Biology for Majors II (Čeština)

Rozlišujte mezi abiotickými a biotickými složkami prostředí

Mnoho sil ovlivňuje společenství živých organismů přítomných v různých částech biosféry ( všechny části Země obývané životem). Biosféra zasahuje do atmosféry (několik kilometrů nad Zemí) a do hlubin oceánů. Přes svou zjevnou rozlehlost pro jednotlivého člověka zaujímá biosféra ve srovnání se známým vesmírem jen minutový prostor. Mnoho abiotických sil ovlivňuje, kde může existovat život, a typy organismů nacházejících se v různých částech biosféry. Abiotické faktory ovlivňují distribuci podnebí, flóry a fauny.

Biogeografie

Biogeografie je studium geografického rozložení živých věcí a abiotických faktorů, které ovlivňují jejich rozložení. Abiotické faktory, jako je teplota a srážky, se liší hlavně podle zeměpisné šířky a nadmořské výšky. Jak se tyto abiotické faktory mění, mění se také složení rostlinných a živočišných společenstev. Pokud byste například měli zahájit cestu na rovníku a vydat se na sever, všimli byste si postupných změn v rostlinných společenstvích. Na začátku vaší cesty byste viděli tropické mokré lesy s listnatými vždyzelenými stromy, které jsou charakteristické pro rostlinná společenstva poblíž rovníku. Jak jste pokračovali v cestě na sever, viděli byste, že tyto listnaté vždyzelené rostliny nakonec způsobí sezónně suché lesy s rozptýlenými stromy. Také byste si začali všímat změn teploty a vlhkosti. Při teplotě asi 30 stupňů na sever by tyto lesy ustoupily pouštím, které se vyznačují nízkými srážkami.

Když se budete pohybovat dále na sever, uvidíte, že pouště jsou nahrazeny pastvinami nebo prériemi. Nakonec jsou pastviny nahrazeny listnatými mírnými lesy. Tyto listnaté lesy ustupují boreálním lesům nacházejícím se v subarktické oblasti, jižně od polárního kruhu. Nakonec byste se dostali k arktické tundře, která se nachází v nejsevernějších zeměpisných šířkách. Tento trek na sever odhaluje postupné změny jak v podnebí, tak v typech organismů, které se přizpůsobily faktorům prostředí spojeným s ekosystémy nalezenými v různých zeměpisných šířkách. Různé ekosystémy však existují ve stejné zeměpisné šířce, částečně kvůli abiotickým faktorům, jako jsou tryskové proudy, Golfský proud a mořské proudy. Pokud byste se měli vydat na horu, změny, které byste ve vegetaci viděli, by byly paralelní s těmi, které procházíte do vyšších zeměpisných šířek.

Distribuce druhů

Ekologové, kteří studují biogeografii, zkoumají vzorce druhová distribuce. Žádný druh neexistuje všude; například mucholapka Venuše je endemická pro malou oblast v Severní a Jižní Karolíně. Endemický druh je druh, který se přirozeně vyskytuje pouze v určité zeměpisné oblasti, která má obvykle omezenou velikost. Jiné druhy jsou obecní: druhy, které žijí v nejrůznějších zeměpisných oblastech; například mýval je původem z většiny Severní a Střední Ameriky.

Vzory distribuce druhů jsou založeny na biotických a abiotických faktorech a jejich vlivech během velmi dlouhých časových období potřebných pro vývoj druhů; raná studia biogeografie proto úzce souvisela se vznikem evolučního myšlení v osmnáctém století. Některá nejvýraznější seskupení rostlin a živočichů se vyskytují v oblastech, které byly po miliony let fyzicky odděleny geografickými překážkami. Biologové odhadují, že například Austrálie má 600 000 až 700 000 druhů rostlin a živočichů. Přibližně 3/4 živých druhů rostlin a savců jsou endemické druhy vyskytující se pouze v Austrálii (obrázek 1).

