Biologie für Majors II

Unterscheiden Sie zwischen abiotischen und biotischen Bestandteilen der Umwelt

Viele Kräfte beeinflussen die Gemeinschaften lebender Organismen in verschiedenen Teilen der Biosphäre ( alle vom Leben bewohnten Teile der Erde). Die Biosphäre erstreckt sich in die Atmosphäre (mehrere Kilometer über der Erde) und in die Tiefen der Ozeane. Trotz ihrer offensichtlichen Weite für einen einzelnen Menschen nimmt die Biosphäre im Vergleich zum bekannten Universum nur einen winzigen Raum ein. Viele abiotische Kräfte beeinflussen, wo Leben existieren kann und welche Arten von Organismen in verschiedenen Teilen der Biosphäre vorkommen. Die abiotischen Faktoren beeinflussen die Verteilung von Klima, Flora und Fauna.

Biogeographie

Biogeographie ist die Untersuchung der geografischen Verteilung von Lebewesen und der abiotischen Faktoren, die ihre Verteilung beeinflussen. Abiotische Faktoren wie Temperatur und Niederschlag variieren hauptsächlich je nach Breitengrad und Höhe. Da sich diese abiotischen Faktoren ändern, ändert sich auch die Zusammensetzung der Pflanzen- und Tiergemeinschaften. Wenn Sie beispielsweise eine Reise am Äquator beginnen und nach Norden gehen würden, würden Sie allmähliche Veränderungen in den Pflanzengemeinschaften bemerken. Zu Beginn Ihrer Reise würden Sie tropische Feuchtwälder mit immergrünen Laubbäumen sehen, die für Pflanzengemeinschaften in der Nähe des Äquators charakteristisch sind. Wenn Sie weiter nach Norden reisen, werden Sie sehen, dass diese immergrünen Laubpflanzen schließlich zu saisonal trockenen Wäldern mit verstreuten Bäumen führen. Sie würden auch anfangen, Änderungen in Temperatur und Feuchtigkeit zu bemerken. Bei etwa 30 Grad nördlich würden diese Wälder Wüsten weichen, die durch geringe Niederschläge gekennzeichnet sind.

Wenn Sie sich weiter nach Norden bewegen, werden Sie feststellen, dass Wüsten durch Grasland oder Prärien ersetzt werden. Schließlich werden Graslandschaften durch gemäßigte Laubwälder ersetzt. Diese Laubwälder weichen den borealen Wäldern in der Subarktis, dem Gebiet südlich des Polarkreises. Schließlich würden Sie die arktische Tundra erreichen, die sich in den nördlichsten Breiten befindet. Diese Wanderung nach Norden zeigt allmähliche Veränderungen sowohl des Klimas als auch der Arten von Organismen, die sich an Umweltfaktoren angepasst haben, die mit Ökosystemen in verschiedenen Breiten verbunden sind. Auf demselben Breitengrad existieren jedoch unterschiedliche Ökosysteme, was teilweise auf abiotische Faktoren wie Jetstreams, den Golfstrom und Meeresströmungen zurückzuführen ist. Wenn Sie auf einen Berg wandern würden, würden die Veränderungen, die Sie in der Vegetation sehen würden, denen entsprechen, wenn Sie sich in höhere Breiten bewegen.

Artenverteilung

Ökologen, die Biogeographie studieren, untersuchen Muster von Artenverteilung. Es gibt nicht überall Arten; Zum Beispiel ist die Venusfliegenfalle in einem kleinen Gebiet in North und South Carolina endemisch. Eine endemische Art ist eine Art, die natürlich nur in einem bestimmten geografischen Gebiet vorkommt, dessen Größe normalerweise begrenzt ist. Andere Arten sind Generalisten: Arten, die in einer Vielzahl von geografischen Gebieten leben; Der Waschbär ist beispielsweise in den meisten Teilen Nord- und Mittelamerikas beheimatet.

