Biology for Majors II (Dansk)

Skelne mellem abiotiske og biotiske komponenter i miljøet

Mange kræfter påvirker samfundene af levende organismer, der findes i forskellige dele af biosfæren ( alle dele af Jorden beboet af liv). Biosfæren strækker sig ud i atmosfæren (adskillige kilometer over jorden) og ud i dybden af havene. På trods af dets tilsyneladende store omfang for et individuelt menneske optager biosfæren kun et minuts plads sammenlignet med det kendte univers. Mange abiotiske kræfter påvirker, hvor liv kan eksistere, og hvilke typer organismer der findes i forskellige dele af biosfæren. De abiotiske faktorer påvirker fordelingen af klimaer, flora og fauna.

Biogeografi

Biogeografi er undersøgelsen af den geografiske fordeling af levende ting og de abiotiske faktorer, der påvirker deres fordeling. Abiotiske faktorer som temperatur og nedbør varierer hovedsageligt baseret på bredde og højde. Da disse abiotiske faktorer ændres, ændres sammensætningen af plante- og dyresamfund også. For eksempel, hvis du skulle starte en rejse ved ækvator og gå nordpå, ville du bemærke gradvise ændringer i plantesamfund. I begyndelsen af din rejse ville du se tropiske våde skove med bredbladede stedsegrønne træer, som er karakteristiske for plantesamfund, der findes i nærheden af ækvator. Da du fortsatte med at rejse nordpå, ville du se, at disse bredbladede stedsegrønne planter i sidste ende giver anledning til sæsontørre skove med spredte træer. Du vil også begynde at lægge mærke til ændringer i temperatur og fugt. Omkring 30 grader nord ville disse skove vige for ørkener, der er kendetegnet ved lav nedbør.

Når vi bevæger os længere mod nord, vil du se, at ørkener erstattes af græsarealer eller prærier. Til sidst erstattes græsarealer med løvfældende tempererede skove. Disse løvskove giver plads til de boreale skove, der findes i subarktis, området syd for polarcirklen. Endelig ville du nå den arktiske tundra, som findes på de nordligste breddegrader. Denne trek nordpå afslører gradvise ændringer i både klima og typer af organismer, der har tilpasset sig miljøfaktorer forbundet med økosystemer fundet på forskellige breddegrader. Imidlertid findes forskellige økosystemer på samme breddegrad til dels på grund af abiotiske faktorer som jetstrømme, Golfstrømmen og havstrømmene. Hvis du vandrede op ad et bjerg, ville de ændringer, du ville se i vegetationen, være parallelle med dem, når du bevæger dig til højere breddegrader.

Artdistribution

Økologer, der studerer biogeografi, undersøger mønstre af artsfordeling. Ingen arter findes overalt; for eksempel er Venus flytrap endemisk i et lille område i North og South Carolina. En endemisk art er en, der naturligt kun findes i et specifikt geografisk område, der normalt er begrænset i størrelse. Andre arter er generalister: arter, der lever i en lang række geografiske områder; vaskebjørn er for eksempel hjemmehørende i det meste af Nord- og Mellemamerika.

Artfordelingsmønstre er baseret på biotiske og abiotiske faktorer og deres indflydelse i de meget lange perioder, der kræves til artsudvikling; derfor var tidlige studier af biogeografi tæt knyttet til fremkomsten af evolutionær tænkning i det attende århundrede. Nogle af de mest karakteristiske samlinger af planter og dyr forekommer i regioner, der er blevet adskilt fysisk i millioner af år af geografiske barrierer. Biologer vurderer, at Australien f.eks. Har mellem 600.000 og 700.000 arter af planter og dyr. Cirka 3/4 af levende plante- og pattedyrarter er endemiske arter, der udelukkende findes i Australien (figur 1).