Obrázek 1. Austrálie je domovem mnoha endemických druhů. (A) klokan wallaby (Wallabia bicolor), středně velký člen rodiny klokanů, je pouštní savec nebo vačnatec. (B) Echidna (Tachyglossus aculeatus) je savec kladení vajec. (zápočet a: modifikace díla Derricka Coetzeeho; zápočet b: modifikace díla Allana Whittomeho)

Někdy ekologové objevují jedinečné vzorce distribuce druhů určováním toho, kde se druhy nenacházejí. Například Havaj nemá žádný původní suchozemský druh plazů nebo obojživelníků a má pouze jednoho původního suchozemského savce, špinavého netopýra. Ve většině případů na Nové Guineji chybí placentární savci.

Rostliny mohou být endemické nebo všeobecné: endemické rostliny se vyskytují pouze v určitých oblastech Země, zatímco obecné se vyskytují v mnoha oblastech. Izolované masy země – jako Austrálie, Havaj a Madagaskar – často mají velké množství endemických druhů rostlin. Některé z těchto rostlin jsou v důsledku lidské činnosti ohroženy. Například lesní gardénie (Gardenia brighamii) je na Havaji endemická; předpokládá se, že existuje pouze 15–20 stromů.

Zdroje energie

Obrázek 2. Jarní krása je pomíjivá jarní rostlina, která kvete brzy na jaře, aby se vyhnula konkurenci větších lesních stromů o sluneční světlo. (kredit: John Beetham)

Energii ze slunce zachycují zelené rostliny, řasy, sinice a fotosyntetizující proteiny. Tyto organismy přeměňují sluneční energii na chemickou energii potřebnou pro všechny živé bytosti. Dostupnost světla může být důležitou silou přímo ovlivňující vývoj adaptací ve fotosyntetizátorech. Například rostliny v podrostu mírného lesa jsou zastíněny, když stromy nad nimi v korunách stromů na konci jara úplně odejdou. Není divu, že rostliny podrostu mají úpravy, aby úspěšně zachytily dostupné světlo. Jednou z takových úprav je rychlý růst jarních pomíjivých rostlin, jako je jarní krása (obrázek 2). Tyto jarní květiny dosáhnou velké části svého růstu a dokončí svůj životní cyklus (rozmnožují se) brzy v sezóně, než stromy v korunách stromů vytvoří listy.

Ve vodních ekosystémech může být dostupnost světla omezena, protože sluneční světlo je absorbován vodou, rostlinami, suspendovanými částicemi a rezidentními mikroorganismy. Směrem ke dnu jezera, rybníka nebo oceánu je zóna, kam světlo nedosáhne. Fotosyntéza tam nemůže probíhat a v důsledku toho se vyvinula řada adaptací, které umožňují živým věcem přežít bez světla. Například vodní rostliny mají fotosyntetickou tkáň blízko povrchu vody; pomyslete například na široké plovoucí listy leknínu – lekníny nemohou bez světla přežít. V prostředích, jako jsou hydrotermální průduchy, extrahují některé bakterie energii z anorganických chemikálií, protože neexistuje světlo pro fotosyntézu.

Obrázek 3. Upwelling oceánu je důležitý proces, který recykluje živiny a energii v oceánu. Jak vítr (zelené šipky) tlačí na pobřeží, způsobuje to, že se voda ze dna oceánu (červené šipky) pohybuje na povrch a přináší živiny z hlubin oceánu.

Dostupnost živin v vodní systémy jsou také důležitým aspektem energie nebo fotosyntézy. Mnoho organismů klesne na dno oceánu, když zemřou na otevřené vodě; když k tomu dojde, energie nacházející se v tomto živém organismu se na nějakou dobu oddělí, pokud nedojde k navýšení oceánu. Oceán upwelling je vzestup hlubokých oceánských vod, ke kterému dochází, když převládající větry vanou podél povrchových vod poblíž pobřeží (obrázek 3). Jak vítr tlačí oceánské vody od pobřeží, voda ze dna oceánu se pohybuje nahoru a nahrazuje tuto vodu. Výsledkem je, že živiny, které kdysi byly obsaženy v mrtvých organismech, jsou znovu použity jinými živými organismy.

