Biology for Majors II (Norsk)

Skille mellom abiotiske og biotiske komponenter i miljøet

Mange krefter påvirker samfunnene av levende organismer som er tilstede i forskjellige deler av biosfæren ( alle delene av jorden bebodd av livet). Biosfæren strekker seg ut i atmosfæren (flere kilometer over jorden) og inn i havdypet. Til tross for sin tilsynelatende storhet for et enkelt menneske, tar biosfæren bare et lite rom i forhold til det kjente universet. Mange abiotiske krefter påvirker hvor livet kan eksistere og hvilke typer organismer som finnes i forskjellige deler av biosfæren. De abiotiske faktorene påvirker fordelingen av klima, flora og fauna.

Biogeografi

Biogeografi er studiet av den geografiske fordelingen av levende ting og de abiotiske faktorene som påvirker deres fordeling. Abiotiske faktorer som temperatur og nedbør varierer hovedsakelig basert på breddegrad og høyde. Når disse abiotiske faktorene endres, endres også sammensetningen av plante- og dyresamfunn. Hvis du for eksempel skulle begynne en reise ved ekvator og gå nordover, vil du merke gradvise endringer i plantesamfunn. På begynnelsen av reisen din ville du se tropiske våte skoger med bredbladede eviggrønne trær, som er karakteristiske for plantesamfunn som finnes i nærheten av ekvator. Når du fortsatte å reise nordover, ville du se at disse bredbladede eviggrønne plantene til slutt gir opphav til sesongtørre skoger med spredte trær. Du vil også begynne å legge merke til endringer i temperatur og fuktighet. Omtrent 30 grader nord ville disse skogene vike for ørkener, som er preget av lav nedbør.

Når du beveger oss lenger nord, vil du se at ørkener erstattes av gressletter eller prærier. Til slutt erstattes gressletter med løvfellende tempererte skoger. Disse løvskogene viker for de boreale skogene som finnes i subarktis, området sør for polarsirkelen. Til slutt vil du nå den arktiske tundraen, som finnes på de nordligste breddegradene. Denne turen nord avslører gradvise endringer i både klima og typer organismer som har tilpasset seg miljøfaktorer knyttet til økosystemer som finnes på forskjellige breddegrader. Imidlertid eksisterer forskjellige økosystemer på samme breddegrad, delvis på grunn av abiotiske faktorer som jetstrømmer, Golfstrømmen og havstrømmene. Hvis du skulle vandre opp et fjell, ville endringene du ville se i vegetasjonen være parallelle med dem når du beveger deg til høyere breddegrader.

Artdistribusjon

Økologer som studerer biogeografi undersøker mønstre for artsutbredelse. Ingen arter eksisterer overalt; for eksempel er Venus flytrap endemisk i et lite område i North og South Carolina. En endemisk art er en som naturlig finnes bare i et bestemt geografisk område som vanligvis er begrenset i størrelse. Andre arter er generalister: arter som lever i et bredt utvalg av geografiske områder; vaskebjørn, for eksempel, er innfødt i det meste av Nord- og Mellom-Amerika.

Artenes distribusjonsmønstre er basert på biotiske og abiotiske faktorer og deres innflytelse i svært lange perioder som kreves for artsutvikling; derfor var tidlige studier av biogeografi nært knyttet til fremveksten av evolusjonær tenkning i det attende århundre. Noen av de mest karakteristiske samlingene av planter og dyr forekommer i regioner som har blitt skilt fysisk i millioner av år av geografiske barrierer. Biologer anslår at Australia for eksempel har mellom 600 000 og 700 000 arter av planter og dyr. Omtrent 3/4 av levende plante- og pattedyrarter er endemiske arter som bare finnes i Australia (Figur 1).

