Biologia majoreille II

Tee ero abioottisten ja bioottisten komponenttien välillä

Monet voimat vaikuttavat biosfäärin eri osissa elävien organismien yhteisöihin ( kaikki maapallon osat, joissa elämä on). Biosfääri ulottuu ilmakehään (useita kilometrejä maapallon yläpuolelle) ja valtamerien syvyyteen. Huolimatta ilmeisestä laajuudestaan yksittäiselle ihmiselle, biosfääri vie vain minuutin tilaa verrattuna tunnettuun maailmankaikkeuteen. Monet abioottiset voimat vaikuttavat siihen, missä elämä voi esiintyä, ja biosfäärin eri osissa esiintyviin organismeihin. Abiotiset tekijät vaikuttavat ilmaston, kasviston ja eläimistön jakautumiseen.

Biogeografia

Biogeografia on tutkimus elävien olentojen maantieteellisestä jakautumisesta ja niiden jakautumiseen vaikuttavista abioottisista tekijöistä. Abioottiset tekijät, kuten lämpötila ja sateet, vaihtelevat pääasiassa leveysasteen ja korkeuden mukaan. Kun nämä abioottiset tekijät muuttuvat, muuttuu myös kasvi- ja eläinyhteisöjen koostumus. Esimerkiksi, jos aloitat matkan päiväntasaajalla ja kävelet pohjoiseen, huomaat asteittaisia muutoksia kasviyhteisöissä. Matkan alussa näet trooppisia märkiä metsiä, joissa on leveälehtisiä ikivihreitä puita, jotka ovat tyypillisiä päiväntasaajan lähellä sijaitseville kasviyhteisöille. Kun jatkat matkaa pohjoiseen, huomaat, että nämä laajalehdet ikivihreät kasvit aiheuttavat lopulta kausittain kuivia metsiä, joissa on hajallaan olevia puita. Alat myös huomata lämpötilan ja kosteuden muutoksia. Noin 30 astetta pohjoiseen nämä metsät antaisivat tien aavikoille, joille on ominaista vähän sateita.

Kun siirryt kauempana pohjoiseen, huomaat, että aavikot korvataan nurmialueilla tai preerioilla. Lopulta nurmikot korvataan lehtimetsillä. Nämä lehtipuumetsät antavat tien boreaalimetsille, jotka löytyvät napapiirin eteläpuolella olevalta subarktiselta alueelta. Lopuksi pääset arktiselle tundralle, joka löytyy pohjoisimmilta leveysasteilta. Tämä vaellus pohjoiseen paljastaa asteittaiset muutokset sekä ilmastossa että organismityypeissä, jotka ovat sopeutuneet eri leveysasteilla esiintyviin ekosysteemeihin liittyviin ympäristötekijöihin. Eri ekosysteemejä on kuitenkin samalla leveysasteella osittain abioottisten tekijöiden, kuten suihkuvirtojen, Persianlahden virtausten ja valtamerien virtausten, vuoksi. Jos haluat nousta vuorelle, kasvillisuudessa havaitsemasi muutokset olisivat samanlaisia kuin siirryttäessä korkeammille leveysasteille.

Lajien jakautuminen

Biogeografiaa tutkivat ekologit tutkivat lajien jakauma. Lajeja ei ole kaikkialla; esimerkiksi Venuksen kärpäsloukku on endeemistä pienelle alueelle Pohjois- ja Etelä-Carolinassa. Endeeminen laji on sellainen, jota luonnossa esiintyy vain tietyllä maantieteellisellä alueella, jonka koko on yleensä rajoitettu. Muut lajit ovat yleisiä: lajit, jotka elävät monilla eri maantieteellisillä alueilla; esimerkiksi pesukarhu on kotoisin suurimmasta osasta Pohjois- ja Keski-Amerikkaa.

