Biology for Majors II

Onderscheid tussen abiotische en biotische componenten van het milieu

Vele krachten beïnvloeden de gemeenschappen van levende organismen die aanwezig zijn in verschillende delen van de biosfeer ( alle delen van de aarde die door leven worden bewoond). De biosfeer strekt zich uit tot in de atmosfeer (enkele kilometers boven de aarde) en tot in de diepten van de oceanen. Ondanks zijn schijnbare uitgestrektheid voor een individuele mens, neemt de biosfeer slechts een minuut ruimte in vergeleken met het bekende universum. Veel abiotische krachten beïnvloeden waar leven kan bestaan en de soorten organismen die in verschillende delen van de biosfeer worden aangetroffen. De abiotische factoren beïnvloeden de verspreiding van klimaten, flora en fauna.

Biogeografie

Biogeografie is de studie van de geografische spreiding van levende wezens en de abiotische factoren die hun spreiding beïnvloeden. Abiotische factoren zoals temperatuur en regenval variëren voornamelijk op basis van de breedte- en hoogte. Naarmate deze abiotische factoren veranderen, verandert ook de samenstelling van planten- en diergemeenschappen. Als u bijvoorbeeld een reis zou beginnen bij de evenaar en naar het noorden zou lopen, zou u geleidelijke veranderingen in plantengemeenschappen opmerken. Aan het begin van je reis zou je tropische natte bossen zien met breedbladige groenblijvende bomen, die kenmerkend zijn voor plantengemeenschappen in de buurt van de evenaar. Terwijl je verder naar het noorden reisde, zou je zien dat deze breedbladige groenblijvende planten uiteindelijk leiden tot droge bossen met verspreide bomen. Je zou ook veranderingen in temperatuur en vochtigheid gaan opmerken. Op ongeveer 30 graden noorderbreedte zouden deze bossen plaatsmaken voor woestijnen, die worden gekenmerkt door weinig neerslag.

Als je verder naar het noorden reist, zou je zien dat woestijnen worden vervangen door graslanden of prairies. Uiteindelijk worden graslanden vervangen door bladverliezende gematigde bossen. Deze loofbossen maken plaats voor de boreale bossen in het subarctische gebied, het gebied ten zuiden van de poolcirkel. Uiteindelijk bereik je de Arctische toendra, die op de meest noordelijke breedtegraden voorkomt. Deze trek naar het noorden onthult geleidelijke veranderingen in zowel het klimaat als de soorten organismen die zich hebben aangepast aan omgevingsfactoren die verband houden met ecosystemen die op verschillende breedtegraden worden aangetroffen. Er bestaan echter verschillende ecosystemen op dezelfde breedtegraad, gedeeltelijk als gevolg van abiotische factoren zoals straalstromen, de Golfstroom en oceaanstromingen. Als je een berg zou beklimmen, zouden de veranderingen die je in de vegetatie zou zien parallel lopen met die als je naar hogere breedtegraden gaat.

Soortverspreiding

Ecologen die biogeografie bestuderen, onderzoeken patronen van soortverspreiding. Geen enkele soort komt overal voor; de vliegenval van Venus is bijvoorbeeld endemisch in een klein gebied in Noord- en Zuid-Carolina. Een endemische soort is er een die van nature alleen voorkomt in een specifiek geografisch gebied dat meestal beperkt is in omvang. Andere soorten zijn generalisten: soorten die in een grote verscheidenheid aan geografische gebieden leven; de wasbeer komt bijvoorbeeld voor in het grootste deel van Noord- en Midden-Amerika.

De verspreidingspatronen van soorten zijn gebaseerd op biotische en abiotische factoren en hun invloeden gedurende de zeer lange tijdsperioden die nodig zijn voor de evolutie van soorten; daarom waren vroege studies van biogeografie nauw verbonden met de opkomst van het evolutionaire denken in de achttiende eeuw. Enkele van de meest onderscheidende assemblages van planten en dieren komen voor in regios die al miljoenen jaren fysiek gescheiden zijn geweest door geografische barrières. Biologen schatten dat Australië bijvoorbeeld tussen de 600.000 en 700.000 soorten planten en dieren telt. Ongeveer 3/4 van de levende plant- en zoogdiersoorten zijn endemische soorten die uitsluitend in Australië voorkomen (Figuur 1).