Figur 1. Australia er hjem for mange endemiske arter. (A) wallaby (Wallabia bicolor), et mellomstort medlem av kengurufamilien, er et pungpattedyr eller pungdyr. (B) echidna (Tachyglossus aculeatus) er et eggleggende pattedyr. (kreditt a: modifikasjon av arbeid av Derrick Coetzee; kreditt b: modifikasjon av arbeid av Allan Whittome)

Noen ganger oppdager økologer unike mønstre for artsfordeling ved å bestemme hvor arten ikke finnes. Hawaii, for eksempel, har ingen innfødte landarter av reptiler eller amfibier, og har bare ett innfødt landpattedyr, hoary bat. Det meste av Ny Guinea mangler som et annet eksempel placentapattedyr.

Planter kan være endemiske eller generalister: endemiske planter finnes bare på bestemte regioner på jorden, mens generalister finnes i mange regioner. Isolerte landmasser – som Australia, Hawaii og Madagaskar – har ofte et stort antall endemiske plantearter. Noen av disse plantene er truet på grunn av menneskelig aktivitet. Forest gardenia (Gardenia brighamii) er for eksempel endemisk mot Hawaii; det antas bare at det eksisterer 15-20 trær.

Energikilder

Figur 2. Vårens skjønnhet er en kortvarig vårplante som blomstrer tidlig på våren for å unngå å konkurrere med større skogstrær om sollys. (kreditt: John Beetham)

Energi fra solen fanges opp av grønne planter, alger, cyanobakterier og fotosyntetiske protister. Disse organismene konverterer solenergi til den kjemiske energien som trengs av alle levende ting. Lystilgjengelighet kan være en viktig kraft som direkte påvirker utviklingen av tilpasninger i fotosyntetiser. For eksempel blir planter i underkanten av en temperert skog skyggelagt når trærne over dem i baldakinen helt løfter ut på slutten av våren. Ikke overraskende har understory planter tilpasninger for å lykkes med å fange tilgjengelig lys. En slik tilpasning er den raske veksten av vårens flyktige planter som vårens skjønnhet (figur 2). Disse vårblomstene oppnår mye av veksten og avslutter livssyklusen (reproduserer) tidlig på sesongen før trærne i baldakinen utvikler blader.

I vannøkosystemer kan tilgjengeligheten av lys være begrenset fordi sollys er absorberes av vann, planter, suspenderte partikler og faste mikroorganismer. Mot bunnen av en innsjø, dam eller hav er det en sone som lys ikke når. Fotosyntese kan ikke finne sted der, og som et resultat har det utviklet seg en rekke tilpasninger som gjør at levende ting kan overleve uten lys. For eksempel har vannplanter fotosyntetisk vev nær vannoverflaten; tenk for eksempel på de brede, flytende bladene til en vannlilje – vannliljer kan ikke overleve uten lys. I miljøer som hydrotermiske ventilasjoner trekker noen bakterier ut energi fra uorganiske kjemikalier fordi det ikke er noe lys for fotosyntese.

Figur 3. Oppvarming av havet er en viktig prosess som resirkulerer næringsstoffer og energi i havet. Når vind (grønne piler) skyver til havs, fører det til at vann fra havbunnen (røde piler) beveger seg til overflaten, og bringer næringsstoffer opp fra havdypet.

Tilgjengeligheten av næringsstoffer i akvatiske systemer er også et viktig aspekt av energi eller fotosyntese. Mange organismer synker til bunnen av havet når de dør i det åpne vannet; når dette skjer, blir den energien som finnes i den levende organismen, bundet i noen tid, med mindre havoppstøt oppstår. Oppvarming av havet er stigningen av dypt havvann som oppstår når rådende vind blåser langs overflatevann nær en kystlinje (figur 3). Når vinden skyver havvann til havs, beveger vann fra havbunnen seg opp for å erstatte dette vannet. Som et resultat blir næringsstoffene som en gang er inneholdt i døde organismer tilgjengelige for gjenbruk av andre levende organismer.

