Biology for Major II

Rozróżnij abiotyczne i biotyczne składniki środowiska

Wiele sił wpływa na zbiorowiska organizmów żywych obecnych w różnych częściach biosfery ( wszystkie części Ziemi zamieszkane przez życie). Biosfera rozciąga się w atmosferę (kilka kilometrów nad Ziemią) oraz w głębiny oceanów. Pomimo pozornego ogromu dla pojedynczego człowieka biosfera zajmuje tylko niewielką przestrzeń w porównaniu ze znanym wszechświatem. Wiele sił abiotycznych wpływa na to, gdzie może istnieć życie i na typy organizmów występujących w różnych częściach biosfery. Czynniki abiotyczne wpływają na rozmieszczenie klimatu, flory i fauny.

Biogeografia

Biogeografia to badanie geograficznego rozmieszczenia organizmów żywych i czynników abiotycznych, które wpływają na ich rozmieszczenie. Czynniki abiotyczne, takie jak temperatura i opady, różnią się głównie w zależności od szerokości geograficznej i wysokości. Wraz ze zmianą tych czynników abiotycznych zmienia się również skład zbiorowisk roślinnych i zwierzęcych. Na przykład, jeśli miałbyś rozpocząć podróż od równika i iść na północ, zauważyłbyś stopniowe zmiany w zbiorowiskach roślin. Na początku podróży zobaczysz wilgotne lasy tropikalne z wiecznie zielonymi drzewami o szerokich liściach, które są charakterystyczne dla zbiorowisk roślinnych występujących w pobliżu równika. Kontynuując podróż na północ, zobaczysz, że te wiecznie zielone rośliny o szerokich liściach w końcu dadzą początek sezonowo suchym lasom z rozproszonymi drzewami. Zacząłbyś także zauważać zmiany temperatury i wilgotności. Około 30 stopni na północy te lasy ustąpiły miejsca pustyniom, które charakteryzują się niskimi opadami.

Idąc dalej na północ, zobaczysz, że pustynie zastępują łąki lub prerie. Ostatecznie murawy zastępują liściaste lasy strefy umiarkowanej. Te lasy liściaste ustępują miejsca lasom borealnym występującym w subarktyce, obszarze na południe od koła podbiegunowego. Wreszcie dotrzesz do arktycznej tundry, która znajduje się na najbardziej wysuniętych na północ szerokościach geograficznych. Ta wędrówka na północ ujawnia stopniowe zmiany zarówno klimatu, jak i rodzajów organizmów, które przystosowały się do czynników środowiskowych związanych z ekosystemami występującymi na różnych szerokościach geograficznych. Jednak na tej samej szerokości geograficznej istnieją różne ekosystemy, częściowo z powodu czynników abiotycznych, takich jak prądy strumieniowe, Prąd Zatokowy i prądy oceaniczne. Gdybyś wspiął się na górę, zmiany, które zobaczyłbyś w roślinności, byłyby podobne do tych, jakie zaszłyby w przypadku przejścia na wyższe szerokości geograficzne.

Rozmieszczenie gatunków

Ekolodzy badający biogeografię badają wzorce rozmieszczenie gatunków. Żaden gatunek nie istnieje wszędzie; na przykład muchołówka Wenus występuje endemicznie na niewielkim obszarze w Północnej i Południowej Karolinie. Gatunek endemiczny to taki, który naturalnie występuje tylko na określonym obszarze geograficznym, którego wielkość jest zwykle ograniczona. Inne gatunki mają charakter ogólny: gatunki żyjące na wielu różnych obszarach geograficznych; na przykład szop pracz pochodzi z większości Ameryki Północnej i Środkowej.