Artenverteilungsmuster basieren auf biotischen und abiotischen Faktoren und ihren Einflüssen während der sehr langen Zeiträume, die für die Artenentwicklung erforderlich sind. Daher waren frühe Studien zur Biogeographie eng mit der Entstehung des evolutionären Denkens im 18. Jahrhundert verbunden. Einige der markantesten Ansammlungen von Pflanzen und Tieren kommen in Regionen vor, die seit Millionen von Jahren durch geografische Barrieren physisch getrennt sind. Biologen schätzen, dass Australien beispielsweise zwischen 600.000 und 700.000 Arten von Pflanzen und Tieren hat. Ungefähr 3/4 der lebenden Pflanzen- und Säugetierarten sind endemische Arten, die ausschließlich in Australien vorkommen (Abbildung 1).

Abbildung 1. In Australien leben viele endemische Arten. Das (a) Wallaby (Wallabia bicolor), ein mittelgroßes Mitglied der Känguru-Familie, ist ein Beutelsäugetier oder Beuteltier. Die (b) Echidna (Tachyglossus aculeatus) ist ein eierlegendes Säugetier. (Kredit a: Änderung der Arbeit von Derrick Coetzee; Kredit b: Änderung der Arbeit von Allan Whittome)

Manchmal entdecken Ökologen einzigartige Muster der Artenverteilung, indem sie bestimmen, wo Arten nicht gefunden werden. Hawaii zum Beispiel hat keine einheimischen Landarten von Reptilien oder Amphibien und nur ein einheimisches Landsäugetier, die Hoary Bat. Dem größten Teil Neuguineas fehlen als weiteres Beispiel plazentare Säugetiere.

Pflanzen können endemisch oder generalistisch sein: endemische Pflanzen kommen nur in bestimmten Regionen der Erde vor, während Generalisten in vielen Regionen vorkommen. Isolierte Landmassen wie Australien, Hawaii und Madagaskar weisen häufig eine große Anzahl endemischer Pflanzenarten auf. Einige dieser Pflanzen sind durch menschliche Aktivitäten gefährdet. Die Wald Gardenie (Gardenia brighamii) ist zum Beispiel in Hawaii endemisch; Es wird angenommen, dass nur geschätzte 15 bis 20 Bäume existieren.

Energiequellen

Abbildung 2. Die Frühlingsschönheit ist eine kurzlebige Frühlingspflanze, die früh im Frühling blüht, um nicht mit größeren Waldbäumen um Sonnenlicht zu konkurrieren. (Bildnachweis: John Beetham)

Energie aus der Sonne wird von grünen Pflanzen, Algen, Cyanobakterien und photosynthetischen Protisten eingefangen. Diese Organismen wandeln Sonnenenergie in chemische Energie um, die von allen Lebewesen benötigt wird. Die Verfügbarkeit von Licht kann eine wichtige Kraft sein, die die Entwicklung von Anpassungen in Photosynthesizern direkt beeinflusst. Zum Beispiel werden Pflanzen im Unterholz eines gemäßigten Waldes beschattet, wenn die Bäume über ihnen im Baldachin im späten Frühjahr vollständig ausblättern. Es überrascht nicht, dass Unterpflanzen Anpassungen haben, um verfügbares Licht erfolgreich einzufangen. Eine solche Anpassung ist das schnelle Wachstum kurzlebiger Frühlingspflanzen wie der Frühlingsschönheit (Abbildung 2). Diese Frühlingsblumen erreichen einen Großteil ihres Wachstums und beenden ihren Lebenszyklus (Fortpflanzung) früh in der Saison, bevor die Bäume im Baldachin Blätter entwickeln.

In aquatischen Ökosystemen kann die Verfügbarkeit von Licht begrenzt sein, da Sonnenlicht vorhanden ist absorbiert von Wasser, Pflanzen, Schwebeteilchen und ansässigen Mikroorganismen. Am Grund eines Sees, Teichs oder Ozeans befindet sich eine Zone, die das Licht nicht erreichen kann. Dort kann keine Photosynthese stattfinden, und infolgedessen hat sich eine Reihe von Anpassungen entwickelt, die es Lebewesen ermöglichen, ohne Licht zu überleben. Zum Beispiel haben Wasserpflanzen photosynthetisches Gewebe nahe der Wasseroberfläche; Denken Sie zum Beispiel an die breiten, schwimmenden Blätter einer Seerose – Seerosen können ohne Licht nicht überleben. In Umgebungen wie hydrothermalen Quellen entziehen einige Bakterien Energie aus anorganischen Chemikalien, da kein Licht für die Photosynthese vorhanden ist.