Lajin jakautumismallit perustuvat bioottisiin ja abioottisiin tekijöihin ja niiden vaikutuksiin lajien evoluutioon tarvittavien hyvin pitkien ajanjaksojen aikana; siksi biogeografian varhaiset tutkimukset liittyivät läheisesti evoluutioajattelun syntymiseen 1700-luvulla. Joitakin kasvien ja eläinten erottuvimpia kokoonpanoja esiintyy alueilla, jotka ovat fyysisesti erotettu miljoonien vuosien ajan maantieteellisten esteiden avulla. Biologien arvion mukaan esimerkiksi Australiassa on 600 000 – 700 000 kasvi- ja eläinlajia. Noin 3/4 elävistä kasvi- ja nisäkäslajeista on endeemisiä lajeja, joita esiintyy yksinomaan Australiassa (kuva 1).

Kuva 1. Australiassa asuu monia endeemisiä lajeja. (A) wallaby (Wallabia bicolor), keskikokoinen kenguru-perheen jäsen, on pussattu nisäkäs tai pussieläin. (B) echidna (Tachyglossus aculeatus) on muniva nisäkäs. (luotto a: Derrick Coetzeen työn muokkaus; luotto b: Allan Whittomen työn muokkaus)

Joskus ekologit löytävät ainutlaatuisia lajien jakautumismalleja määrittämällä, mistä lajeja ei löydy. Esimerkiksi Havaijilla ei ole kotoperäisiä matelijoiden tai sammakkoeläinten maalajeja, ja sillä on vain yksi kotimainen maanpäällinen nisäkäs, hoary bat. Suurimmaksi osaksi Uusi-Guineaa puuttuu istukanisäkkäitä.

Kasvit voivat olla endeemisiä tai yleisiä: endeemisiä kasveja löytyy vain tietyiltä maapallon alueilta, kun taas yleislääkkeitä löytyy monilta alueilta. Eristetyillä maamassoilla – kuten Australiassa, Havaijilla ja Madagaskarilla – on usein suuri määrä endeemisiä kasvilajeja. Jotkut näistä kasveista ovat uhanalaisia ihmisen toiminnan takia. Esimerkiksi metsägardenia (Gardenia brighamii) on Havaijilla endeemistä; arvellaan olevan vain arviolta 15–20 puuta.

Energialähteet

Kuva 2. Kevään kauneus on lyhytaikainen kevätkasvi, joka kukkii aikaisin keväällä välttääkseen kilpailemasta suurempien metsäpuiden kanssa auringonvalosta. (luotto: John Beetham)

Auringon energiaa sieppaavat vihreät kasvit, levät, syanobakteerit ja fotosynteettiset protistit. Nämä organismit muuttavat aurinkoenergian kaikkien elävien tarvitsemaan kemialliseen energiaan. Valon saatavuus voi olla tärkeä voima, joka vaikuttaa suoraan fotosyntetisaattoreiden sopeutumisten kehittymiseen. Esimerkiksi lauhkean metsän alaosassa olevat kasvit varjostuvat, kun latvustossa niiden yläpuolella olevat puut poistuvat kokonaan loppukeväästä. Ei ole yllättävää, että alakerrassa olevilla kasveilla on mukautuksia käytettävissä olevan valon sieppaamiseksi. Yksi tällainen mukautus on keväisten lyhytaikaisten kasvien, kuten kevään kauneuden, nopea kasvu (kuva 2). Nämä kevätkukat saavuttavat suuren osan kasvustaan ja päättävät elinkaarensa (lisääntyvät) alkukaudella ennen kuin latvustossa olevat puut kasvavat lehtiä.

Veden ekosysteemeissä valon saatavuus voi olla rajoitettua, koska auringonvalo on imeytyy veteen, kasveihin, suspendoituneisiin hiukkasiin ja paikallisiin mikro-organismeihin. Järven, lammen tai meren pohjalle on alue, johon valo ei pääse. Fotosynteesiä ei voi tapahtua siellä, ja sen seurauksena on kehittynyt useita mukautuksia, jotka mahdollistavat elävien olentojen selviytymisen ilman valoa. Esimerkiksi vesikasveilla on fotosynteettinen kudos lähellä veden pintaa; Ajattele esimerkiksi vesililjan leveitä, kelluvia lehtiä – vesililjat eivät voi selviytyä ilman valoa. Jotkut bakteerit imevät energiaa epäorgaanisista kemikaaleista, kuten hydrotermisistä tuuletusaukoista, koska valosynteesiä varten ei ole valoa.