Wzorce rozmieszczenia gatunków są oparte na czynnikach biotycznych i abiotycznych oraz ich wpływach w bardzo długich okresach czasu potrzebnych do ewolucji gatunków; dlatego wczesne badania biogeografii były ściśle związane z pojawieniem się myślenia ewolucyjnego w XVIII wieku. Niektóre z najbardziej charakterystycznych zbiorowisk roślin i zwierząt występują w regionach, które od milionów lat są fizycznie oddzielone barierami geograficznymi. Biolodzy szacują, że na przykład Australia ma od 600 000 do 700 000 gatunków roślin i zwierząt. Około 3/4 żywych gatunków roślin i ssaków to gatunki endemiczne występujące wyłącznie w Australii (Rysunek 1).

Rysunek 1. Australia jest domem dla wielu endemicznych gatunków. (A) Walabia (Wallabia bicolor), średniej wielkości członek rodziny kangurów, jest ssakiem workowatym lub torbaczem. (B) echidna (Tachyglossus aculeatus) to ssak składający jaja. (kredyt a: modyfikacja pracy Derricka Coetzee; kredyt b: modyfikacja pracy Allana Whittomea)

Czasami ekolodzy odkrywają unikalne wzorce rozmieszczenia gatunków, określając, gdzie gatunków nie występują. Na przykład na Hawajach nie ma rodzimych gatunków lądowych gadów ani płazów, a tylko jednego rodzimego ssaka lądowego – siwego nietoperza. Innym przykładem jest większość Nowej Gwinei bez ssaków łożyskowych.

Rośliny mogą być endemiczne lub ogólne: rośliny endemiczne występują tylko w określonych regionach Ziemi, podczas gdy rośliny ogólne występują w wielu regionach. Pojedyncze masy lądowe – takie jak Australia, Hawaje i Madagaskar – często zawierają dużą liczbę endemicznych gatunków roślin. Niektóre z tych roślin są zagrożone wyginięciem w wyniku działalności człowieka. Na przykład leśna gardenia (Gardenia brighamii) występuje endemicznie na Hawajach; przypuszcza się, że istnieje tylko około 15–20 drzew.

Źródła energii

Rysunek 2. Wiosenne piękno to efemeryczna wiosenna roślina, która kwitnie wczesną wiosną, aby uniknąć konkurowania o światło słoneczne z większymi drzewami leśnymi. (źródło: John Beetham)

Energia słoneczna jest wychwytywana przez rośliny zielone, algi, cyjanobakterie i protisty fotosyntetyzujące. Organizmy te przekształcają energię słoneczną w energię chemiczną potrzebną wszystkim żywym istotom. Dostępność światła może być ważną siłą bezpośrednio wpływającą na ewolucję adaptacji w fotosyntezatorach. Na przykład rośliny w podszycie lasu o klimacie umiarkowanym są zacienione, gdy późną wiosną drzewa nad nimi w baldachimie całkowicie wysychają. Nic dziwnego, że rośliny podszytu są przystosowane do skutecznego przechwytywania dostępnego światła. Jedną z takich adaptacji jest szybki wzrost wiosennych roślin efemerycznych, takich jak wiosenne piękno (ryc. 2). Te wiosenne kwiaty osiągają większość swojego wzrostu i kończą swój cykl życia (rozmnażają się) wcześnie w sezonie, zanim drzewa w koronach drzew wypuszczą liście.

W ekosystemach wodnych dostępność światła może być ograniczona, ponieważ światło słoneczne jest wchłaniana przez wodę, rośliny, zawieszone cząstki i obecne mikroorganizmy. Na dnie jeziora, stawu lub oceanu znajduje się strefa, do której światło nie może dotrzeć. Fotosynteza nie może tam zajść, w wyniku czego ewoluowało wiele adaptacji, które umożliwiają organizmom żyjącym przetrwanie bez światła. Na przykład rośliny wodne mają tkankę fotosyntetyczną w pobliżu powierzchni wody; na przykład pomyśl o szerokich, pływających liściach lilii wodnej – lilie wodne nie mogą przetrwać bez światła. W środowiskach, takich jak kominy hydrotermalne, niektóre bakterie pobierają energię z nieorganicznych substancji chemicznych, ponieważ nie ma światła do fotosyntezy.

