Biology for Majors II (Română)

Distingeți între componentele abiotice și biotice ale mediului

Multe forțe influențează comunitățile de organisme vii prezente în diferite părți ale biosferei ( toate părțile Pământului locuite de viață). Biosfera se extinde în atmosferă (câțiva kilometri deasupra Pământului) și în adâncurile oceanelor. În ciuda imensității sale aparente pentru un om individual, biosfera ocupă doar un spațiu mic în comparație cu universul cunoscut. Multe forțe abiotice influențează acolo unde poate exista viața și tipurile de organisme găsite în diferite părți ale biosferei. Factorii abiotici influențează distribuția climelor, florei și faunei.

Biogeografie

Biogeografie este studiul distribuției geografice a ființelor vii și a factorilor abiotici care afectează distribuția lor. Factorii abiotici precum temperatura și precipitațiile variază în principal în funcție de latitudine și altitudine. Pe măsură ce acești factori abiotici se schimbă, se modifică și compoziția comunităților de plante și animale. De exemplu, dacă ar fi să începeți o călătorie la ecuator și să mergeți spre nord, ați observa schimbări treptate în comunitățile de plante. La începutul călătoriei dvs., veți vedea păduri tropicale umede cu copaci cu frunze verzi, care sunt caracteristice comunităților de plante găsite lângă ecuator. În timp ce continuați să călătoriți spre nord, veți vedea aceste plante cu frunze verzi, cu frunze largi, care vor da naștere pădurilor uscate sezoniere, cu copaci împrăștiați. De asemenea, ați începe să observați schimbări de temperatură și umiditate. La aproximativ 30 de grade nord, aceste păduri ar da loc deșerturilor, care se caracterizează prin precipitații scăzute.

Deplasându-se mai spre nord, veți vedea că deșerturile sunt înlocuite de pajiști sau preri. În cele din urmă, pajiștile sunt înlocuite cu păduri temperate de foioase. Aceste păduri de foioase cedează locul pădurilor boreale găsite în subarctică, zona de la sud de Cercul polar polar. În cele din urmă, ați ajunge la tundra arctică, care se găsește la cele mai nordice latitudini. Această călătorie spre nord dezvăluie schimbări treptate atât în climă, cât și în tipurile de organisme care s-au adaptat factorilor de mediu asociați cu ecosistemele găsite la diferite latitudini. Cu toate acestea, există ecosisteme diferite la aceeași latitudine datorită parțial unor factori abiotici, cum ar fi curenții cu jet, curentul Golfului și curenții oceanici. Dacă ar fi să urcați pe un munte, schimbările pe care le-ați vedea în vegetație le-ar paralela cu cele pe măsură ce vă deplasați la latitudini mai mari.

Distribuția speciilor

Ecologii care studiază biogeografia examinează modele de distribuția speciilor. Nici o specie nu există pretutindeni; de exemplu, capcana pentru muște Venus este endemică într-o zonă mică din Carolina de Nord și de Sud. O specie endemică este una care se găsește în mod natural doar într-o anumită zonă geografică, care este de obicei limitată ca mărime. Alte specii sunt generaliste: specii care trăiesc într-o mare varietate de zone geografice; ratonul, de exemplu, este originar din cea mai mare parte a Americii de Nord și Centrală.

Modelele de distribuție a speciilor se bazează pe factori biotici și abiotici și influențele lor în perioadele foarte lungi de timp necesare pentru evoluția speciilor; prin urmare, studiile timpurii ale biogeografiei au fost strâns legate de apariția gândirii evolutive în secolul al XVIII-lea. Unele dintre cele mai distincte ansambluri de plante și animale apar în regiuni care au fost separate fizic de milioane de ani de bariere geografice. Biologii estimează că Australia, de exemplu, are între 600.000 și 700.000 de specii de plante și animale. Aproximativ 3/4 din speciile de plante și mamifere vii sunt specii endemice găsite exclusiv în Australia (Figura 1).

Figura 1. Australia găzduiește multe specii endemice. (A) wallaby (Wallabia bicolor), un membru de dimensiuni medii al familiei cangurilor, este un mamifer în pungă sau marsupial. (B) echidna (Tachyglossus aculeatus) este un mamifer care pune ouă. (credit a: modificare a lucrării de către Derrick Coetzee; credit b: modificare a lucrării de către Allan Whittome)

Uneori ecologiștii descoperă modele unice de distribuție a speciilor, determinând unde nu se găsesc speciile. Hawaii, de exemplu, nu are specii terestre native de reptile sau amfibieni și are un singur mamifer nativ terestru, liliacul hoary. Cea mai mare parte a Noii Guinee, ca un alt exemplu, nu are mamifere placentare.