Abbildung 3. Das Aufsteigen des Ozeans ist ein wichtiger Prozess, bei dem Nährstoffe und Energie im Ozean recycelt werden. Wenn der Wind (grüne Pfeile) vor der Küste drückt, bewegt sich Wasser vom Meeresboden (rote Pfeile) an die Oberfläche und bringt Nährstoffe aus den Tiefen des Ozeans auf.

Die Verfügbarkeit von Nährstoffen in aquatische Systeme sind auch ein wichtiger Aspekt der Energie- oder Photosynthese. Viele Organismen sinken auf den Grund des Ozeans, wenn sie im offenen Wasser sterben. Wenn dies geschieht, wird die in diesem lebenden Organismus gefundene Energie für einige Zeit gebunden, es sei denn, es kommt zu einer Aufwärtsbewegung des Ozeans. Ozeanaufschwung ist das Aufsteigen von Tiefseewasser, das auftritt, wenn vorherrschende Winde entlang von Oberflächengewässern in Küstennähe wehen (Abbildung 3). Während der Wind das Meerwasser von der Küste drückt, steigt das Wasser vom Meeresboden nach oben, um dieses Wasser zu ersetzen. Infolgedessen werden die Nährstoffe, die einmal in toten Organismen enthalten waren, für die Wiederverwendung durch andere lebende Organismen verfügbar.

In Süßwassersystemen erfolgt das Recycling von Nährstoffen als Reaktion auf Änderungen der Lufttemperatur. Die Nährstoffe am Grund der Seen werden zweimal im Jahr recycelt: im Frühjahr und Herbst Umsatz. Der Umsatz im Frühjahr und Herbst ist ein saisonaler Prozess, bei dem Nährstoffe und Sauerstoff vom Boden eines Süßwasserökosystems zum oberen Ende eines Gewässers recycelt werden. Diese Umsätze werden durch die Bildung einer Thermokline verursacht: einer Wasserschicht mit einer Temperatur, die sich erheblich von der der umgebenden Schichten unterscheidet. Im Winter ist die Oberfläche der in vielen nördlichen Regionen vorkommenden Seen gefroren. Das Wasser unter dem Eis ist jedoch etwas wärmer, und das Wasser am Grund des Sees ist wärmer, jedoch bei 4 ° C bis 5 ° C (39,2 ° F bis 41 ° F). Wasser ist bei 4 ° C am dichtesten; Daher ist das tiefste Wasser auch das dichteste. Das tiefste Wasser ist sauerstoffarm, da bei der Zersetzung von organischem Material am Grund des Sees verfügbarer Sauerstoff verbraucht wird, der aufgrund der Eisschicht auf der Oberfläche nicht durch Sauerstoffdiffusion in das Wasser ersetzt werden kann.

Abbildung 4. Die Umsätze im Frühjahr und Herbst sind wichtige Prozesse in Süßwasserseen, die die Nährstoffe und den Sauerstoff am Boden tiefer Seen bewegen Zum Seitenanfang. Der Umsatz erfolgt, weil Wasser bei 4 ° C eine maximale Dichte hat. Die Oberflächenwassertemperatur ändert sich im Laufe der Jahreszeiten und dichteres Wasser sinkt.

Im Frühling steigen die Lufttemperaturen und das Oberflächeneis schmilzt. Wenn die Temperatur des Oberflächenwassers 4 ° C erreicht, wird das Wasser schwerer und sinkt auf den Boden. Das Wasser am Grund des Sees wird dann durch das schwerere Oberflächenwasser verdrängt und steigt somit nach oben. Wenn das Wasser nach oben steigt, werden die Sedimente und Nährstoffe vom Seeboden mitgebracht. Während der Sommermonate schichtet sich das Seewasser mit dem wärmsten Wasser an der Seeoberfläche oder bildet Temperaturschichten.