Rysunek 3. Upwelling oceanów jest ważnym procesem, w którym następuje recykling składników odżywczych i energii w oceanie. Gdy wiatr (zielone strzałki) wypycha od brzegu, powoduje, że woda z dna oceanu (czerwone strzałki) przemieszcza się na powierzchnię, wydobywając składniki odżywcze z głębin oceanu.

Dostępność składników odżywczych w systemy wodne są również ważnym aspektem energii lub fotosyntezy. Wiele organizmów tonie na dnie oceanu, kiedy giną na otwartej wodzie; kiedy to nastąpi, energia znajdująca się w tym żywym organizmie jest zatrzymywana przez jakiś czas, chyba że nastąpi upwelling oceanu. Upwelling oceaniczny to wypiętrzanie się głębokich wód oceanicznych, które występuje, gdy dominujące wiatry wieją wzdłuż wód powierzchniowych w pobliżu linii brzegowej (Rysunek 3). Gdy wiatr wypycha wody oceanu od brzegu, woda z dna oceanu przesuwa się w górę, aby zastąpić tę wodę. W rezultacie składniki odżywcze zawarte w martwych organizmach stają się dostępne do ponownego wykorzystania przez inne organizmy żywe.

W systemach słodkowodnych recykling składników odżywczych zachodzi w odpowiedzi na zmiany temperatury powietrza. Składniki odżywcze na dnie jezior są poddawane recyklingowi dwa razy w roku: w obrocie wiosennym i jesiennym. Rotacja wiosenna i jesienna jest procesem sezonowym, w ramach którego przetwarza się składniki odżywcze i tlen z dna ekosystemu słodkowodnego do górnej części zbiornika wodnego. Obroty te są spowodowane tworzeniem się termokliny: warstwy wody o temperaturze znacznie różniącej się od temperatury otaczających warstw. Zimą powierzchnia jezior występujących w wielu regionach północnych jest zamarznięta. Jednak woda pod lodem jest nieco cieplejsza, a woda na dnie jeziora jest cieplejsza, ale ma temperaturę od 4 ° C do 5 ° C (39,2 ° F do 41 ° F). Woda jest najgęstsza przy 4 ° C; dlatego najgłębsza woda jest również najgęstsza. Najgłębsza woda jest uboga w tlen, ponieważ rozkład materii organicznej na dnie jeziora zużywa dostępny tlen, którego nie można zastąpić przez dyfuzję tlenu do wody z powodu powierzchniowej warstwy lodu.

Rysunek 4. Obroty wiosenne i jesienne to ważne procesy w jeziorach słodkowodnych, które przenoszą składniki odżywcze i tlen na dno głębokich jezior na szczyt. Obrót występuje, ponieważ woda ma maksymalną gęstość w temperaturze 4 ° C. Temperatura wód powierzchniowych zmienia się wraz z upływem pór roku, a gęstsza woda tonie.

Wiosną temperatura powietrza rośnie, a lód na powierzchni topnieje. Kiedy temperatura wody powierzchniowej zaczyna osiągać 4 ° C, woda staje się cięższa i opada na dno. Woda na dnie jeziora jest następnie wypierana przez cięższe wody powierzchniowe iw ten sposób unosi się do góry. Gdy woda podnosi się do góry, wraz z nią są przenoszone osady i składniki odżywcze z dna jeziora. W miesiącach letnich woda w jeziorze rozwarstwia się lub tworzy warstwy temperatury, z najcieplejszą wodą na powierzchni jeziora.

Gdy temperatura powietrza spada jesienią, temperatura wody w jeziorze spada do 4 °. DO; w związku z tym powoduje to obrót upadku, ponieważ ciężka zimna woda tonie i wypiera wodę na dnie. Bogata w tlen woda z powierzchni jeziora przemieszcza się następnie na dno jeziora, podczas gdy składniki odżywcze na dnie jeziora wypływają na powierzchnię. Zimą tlen znajdujący się na dnie jeziora jest wykorzystywany przez organizmy rozkładające się i inne organizmy wymagające tlenu, takie jak ryby.