I ferskvannssystemer skjer resirkulering av næringsstoffer som svar på endringer i lufttemperaturen. Næringsstoffene på bunnen av innsjøene resirkuleres to ganger hvert år: om våren og høsten omsetning. Vår- og høstomsetningen er en sesongbasert prosess som resirkulerer næringsstoffer og oksygen fra bunnen av et ferskvannsøkosystem til toppen av en vannmasse. Disse omsetningene er forårsaket av dannelsen av en termoklin: et vannlag med en temperatur som er vesentlig forskjellig fra de omkringliggende lagene. Om vinteren er overflaten av innsjøer som finnes i mange nordlige regioner frossen. Imidlertid er vannet under isen litt varmere, og vannet i bunnen av innsjøen er varmere, men likevel ved 4 ° C til 5 ° C (39,2 ° F til 41 ° F). Vannet er tettest ved 4 ° C; derfor er det dypeste vannet også det tetteste. Det dypeste vannet er oksygenfattig fordi nedbrytningen av organisk materiale på bunnen av innsjøen bruker opp tilgjengelig oksygen som ikke kan erstattes ved hjelp av oksygendiffusjon i vannet på grunn av islaget.

Figur 4. Vår- og høstomsetningen er viktige prosesser i ferskvannssjøer som virker for å flytte næringsstoffene og oksygen i bunnen av dype innsjøer til toppen. Omsetningen skjer fordi vann har en maksimal tetthet ved 4 ° C. Overflatevannstemperaturen endres etter hvert som årstidene skrider frem, og tettere vann synker.

Om våren øker lufttemperaturen og isen smelter. Når temperaturen på overflatevannet begynner å nå 4 ° C, blir vannet tyngre og synker til bunnen. Vannet på bunnen av sjøen fortrenges deretter av det tyngre overflatevannet og stiger dermed til toppen. Når vannet stiger til toppen, bringes sedimentene og næringsstoffene fra innsjøbunnen sammen med det. I løpet av sommermånedene stratifiserer innsjøvannet, eller danner lag av temperatur, med det varmeste vannet ved vannoverflaten.

Når lufttemperaturen synker om høsten, avkjøles temperaturen på innsjøvannet til 4 ° C; derfor fører dette til fallomsetning når det tunge, kalde vannet synker og fortrenger vannet i bunnen. Det oksygenrike vannet på overflaten av innsjøen beveger seg deretter til bunnen av innsjøen, mens næringsstoffene i bunnen av innsjøen stiger til overflaten. Om vinteren brukes oksygen på bunnen av innsjøen av spaltere og andre organismer som krever oksygen, for eksempel fisk.

Temperatur

Figur 5. Denne fargerike varme kilden i Yellowstone nasjonalpark, som ligger i Midway Geyser Basin, er den største varme kilden i USA og den tredje største i verden. Den rike fargen er resultatet av termofile organismer som lever langs kantene av den varme kilden.

Temperatur påvirker fysiologien til levende ting, så vel som tettheten og tilstanden til vannet. Temperatur har en viktig innflytelse på levende ting fordi få levende ting kan overleve ved temperaturer under 0 ° C (32 ° F) på grunn av metabolske begrensninger. Det er også sjelden at levende ting overlever ved temperaturer over 45 ° C (113 ° F); dette er en refleksjon av evolusjonær respons på typiske temperaturer. Enzymer er mest effektive innenfor et smalt og spesifikt temperaturområde; enzymnedbrytning kan forekomme ved høyere temperaturer. Derfor må organismer enten opprettholde en indre temperatur, eller de må bo i et miljø som vil holde kroppen innenfor et temperaturområde som støtter stoffskiftet. Noen dyr har tilpasset seg for å gjøre det mulig for kroppene sine å overleve betydelige temperatursvingninger, slik som sett i dvale eller krypdyr. På samme måte er noen bakterier tilpasset for å overleve i ekstremt varme temperaturer som geysirer. Slike bakterier er eksempler på ekstremofiler: organismer som trives i ekstreme miljøer.