Figuur 1. Australië herbergt veel endemische soorten. De (a) wallaby (Wallabia bicolor), een middelgroot lid van de kangoeroe-familie, is een buideldier of buideldier. De (b) echidna (Tachyglossus aculeatus) is een zoogdier dat eieren legt. (credit a: wijziging van werk door Derrick Coetzee; credit b: wijziging van werk door Allan Whittome)

Soms ontdekken ecologen unieke patronen van soortverspreiding door te bepalen waar soorten niet worden gevonden. Hawaii heeft bijvoorbeeld geen inheemse landsoorten reptielen of amfibieën, en heeft slechts één inheems landzoogdier, de grijze vleermuis. Het grootste deel van Nieuw-Guinea, als een ander voorbeeld, heeft geen placenta-zoogdieren.

Planten kunnen endemisch of generalistisch zijn: endemische planten komen alleen voor in specifieke delen van de aarde, terwijl generalisten in veel regios voorkomen. Geïsoleerde landmassas – zoals Australië, Hawaii en Madagaskar – hebben vaak grote aantallen endemische plantensoorten. Sommige van deze planten worden bedreigd door menselijke activiteit. De bostuinia (Gardenia brighamii) is bijvoorbeeld endemisch voor Hawaï; er wordt aangenomen dat er naar schatting 15-20 bomen bestaan.

Energiebronnen

Figuur 2. De lenteschoonheid is een kortstondige lenteplant die vroeg in de lente bloeit om te voorkomen dat ze met grotere bosbomen concurreert om zonlicht. (tegoed: John Beetham)

Energie van de zon wordt opgevangen door groene planten, algen, cyanobacteriën en fotosynthetische protisten. Deze organismen zetten zonne-energie om in de chemische energie die alle levende wezens nodig hebben. De beschikbaarheid van licht kan een belangrijke kracht zijn die de evolutie van aanpassingen in fotosynthesizers rechtstreeks beïnvloedt. Planten in de onderlaag van een gematigd bos krijgen bijvoorbeeld schaduw wanneer de bomen erboven in het bladerdak in het late voorjaar volledig uitbladeren. Het is niet verrassend dat understory-planten aanpassingen hebben om het beschikbare licht met succes te vangen. Een van die aanpassingen is de snelle groei van kortstondige voorjaarsplanten, zoals de lenteschoonheid (Figuur 2). Deze lentebloemen bereiken een groot deel van hun groei en voltooien hun levenscyclus (reproduceren) vroeg in het seizoen voordat de bomen in het bladerdak bladeren ontwikkelen.

In aquatische ecosystemen kan de beschikbaarheid van licht beperkt zijn omdat zonlicht is geabsorbeerd door water, planten, zwevende deeltjes en aanwezige micro-organismen. Richting de bodem van een meer, vijver of oceaan is er een zone die licht niet kan bereiken. Fotosynthese kan daar niet plaatsvinden en als gevolg daarvan zijn er een aantal aanpassingen ontwikkeld waardoor levende wezens kunnen overleven zonder licht. Waterplanten hebben bijvoorbeeld fotosynthetisch weefsel nabij het wateroppervlak; Denk bijvoorbeeld aan de brede, drijvende bladeren van een waterlelie – waterlelies kunnen niet zonder licht. In omgevingen zoals hydrothermale ventilatieopeningen halen sommige bacteriën energie uit anorganische chemicaliën omdat er geen licht is voor fotosynthese.

Figuur 3. Opwelling van de oceaan is een belangrijk proces dat voedingsstoffen en energie in de oceaan hergebruikt. Terwijl de wind (groene pijlen) uit de kust duwt, zorgt het ervoor dat water van de oceaanbodem (rode pijlen) naar de oppervlakte beweegt en voedingsstoffen uit de diepten van de oceaan naar boven haalt.

De beschikbaarheid van voedingsstoffen in watersystemen is ook een belangrijk aspect van energie of fotosynthese. Veel organismen zinken naar de bodem van de oceaan als ze in het open water sterven; wanneer dit gebeurt, wordt de energie die in dat levende organisme wordt aangetroffen, enige tijd opgesloten, tenzij de opwelling van de oceaan optreedt. Opwelling van de oceaan is het opstijgen van diep oceaanwater dat optreedt wanneer de heersende winden langs oppervlaktewateren nabij een kustlijn waaien (Figuur 3). Terwijl de wind het oceaanwater naar de kust duwt, beweegt water van de bodem van de oceaan omhoog om dit water te vervangen. Als gevolg hiervan komen de voedingsstoffen die ooit in dode organismen aanwezig waren, beschikbaar voor hergebruik door andere levende organismen.