Temperatura

Rysunek 5. To kolorowe gorące źródło w Parku Narodowym Yellowstone, położone w Midway Geyser Basin, jest największym gorącym źródłem w Stanach Zjednoczonych i trzecim co do wielkości na świecie. Jego bogata kolorystyka jest wynikiem organizmów ciepłolubnych żyjących na obrzeżach gorącego źródła,

Temperatura wpływa na fizjologię organizmów żywych, a także na gęstość i stan wody. Temperatura ma istotny wpływ na żywe istoty, ponieważ niewiele żywych istot może przetrwać w temperaturach poniżej 0 ° C (32 ° F) z powodu ograniczeń metabolicznych. Rzadko zdarza się również, aby żywe istoty przetrwały w temperaturach przekraczających 45 ° C (113 ° F); jest to odzwierciedlenie ewolucyjnej odpowiedzi na typowe temperatury. Enzymy są najbardziej wydajne w wąskim i określonym zakresie temperatur; degradacja enzymu może nastąpić w wyższych temperaturach. Dlatego organizmy albo muszą utrzymywać temperaturę wewnętrzną, albo muszą zamieszkiwać środowisko, które utrzyma organizm w zakresie temperatur sprzyjającym metabolizmowi. Niektóre zwierzęta przystosowały się, aby umożliwić swoim ciałom przetrwanie znacznych wahań temperatury, takich jak obserwowane podczas hibernacji lub letargu gadów. Podobnie, niektóre bakterie są przystosowane do przetrwania w ekstremalnie wysokich temperaturach, takich jak gejzery. Takie bakterie to przykłady ekstremofili: organizmów, które rozwijają się w ekstremalnych środowiskach.

Temperatura może ograniczać rozprzestrzenianie się żywych istot. Zwierzęta, które mają do czynienia z wahaniami temperatury, mogą reagować adaptacjami, takimi jak migracja, aby przeżyć. Migracja, przemieszczanie się z jednego miejsca do drugiego, jest adaptacją występującą u wielu zwierząt, w tym wielu zamieszkujących sezonowo zimny klimat. Migracja rozwiązuje problemy związane z temperaturą, lokalizacją pożywienia i znalezieniem partnera. Na przykład podczas migracji rybitwa popielata (Sterna paradisaea) co roku wykonuje 40 000 km (24 000 mil) lotów w obie strony między swoimi żerowiskami na półkuli południowej a lęgowiskami na Oceanie Arktycznym. Motyle Monarch (Danaus plexippus) żyją we wschodnich Stanach Zjednoczonych w cieplejszych miesiącach, a zimą migrują do Meksyku i południowych Stanów Zjednoczonych. Wędrowne wyprawy odbywają również niektóre gatunki ssaków. Renifery (Rangifer tarandus) pokonują każdego roku około 5000 km (3100 mil) w poszukiwaniu pożywienia. Płazy i gady są bardziej ograniczone pod względem rozmieszczenia, ponieważ brakuje im zdolności migracyjnych. Nie wszystkie zwierzęta, które mogą migrować, to robią: migracja wiąże się z ryzykiem i wiąże się z wysokimi kosztami energii.

Rysunek 6. Wiewiórki hibernują na zimę, ale co kilka dni wychodzą ze snu, aby zjeść.

Niektóre zwierzęta hibernują lub osiedlają się, aby przetrwać wrogie temperatury. Hibernacja umożliwia zwierzętom przetrwanie w niskich temperaturach, a estywacja pozwala zwierzętom przetrwać w nieprzyjaznych warunkach gorącego, suchego klimatu. Zwierzęta, które hibernują lub estrywują, wchodzą w stan zwany letargiem: stan, w którym ich tempo metabolizmu jest znacznie obniżone. Pozwala to zwierzęciu czekać, aż otoczenie będzie lepiej wspierać jego przetrwanie. Niektóre płazy, takie jak żaba drzewna (Rana sylvatica), mają w swoich komórkach substancję chemiczną podobną do środka przeciw zamarzaniu, która zachowuje integralność komórek i zapobiega ich pękaniu.