Temperatur kan begrense distribusjonen av levende ting. Dyr overfor temperatursvingninger kan svare med tilpasninger, for eksempel migrasjon, for å overleve. Migrasjon, bevegelsen fra et sted til et annet, er en tilpasning som finnes i mange dyr, inkludert mange som bor i sesongens kalde klima. Migrasjon løser problemer knyttet til temperatur, å finne mat og finne en kompis. I migrasjon, for eksempel, tar den arktiske ternen (Sterna paradisaea) en 40.000 km (24.000 mi) tur / retur hvert år mellom fôringsplassene på den sørlige halvkule og dens hekkeområder i Polhavet. Monark sommerfugler (Danaus plexippus) lever i det østlige USA i de varmere månedene og migrerer til Mexico og det sørlige USA om vinteren. Noen pattedyrarter gjør også trekkplasser. Reinsdyr (Rangifer tarandus) reiser hvert år rundt 5000 km (3.100 mi) for å finne mat. Amfibier og reptiler er mer begrenset i distribusjonen fordi de mangler trekkevne. Ikke alle dyr som kan vandre, gjør det: migrasjon medfører risiko og medfører høye energikostnader.

Figur 6. Fresemunker ligger i dvale for vinteren, men de kommer ut av søvn noen få dager for å spise.

Noen dyr ligger i dvale eller estiverer for å overleve fiendtlige temperaturer. Dvalemodus gjør det mulig for dyr å overleve kalde forhold, og estivasjon lar dyr overleve de fiendtlige forholdene i et varmt, tørt klima. Dyr som er i dvale eller estiverer, kommer inn i en tilstand som kalles torpor: en tilstand der stoffskiftet reduseres betydelig. Dette gjør at dyret kan vente til omgivelsene bedre støtter dets overlevelse. Noen amfibier, som trefrosk (Rana sylvatica), har et frostvæske-lignende kjemikalie i cellene, som beholder cellenes integritet og hindrer dem i å sprekke.

Abiotiske faktorer som påvirker plantevekst

Temperatur og fuktighet er viktig innflytelse på planteproduksjonen (primærproduktivitet) og mengden organisk materiale som er tilgjengelig som mat (netto primærproduktivitet).Netto primærproduktivitet er en estimering av alt det organiske stoffet som er tilgjengelig som mat; det beregnes som den totale mengden karbon som er fast per år minus mengden som oksideres under cellulær respirasjon. I terrestriske miljøer estimeres nettoprimærproduktiviteten ved å måle den overjordiske biomassen per arealenhet, som er den totale massen av levende planter, eksklusive røtter. Dette betyr at en stor andel av plantebiomassen som eksisterer under jorden ikke er inkludert i denne målingen. Netto primærproduktivitet er en viktig variabel når man vurderer forskjeller i biomer. Svært produktive biomer har et høyt nivå av biomasse over bakken.

Årlig produksjon av biomasse er direkte relatert til de abiotiske komponentene i miljøet. Miljøer med størst mengde biomasse har forhold der fotosyntese, plantevekst og den resulterende nettoprimproduktiviteten optimaliseres. Klimaet i disse områdene er varmt og vått. Fotosyntese kan fortsette i høy hastighet, enzymer kan fungere mest effektivt, og stomata kan forbli åpen uten risiko for overdreven transpirasjon; sammen fører disse faktorene til at den maksimale mengden karbondioksid (CO2) beveger seg inn i anlegget, noe som resulterer i høy biomasseproduksjon. Den overjordiske biomassen produserer flere viktige ressurser for andre levende ting, inkludert habitat og mat. Omvendt har tørre og kalde omgivelser lavere fotosyntetiske hastigheter og derfor mindre biomasse. Dyresamfunnene som bor der, vil også bli påvirket av nedgangen i tilgjengelig mat.

Uorganiske næringsstoffer og jord

Uorganiske næringsstoffer, som nitrogen og fosfor, er viktige i distribusjonen og overflod av levende ting. Planter får disse uorganiske næringsstoffene fra jorden når vann beveger seg inn i planten gjennom røttene. Derfor spiller jordstruktur (partikkelstørrelse på jordkomponenter), jordens pH og næringsinnhold i jord en viktig rolle i fordelingen av planter. Dyr får uorganiske næringsstoffer fra maten de spiser. Derfor er dyredistribusjoner relatert til fordelingen av det de spiser. I noen tilfeller vil dyr følge matressursen når den beveger seg gjennom miljøet.