Figur 1. Australien er hjemsted for mange endemiske arter. (A) wallaby (Wallabia bicolor), et mellemstort medlem af kængurufamilien, er et pungpattedyr eller pungdyr. (B) echidna (Tachyglossus aculeatus) er et æglæggende pattedyr. (kredit a: modifikation af arbejde af Derrick Coetzee; kredit b: modifikation af arbejde af Allan Whittome)

Nogle gange opdager økologer unikke mønstre for artsfordeling ved at bestemme, hvor arter ikke findes. Hawaii har for eksempel ingen indfødte landarter af krybdyr eller padder og har kun ét indfødt jordbaseret pattedyr, den farlige flagermus. Det meste af Ny Guinea mangler som et andet eksempel placentapattedyr.

Planter kan være endemiske eller generalister: endemiske planter findes kun i bestemte regioner på jorden, mens generalister findes i mange regioner. Isolerede landmasser – såsom Australien, Hawaii og Madagaskar – har ofte et stort antal endemiske plantearter. Nogle af disse planter er truet på grund af menneskelig aktivitet. Forest gardenia (Gardenia brighamii) er for eksempel endemisk for Hawaii; kun en anslået 15-20 træer antages at eksistere.

Energikilder

Figur 2. Forårets skønhed er en kortvarig forårsplante, der blomstrer tidligt om foråret for at undgå at konkurrere med større skovtræer om sollys. (kredit: John Beetham)

Energi fra solen fanges af grønne planter, alger, cyanobakterier og fotosyntetiske protister. Disse organismer omdanner solenergi til den kemiske energi, som alle levende ting har brug for. Tilgængelighed af lys kan være en vigtig kraft, der direkte påvirker udviklingen af tilpasninger i fotosyntetiser. For eksempel skygges planter i undergrunden i en tempereret skov, når træerne over dem i baldakinen løber helt ud i det sene forår. Ikke overraskende har underjordiske planter tilpasninger for med succes at fange tilgængeligt lys. En sådan tilpasning er den hurtige vækst af forårige flygtige planter som forårets skønhed (figur 2). Disse forårsblomster opnår meget af deres vækst og afslutter deres livscyklus (reproducerer) tidligt i sæsonen, før træerne i baldakinen udvikler blade.

I vandøkosystemer kan tilgængeligheden af lys være begrænset, fordi sollys er absorberes af vand, planter, suspenderede partikler og hjemmehørende mikroorganismer. Mod bunden af en sø, dam eller hav er der en zone, som lyset ikke kan nå. Fotosyntese kan ikke finde sted der, og som et resultat har der udviklet sig en række tilpasninger, der gør det muligt for levende ting at overleve uden lys. For eksempel har vandplanter fotosyntetisk væv nær vandoverfladen; tænk for eksempel på de brede, flydende blade af en åkande – åkander kan ikke overleve uden lys. I miljøer som hydrotermiske ventilationskanaler udvinder nogle bakterier energi fra uorganiske kemikalier, fordi der ikke er lys til fotosyntese.

Figur 3. Opvældning af havet er en vigtig proces, der genbruger næringsstoffer og energi i havet. Da vind (grønne pile) skubber offshore, får det vand fra havbunden (røde pile) til at bevæge sig til overfladen, hvilket bringer næringsstoffer op fra havdybden.

Tilgængeligheden af næringsstoffer i akvatiske systemer er også et vigtigt aspekt af energi eller fotosyntese. Mange organismer synker til bunden af havet, når de dør i det åbne vand; når dette sker, er den energi, der findes i den levende organisme, bundet i nogen tid, medmindre der opstår havopblødning. Oppustning af havet er stigningen i dybt havvand, der opstår, når fremherskende vinde blæser langs overfladevand nær en kystlinje (figur 3). Når vinden skubber havvandene til havs, bevæger vand fra bunden af havet sig op for at erstatte dette vand. Som et resultat bliver næringsstofferne, der engang er indeholdt i døde organismer, tilgængelige for genbrug af andre levende organismer.