Ve sladkovodních systémech dochází k recyklaci živin v reakci na změny teploty vzduchu. Živiny na dně jezer se recyklují dvakrát ročně: na jaře a na podzim obrat. Obrat na jaře a na podzim je sezónní proces, který recykluje živiny a kyslík ze spodní části sladkovodního ekosystému do horní části vodní plochy. Tyto obraty jsou způsobeny tvorbou termoklinů: vrstvy vody s teplotou, která se výrazně liší od teploty okolních vrstev. V zimním období je povrch jezer nalezený v mnoha severních oblastech zmrzlý. Voda pod ledem je však mírně teplejší a voda na dně jezera je ještě teplejší, a to při teplotě 4 ° C až 5 ° C (39,2 ° F až 41 ° F). Voda je nejhustší při 4 ° C; proto je nejhlubší voda také nejhustší. Nejhlubší voda je chudá na kyslík, protože rozklad organického materiálu na dně jezera spotřebovává dostupný kyslík, který nelze nahradit difúzí kyslíku do vody kvůli povrchové vrstvě ledu.

Obrázek 4. Jarní a podzimní obraty jsou důležité procesy ve sladkovodních jezerech, které působí na pohyb živin a kyslíku na dně hlubokých jezer na vrchol. Obrat nastává, protože voda má maximální hustotu při 4 ° C. Teplota povrchové vody se mění s postupem ročních období a hustší voda klesá.

Na jaře se zvyšuje teplota vzduchu a taje povrchový led. Když teplota povrchové vody začne dosahovat 4 ° C, voda bude těžší a klesne ke dnu. Voda na dně jezera je poté vytlačena těžší povrchovou vodou, a tak stoupá nahoru. Jak tato voda stoupá nahoru, jsou spolu s ní přiváděny sedimenty a živiny ze dna jezera. Během letních měsíců voda v jezeře stratifikuje nebo vytváří teplotní vrstvy s nejteplejší vodou na povrchu jezera.

Jak teploty vzduchu na podzim klesají, teplota vody v jezeře se ochladí na 4 ° C; proto to způsobuje pokles obratu, protože těžká studená voda klesá a vytlačuje vodu na dně. Voda bohatá na kyslík na povrchu jezera se poté pohybuje na dno jezera, zatímco živiny na dně jezera stoupají na hladinu. Během zimy využívají kyslík na dně jezera rozkladače a jiné organismy vyžadující kyslík, například ryby.

Teplota

Obrázek 5. Tento barevný horký pramen v Yellowstonském národním parku, který se nachází v povodí gejzíru Midway, je největším horkým pramenem ve Spojených státech a třetím největším na světě. Jeho bohatá barva je výsledkem teplomilných organismů žijících na okrajích horkého pramene.

Teplota ovlivňuje fyziologii živých věcí i hustotu a stav vody. Teplota má významný vliv na živé bytosti, protože jen málo živých bytostí může přežít při teplotách pod 0 ° C (32 ° F) v důsledku metabolických omezení. Je také vzácné, že živé bytosti přežijí při teplotách přesahujících 45 ° C (113 ° F); to je odraz evoluční reakce na typické teploty. Enzymy jsou nejúčinnější v úzkém a specifickém rozmezí teplot; enzymová degradace může nastat při vyšších teplotách. Organismy proto musí buď udržovat vnitřní teplotu, nebo musí obývat prostředí, které udrží tělo v teplotním rozmezí, které podporuje metabolismus. Některá zvířata se přizpůsobila tak, aby umožnila jejich tělům přežít výrazné teplotní výkyvy, jaké lze pozorovat při hibernaci nebo u plazů. Podobně jsou některé bakterie přizpůsobeny k přežití v extrémně vysokých teplotách, jako jsou gejzíry. Takové bakterie jsou příklady extremofilů: organismů, kterým se daří v extrémních podmínkách.