In zoetwatersystemen vindt de recycling van voedingsstoffen plaats als reactie op veranderingen in de luchttemperatuur. De voedingsstoffen op de bodem van meren worden twee keer per jaar gerecycled: in de lente- en herfstomzet. De lente- en herfstomzet is een seizoensgebonden proces waarbij voedingsstoffen en zuurstof worden gerecycled van de bodem van een zoetwaterecosysteem naar de top van een watermassa. Deze omzet wordt veroorzaakt door de vorming van een thermocline: een laag water met een temperatuur die significant verschilt van die van de omringende lagen. In de winter is het oppervlak van meren in veel noordelijke regios bevroren. Het water onder het ijs is echter iets warmer en het water op de bodem van het meer is nog warmer bij 4 ° C tot 5 ° C (39,2 ° F tot 41 ° F). Water is het dichtst bij 4 ° C; daarom is het diepste water ook het dichtste. Het diepste water is zuurstofarm omdat de afbraak van organisch materiaal op de bodem van het meer beschikbare zuurstof verbruikt die niet kan worden vervangen door middel van zuurstofdiffusie in het water vanwege de ijslaag aan het oppervlak.

Figuur 4. De lente- en herfstomzet zijn belangrijke processen in zoetwatermeren die de voedingsstoffen en zuurstof naar de bodem van diepe meren verplaatsen naar de top. Omzet ontstaat doordat water een maximale dichtheid heeft bij 4 ° C. De temperatuur van het oppervlaktewater verandert naarmate de seizoenen vorderen, en dichter water zinkt.

In de lente stijgen de luchttemperaturen en smelt het oppervlakteijs. Wanneer de temperatuur van het oppervlaktewater 4 ° C begint te bereiken, wordt het water zwaarder en zakt het naar de bodem. Het water op de bodem van het meer wordt vervolgens door het zwaardere oppervlaktewater verplaatst en stijgt zo naar boven. Terwijl dat water naar boven stijgt, worden de sedimenten en voedingsstoffen van de bodem van het meer meegevoerd. Tijdens de zomermaanden stratificeert het meerwater zich, of vormt het temperatuurlagen, met het warmste water aan het meeroppervlak.

Naarmate de luchttemperatuur in de herfst daalt, koelt de temperatuur van het meerwater af tot 4 ° C; daarom veroorzaakt dit een valverloop omdat het zware koude water zinkt en het water op de bodem verplaatst. Het zuurstofrijke water aan de oppervlakte van het meer verplaatst zich vervolgens naar de bodem van het meer, terwijl de voedingsstoffen op de bodem van het meer naar de oppervlakte stijgen. Tijdens de winter wordt de zuurstof op de bodem van het meer gebruikt door ontbinders en andere organismen die zuurstof nodig hebben, zoals vissen.

Temperatuur

Figuur 5. Deze kleurrijke warmwaterbron in Yellowstone National Park, gelegen in Midway Geyser Basin, is de grootste warmwaterbron in de Verenigde Staten en de derde grootste ter wereld. De rijke kleur is het resultaat van thermofiele organismen die langs de randen van de hete bron leven.

Temperatuur beïnvloedt zowel de fysiologie van levende wezens als de dichtheid en toestand van water. Temperatuur oefent een belangrijke invloed uit op levende wezens omdat weinig levende wezens kunnen overleven bij temperaturen onder 0 ° C (32 ° F) als gevolg van metabole beperkingen. Het komt ook zelden voor dat levende wezens overleven bij temperaturen hoger dan 45 ° C (113 ° F); dit is een weerspiegeling van de evolutionaire reactie op typische temperaturen. Enzymen zijn het meest efficiënt binnen een smal en specifiek temperatuurbereik; enzymafbraak kan optreden bij hogere temperaturen. Daarom moeten organismen ofwel een interne temperatuur behouden of ze moeten een omgeving bewonen die het lichaam binnen een temperatuurbereik houdt dat de stofwisseling ondersteunt. Sommige dieren hebben zich aangepast om hun lichaam in staat te stellen aanzienlijke temperatuurschommelingen te overleven, zoals waargenomen in winterslaap of reptielachtige verdoving. Evenzo zijn sommige bacteriën aangepast om te overleven bij extreem hoge temperaturen, zoals geisers. Dergelijke bacteriën zijn voorbeelden van extremofielen: organismen die gedijen in extreme omgevingen.

