Biológia a majorok számára II

Megkülönböztetni a környezet abiotikus és biotikus összetevőit

Sok erő befolyásolja a bioszféra különböző részein jelen lévő élő szervezetek közösségeit ( az élet által lakott Föld összes része). A bioszféra kiterjed a légkörbe (a Föld felett több kilométerrel) és az óceánok mélyére. Annak ellenére, hogy a bioszféra az ember számára nyilvánvalóan hatalmas, a ismert univerzumhoz képest csak egy percet foglal el. Számos abiotikus erő befolyásolja az élet létezését és a bioszféra különböző részein található organizmusok típusait. Az abiotikus tényezők befolyásolják az éghajlat, a növényvilág és az fauna eloszlását.

Biogeográfia

Biogeográfia az élőlények földrajzi eloszlásának és az eloszlásukat befolyásoló abiotikus tényezőknek a vizsgálata. Az abbiotikus tényezők, például a hőmérséklet és a csapadék, elsősorban a szélesség és a magasság függvényében változnak. Ezen abiotikus tényezők változásával a növényi és állati közösségek összetétele is változik. Például, ha az Egyenlítőnél kezdene egy utat, és észak felé sétálna, akkor észreveheti a növénytársulások fokozatos változását. Utazásának elején trópusi nedves erdőket lát, széles levelű örökzöld fákkal, amelyek jellemzőek az Egyenlítő közelében található növénytársulásokra. Amint folytatta az északi utat, látta, hogy ezek a széles levelű örökzöld növények végül szezonálisan száraz erdőket teremtenek szétszórt fákkal. Kezdené észrevenni a hőmérséklet és a nedvesség változását is. Körülbelül északi 30 foknál ezek az erdők utat engednének a sivatagoknak, amelyekre kevés csapadék jellemző.

Észak felé haladva észreveheti, hogy a sivatagokat gyepek vagy prériok váltják fel. Végül a gyepeket lombhullató mérsékelt erdők váltják fel. Ezek a lombhullató erdők utat engednek a szubarktiszon, a sarkkörtől délre fekvő területen található boreális erdőknek. Végül elérné a sarkvidéki tundrát, amely a legészakibb szélességi fokokon található. Ez az északi vándorlás fokozatos változásokat tár fel mind az éghajlatban, mind az élőlényekben, amelyek alkalmazkodtak a különböző szélességi fokokon található ökoszisztémákhoz kapcsolódó környezeti tényezőkhöz. Ugyanakkor különböző ökoszisztémák léteznek ugyanazon a szélességen, részben olyan abiotikus tényezők miatt, mint a sugáráramok, az Öböl-áramlat és az óceán áramlatai. Ha fel akarna túrázni egy hegyre, a növényzetben tapasztalható változások párhuzamosak lennének a magasabb szélességi fokokra való áttéréssel.

Fajeloszlás

A biogeográfiát tanulmányozó ökológusok fajok eloszlása. Nincs faj mindenütt; például a Vénusz légcsapdája északi és dél-karolinai kis területen honos. Az endemikus faj olyan, amely természetesen csak egy meghatározott földrajzi területen található meg, amelynek mérete általában korlátozott. Más fajok generalisták: a legkülönbözőbb földrajzi területeken élő fajok; a mosómedve például Észak- és Közép-Amerika nagy részén őshonos.

A fajok eloszlási mintázatai biotikus és abiotikus tényezőkön és azok hatásain alapulnak a fajok evolúciójához szükséges nagyon hosszú időszakokban; ezért a biogeográfia korai tanulmányai szorosan kapcsolódtak az evolúciós gondolkodás megjelenéséhez a XVIII. A növények és állatok legkülönbözőbb együttesei olyan régiókban fordulnak elő, amelyeket évmilliók óta fizikailag választanak el földrajzi akadályok. A biológusok szerint Ausztráliában például 600–700 000 növény- és állatfaj van. Az élő növény- és emlősfajok körülbelül 3/4-e endemikus faj, amely kizárólag Ausztráliában található meg (1. ábra).

1. ábra Ausztrália számos endemikus fajnak ad otthont. Az (a) wallaby (Wallabia bicolor), a kenguru család közepes nagyságú tagja, tasakos emlős vagy erszényes állat. A (b) echidna (Tachyglossus aculeatus) petesejtes emlős. (kredit a: Derrick Coetzee műve; b kredit: Allan Whittome munkájának módosítása)

Az ökológusok néha felfedezik a fajok eloszlásának egyedi mintáit azzal, hogy meghatározzák, hol nem található faj. Hawaiin például nincsenek hüllők vagy kétéltűek őshonos szárazföldi fajai, és csak egyetlen őshonos szárazföldi emlősük van, a szarvas denevér. Új-Guinea nagy részében – egy másik példaként – hiányoznak a placenta emlősök.