Kuva 3. Meren asuminen on tärkeä prosessi, joka kierrättää ravinteita ja energiaa meressä. Kun tuuli (vihreät nuolet) työntyy offshoreen, se saa veden valtameren pohjasta (punaiset nuolet) siirtymään pintaan ja tuo ravinteita meren syvyydestä.

Ravinteiden saatavuus vesijärjestelmät ovat myös tärkeä osa energiaa tai fotosynteesiä. Monet organismit uppoavat valtameren pohjaan kuollessaan avoimessa vedessä; silloin kun tämä tapahtuu, elävän organismin energiaa erotetaan jonkin aikaa, ellei meren kohoamista tapahdu. Valtameren kohoaminen on syvien valtamerivesien nousua, joka tapahtuu, kun vallitsevat tuulet puhaltavat pintavesiä pitkin rannikkoa (kuva 3). Kun tuuli työntää merivesiä merelle, valtameren pohjasta tuleva vesi liikkuu ylös korvaamaan tämän veden. Tämän seurauksena kuolleisiin organismeihin sisältyvät ravinteet tulevat muiden elävien organismien uudelleenkäyttöön.

Makean veden järjestelmissä ravinteiden kierrätys tapahtuu ilman lämpötilan muutosten seurauksena. Järvien pohjassa olevat ravinteet kierrätetään kahdesti vuodessa: keväällä ja syksyllä. Kevään ja syksyn vaihtuvuus on kausiluonteinen prosessi, joka kierrättää ravinteita ja happea makean veden ekosysteemin pohjasta vesimuodostuman yläosaan. Nämä liikevaihdot johtuvat termokliinin muodostumisesta: vesikerros, jonka lämpötila eroaa merkittävästi ympäröivien kerrosten lämpötilasta. Talvella monien pohjoisten alueiden järvien pinta on jäätynyt. Jään alla oleva vesi on kuitenkin hieman lämpimämpää, ja järven pohjassa oleva vesi on vielä lämpimämpää 4–5 ° C: ssa (39,2–41 ° F). Vesi on tiheintä 4 ° C: ssa; siksi syvin vesi on myös tihein. Syvin vesi on happipitoista, koska orgaanisen materiaalin hajoaminen järven pohjassa kuluttaa käytettävissä olevaa happea, jota ei voida korvata hapen diffuusion avulla veteen pintajääkerroksen vuoksi.

Kuva 4. Kevään ja syksyn liikevaihto ovat tärkeitä makeanveden järvien prosesseja, jotka vaikuttavat ravinteiden ja hapen siirtämiseen syvien järvien pohjalle. huipulle. Liikevaihto tapahtuu, koska veden suurin tiheys on 4 ° C. Pintaveden lämpötila muuttuu vuodenaikojen edetessä ja tiheämpi vesi uppoaa.

Keväällä ilman lämpötila nousee ja pintajää sulaa. Kun pintaveden lämpötila alkaa nousta 4 ° C: seen, vesi muuttuu raskaammaksi ja uppoaa pohjaan. Järven pohjassa oleva vesi syrjäytyy sitten painavamman pintaveden toimesta ja nousee siten ylös. Kun vesi nousee huipulle, järvipohjan sedimentit ja ravinteet tuodaan sen mukana. Kesäkuukausina järvivesi kerrostuu tai muodostaa lämpötilakerroksia, ja lämpimimmät vedet ovat järven pinnalla.

Kun ilman lämpötila laskee syksyllä, järviveden lämpötila jäähtyy 4 °: een. C; sen vuoksi tämä aiheuttaa laskuvirtausta, kun raskas kylmä vesi uppoaa ja syrjäyttää veden pohjassa. Hapirikas vesi järven pinnalla siirtyy sitten järven pohjaan, kun taas järven pohjassa olevat ravinteet nousevat pinnalle. Talvella järven pohjan happea käyttävät hajottajat ja muut happea tarvitsevat organismit, kuten kalat.