Wenn die Lufttemperaturen im Herbst sinken, kühlt sich die Temperatur des Seewassers auf 4 ° ab C; Dies führt daher zu einem Sturzumsatz, wenn das schwere kalte Wasser sinkt und das Wasser am Boden verdrängt. Das sauerstoffreiche Wasser an der Oberfläche des Sees bewegt sich dann zum Grund des Sees, während die Nährstoffe am Grund des Sees an die Oberfläche steigen. Während des Winters wird der Sauerstoff am Grund des Sees von Zersetzern und anderen Organismen verwendet, die Sauerstoff benötigen, wie z. B. Fisch.

Temperatur

Abbildung 5. Diese farbenfrohe heiße Quelle im Yellowstone-Nationalpark im Midway Geyser Basin ist die größte heiße Quelle in den USA und die drittgrößte der Welt. Seine satte Farbe ist das Ergebnis von thermophilen Organismen, die an den Rändern der heißen Quelle leben.

Die Temperatur beeinflusst die Physiologie der Lebewesen sowie die Dichte und den Zustand des Wassers. Die Temperatur übt einen wichtigen Einfluss auf Lebewesen aus, da nur wenige Lebewesen aufgrund von Stoffwechselbeschränkungen bei Temperaturen unter 0 ° C (32 ° F) überleben können. Es kommt auch selten vor, dass Lebewesen bei Temperaturen über 45 ° C überleben. Dies ist ein Spiegelbild der evolutionären Reaktion auf typische Temperaturen. Enzyme sind in einem engen und spezifischen Temperaturbereich am effizientesten; Enzymabbau kann bei höheren Temperaturen auftreten. Daher müssen Organismen entweder eine Innentemperatur aufrechterhalten oder sie müssen in einer Umgebung leben, die den Körper in einem Temperaturbereich hält, der den Stoffwechsel unterstützt. Einige Tiere haben sich angepasst, um es ihrem Körper zu ermöglichen, signifikante Temperaturschwankungen zu überstehen, wie sie im Winterschlaf oder bei der Erstarrung von Reptilien auftreten. In ähnlicher Weise sind einige Bakterien an das Überleben bei extrem heißen Temperaturen wie Geysiren angepasst. Solche Bakterien sind Beispiele für Extremophile: Organismen, die in extremen Umgebungen gedeihen.

Die Temperatur kann die Verteilung von Lebewesen einschränken. Tiere, die Temperaturschwankungen ausgesetzt sind, können mit Anpassungen wie Migration reagieren, um zu überleben. Die Migration, die Bewegung von einem Ort zum anderen, ist eine Anpassung, die bei vielen Tieren zu finden ist, einschließlich vieler Tiere, die in saisonal kalten Klimazonen leben. Die Migration löst Probleme im Zusammenhang mit der Temperatur, dem Auffinden von Nahrungsmitteln und der Suche nach einem Partner. Bei der Migration zum Beispiel unternimmt die Küstenseeschwalbe (Sterna paradisaea) jedes Jahr einen 40.000 km langen Hin- und Rückflug zwischen ihren Nahrungsgebieten auf der südlichen Hemisphäre und ihren Brutgebieten im Arktischen Ozean. Monarchfalter (Danaus plexippus) leben in den wärmeren Monaten im Osten der USA und ziehen im Winter nach Mexiko und in den Süden der USA. Einige Säugetierarten machen auch Wanderungen. Rentiere (Rangifer tarandus) legen jedes Jahr etwa 5.000 km zurück, um Nahrung zu finden. Amphibien und Reptilien sind in ihrer Verbreitung eingeschränkter, da ihnen die Migrationsfähigkeit fehlt. Nicht alle Tiere, die migrieren können, tun dies: Migration birgt Risiken und ist mit hohen Energiekosten verbunden.

Abbildung 6. Chipmunks überwintern für den Winter, aber sie kommen alle paar Tage aus dem Schlaf, um zu essen.