A növények lehetnek endémiásak vagy generalisták: az endemikus növények csak a Föld meghatározott területein találhatók meg, míg a generalisták sok régióban találhatók. Az elszigetelt szárazföldi tömegek – például Ausztrália, Hawaii és Madagaszkár – gyakran nagyszámú endemikus növényfajjal rendelkeznek. Ezen növények egy része veszélyeztetett az emberi tevékenység miatt. Az erdei gardénia (Gardenia brighamii) például Hawaiira jellemző; csak becslések szerint 15–20 fa létezik.

Energiaforrások

2. ábra. A tavaszi szépség mulandó tavaszi növény, amely tavasszal korán virágzik, hogy elkerülje a nagyobb erdei fákkal való versenyt a napfényért. (hitel: John Beetham)

A napból származó energiát zöld növények, algák, cianobaktériumok és fotoszintetikus protiszták fogják el. Ezek a szervezetek átalakítják a napenergiát minden élőlény számára szükséges kémiai energiává. A fény rendelkezésre állása fontos erő lehet, amely közvetlenül befolyásolja a fotoszintetizátorok adaptációinak alakulását. Például a mérsékelt égövi erdő aljzatának növényei árnyékba kerülnek, amikor a felettük lévő lombkoronában lévő fák késő tavasszal teljesen elhagynak. Nem meglepő, hogy az aljnövényekben alkalmazkodnak a rendelkezésre álló fény sikeres megragadásához. Az egyik ilyen adaptáció a tavaszi mulandó növények, például a tavaszi szépség gyors növekedése (2. ábra). Ezek a tavaszi virágok növekedésük nagy részét elérték és életciklusukat az évszak elején befejezik (szaporodnak), mielőtt a lombkoronában lévő fák leveleit kifejlesztenék.

A vízi ökoszisztémákban a fény hozzáférhetősége korlátozott lehet, mivel a napfény víz, növények, szuszpendált részecskék és rezidens mikroorganizmusok szívják fel. A tó, a tó vagy az óceán feneke felé van egy zóna, amelyet a fény nem érhet el. A fotoszintézis nem valósulhat meg ott, és ennek eredményeként számos olyan adaptáció alakult ki, amelyek lehetővé teszik az élőlények fény nélkül való túlélését. Például a vízi növények fotoszintetikus szövetekkel rendelkeznek a víz felszínének közelében; gondoljunk például egy tündérrózsa széles, lebegő leveleire – a tündérrózsa nem tud életben maradni fény nélkül. Olyan környezetekben, mint a hidrotermikus szellőzőnyílások, egyes baktériumok szervetlen vegyi anyagokból nyerik ki az energiát, mert nincs fény a fotoszintézishez.

3. ábra: Az óceán felújítása fontos folyamat, amely újrafeldolgozza a tápanyagokat és az energiát az óceánban. Ahogy a szél (zöld nyilak) kitolódik a tengerbe, az óceán fenekén lévő víz (piros nyilak) a felszínre kerül, és az óceán mélységéből tápanyagokat hoz fel.

A tápanyagok elérhetősége a vízi rendszerek szintén fontos szempontjai az energiának vagy a fotoszintézisnek. Sok organizmus az óceán fenekére süllyed, amikor meghal a nyílt vízben; amikor ez bekövetkezik, az abban az élő organizmusban található energia egy ideig elszakad, hacsak nem következik be az óceán felmelegedése. Az óceán felemelkedése a mély óceán vizeinek emelkedése, amely akkor következik be, amikor az uralkodó szél a felszíni vizek mentén fúj a part közelében (3. ábra). Amint a szél az óceán vizeit a tengerre nyomja, az óceán fenekéből a víz felfelé mozog ennek a víznek a helyettesítésére. Ennek eredményeként az elhalt organizmusokban található tápanyagok más élő szervezetek számára újrafelhasználhatóvá válnak. A tavak fenekén található tápanyagokat évente kétszer újrahasznosítják: tavasszal és ősszel a forgalom. A tavaszi és őszi forgalom szezonális folyamat, amely a tápanyagokat és az oxigént az édesvízi ökoszisztéma aljától a víztest tetejéig visszaforgatja. Ezeket az árbevételeket egy termoklin képződése okozza: egy olyan vízréteg, amelynek hőmérséklete jelentősen eltér a környező rétegekétől. Télen a sok északi régióban található tavak felszíne befagyott. A jég alatti víz azonban kissé melegebb, a tó fenekén pedig még melegebb 4–5 ° C-on (39,2–41 ° F). A víz a legsűrűbb 4 ° C-on; ezért a legmélyebb víz is a legsűrűbb. A legmélyebb víz oxigénben szegény, mert a szerves anyag bomlása a tó fenekén felhasználja a rendelkezésre álló oxigént, amelyet a felszíni jégréteg miatt nem lehet pótolni oxigéndiffúzióval a vízbe.