Temperatuur kan de verspreiding van levende wezens beperken. Dieren die met temperatuurschommelingen worden geconfronteerd, kunnen reageren met aanpassingen, zoals migratie, om te overleven. Migratie, de verplaatsing van de ene plaats naar de andere, is een aanpassing die bij veel dieren wordt aangetroffen, waaronder veel dieren die in een koud klimaat leven. Migratie lost problemen op met betrekking tot temperatuur, het vinden van voedsel en het vinden van een partner. Bij migratie bijvoorbeeld, maakt de Noordse Stern (Sterna paradisaea) elk jaar een 40.000 km (24.000 mijl) heen- en terugvlucht tussen zijn voedselgebieden op het zuidelijk halfrond en zijn broedgebieden in de Noordelijke IJszee. Monarchvlinders (Danaus plexippus) leven in de warmere maanden in het oosten van de Verenigde Staten en migreren in de winter naar Mexico en het zuiden van de Verenigde Staten. Sommige soorten zoogdieren maken ook trekvogels. Rendieren (Rangifer tarandus) reizen elk jaar ongeveer 5.000 km (3.100 mijl) om voedsel te vinden. Amfibieën en reptielen zijn beperkter in hun verspreiding omdat ze geen trekvermogen hebben. Niet alle dieren die kunnen migreren, doen dat: migratie brengt risicos met zich mee en brengt hoge energiekosten met zich mee.

Figuur 6. Chipmunks overwinteren, maar ze komen om de paar dagen uit hun slaap om te eten.

Sommige dieren overwinteren of houden een rust om vijandige temperaturen te overleven. Door winterslaap kunnen dieren koude omstandigheden overleven en door estivatie kunnen dieren de vijandige omstandigheden van een heet, droog klimaat overleven. Dieren die overwinteren of estiveren, komen in een toestand die bekend staat als verdoving: een toestand waarin hun metabolisme aanzienlijk wordt verlaagd. Hierdoor kan het dier wachten tot zijn omgeving zijn overleving beter ondersteunt. Sommige amfibieën, zoals de boskikker (Rana sylvatica), hebben een antivriesachtige chemische stof in hun cellen, die de integriteit van de cellen behoudt en voorkomt dat ze barsten.

Abiotische factoren die de plantengroei beïnvloeden

Temperatuur en vochtigheid zijn belangrijke invloeden op de productie van planten (primaire productiviteit) en de hoeveelheid organisch materiaal die beschikbaar is als voedsel (netto primaire productiviteit).De netto primaire productiviteit is een schatting van alle organische stof die als voedsel beschikbaar is; het wordt berekend als de totale hoeveelheid koolstof die per jaar wordt gefixeerd minus de hoeveelheid die wordt geoxideerd tijdens cellulaire ademhaling. In terrestrische omgevingen wordt de netto primaire productiviteit geschat door de bovengrondse biomassa per oppervlakte-eenheid te meten, wat de totale massa aan levende planten is, exclusief wortels. Dit betekent dat een groot percentage plantaardige biomassa dat ondergronds aanwezig is, niet in deze meting wordt meegenomen. Netto primaire productiviteit is een belangrijke variabele bij het beschouwen van verschillen in biomen. Zeer productieve biomen hebben een hoog niveau van bovengrondse biomassa.

Jaarlijkse biomassaproductie is direct gerelateerd aan de abiotische componenten van het milieu. Omgevingen met de grootste hoeveelheid biomassa hebben omstandigheden waarin fotosynthese, plantengroei en de resulterende netto primaire productiviteit worden geoptimaliseerd. Het klimaat in deze gebieden is warm en nat. Fotosynthese kan met een hoog tempo verlopen, enzymen kunnen het meest efficiënt werken en huidmondjes kunnen open blijven zonder het risico van overmatige transpiratie; Samen zorgen deze factoren ervoor dat de maximale hoeveelheid kooldioxide (CO2) de plant in gaat, wat resulteert in een hoge biomassaproductie. De bovengrondse biomassa levert een aantal belangrijke hulpbronnen op voor andere levende wezens, waaronder leefgebied en voedsel. Omgekeerd hebben droge en koude omgevingen lagere fotosynthesesnelheden en dus minder biomassa. De diergemeenschappen die daar leven, zullen ook worden beïnvloed door de afname van het beschikbare voedsel.

Anorganische voedingsstoffen en bodem

Anorganische voedingsstoffen, zoals stikstof en fosfor, zijn belangrijk bij de distributie en de overvloed aan levende wezens. Planten halen deze anorganische voedingsstoffen uit de bodem wanneer water via de wortels de plant binnenkomt. Daarom spelen de bodemstructuur (deeltjesgrootte van bodemcomponenten), de pH van de bodem en het gehalte aan voedingsstoffen in de bodem een belangrijke rol bij de verspreiding van planten. Dieren halen anorganische voedingsstoffen uit het voedsel dat ze consumeren. Daarom zijn dierverdelingen gerelateerd aan de verdeling van wat ze eten. In sommige gevallen zullen dieren hun voedselbron volgen terwijl het door de omgeving beweegt.