I ferskvandssystemer sker genbrug af næringsstoffer som reaktion på ændringer i lufttemperaturen. Næringsstofferne i bunden af søer genbruges to gange om året: om foråret og efteråret omsætning. Forår og efterår omsætning er en sæsonbestemt proces, der genbruger næringsstoffer og ilt fra bunden af et ferskvandsøkosystem til toppen af en vandmasse. Disse omsætninger skyldes dannelsen af en termoklin: et lag vand med en temperatur, der adskiller sig væsentligt fra de omgivende lag. Om vinteren er overfladen af søer, der findes i mange nordlige regioner, frossen. Vandet under isen er dog lidt varmere, og vandet i bunden af søen er endnu varmere ved 4 ° C til 5 ° C (39,2 ° F til 41 ° F). Vand er tættest ved 4 ° C; derfor er det dybeste vand også det tætteste. Det dybeste vand er iltfattigt, fordi nedbrydningen af organisk materiale i bunden af søen opbruger tilgængeligt ilt, der ikke kan erstattes ved hjælp af iltdiffusion i vandet på grund af islagets overflade.

Figur 4. Forår og efterår omsætning er vigtige processer i ferskvandssøer, der virker til at flytte næringsstoffer og ilt i bunden af dybe søer til toppen. Omsætningen sker, fordi vand har en maksimal densitet ved 4 ° C. Overfladevandstemperaturen ændres efterhånden som årstiderne skrider frem, og tættere vand synker.

Om foråret stiger lufttemperaturen, og isen på overfladen smelter. Når overfladevandets temperatur begynder at nå 4 ° C, bliver vandet tungere og synker til bunden. Vandet i bunden af søen fortrænges derefter af det tungere overfladevand og stiger således op til toppen. Når vandet stiger op til toppen, bringes sedimenterne og næringsstofferne fra søbunden med det. I sommermånederne stratificerer søvandet eller danner temperaturlag med det varmeste vand ved søoverfladen.

Når lufttemperaturen falder om efteråret, køler søvandets temperatur til 4 ° C; derfor medfører dette fald i omsætning, når det tunge koldt vand synker og fortrænger vandet i bunden. Det iltrige vand på overfladen af søen bevæger sig derefter til bunden af søen, mens næringsstofferne i bunden af søen stiger til overfladen. Om vinteren bruges iltet i bunden af søen af nedbrydere og andre organismer, der kræver ilt, såsom fisk.

Temperatur

Figur 5. Denne farverige varme kilde i Yellowstone National Park, beliggende i Midway Geyser Basin, er den største varme kilde i USA og den tredjestørste i verden. Dens rige farve er resultatet af termofile organismer, der lever langs kanterne af den varme kilde,

Temperaturen påvirker fysiologien af levende ting såvel som densitet og tilstand af vand. Temperatur har en vigtig indflydelse på levende ting, fordi få levende ting kan overleve ved temperaturer under 0 ° C (32 ° F) på grund af metaboliske begrænsninger. Det er også sjældent, at levende ting overlever ved temperaturer over 45 ° C (113 ° F); dette er en afspejling af evolutionært svar på typiske temperaturer. Enzymer er mest effektive inden for et snævert og specifikt temperaturinterval; enzymnedbrydning kan forekomme ved højere temperaturer. Derfor skal organismer enten opretholde en indre temperatur, eller de skal bo i et miljø, der holder kroppen inden for et temperaturområde, der understøtter stofskifte. Nogle dyr har tilpasset sig for at gøre det muligt for deres kroppe at overleve betydelige temperatursvingninger, som man kan se i dvale eller krybdyr. Tilsvarende er nogle bakterier tilpasset til at overleve i ekstremt varme temperaturer såsom gejsere. Sådanne bakterier er eksempler på ekstremofiler: organismer, der trives i ekstreme miljøer.