Czynniki abiotyczne wpływające na wzrost roślin

Temperatura i wilgotność mają istotny wpływ na produkcję roślinną (pierwotna produktywność) i ilość materii organicznej dostępnej w postaci pożywienia (pierwotna produktywność netto).Podstawowa produktywność netto to oszacowanie całej materii organicznej dostępnej w postaci pożywienia; oblicza się ją jako całkowitą ilość węgla związanego w ciągu roku pomniejszoną o ilość utlenioną podczas oddychania komórkowego. W środowiskach lądowych pierwotną produktywność netto szacuje się, mierząc nadziemną biomasę na jednostkę powierzchni, która jest całkowitą masą żywych roślin, z wyłączeniem korzeni. Oznacza to, że duży procent biomasy roślinnej znajdującej się pod ziemią nie jest uwzględniany w tym pomiarze. Pierwotna produktywność netto jest ważną zmienną przy rozważaniu różnic w biomach. Biomasy bardzo produktywne mają wysoki poziom biomasy nadziemnej.

Roczna produkcja biomasy jest bezpośrednio związana z abiotycznymi składnikami środowiska. Środowiska o największej ilości biomasy mają warunki, w których fotosynteza, wzrost roślin i wynikająca z tego pierwotna produktywność netto są zoptymalizowane. Klimat tych obszarów jest ciepły i wilgotny. Fotosynteza może przebiegać z dużą szybkością, enzymy mogą działać najbardziej wydajnie, a aparaty szparkowe mogą pozostać otwarte bez ryzyka nadmiernej transpiracji; razem te czynniki prowadzą do maksymalnej ilości dwutlenku węgla (CO2) przedostającego się do rośliny, co skutkuje wysoką produkcją biomasy. Biomasa nadziemna wytwarza kilka ważnych zasobów dla innych organizmów żywych, w tym siedliska i pożywienie. I odwrotnie, środowiska suche i zimne mają niższe współczynniki fotosyntezy, a zatem mniej biomasy. Żyjące tam społeczności zwierząt również ucierpią z powodu spadku dostępnej żywności.

Nieorganiczne składniki odżywcze i gleba

Nieorganiczne składniki odżywcze, takie jak azot i fosfor, są ważne w dystrybucji i obfitość żywych istot. Rośliny pobierają te nieorganiczne składniki odżywcze z gleby, gdy woda przedostaje się do rośliny przez korzenie. Dlatego struktura gleby (wielkość cząstek składników gleby), pH gleby i zawartość składników odżywczych w glebie odgrywają ważną rolę w rozmieszczeniu roślin. Zwierzęta otrzymują nieorganiczne składniki odżywcze z pożywienia, które spożywają. Dlatego dystrybucja zwierząt jest związana z dystrybucją tego, co jedzą. W niektórych przypadkach zwierzęta podążają za swoimi zasobami pokarmowymi, gdy przemieszczają się one w środowisku.

Woda

Woda jest potrzebna wszystkim żywym istotom, ponieważ ma ona kluczowe znaczenie dla procesów komórkowych. Ponieważ organizmy lądowe tracą wodę do środowiska przez prostą dyfuzję, rozwinęły wiele adaptacji, aby zatrzymać wodę.

• Zwierzęta będą pokryte tłustą lub woskową skórą lub naskórkiem, aby zatrzymać wilgoć.
• Rośliny mają wiele interesujących cech na swoich liściach, takich jak włoski na liściach i woskowaty naskórek, które służą zmniejszeniu tempa utraty wody przez transpirację.