Plantele pot fi endemice sau generaliste: plantele endemice se găsesc numai în anumite regiuni ale Pământului, în timp ce generalistii se găsesc în multe regiuni. Masele de pământ izolate – cum ar fi Australia, Hawaii și Madagascar – au adesea un număr mare de specii de plante endemice. Unele dintre aceste plante sunt pe cale de dispariție din cauza activității umane. Gardenia pădurii (Gardenia brighamii), de exemplu, este endemică în Hawaii; se crede că există doar aproximativ 15-20 de arbori.

Surse de energie

Figura 2. Frumusețea primăverii este o plantă efemeră de primăvară care înflorește devreme în primăvară pentru a evita concurența cu copacii de pădure mai mari pentru lumina soarelui. (credit: John Beetham)

Energia din soare este capturată de plante verzi, alge, cianobacterii și protiști fotosintetici. Aceste organisme convertesc energia solară în energia chimică necesară tuturor ființelor vii. Disponibilitatea luminii poate fi o forță importantă care afectează în mod direct evoluția adaptărilor în fotosintetizatoare. De exemplu, plantele din subteranul unei păduri temperate sunt umbrite atunci când copacii de deasupra lor din baldachin se desprind complet la sfârșitul primăverii. Nu este surprinzător faptul că plantele de sub arbore au adaptări pentru a capta cu succes lumina disponibilă. O astfel de adaptare este creșterea rapidă a plantelor efemere de primăvară, cum ar fi frumusețea primăverii (Figura 2). Aceste flori de primăvară realizează o mare parte din creștere și își termină ciclul de viață (se reproduc) la începutul sezonului înainte ca copacii din baldachin să dezvolte frunze.

În ecosistemele acvatice, disponibilitatea luminii poate fi limitată, deoarece lumina soarelui este absorbit de apă, plante, particule suspendate și microorganisme rezidente. Spre fundul unui lac, iaz sau ocean, există o zonă pe care lumina nu o poate atinge. Fotosinteza nu poate avea loc acolo și, ca rezultat, au evoluat o serie de adaptări care permit ființelor vii să supraviețuiască fără lumină. De exemplu, plantele acvatice au țesut fotosintetic lângă suprafața apei; de exemplu, gândiți-vă la frunzele largi și plutitoare ale unui nufer – nuferii nu pot supraviețui fără lumină. În medii precum orificiile hidrotermale, unele bacterii extrag energie din substanțe chimice anorganice, deoarece nu există lumină pentru fotosinteză.

Figura 3. Răsuflarea oceanelor este un proces important care reciclează nutrienții și energia din ocean. Pe măsură ce vântul (săgețile verzi) împinge în larg, face ca apa din fundul oceanului (săgețile roșii) să se deplaseze la suprafață, aducând nutrienți din adâncurile oceanului.

Disponibilitatea nutrienților în sistemele acvatice sunt, de asemenea, un aspect important al energiei sau fotosintezei. Multe organisme se scufundă pe fundul oceanului când mor în ape deschise; când se întâmplă acest lucru, energia găsită în acel organism viu este sechestrată pentru o perioadă de timp, cu excepția cazului în care apare apariția apei. Răsărirea oceanelor este creșterea apelor adânci ale oceanului care are loc atunci când vânturile dominante suflă de-a lungul apelor de suprafață în apropierea liniei de coastă (Figura 3). Pe măsură ce vântul împinge apele oceanului în larg, apa din fundul oceanului se deplasează în sus pentru a înlocui această apă. Ca urmare, substanțele nutritive odată conținute în organismele moarte devin disponibile pentru reutilizare de către alte organisme vii.