Lämpötila

Kuva 5. Tämä värikäs kuuma lähde Yellowstonen kansallispuistossa, Midwayn geysirialtaalla, on Yhdysvaltojen suurin ja maailman kolmanneksi suurin lähde. Sen runsas väri on seurausta kuumalähteen reunoja pitkin elävistä termofiilisistä organismeista.

Lämpötila vaikuttaa elollisten fysiologiaan sekä veden tiheyteen ja tilaan. Lämpötilalla on tärkeä vaikutus eläviin olentoihin, koska harvat elävät voivat selviytyä alle 0 ° C: n lämpötilassa aineenvaihdunnan rajoitusten vuoksi. On myös harvinaista, että elävät olennot selviävät yli 45 ° C: n (113 ° F) lämpötiloissa; tämä heijastaa evoluutiovastetta tyypillisiin lämpötiloihin. Entsyymit ovat tehokkaimpia kapealla ja tietyllä lämpötila-alueella; entsyymien hajoamista voi tapahtua korkeammissa lämpötiloissa. Siksi organismien on joko ylläpidettävä sisäistä lämpötilaa tai niiden on elettävä ympäristössä, joka pitää kehon aineenvaihduntaa tukevalla lämpötila-alueella. Jotkut eläimet ovat sopeutuneet antamaan keholleen mahdollisuuden selviytyä merkittävistä lämpötilan vaihteluista, kuten horrostilassa tai matelijan torporissa. Vastaavasti jotkut bakteerit ovat sopeutuneet selviytymään erittäin kuumissa lämpötiloissa, kuten geysirit. Tällaiset bakteerit ovat esimerkkejä ekstremofiileistä: organismeista, jotka menestyvät äärimmäisissä ympäristöissä.

Lämpötila voi rajoittaa elollisten leviämistä. Eläimet, joilla on lämpötilavaihteluita, voivat vastata sopeutumiseen, kuten muuttoliikkeeseen, selviytyäkseen. Muutto, liikkuminen paikasta toiseen, on mukautus, jota löytyy monista eläimistä, mukaan lukien monet, jotka elävät kausittain kylmässä ilmastossa. Muutto ratkaisee lämpötilaan, ruoan löytämiseen ja kaverin löytämiseen liittyvät ongelmat. Esimerkiksi muuttoliikkeessä arktinen tiira (Sterna paradisaea) tekee vuosittain 40 000 km edestakaisen lennon eteläisen pallonpuoliskon ruokinta-alueiden ja Jäämeren lisääntymisalueiden välillä. Hallitsijaperhoset (Danaus plexippus) elävät Yhdysvaltojen itäosassa lämpiminä kuukausina ja muuttavat Meksikoon ja Yhdysvaltojen eteläosiin talvella. Jotkut nisäkäslajit tekevät myös muuttolentoja. Porot (Rangifer tarandus) kulkevat vuosittain noin 5000 km (3100 mi) etsimään ruokaa. Sammakkoeläimet ja matelijat ovat levinneempiä, koska niiltä puuttuu muuttokyky. Kaikki eläimet, jotka pystyvät muuttamaan, eivät tee niin: muuttoliikkeellä on riski ja siitä aiheutuvat korkeat energiakustannukset.

Kuva 6. Pikkuoravat nukkuvat talvella, mutta ne tulevat unesta muutaman päivän välein syömään.