4. ábra A tavaszi és őszi forgalom fontos folyamat az édesvízi tavakban, amelyek a mély tavak fenekén lévő tápanyagokat és oxigént mozgatják. a csúcsra. Az árbevétel azért következik be, mert a víz maximális sűrűsége 4 ° C. A felszíni víz hőmérséklete az évszakok előrehaladtával változik, és a sűrűbb víz süllyed.

Tavasszal a levegő hőmérséklete nő és a felszíni jég megolvad. Amikor a felszíni víz hőmérséklete kezdi elérni a 4 ° C-ot, a víz nehezebbé válik, és a mélyére süllyed. A tó alján levő vizet ezután a nehezebb felszíni víz kiszorítja, és így a tetejére emelkedik. Amint ez a víz a tetejére emelkedik, a tó fenekéből származó üledékeket és tápanyagokat magával hozza. A nyári hónapokban a tó vize rétegződik, vagy hőmérsékleti rétegeket képez, a legmelegebb víz a tó felszínén van.

Ahogy ősszel csökken a levegő hőmérséklete, a tó vizének hőmérséklete 4 ° -ra hűl. C; ezért ez zuhanási forgalmat okoz, mivel a nehéz hideg víz elsüllyed és kiszorítja az alján lévő vizet. Az oxigénben gazdag víz a tó felszínén aztán a tó fenekére költözik, míg a tó fenekén található tápanyagok a felszínre emelkednek. A tél folyamán a tó fenekén lévő oxigént bontók és más, oxigént igénylő organizmusok, például halak használják fel.

Hőmérséklet

5. ábra: Ez a színes meleg forrás a Yellowstone Nemzeti Parkban, a Midway Geyser-medencében található, az Egyesült Államok legnagyobb melegforrása, és a világon a harmadik legnagyobb. Gazdag színe a forró tavasz szélein élő termofil organizmusok eredménye.

A hőmérséklet befolyásolja az élőlények fiziológiáját, valamint a víz sűrűségét és állapotát. A hőmérséklet fontos hatást gyakorol az élőlényekre, mert kevés élőlény képes túlélni 0 ° C (32 ° F) alatti hőmérsékleten az anyagcsere korlátai miatt. Ritkán fordul elő, hogy az élőlények túlélnek 45 ° C-ot meghaladó hőmérsékleten; ez tükrözi az evolúciós reakciót a tipikus hőmérsékletekre. Az enzimek a leghatékonyabbak egy szűk és meghatározott hőmérsékleti tartományban; az enzim lebomlása magasabb hőmérsékleten történhet. Ezért az organizmusoknak vagy meg kell tartaniuk a belső hőmérsékletet, vagy olyan környezetben kell élniük, amely a testet az anyagcserét támogató hőmérsékleti tartományon belül tartja. Néhány állat alkalmazkodott ahhoz, hogy testük túl tudja élni a jelentős hőmérséklet-ingadozásokat, például hibernált állapotban vagy hüllő torporjában. Hasonlóképpen, egyes baktériumok alkalmazkodnak a túlmelegedéshez, például a gejzírekben. Az ilyen baktériumok példák az extrémofilekre: olyan élőlények, amelyek szélsőséges környezetben fejlődnek.