Water

Water is nodig voor alle levende wezens omdat het cruciaal is voor cellulaire processen. Aangezien terrestrische organismen water verliezen aan de omgeving door eenvoudige diffusie, hebben ze veel aanpassingen doorgevoerd om water vast te houden.

• Dieren worden bedekt met een vette of wasachtige huid of cuticula om vocht vast te houden.
• Planten hebben een aantal interessante kenmerken op hun bladeren, zoals bladharen en een wasachtige cuticula, die dienen om het waterverlies door transpiratie te verminderen.

Organismen omgeven door water is niet immuun voor wateronbalans; ook zij hebben unieke aanpassingen om water van binnen en van buiten de cellen te beheren.

• Zoetwaterorganismen zijn omgeven door water en lopen constant het gevaar dat water hun cellen binnenstroomt vanwege osmose. Veel aanpassingen van organismen die in zoetwateromgevingen leven, zijn geëvolueerd om ervoor te zorgen dat de opgeloste concentraties in hun lichaam binnen de juiste niveaus blijven. Een van die aanpassingen is de uitscheiding van verdunde urine; verdunde urine heeft een lage concentratie opgeloste stoffen en is meestal water, waardoor ze overtollig water kunnen verdrijven.
• Mariene organismen worden omgeven door water met een hogere concentratie opgeloste stoffen dan het organisme en lopen daarom gevaar water verliezen aan het milieu door osmose. Deze organismen hebben morfologische en fysiologische aanpassingen om water vast te houden en opgeloste stoffen in het milieu af te geven. Zeeleguanen (Amblyrhynchus cristatus) bijvoorbeeld, niezen waterdamp uit die rijk is aan zout om de opgeloste concentraties binnen een acceptabel bereik te houden tijdens het zwemmen in de oceaan en het eten van zeeplanten.

Andere waterfactoren

Sommige abiotische factoren, zoals zuurstof, zijn belangrijk in zowel aquatische ecosystemen als in terrestrische omgevingen. Landdieren halen zuurstof uit de lucht die ze inademen. De beschikbaarheid van zuurstof kan een probleem zijn voor organismen die op zeer grote hoogte leven, waar er minder zuurstofmoleculen in de lucht zijn. In watersystemen is de concentratie opgeloste zuurstof gerelateerd aan de watertemperatuur en de snelheid waarmee het water beweegt. Koud water heeft meer opgeloste zuurstof dan warmer water. Bovendien kunnen zoutgehalte, stroming en getij belangrijke abiotische factoren zijn in aquatische ecosystemen.

Andere terrestrische factoren

Figuur 7. De volwassen kegels van de Jack Pine gaan alleen open als ze worden blootgesteld aan hoge temperaturen, zoals tijdens een bosbrand. (credit: USDA)

Wind kan een belangrijke abiotische factor zijn omdat het de snelheid van verdamping en transpiratie beïnvloedt.De fysieke kracht van wind is ook belangrijk omdat het bodem, water of andere abiotische factoren kan verplaatsen, evenals de organismen van een ecosysteem.

Vuur is een andere aardse factor die een belangrijke oorzaak kan zijn van verstoring op het land. ecosystemen. Sommige organismen zijn aangepast aan vuur en hebben daarom de hoge hitte nodig die met vuur gepaard gaat om een deel van hun levenscyclus te voltooien. Bijvoorbeeld, de jack-den (Pinus banksiana) – een naaldboom – heeft vuur nodig om zijn zaadkegels te openen. Een vuur zal waarschijnlijk de meeste vegetatie doden, dus een zaailing die ontkiemt na een brand heeft meer kans om voldoende zonlicht te ontvangen dan een zaailing die onder normale omstandigheden ontkiemt. Door het verbranden van dennennaalden voegt vuur stikstof toe aan de bodem en beperkt het de concurrentie door ondergroei te vernietigen.

Check Your Understanding

Beantwoord de vraag (en) hieronder om te zien hoe goed je het begrijpt de onderwerpen die in de vorige sectie zijn behandeld. Deze korte quiz telt niet mee voor je cijfer in de klas en je kunt hem een onbeperkt aantal keren opnieuw afleggen.

Gebruik deze quiz om je begrip te testen en te beslissen of je (1) het vorige gedeelte verder wilt bestuderen. of (2) ga verder met de volgende sectie.