Jotkut eläimet horrostavat tai pyrkivät selviytymään vihamielisistä lämpötiloista. Lepotila antaa eläimille mahdollisuuden selviytyä kylmistä olosuhteista, ja estivointi antaa eläinten selviytyä vihamielisistä olosuhteista kuumassa ja kuivassa ilmastossa. Elävät eläimet, jotka lepotilassa tai aktivoituvat, siirtyvät torporiksi: tilaan, jossa heidän aineenvaihduntanopeutensa on huomattavasti alhaisempi. Tämän ansiosta eläin voi odottaa, kunnes ympäristö tukee paremmin selviytymistään. Joillakin sammakkoeläimillä, kuten puusammakolla (Rana sylvatica), on soluissaan jäänestoainetta muistuttavaa kemikaalia, joka säilyttää solujen eheyden ja estää niiden puhkeamisen. >

Lämpötila ja kosteus vaikuttavat merkittävästi kasvintuotantoon (ensisijainen tuottavuus) ja elintarvikkeena saatavan orgaanisen aineksen määrään (nettotuotanto).Nettotuotantoteho on arvio kaikista elintarvikkeina saatavista orgaanisista aineista; se lasketaan kiinteän hiilen kokonaismääränä vuodessa miinus soluhengityksen aikana hapettunut määrä. Maanpäällisissä olosuhteissa ensisijainen nettotuottavuus arvioidaan mittaamalla maanalainen biomassa pinta-alayksikköä kohti, joka on elävien kasvien kokonaismassa ilman juuria. Tämä tarkoittaa, että suuri osa kasvin biomassasta, joka on maan alla, ei sisälly tähän mittaukseen. Ensisijainen nettotuottavuus on tärkeä muuttuja, kun otetaan huomioon biomien erot. Erittäin tuottavilla biomeilla on korkea maanpäällinen biomassa.

Vuosittainen biomassan tuotanto liittyy suoraan ympäristön abioottisiin komponentteihin. Ympäristöissä, joissa on eniten biomassaa, on olosuhteet, joissa fotosynteesi, kasvien kasvu ja siitä johtuva ensisijainen nettotuotanto on optimoitu. Näiden alueiden ilmasto on lämmin ja märkä. Fotosynteesi voi edetä suurella nopeudella, entsyymit voivat toimia tehokkaimmin ja stomatat voivat pysyä avoimina ilman liiallisen henkäyksen riskiä; Yhdessä nämä tekijät johtavat siihen, että suurin määrä hiilidioksidia (CO2) siirtyy laitokseen, mikä johtaa korkeaan biomassan tuotantoon. Maanpäällinen biomassa tuottaa useita tärkeitä resursseja muille elollisille olennoille, mukaan lukien elinympäristö ja ruoka. Päinvastoin, kuivissa ja kylmissä ympäristöissä fotosynteesinopeus on alhaisempi ja siten vähemmän biomassaa. Saatavissa olevan ruoan väheneminen vaikuttaa myös siellä asuviin eläinyhteisöihin.

Epäorgaaniset ravinteet ja maaperä

Epäorgaaniset ravinteet, kuten typpi ja fosfori, ovat tärkeitä jakautumisessa ja jakautumisessa. runsaasti eläviä olentoja. Kasvit saavat näitä epäorgaanisia ravintoaineita maaperästä, kun vesi siirtyy kasviin juurien kautta. Siksi maaperän rakenteella (maaperän hiukkaskoko), maaperän pH: lla ja maaperän ravinnepitoisuudella on tärkeä rooli kasvien jakautumisessa. Eläimet saavat epäorgaanisia ravintoaineita kuluttamastaan ruoasta. Siksi eläinten jakelut liittyvät niiden syömiseen. Joissakin tapauksissa eläimet seuraavat ruokaresurssejaan liikkuessaan ympäristön läpi.

Vesi

Vettä tarvitsevat kaikki elävät olennot, koska se on kriittistä soluprosesseille. Koska maanpäälliset organismit menettävät vettä ympäristöön yksinkertaisen diffuusion avulla, ne ovat kehittäneet monia mukautumisia veden pidättämiseksi.

• Eläimet peitetään öljyisellä tai vahaisella iholla tai kynsinauhalla kosteuden säilyttämiseksi.
• Kasvien lehdillä on useita mielenkiintoisia piirteitä, kuten lehtikarvat ja vahamainen kynsinauha, jotka auttavat vähentämään veden menetystä hikoilun kautta.

Organismit, joita ympäröi vesi ei ole immuuni veden epätasapainolle; heillä on myös ainutlaatuiset mukautukset veden hallintaan soluissa ja niiden ulkopuolella.