Teplota může omezit distribuci živých věcí. Zvířata, která čelí teplotním výkyvům, mohou za účelem přežití reagovat adaptací, jako je migrace. Migrace, pohyb z jednoho místa na druhé, je adaptací nalezenou u mnoha zvířat, včetně těch, která obývají sezónně chladné podnebí. Migrace řeší problémy související s teplotou, umístěním jídla a nalezením partnera. V migraci například rybák polární (Sterna paradisaea) každoročně uskuteční 40 000 km (24 000 mil) zpáteční let mezi krmivem na jižní polokouli a rozmnožováním v Severním ledovém oceánu. Motýli monarcha (Danaus plexippus) žijí v teplejších měsících na východě Spojených států a v zimním období migrují do Mexika a na jih Spojených států. Některé druhy savců také podnikají stěhovavé nájezdy. Sobi (Rangifer tarandus) cestují každý rok asi 5 000 km (3100 mil), aby našli jídlo. Obojživelníci a plazi jsou ve své distribuci omezenější, protože nemají migrační schopnost. Ne všechna zvířata, která mohou migrovat, tak činí: migrace s sebou nese riziko a stojí za vysoké náklady na energii.

Obrázek 6. Chipmunkové přezimují na zimu, ale každých pár dní vyjdou ze spánku, aby se najedli.

Některá zvířata přezimují nebo estivují, aby přežily nepřátelské teploty. Hibernace umožňuje zvířatům přežít chladné podmínky a estivace umožňuje zvířatům přežít nepřátelské podmínky horkého a suchého podnebí. Zvířata, která přezimují nebo estivují, se dostávají do stavu známého jako strnulost: stav, při kterém je jejich metabolická rychlost výrazně snížena. To umožňuje zvířeti počkat, až jeho prostředí lépe podpoří jeho přežití. Někteří obojživelníci, jako je žába (Rana sylvatica), mají ve svých buňkách nemrznoucí chemickou látku, která zachovává celistvost buněk a brání jejich prasknutí.

Abiotické faktory ovlivňující růst rostlin

Teplota a vlhkost jsou důležité vlivy na rostlinnou výrobu (primární produktivita) a množství organické hmoty dostupné jako jídlo (čistá primární produktivita).Čistá primární produktivita je odhadem veškeré organické hmoty dostupné jako potraviny; počítá se jako celkové množství uhlíku fixovaného za rok minus množství, které je oxidováno během buněčného dýchání. V suchozemských prostředích se čistá primární produktivita odhaduje měřením nadzemní biomasy na jednotku plochy, což je celková hmotnost živých rostlin, s výjimkou kořenů. To znamená, že do tohoto měření není zahrnuto velké procento rostlinné biomasy, která existuje pod zemí. Čistá primární produktivita je důležitou proměnnou při zvažování rozdílů v biomech. Velmi produktivní biomy mají vysokou úroveň nadzemní biomasy.

Roční produkce biomasy přímo souvisí s abiotickými složkami prostředí. Prostředí s největším množstvím biomasy mají podmínky, ve kterých jsou optimalizovány fotosyntéza, růst rostlin a výsledná čistá primární produktivita. Podnebí těchto oblastí je teplé a vlhké. Fotosyntéza může probíhat vysokou rychlostí, enzymy mohou pracovat nejúčinněji a průduchy mohou zůstat otevřené bez rizika nadměrné transpirace; společně tyto faktory vedou k tomu, že se do rostliny dostává maximální množství oxidu uhličitého (CO2), což vede k vysoké produkci biomasy. Nadzemní biomasa produkuje několik důležitých zdrojů pro jiné živé bytosti, včetně stanovišť a potravin. Naopak suché a chladné prostředí má nižší míru fotosyntézy, a proto méně biomasy. Živočišná společenství, která tam žijí, budou také ovlivněna poklesem dostupné potravy.

Anorganické živiny a půda

Anorganické živiny, jako je dusík a fosfor, jsou důležité při distribuci a hojnost živých věcí. Rostliny získávají tyto anorganické živiny z půdy, když se voda přesouvá do rostliny kořeny. Struktura půdy (velikost částic složek půdy), pH půdy a obsah živin v půdě proto hrají důležitou roli v distribuci rostlin. Zvířata získávají anorganické živiny z potravy, kterou konzumují. Distribuce zvířat proto souvisí s distribucí toho, co jedí. V některých případech budou zvířata sledovat svůj potravní zdroj, jak se pohybuje prostředím.