A hőmérséklet korlátozhatja az élőlények eloszlását. A hőmérséklet-ingadozásokkal szembesülő állatok a túlélés érdekében adaptációkkal, például migrációval reagálhatnak. A vándorlás, az egyik helyről a másikra történő mozgás sok állatban megtalálható adaptáció, köztük sok szezonálisan hideg éghajlaton élő ember. A migráció megoldja a hőmérséklet, az étel elhelyezkedése és a párkeresés problémáit. A migráció során például az Északi-sarki csér (Sterna paradisaea) évente 40 000 km (24 000 mérföld) távolsági repülést tesz meg a déli féltekén táplálkozási területei és az Északi-sarkvidék tenyészterei között. Az uralkodó lepkék (Danaus plexippus) a melegebb hónapokban az Egyesült Államok keleti részén élnek, télen Mexikóba és az Egyesült Államok déli részébe vándorolnak. Az emlősök egyes fajai vándorlási kísérleteket is végeznek. A rénszarvas (Rangifer tarandus) évente körülbelül 5000 km-t (3100 mérföld) tesz meg, hogy élelmet találjon. A kétéltűek és a hüllők elterjedése korlátozottabb, mivel hiányzik a migrációs képességük. Nem minden vándorolni képes állat teszi ezt: a vándorlás kockázatot jelent és magas energiaköltséggel jár.

6. ábra. A mókusok hibernálódnak télen, de néhány naponta alvásból kelnek enni.

Egyes állatok hibernálnak vagy arra kényszerülnek, hogy túléljék az ellenséges hőmérsékleteket. A hibernálás lehetővé teszi az állatok számára, hogy túléljék a hideg körülményeket, az észlelés pedig az állatok túlélését a forró, száraz éghajlat ellenséges körülményei között. A hibernált vagy aktiváló állatok olyan állapotba kerülnek, amelyet torpornak neveznek: olyan állapotba, amelyben anyagcseréjük sebessége jelentősen csökken. Ez lehetővé teszi az állat számára, hogy megvárja, amíg környezete jobban támogatja túlélését. Egyes kétéltűek, mint például a fa béka (Rana sylvatica), fagyálló szerű kémiai anyagot tartalmaznak sejtjeikben, amely megőrzi a sejtek integritását és megakadályozza a repedést.

A növény növekedését befolyásoló abbiotikus tényezők

A hőmérséklet és a nedvesség fontos hatással van a növénytermesztésre (elsődleges termelékenység) és az élelmiszerként rendelkezésre álló szerves anyagok mennyiségére (nettó elsődleges termelékenység).A nettó elsődleges termelékenység az élelmiszerként rendelkezésre álló összes szerves anyag becslése; azt úgy számolják, hogy az összes rögzített szén mennyisége évente levonva a sejtlégzés során oxidálódó mennyiséget. Földi környezetekben a nettó elsődleges termelékenységet úgy becsüljük meg, hogy megmérjük a területegységre jutó föld feletti biomasszát, amely az élő növények teljes tömege, a gyökerek nélkül. Ez azt jelenti, hogy a föld alatti növényi biomassza nagy százaléka nem szerepel ebben a mérésben. A nettó elsődleges termelékenység fontos változó, ha figyelembe vesszük a biomák különbségeit. A nagyon produktív biomákban magas a felszín biomassza.

Az éves biomassza-termelés közvetlenül kapcsolódik a környezet abiotikus komponenseihez. A legnagyobb biomassza-tartalmú környezetek olyan körülmények között optimalizálják a fotoszintézist, a növények növekedését és az ebből adódó elsődleges nettó termelékenységet. Ezen területek éghajlata meleg és nedves. A fotoszintézis nagy sebességgel haladhat, az enzimek a leghatékonyabban működhetnek, és a sztómák nyitott maradhatnak anélkül, hogy fennállna a túlzott transzpiráció veszélye; Ezek a tényezők együttesen ahhoz vezetnek, hogy a szén-dioxid (CO2) maximálisan bekerüljön a növénybe, ami magas biomassza-termelést eredményez. A föld feletti biomassza számos fontos erőforrást hoz létre más élőlények számára, beleértve az élőhelyeket és az élelmiszereket. Ezzel szemben a száraz és hideg környezetben alacsonyabb a fotoszintetikus sebesség, ezért kevesebb a biomassza. Az ott élő állatközösségeket is befolyásolja a rendelkezésre álló táplálék csökkenése.

Szervetlen tápanyagok és talaj

A szervetlen tápanyagok, például a nitrogén és a foszfor fontosak az eloszlásban és a rengeteg élőlény. A növények ezeket a szervetlen tápanyagokat a talajból nyerik, amikor a víz a gyökereken keresztül bekerül a növénybe. Ezért a talaj szerkezete (a talaj összetevőinek részecskemérete), a talaj pH-értéke és a talaj tápanyagtartalma fontos szerepet játszik a növények eloszlásában. Az állatok szervetlen tápanyagokat nyernek az elfogyasztott ételből. Ezért az állatok eloszlása összefügg az elfogyasztottak elosztásával. Bizonyos esetekben az állatok követni fogják az élelmiszer-erőforrásaikat, amint azok a környezetben mozognak.