• Makean veden organismeja ympäröi vesi ja ne ovat jatkuvasti vaarassa joutua veteen soluihinsa osmoosin takia. Monet makean veden ympäristössä elävien organismien sopeutumiset ovat kehittyneet sen varmistamiseksi, että liuenneiden aineiden pitoisuudet heidän ruumiissaan pysyvät sopivalla tasolla. Yksi tällainen mukautus on laimennetun virtsan erittyminen; laimennetulla virtsalla on vähän liuenneita aineita ja se on enimmäkseen vettä, mikä antaa heille mahdollisuuden karkottaa ylimääräinen vesi.
• Meren eliöitä ympäröi vesi, jonka liuenneen aineen pitoisuus on suurempi kuin organismin, ja siksi ne ovat vaarassa veden menettäminen ympäristöön osmoosin takia. Näillä organismeilla on morfologiset ja fysiologiset mukautukset veden pidättämiseksi ja liuenneiden aineiden vapauttamiseksi ympäristöön. Esimerkiksi meren iguanat (Amblyrhynchus cristatus) aivastavat pois runsaasti suolaa sisältävän vesihöyryn pitääkseen liuenneiden aineiden pitoisuudet hyväksyttävällä alueella uidessaan meressä ja syömällä merikasveja.

Muut vesitekijät

Jotkut abioottiset tekijät, kuten happi, ovat tärkeitä vesi- ja ekosysteemeissä sekä maaympäristöissä. Maanpäälliset eläimet saavat happea hengittämästään ilmasta. Hapen saatavuus voi olla ongelma organismeille, jotka elävät erittäin korkeissa korkeuksissa, mutta joissa on vähemmän happimolekyylejä ilmassa. Vesijärjestelmissä liuenneen hapen pitoisuus riippuu veden lämpötilasta ja nopeudesta, jolla vesi liikkuu. Kylmässä vedessä on enemmän liuennutta happea kuin lämpimässä vedessä. Lisäksi suolapitoisuus, virtaus ja vuorovesi voivat olla tärkeitä abioottisia tekijöitä vesiekosysteemeissä.

Muut maanpäälliset tekijät

Kuva 7. Tunkkimännän kypsät kartiot avautuvat vain korkeissa lämpötiloissa, kuten metsäpalossa. (luotto: USDA)

Tuuli voi olla tärkeä abioottinen tekijä, koska se vaikuttaa haihtumis- ja haihtumisnopeuteen.Tuulen fyysinen voima on tärkeä myös siksi, että se voi siirtää maaperää, vettä tai muita abioottisia tekijöitä samoin kuin ekosysteemin organismeja.

Tulipalo on toinen maanpäällinen tekijä, joka voi olla tärkeä maanpäällisten häiriöiden aiheuttaja. ekosysteemit. Jotkut organismit ovat sopeutuneet tuleen ja vaativat siten tuleen liittyvää suurta lämpöä osan elinkaarensa loppuun saattamiseksi. Esimerkiksi tunkimänty (Pinus banksiana) – havupuu – vaatii lämpöä tulesta siemenkartioidensa avaamiseksi. Tulipalo tappaa todennäköisesti suurimman osan kasvillisuudesta, joten palon jälkeen itävä taimi saa todennäköisemmin runsaasti auringonvaloa kuin se, joka itää normaaleissa olosuhteissa. Polttamalla männynpuikkoja palo lisää typpeä maaperään ja rajoittaa kilpailua tuhoamalla aluskasvillisuuden.

Tarkista ymmärryksesi

Vastaa alla oleviin kysymyksiin nähdäksesi, kuinka hyvin ymmärrät edellisessä osassa käsitellyt aiheet. Tätä lyhyttä tietokilpailua ei lasketa luokkasi arvosanaan, ja voit tehdä sen uudelleen rajoittamattoman määrän kertoja.

Käytä tätä tietokilpailua tarkistaaksesi ymmärryksesi ja päättääksesi (1) tutkiako edellistä osaa edelleen tai (2) siirry seuraavaan osioon.