Temperatur kan begrænse fordelingen af levende ting. Dyr, der står over for temperatursvingninger, kan reagere med tilpasninger, såsom migration, for at overleve. Migration, bevægelsen fra et sted til et andet, er en tilpasning, der findes i mange dyr, herunder mange, der lever i sæsonbetinget koldt klima. Migration løser problemer relateret til temperatur, lokalisering af mad og finde en ægtefælle. I migration foretager for eksempel den arktiske tern (Sterna paradisaea) en 40.000 km returflyvning hvert år mellem dens fodringsområder på den sydlige halvkugle og dets ynglepladser i det arktiske hav. Monark sommerfugle (Danaus plexippus) lever i det østlige USA i de varmere måneder og migrerer til Mexico og det sydlige USA om vinteren. Nogle pattedyrarter gør også vandrende strejftog. Rensdyr (Rangifer tarandus) rejser cirka 5.000 km hvert år for at finde mad. Amfibier og krybdyr er mere begrænset i deres distribution, fordi de mangler vandringsevne. Ikke alle dyr, der kan migrere, gør det: migration medfører risiko og har høje energipriser.

Figur 6. Chipmunks dvale om vinteren, men de kommer ud af søvn hvert par dage for at spise.

Nogle dyr dvale eller estivere for at overleve fjendtlige temperaturer. Dvale gør det muligt for dyr at overleve kolde forhold, og estivation giver dyr mulighed for at overleve de fjendtlige forhold i et varmt, tørt klima. Dyr, der dvale eller estivere, kommer ind i en tilstand kendt som torpor: en tilstand, hvor deres stofskifte sænkes betydeligt. Dette gør det muligt for dyret at vente, indtil dets miljø bedre understøtter dets overlevelse. Nogle padder, såsom skovfrøen (Rana sylvatica), har et frostvæske-lignende kemikalie i deres celler, som bevarer cellernes integritet og forhindrer dem i at sprænge.

Abiotiske faktorer, der påvirker plantevækst

Temperatur og fugt er vigtig indflydelse på planteproduktionen (primær produktivitet) og den mængde organisk materiale, der er tilgængeligt som mad (netto primær produktivitet).Primær nettoproduktivitet er et skøn over alt det organiske stof, der er tilgængeligt som mad; det beregnes som den samlede mængde kulstof, der er fastsat pr. år minus den mængde, der oxideres under cellulær respiration. I terrestriske miljøer estimeres den primære nettoproduktivitet ved at måle den overjordiske biomasse pr. Arealenhed, som er den samlede masse af levende planter eksklusive rødder. Dette betyder, at en stor procentdel af plantebiomasse, der findes under jorden, ikke er inkluderet i denne måling. Primær nettoproduktivitet er en vigtig variabel, når man overvejer forskelle i biomer. Meget produktive biomer har et højt niveau af overjordisk biomasse.

Årlig biomasseproduktion er direkte relateret til de abiotiske komponenter i miljøet. Miljøer med den største mængde biomasse har betingelser, hvor fotosyntese, plantevækst og den resulterende nettoprimærproduktivitet optimeres. Klimaet i disse områder er varmt og vådt. Fotosyntese kan fortsætte i høj hastighed, enzymer kan arbejde mest effektivt, og stomata kan forblive åben uden risiko for overdreven transpiration; sammen fører disse faktorer til, at den maksimale mængde kuldioxid (CO2) bevæger sig ind i anlægget, hvilket resulterer i høj biomasseproduktion. Ovennævnte biomasse producerer flere vigtige ressourcer til andre levende ting, herunder levesteder og mad. Omvendt har tørre og kolde omgivelser lavere fotosyntetiske hastigheder og derfor mindre biomasse. Dyresamfundene, der bor der, vil også blive påvirket af faldet i tilgængelig mad.

Uorganiske næringsstoffer og jord

Uorganiske næringsstoffer, såsom nitrogen og fosfor, er vigtige i distributionen og overflod af levende ting. Planter får disse uorganiske næringsstoffer fra jorden, når vand bevæger sig ind i planten gennem rødderne. Derfor spiller jordstruktur (partikelstørrelse af jordkomponenter), jordens pH og jordens næringsstofindhold en vigtig rolle i fordelingen af planter. Dyr får uorganiske næringsstoffer fra den mad, de spiser. Derfor er fordelingen af dyr relateret til fordelingen af det, de spiser. I nogle tilfælde vil dyr følge deres madressource, når den bevæger sig gennem miljøet.