Vann

Vann kreves av alle levende ting fordi det er viktig for cellulære prosesser. Siden landlevende organismer mister vann til miljøet ved enkel diffusjon, har de utviklet mange tilpasninger for å beholde vann.

• Dyr vil bli dekket av en fet eller voksaktig hud eller neglebånd for å beholde fuktighet.
• Planter har en rekke interessante funksjoner på bladene, for eksempel bladhår og voksaktig neglebånd, som tjener til å redusere hastigheten på vanntap via transpirasjon.

Organismer omgitt av vann er ikke immun mot vannbalanse; de har også unike tilpasninger for å håndtere vann inne i og ut av celler.

• Ferskvannsorganismer er omgitt av vann og står stadig i fare for å få vann til å strømme inn i cellene på grunn av osmose. Mange tilpasninger av organismer som lever i ferskvannsmiljøer har utviklet seg for å sikre at konsentrasjonen av løste stoffer i kroppen holder seg innenfor passende nivåer. En slik tilpasning er utskillelsen av fortynnet urin; fortynnet urin har en lav konsentrasjon av oppløste stoffer og er for det meste vann, noe som gjør at de kan drive ut overflødig vann. mister vann til miljøet på grunn av osmose. Disse organismene har morfologiske og fysiologiske tilpasninger for å beholde vann og frigjøre oppløste stoffer i miljøet. For eksempel, marine iguaner (Amblyrhynchus cristatus), nyser ut vanndamp som inneholder mye salt for å opprettholde konsentrasjonen av løste stoffer innenfor et akseptabelt område mens du svømmer i havet og spiser marine planter.

Andre vannfaktorer

Noen abiotiske faktorer, som oksygen, er viktige i vannøkosystemer så vel som terrestriske miljøer. Terrestriske dyr henter oksygen fra luften de puster inn. Oksygentilgjengelighet kan være et problem for organismer som lever i svært høye høyder, der det er færre oksygenmolekyler i luften. I akvatiske systemer er konsentrasjonen av oppløst oksygen relatert til vanntemperaturen og hastigheten som vannet beveger seg på. Kaldt vann har mer oppløst oksygen enn varmere vann. I tillegg kan saltholdighet, strøm og tidevann være viktige abiotiske faktorer i akvatiske økosystemer.

Andre terrestriske faktorer

Figur 7. Jack-furuens modne kjegler åpnes bare når de utsettes for høye temperaturer, for eksempel under en skogbrann. (kreditt: USDA)

Vind kan være en viktig abiotisk faktor fordi den påvirker fordampningshastigheten og transpirasjonshastigheten.Vindens fysiske kraft er også viktig fordi den kan flytte jord, vann eller andre abiotiske faktorer, så vel som et økosystems organismer.

Brann er en annen jordbasert faktor som kan være et viktig middel for forstyrrelse i bakken. økosystemer. Noen organismer er tilpasset ild og krever derfor høy varme assosiert med ild for å fullføre en del av deres livssyklus. Jack-furu (Pinus banksiana) – et nåletre – krever for eksempel varme fra ild for at frøkeglene kan åpnes. En brann vil sannsynligvis drepe mest vegetasjon, så det er mer sannsynlig at en frøplante som spirer etter en brann får rikelig med sollys enn en som spirer under normale forhold. Gjennom avbrenning av furunåler tilfører ild nitrogen til jorda og begrenser konkurransen ved å ødelegge underveksten.

Sjekk forståelsen din

Svar på spørsmålene nedenfor for å se hvor godt du forstår emnene dekket i forrige avsnitt. Denne korte quizen teller ikke med i karakteren din i klassen, og du kan ta den på nytt ubegrenset antall ganger.

Bruk denne quizen for å sjekke forståelsen din og bestemme om du vil (1) studere forrige avsnitt videre eller (2) gå videre til neste seksjon.