Organizmy otoczone przez woda nie jest odporna na zaburzenia równowagi wodnej; one również mają unikalne przystosowanie do zarządzania wodą wewnątrz i na zewnątrz komórek.

• Organizmy słodkowodne są otoczone wodą i są stale narażone na napływ wody do ich komórek z powodu osmozy. Wiele adaptacji organizmów żyjących w środowiskach słodkowodnych ewoluowało w celu zapewnienia, że stężenia substancji rozpuszczonych w ich ciałach pozostają na odpowiednich poziomach. Jedną z takich adaptacji jest wydalanie rozcieńczonego moczu; rozcieńczony mocz ma niskie stężenie substancji rozpuszczonych i jest w większości wodą, co pozwala im wydalić nadmiar wody.
• Organizmy morskie są otoczone wodą o wyższym stężeniu substancji rozpuszczonych niż organizm, a zatem są zagrożone utrata wody do środowiska z powodu osmozy. Organizmy te mają morfologiczne i fizjologiczne przystosowania do zatrzymywania wody i uwalniania substancji rozpuszczonych do środowiska. Na przykład legwany morskie (Amblyrhynchus cristatus) wypuszczają parę wodną o dużej zawartości soli, aby utrzymać stężenie substancji rozpuszczonych w dopuszczalnym zakresie podczas pływania w oceanie i jedzenia roślin morskich.

Inne czynniki wodne

Niektóre czynniki abiotyczne, takie jak tlen, są ważne w ekosystemach wodnych, jak również w środowiskach lądowych. Zwierzęta lądowe pozyskują tlen z powietrza, którym oddychają. Dostępność tlenu może stanowić problem dla organizmów żyjących na bardzo dużych wysokościach, jednak tam, gdzie w powietrzu jest mniej cząsteczek tlenu. W systemach wodnych stężenie rozpuszczonego tlenu jest powiązane z temperaturą wody i prędkością, z jaką woda się porusza. Zimna woda ma więcej rozpuszczonego tlenu niż woda cieplejsza. Ponadto zasolenie, prądy i przypływy mogą być ważnymi czynnikami abiotycznymi w ekosystemach wodnych.

Inne czynniki lądowe

Rysunek 7. Dojrzałe szyszki sosny otwierają się tylko wtedy, gdy są wystawione na działanie wysokich temperatur, np. podczas pożaru lasu. (źródło: USDA)

Wiatr może być ważnym czynnikiem abiotycznym, ponieważ wpływa na szybkość parowania i transpiracji.Fizyczna siła wiatru jest również ważna, ponieważ może przenosić glebę, wodę lub inne czynniki abiotyczne, a także organizmy ekosystemu.

Ogień jest kolejnym czynnikiem ziemskim, który może być ważnym czynnikiem zakłócającym ziemskie ekosystemy. Niektóre organizmy są przystosowane do ognia, a zatem wymagają wysokiej temperatury towarzyszącej ogniu, aby zakończyć część swojego cyklu życiowego. Na przykład sosna zwyczajna (Pinus banksiana) – drzewo iglaste – potrzebuje ciepła od ognia, aby otworzyć szyszki nasienne. Pożar prawdopodobnie zabije większość roślinności, więc sadzonka, która kiełkuje po pożarze, ma większe szanse na otrzymanie dużej ilości światła słonecznego niż sadzonka kiełkująca w normalnych warunkach. Poprzez spalanie igieł sosnowych ogień dodaje azotu do gleby i ogranicza konkurencję, niszcząc runo leśne.

Sprawdź, czy rozumiesz

Odpowiedz na poniższe pytania, aby zobaczyć, jak dobrze rozumiesz tematy omówione w poprzedniej sekcji. Ten krótki quiz nie jest wliczany do Twojej oceny na zajęciach i możesz go powtórzyć nieograniczoną liczbę razy.

Użyj tego quizu, aby sprawdzić swoje zrozumienie i zdecydować, czy (1) przestudiować poprzednią część dalej lub (2) przejdź do następnej sekcji.