Víz

A vízre minden élőlénynek szüksége van, mert kritikus a sejtes folyamatok szempontjából. Mivel a szárazföldi élőlények egyszerű diffúzióval veszítik el a vizet a környezetbe, sokféle alkalmazkodást fejlesztettek ki a víz visszatartására.

• Az állatokat a nedvesség megtartása érdekében olajos vagy viaszos bőr vagy kutikula borítja.
• A növények levelein számos érdekes vonás található, például a levélszőrszálak és a viaszos kutikula, amelyek a transzpiráció révén csökkentik a vízveszteség mértékét.

Szervezetek, amelyeket körülvesz a víz nem mentes a víz egyensúlyhiányától; nekik is egyedülálló adaptációik vannak a víz kezelésére a sejteken belül és kívül.

• Az édesvízi organizmusokat víz veszi körül, és folyamatosan fennáll annak a veszélye, hogy az ozmózis miatt a víz bejut a sejtjeikbe. Az édesvízi környezetben élő szervezetek számos adaptációja fejlődött annak biztosítására, hogy testükben az oldott anyag koncentrációja megfelelő szinten maradjon. Az egyik ilyen adaptáció a híg vizelet kiválasztása; A híg vizeletnek alacsony az oldott anyag koncentrációja, és főleg víz, ami lehetővé teszi számukra a felesleges víz kiürítését. vizet veszít a környezetbe az ozmózis miatt. Ezek az organizmusok morfológiai és fiziológiai alkalmazkodással rendelkeznek a víz visszatartására és az oldott anyagok környezetbe juttatására. Például a tengeri leguánok (Amblyrhynchus cristatus) tüsszentik ki a magas sótartalmú vízgőzt annak érdekében, hogy az oldott anyag koncentrációja elfogadható tartományban maradjon az óceánban úszva és tengeri növényeket fogyasztva.

Egyéb vízi tényezők

Néhány abiotikus tényező, mint például az oxigén, fontos a vízi ökoszisztémákban, valamint a szárazföldi környezetben is. A szárazföldi állatok oxigént nyernek a belélegzett levegőből. Az oxigén hozzáférhetősége problémát jelenthet a nagyon magasan élő organizmusok számára, ahol a levegőben kevesebb oxigénmolekula található. A vízi rendszerekben az oldott oxigén koncentrációja összefügg a víz hőmérsékletével és a víz mozgásának sebességével. A hideg vízben több oldott oxigén van, mint a melegebb vízben. Ezenkívül a sótartalom, az áramlás és az árapály fontos abiotikus tényezők lehetnek a vízi ökoszisztémákban.

Egyéb szárazföldi tényezők

7. ábra Az emelőfenyő érett kúpjai csak magas hőmérsékletnek vannak kitéve, például erdőtűz esetén. (jóváírás: USDA)

A szél fontos abiotikus tényező lehet, mert befolyásolja a párolgás és a transzpiráció sebességét.A szél fizikai ereje azért is fontos, mert megmozgathatja a talajt, a vizet vagy más abiotikus tényezőket, valamint az ökoszisztéma organizmusait.

A tűz egy másik földi tényező, amely a szárazföldi zavarok egyik fontos tényezője lehet. ökoszisztémák. Egyes organizmusok alkalmazkodnak a tűzhöz, és így életük ciklusának egy részéhez a tűzhöz kapcsolódó nagy hőre van szükség. Például a bakfenyő (Pinus banksiana) – egy tűlevelű fa – tűzhőre van szüksége, hogy magkúpjai megnyíljanak. A tűz valószínűleg megöli a legtöbb növényzetet, így a tűz után csírázó csemete nagyobb valószínűséggel kap bőséges napfényt, mint normál körülmények között csírázó. A fenyőtüzek elégetésén keresztül a tűz nitrogénnel egészíti ki a talajt, és korlátozza a versenyt az aljnövényzet elpusztításával.

Ellenőrizze megértésed

Válaszolj az alábbi kérdésekre, hogy megérthesd az előző szakaszban tárgyalt témák. Ez a rövid vetélkedő nem számít bele az osztályzat osztályzatába, és korlátlan számú alkalommal felveheti.

Ezzel a kvízzel ellenőrizheti megértését, és eldöntheti, hogy (1) tovább tanulmányozza-e az előző szakaszt. vagy (2) lépjen a következő szakaszra.