Voda

Voda je potřebná pro všechny živé bytosti, protože je zásadní pro buněčné procesy. Vzhledem k tomu, že suchozemské organismy ztrácejí vodu do životního prostředí jednoduchou difúzí, vyvinuly se mnoho adaptací k zadržování vody.

• Zvířata budou pokryta mastnou nebo voskovou kůží nebo kutikulou, aby si udržely vlhkost. >
• Rostliny mají na listech řadu zajímavých prvků, jako jsou listové chloupky a voskovitá kutikula, které slouží ke snížení rychlosti ztráty vody transpirací.

Organismy obklopené voda není imunní vůči nerovnováze vody; i oni mají jedinečné úpravy pro správu vody uvnitř a ven z buněk.

• Sladkovodní organismy jsou obklopeny vodou a neustále jim hrozí, že do jejich buněk vnikne voda kvůli osmóze. Mnoho adaptací organismů žijících ve sladkovodním prostředí se vyvinulo, aby se zajistilo, že koncentrace rozpuštěných látek v jejich tělech zůstanou na odpovídající úrovni. Jednou z takových úprav je vylučování zředěné moči; zředěná moč má nízkou koncentraci rozpuštěných látek a je to většinou voda, což jim umožňuje vypouštět přebytečnou vodu.
• Mořské organismy jsou obklopeny vodou s vyšší koncentrací rozpuštěných látek než organismus, a proto jim hrozí ztráta vody do životního prostředí v důsledku osmózy. Tyto organismy mají morfologické a fyziologické adaptace na zadržování vody a uvolňování rozpuštěných látek do životního prostředí. Například mořští leguáni (Amblyrhynchus cristatus) kýchají z vodní páry s vysokým obsahem soli, aby udrželi koncentrace rozpuštěných látek v přijatelném rozmezí při plavání v oceánu a konzumaci mořských rostlin.

Další vodní faktory

Některé abiotické faktory, jako je kyslík, jsou důležité ve vodních ekosystémech i v suchozemském prostředí. Suchozemská zvířata získávají kyslík ze vzduchu, který dýchají. Dostupnost kyslíku může být problémem pro organismy žijící ve velmi vysokých nadmořských výškách, kde je ve vzduchu méně molekul kyslíku. Ve vodních systémech souvisí koncentrace rozpuštěného kyslíku s teplotou vody a rychlostí, jakou se voda pohybuje. Studená voda má více rozpuštěného kyslíku než teplejší voda. Slanost, proud a příliv mohou být navíc důležitými abiotickými faktory ve vodních ekosystémech.

Další suchozemské faktory

Obrázek 7. Zralé kužely borovice jackové se otevírají pouze při vystavení vysokým teplotám, například při lesním požáru. (kredit: USDA)

Vítr může být důležitým abiotickým faktorem, protože ovlivňuje rychlost odpařování a transpirace.Fyzická síla větru je také důležitá, protože může pohybovat půdou, vodou nebo jinými abiotickými faktory, stejně jako organismy ekosystému.

Oheň je dalším pozemským faktorem, který může být důležitým činitelem rušení v pozemských ekosystémy. Některé organismy jsou přizpůsobeny ke střelbě, a proto k dokončení části svého životního cyklu vyžadují vysoké teplo spojené s ohněm. Například borovice jacková (Pinus banksiana) – jehličnatý strom – vyžaduje, aby se její semenné šišky otevřely z ohně. Oheň pravděpodobně zabije většinu vegetace, takže sazenice, která vyklíčí po požáru, pravděpodobně dostává dostatek slunečního světla než ta, která vyklíčí za normálních podmínek. Díky spalování jehličí přidává oheň do půdy dusík a omezuje konkurenci ničením podrostu.

Zkontrolujte své porozumění

Odpovězte na níže uvedené otázky a zjistěte, jak dobře rozumíte témata, na která se vztahuje předchozí část. Tento krátký kvíz se nezapočítává do hodnocení ve třídě a můžete jej neomezeně opakovaně opakovat.

Pomocí tohoto kvízu můžete ověřit své porozumění a rozhodnout, zda (1) prostudovat předchozí část nebo (2) přejděte do další části.