Einige Tiere halten Winterschlaf oder schätzen, um feindliche Temperaturen zu überleben. Der Winterschlaf ermöglicht es den Tieren, kalte Bedingungen zu überleben, und die Kultivierung ermöglicht es den Tieren, die feindlichen Bedingungen eines heißen, trockenen Klimas zu überleben. Tiere, die Winterschlaf halten oder stillen, treten in einen Zustand ein, der als Erstarrung bekannt ist: ein Zustand, in dem ihre Stoffwechselrate signifikant gesenkt wird. Dadurch kann das Tier warten, bis seine Umgebung sein Überleben besser unterstützt. Einige Amphibien, wie der Waldfrosch (Rana sylvatica), haben eine Frostschutzmittel-ähnliche Chemikalie in ihren Zellen, die die Integrität der Zellen beibehält und deren Platzen verhindert.

Abiotische Faktoren, die das Pflanzenwachstum beeinflussen

Temperatur und Feuchtigkeit sind wichtige Einflüsse auf die Pflanzenproduktion (Primärproduktivität) und die Menge an organischer Substanz, die als Lebensmittel verfügbar ist (Netto-Primärproduktivität).Die Netto-Primärproduktivität ist eine Schätzung aller als Lebensmittel verfügbaren organischen Stoffe. Es wird berechnet als die Gesamtmenge an Kohlenstoff, die pro Jahr fixiert wird, abzüglich der Menge, die während der Zellatmung oxidiert wird. In terrestrischen Umgebungen wird die Netto-Primärproduktivität geschätzt, indem die oberirdische Biomasse pro Flächeneinheit gemessen wird, dh die Gesamtmasse lebender Pflanzen ohne Wurzeln. Dies bedeutet, dass ein großer Prozentsatz der unterirdisch vorhandenen Pflanzenbiomasse nicht in diese Messung einbezogen wird. Die Netto-Primärproduktivität ist eine wichtige Variable, wenn Unterschiede in den Biomen berücksichtigt werden. Sehr produktive Biome weisen einen hohen Anteil an oberirdischer Biomasse auf.

Die jährliche Biomasseproduktion steht in direktem Zusammenhang mit den abiotischen Bestandteilen der Umwelt. Umgebungen mit der größten Menge an Biomasse weisen Bedingungen auf, unter denen die Photosynthese, das Pflanzenwachstum und die daraus resultierende Netto-Primärproduktivität optimiert werden. Das Klima dieser Gebiete ist warm und feucht. Die Photosynthese kann mit hoher Geschwindigkeit ablaufen, Enzyme können am effizientesten arbeiten und Stomata können offen bleiben, ohne dass das Risiko einer übermäßigen Transpiration besteht. Zusammen führen diese Faktoren dazu, dass die maximale Menge an Kohlendioxid (CO2) in die Anlage gelangt, was zu einer hohen Biomasseproduktion führt. Die oberirdische Biomasse produziert mehrere wichtige Ressourcen für andere Lebewesen, einschließlich Lebensraum und Nahrung. Umgekehrt weisen trockene und kalte Umgebungen geringere Photosyntheseraten und daher weniger Biomasse auf. Die dort lebenden Tiergemeinschaften werden ebenfalls von der Abnahme der verfügbaren Nahrung betroffen sein.

Anorganische Nährstoffe und Boden

Anorganische Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphor sind wichtig für die Verteilung und die Fülle von Lebewesen. Pflanzen erhalten diese anorganischen Nährstoffe aus dem Boden, wenn Wasser durch die Wurzeln in die Pflanze gelangt. Daher spielen die Bodenstruktur (Partikelgröße der Bodenkomponenten), der pH-Wert des Bodens und der Nährstoffgehalt des Bodens eine wichtige Rolle bei der Verteilung der Pflanzen. Tiere erhalten anorganische Nährstoffe aus der Nahrung, die sie konsumieren. Daher hängen Tierverteilungen mit der Verteilung dessen zusammen, was sie essen. In einigen Fällen folgen Tiere ihrer Nahrungsressource, während sie sich durch die Umwelt bewegen.

Wasser

Wasser wird von allen Lebewesen benötigt, da es für zelluläre Prozesse kritisch ist. Da terrestrische Organismen durch einfache Diffusion Wasser an die Umwelt verlieren, haben sie viele Anpassungen entwickelt, um Wasser zurückzuhalten.