Vand

Vand kræves af alle levende ting, fordi det er afgørende for cellulære processer. Da jordbaserede organismer mister vand til miljøet ved simpel diffusion, har de udviklet mange tilpasninger for at tilbageholde vand.

• Dyr vil være dækket af en fedtet eller voksagtig hud eller neglebånd for at bevare fugt.
• Planter har en række interessante træk på deres blade, såsom bladhår og en voksagtig neglebånd, der tjener til at reducere hastigheden af vandtab via transpiration.

Organismer omgivet af vand er ikke immun over for vand ubalance; de har også unikke tilpasninger til at styre vand inde i og uden for celler.

• Ferskvandsorganismer er omgivet af vand og er konstant i fare for at få vand til at strømme ind i deres celler på grund af osmose. Mange tilpasninger af organismer, der lever i ferskvandsmiljøer, har udviklet sig for at sikre, at koncentrationer af opløste stoffer i deres kroppe forbliver inden for passende niveauer. En sådan tilpasning er udskillelsen af fortyndet urin; fortyndet urin har en lav koncentration af opløste stoffer og er for det meste vand, hvilket gør det muligt for dem at udvise overskydende vand.
• Marine organismer er omgivet af vand med en højere koncentration af opløst stof end organismen og er således i fare for mister vand til miljøet på grund af osmose. Disse organismer har morfologiske og fysiologiske tilpasninger for at tilbageholde vand og frigive opløste stoffer i miljøet. For eksempel, marine leguaner (Amblyrhynchus cristatus), nyser vanddamp med højt saltindhold ud for at opretholde koncentrationer af opløste stoffer inden for et acceptabelt område, mens du svømmer i havet og spiser havplanter.

Andre akvatiske faktorer

Nogle abiotiske faktorer, såsom ilt, er vigtige i vandøkosystemer såvel som terrestriske miljøer. Terrestriske dyr får ilt fra luften, de indånder. Oxygen tilgængelighed kan være et problem for organismer, der lever i meget høje højder, men hvor der er færre iltmolekyler i luften. I akvatiske systemer er koncentrationen af opløst ilt relateret til vandtemperaturen og den hastighed, hvormed vandet bevæger sig. Koldt vand har mere opløst ilt end varmere vand. Derudover kan saltholdighed, strøm og tidevand være vigtige abiotiske faktorer i akvatiske økosystemer.

Andre terrestriske faktorer

Figur 7. Jack-fyrens modne kegler åbner kun, når de udsættes for høje temperaturer, f.eks. under en skovbrand. (kredit: USDA)

Vind kan være en vigtig abiotisk faktor, fordi den påvirker fordampningshastigheden og transpirationshastigheden.Vindens fysiske kraft er også vigtig, fordi den kan flytte jord, vand eller andre abiotiske faktorer såvel som et økosystems organismer.

Ild er en anden jordbaseret faktor, der kan være et vigtigt middel til forstyrrelse i jordbaseret økosystemer. Nogle organismer er tilpasset ild og kræver derfor den høje varme, der er forbundet med ild, for at gennemføre en del af deres livscyklus. Jack fyr (Pinus banksiana) – et nåletræ – kræver for eksempel varme fra ild for at frøkeglerne kan åbnes. En brand vil sandsynligvis dræbe mest vegetation, så en frøplante, der spirer efter en brand, er mere tilbøjelig til at modtage rigeligt sollys end en, der spirer under normale forhold. Gennem afbrænding af fyrnåle tilføjer ild kvælstof til jorden og begrænser konkurrencen ved at ødelægge underskov.

Tjek din forståelse

Besvar spørgsmålene nedenfor for at se, hvor godt du forstår de emner, der er dækket af det foregående afsnit. Denne korte quiz tæller ikke med i din karakter i klassen, og du kan tage den igen et ubegrænset antal gange.

Brug denne quiz til at kontrollere din forståelse og beslutte, om du (1) skal studere det foregående afsnit yderligere eller (2) gå videre til næste afsnit.