În sistemele de apă dulce, reciclarea nutrienților are loc ca răspuns la schimbările de temperatură ale aerului. Elementele nutritive de la fundul lacurilor sunt reciclate de două ori pe an: în primăvara și toamna cifra de afaceri. Cifra de afaceri de primăvară și toamnă este un proces sezonier care reciclează substanțele nutritive și oxigenul de la fundul unui ecosistem de apă dulce până la vârful unui corp de apă. Aceste cifre de afaceri sunt cauzate de formarea unei termocline: un strat de apă cu o temperatură care este semnificativ diferită de cea a straturilor înconjurătoare. În timpul iernii, suprafața lacurilor găsite în multe regiuni nordice este înghețată. Cu toate acestea, apa sub gheață este puțin mai caldă, iar apa de la fundul lacului este mai caldă, totuși, la 4 ° C până la 5 ° C (39.2 ° F la 41 ° F). Apa este cea mai densă la 4 ° C; prin urmare, cea mai adâncă apă este și cea mai densă. Cea mai adâncă apă este săracă în oxigen, deoarece descompunerea materialului organic de la fundul lacului consumă oxigenul disponibil care nu poate fi înlocuit prin difuzia oxigenului în apă datorită stratului de gheață de la suprafață. c7bbbc79c8 „>

Figura 4. Cifrele de primăvară și toamnă sunt procese importante în lacurile de apă dulce care acționează pentru a muta substanțele nutritive și oxigenul de la fundul lacurilor adânci în partea de sus. Cifra de afaceri are loc deoarece apa are o densitate maximă la 4 ° C. Temperatura apei de la suprafață se modifică pe măsură ce anotimpurile progresează și apa mai densă se scufundă.

În primăvară, temperatura aerului crește și gheața de suprafață se topește. Când temperatura apei de suprafață începe să ajungă la 4 ° C, apa devine mai grea și se scufundă până la fund. Apa din fundul lacului este apoi deplasată de apa de suprafață mai grea și, astfel, se ridică la vârf. Pe măsură ce apa se ridică la vârf, sedimentele și substanțele nutritive din fundul lacului sunt aduse împreună cu ea. În lunile de vară, apa lacului se stratifică sau formează straturi de temperatură, cu cea mai caldă apă la suprafața lacului.

Pe măsură ce temperatura aerului scade în toamnă, temperatura apei lacului se răcește la 4 ° C; prin urmare, acest lucru determină scăderea fluctuației pe măsură ce apa rece rece se scufundă și deplasează apa din fund. Apa bogată în oxigen de la suprafața lacului se mută apoi în fundul lacului, în timp ce substanțele nutritive din fundul lacului se ridică la suprafață. În timpul iernii, oxigenul de la fundul lacului este utilizat de descompunători și alte organisme care necesită oxigen, cum ar fi peștii.

Temperatura

Figura 5. Acest izvor fierbinte colorat din Parcul Național Yellowstone, situat în Midway Geyser Basin, este cel mai mare izvor fierbinte din Statele Unite și al treilea ca mărime din lume. Culoarea sa bogată este rezultatul organismelor termofile care trăiesc de-a lungul marginilor izvorului fierbinte,

Temperatura afectează fiziologia ființelor vii, precum și densitatea și starea apei. Temperatura exercită o influență importantă asupra ființelor vii, deoarece puține ființe vii pot supraviețui la temperaturi sub 0 ° C (32 ° F) din cauza constrângerilor metabolice. De asemenea, este rar ca lucrurile vii să supraviețuiască la temperaturi care depășesc 45 ° C (113 ° F); aceasta este o reflectare a răspunsului evolutiv la temperaturi tipice. Enzimele sunt cele mai eficiente într-un interval îngust și specific de temperaturi; degradarea enzimei poate avea loc la temperaturi mai ridicate. Prin urmare, organismele fie trebuie să mențină o temperatură internă, fie trebuie să locuiască într-un mediu care va menține corpul într-un interval de temperatură care susține metabolismul. Unele animale s-au adaptat pentru a le permite corpului să supraviețuiască fluctuațiilor semnificative de temperatură, cum ar fi cele observate în hibernare sau torpor reptilian. În mod similar, unele bacterii sunt adaptate să supraviețuiască la temperaturi extrem de calde, cum ar fi gheizerele. Astfel de bacterii sunt exemple de extremofili: organisme care prosperă în medii extreme.

Temperatura poate limita distribuția ființelor vii. Animalele care se confruntă cu fluctuații de temperatură pot răspunde cu adaptări, cum ar fi migrarea, pentru a supraviețui. Migrația, mișcarea dintr-un loc în altul, este o adaptare găsită la multe animale, inclusiv la multe dintre ele care locuiesc în clime reci sezoniere. Migrația rezolvă probleme legate de temperatură, localizarea alimentelor și găsirea unui partener. În migrație, de exemplu, șoprul arctic (Sterna paradisaea) efectuează în fiecare an un zbor dus-întors de 40.000 km (24.000 mi) între zonele de hrănire din emisfera sudică și zonele de reproducere din Oceanul Arctic. Fluturii monarhi (Danaus plexippus) trăiesc în estul Statelor Unite în lunile mai calde și migrează în Mexic și în sudul Statelor Unite în timpul iernii. Unele specii de mamifere fac și incursiuni migratoare. Renii (Rangifer tarandus) parcurg în fiecare an aproximativ 5.000 km (3.100 mi) pentru a găsi hrană. Amfibienii și reptilele sunt mai limitate în distribuția lor, deoarece le lipsește capacitatea migratorie. Nu toate animalele care pot migra o fac: migrația implică riscuri și are un cost energetic ridicat.