• Tiere werden mit einer fettigen oder wachsartigen Haut oder Nagelhaut bedeckt, um Feuchtigkeit zurückzuhalten.
• Pflanzen haben eine Reihe interessanter Merkmale auf ihren Blättern, wie Blatthaare und eine wachsartige Nagelhaut, die dazu dienen, den Wasserverlust durch Transpiration zu verringern.

Organismen umgeben von Wasser ist nicht immun gegen Wasserungleichgewicht; Auch sie haben einzigartige Anpassungen, um das Wasser innerhalb und außerhalb der Zellen zu verwalten.

• Süßwasserorganismen sind von Wasser umgeben und laufen aufgrund der Osmose ständig Gefahr, dass Wasser in ihre Zellen eindringt. Viele Anpassungen von Organismen, die in Süßwasserumgebungen leben, haben sich weiterentwickelt, um sicherzustellen, dass die Konzentrationen gelöster Stoffe in ihrem Körper auf einem angemessenen Niveau bleiben. Eine solche Anpassung ist die Ausscheidung von verdünntem Urin; verdünnter Urin hat eine geringe Konzentration an gelösten Stoffen und besteht hauptsächlich aus Wasser, wodurch überschüssiges Wasser ausgestoßen werden kann.
• Meeresorganismen sind von Wasser mit einer höheren Konzentration an gelösten Stoffen als der Organismus umgeben und daher gefährdet Wasserverlust durch Osmose an die Umwelt. Diese Organismen haben morphologische und physiologische Anpassungen, um Wasser zurückzuhalten und gelöste Stoffe in die Umwelt freizusetzen. Zum Beispiel niesen Meeresleguane (Amblyrhynchus cristatus) salzreichen Wasserdampf aus, um die Konzentration gelöster Stoffe in einem akzeptablen Bereich zu halten, während sie im Meer schwimmen und Meerespflanzen essen.

Andere aquatische Faktoren

Einige abiotische Faktoren wie Sauerstoff sind sowohl in aquatischen Ökosystemen als auch in terrestrischen Umgebungen wichtig. Landtiere erhalten Sauerstoff aus der Luft, die sie atmen. Die Verfügbarkeit von Sauerstoff kann jedoch ein Problem für Organismen sein, die in sehr hohen Lagen leben, in denen sich weniger Sauerstoffmoleküle in der Luft befinden. In aquatischen Systemen hängt die Konzentration an gelöstem Sauerstoff mit der Wassertemperatur und der Geschwindigkeit zusammen, mit der sich das Wasser bewegt. Kaltes Wasser hat mehr gelösten Sauerstoff als wärmeres Wasser. Darüber hinaus können Salzgehalt, Strömung und Gezeiten wichtige abiotische Faktoren in aquatischen Ökosystemen sein.

Andere terrestrische Faktoren

Abbildung 7. Die reifen Zapfen der Jack Pine öffnen sich nur, wenn sie hohen Temperaturen ausgesetzt sind, z. B. während eines Waldbrands. (Kredit: USDA)

Wind kann ein wichtiger abiotischer Faktor sein, da er die Verdunstungs- und Transpirationsrate beeinflusst.Die physikalische Kraft des Windes ist auch wichtig, weil er Boden, Wasser oder andere abiotische Faktoren sowie die Organismen eines Ökosystems bewegen kann.

Feuer ist ein weiterer terrestrischer Faktor, der ein wichtiger Erreger von Störungen auf der Erde sein kann Ökosysteme. Einige Organismen sind an Feuer angepasst und benötigen daher die mit Feuer verbundene hohe Hitze, um einen Teil ihres Lebenszyklus abzuschließen. Zum Beispiel benötigt die Jack Pine (Pinus Banksiana) – ein Nadelbaum – Feuerwärme, damit sich ihre Samenkegel öffnen können. Ein Feuer tötet wahrscheinlich die meiste Vegetation ab, so dass ein Keimling, der nach einem Feuer keimt, mit größerer Wahrscheinlichkeit reichlich Sonnenlicht erhält als einer, der unter normalen Bedingungen keimt. Durch das Verbrennen von Kiefernnadeln fügt Feuer dem Boden Stickstoff hinzu und begrenzt den Wettbewerb, indem es das Unterholz zerstört.

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