity of the deep ocean to the evapotranspiration demands of the forest canopy. Integrating insights from Earth history with the pragmatic "real-world" analysis popularized by Václav Smil, the course equips students to understand the fundamental drivers of ecosystem stability and primary production. This serves as a vital foundation for tackling contemporary environmental crises, providing the systemic context necessary for the biodiversity-focused Advanced Ecology II.
Since this is an MSc-level course, the outcomes focus on synthesis, systemic thinking, and the ability to link physical constraints to biological "solutions."
KNOWLEDGE
Student after completing the course:
Deconstructs the ecosystem concept through the lenses of holism, reductionism, and complex adaptive systems, including an advanced understanding of the Gaia hypothesis.
Explains the Earth’s climate engine, including the interaction between atmospheric circulation cells, thermohaline circulation, and the historical drivers of climate change.
Describes the global stoichiometry and cycling of Carbon, Nitrogen, Phosphorus, and Sulphur, emphasizing the specific roles of microbes and the "phosphate trap."
Identifies the fundamental physical constraints (viscosity, density, thermal properties) that differentiate aquatic and terrestrial realms and dictate evolutionary pathways.
Analyses the energetics of the biosphere, comparing primary production, autotrophic pathways (photosynthesis vs. chemolithotrophy), and the efficiency of global food webs.
Summarizes current environmental "grand challenges" (climate change, invasions, eutrophication) using the pragmatic, data-driven framework of "how the world really works."
SKILLS
Student after completing the course:
Quantifies and compares energy budgets across different scales, from anthropogenic energy consumption to global primary productivity patterns.
Differentiates biological adaptations by linking specific morphological or physiological traits (e.g., biomechanics, senses) to the physical requirements of water versus air.
Models ecosystem dynamics using concepts of resistance, resilience, and successional change to predict responses to disturbances like fire or floods.
Evaluates the "Biotic Pump" theory and other non-traditional models of moisture and heat transport within the biosphere.
Synthesizes diverse scientific literature (from biological oceanography to terrestrial ecology) to create a coherent picture of global nutrient flux.
COMPETENCES
Student after completing the course:
Applies systemic thinking to ecological problems, recognizing that local environmental issues are often manifestations of disrupted global biogeochemical cycles.
Critically assesses environmental policy and narratives by applying stoichiometric and energetic constraints (the "Smil approach") to determine what is biophysically possible.
Communicates complex ecological interdependencies, such as the link between transoceanic dust transport and local ecosystem fertility, to professional audiences.
Integrates Earth history with modern ecology to provide hindsight and context for current anthropogenic shifts in climate and biodiversity.
Last update: Černý Martin, RNDr., Ph.D. (27.01.2026)