Figura 6. Ciprianii hibernează pentru iarnă, dar ies din somn la câteva zile pentru a mânca.

Unele animale hibernează sau stivează pentru a supraviețui temperaturilor ostile. Hibernarea permite animalelor să supraviețuiască condițiilor reci, iar estivarea le permite animalelor să supraviețuiască condițiilor ostile ale unui climat cald și uscat. Animalele care hibernează sau estivează intră într-o stare cunoscută sub numele de toropeală: o afecțiune în care rata lor metabolică este semnificativ redusă. Acest lucru permite animalului să aștepte până când mediul său îi susține mai bine supraviețuirea. Unii amfibieni, cum ar fi broasca lemnoasă (Rana sylvatica), au în celulele lor o substanță chimică antigel, care păstrează integritatea celulelor și le împiedică să explodeze.

Factorii abiotici care influențează creșterea plantelor

Temperatura și umiditatea sunt influențe importante asupra producției plantelor (productivitatea primară) și a cantității de materie organică disponibilă ca hrană (productivitatea primară netă).Productivitatea primară netă este o estimare a materiei organice disponibile ca alimente; se calculează ca cantitatea totală de carbon fixată pe an minus cantitatea care se oxidează în timpul respirației celulare. În mediile terestre, productivitatea primară netă este estimată prin măsurarea biomasei supraterane pe unitate de suprafață, care este masa totală a plantelor vii, cu excepția rădăcinilor. Aceasta înseamnă că un procent mare de biomasă vegetală care există sub pământ nu este inclus în această măsurare. Productivitatea primară netă este o variabilă importantă atunci când se iau în considerare diferențele de biomi. Biomii foarte productivi au un nivel ridicat de biomasă supraterană.

Producția anuală de biomasă este direct legată de componentele abiotice ale mediului. Mediile cu cea mai mare cantitate de biomasă au condiții în care fotosinteza, creșterea plantelor și productivitatea primară netă rezultată sunt optimizate. Clima acestor zone este caldă și umedă. Fotosinteza poate continua cu o rată ridicată, enzimele pot funcționa cel mai eficient, iar stomatele pot rămâne deschise fără riscul unei transpirații excesive; împreună, acești factori conduc la cantitatea maximă de dioxid de carbon (CO2) care se deplasează în instalație, rezultând o producție ridicată de biomasă. Biomasa supraterană produce mai multe resurse importante pentru alte viețuitoare, inclusiv habitatul și hrana. În schimb, mediile uscate și reci au rate fotosintetice mai mici și, prin urmare, mai puțină biomasă. Comunitățile de animale care locuiesc acolo vor fi, de asemenea, afectate de scăderea hranei disponibile.

Nutrienți anorganici și sol

Nutrienții anorganici, cum ar fi azotul și fosforul, sunt importanți în distribuție și abundența de viețuitoare. Plantele obțin acești nutrienți anorganici din sol atunci când apa se deplasează în plantă prin rădăcini. Prin urmare, structura solului (dimensiunea particulelor componentelor solului), pH-ul solului și conținutul de nutrienți ai solului joacă un rol important în distribuția plantelor. Animalele obțin nutrienți anorganici din alimentele pe care le consumă. Prin urmare, distribuția animalelor este legată de distribuția a ceea ce mănâncă. În unele cazuri, animalele își vor urmări resursele de hrană pe măsură ce se deplasează prin mediu.

Apa

Apa este necesară de toate ființele vii, deoarece este critică pentru procesele celulare. Deoarece organismele terestre pierd apa în mediul înconjurător prin simplă difuzie, au evoluat multe adaptări pentru a reține apa.

• Animalele vor fi acoperite cu o piele sau cuticula grasă sau cerată pentru a reține umezeala.
• Plantele au o serie de trăsături interesante pe frunze, cum ar fi firele de păr și o cuticulă cerată, care servesc la scăderea ratei pierderii de apă prin transpirație.

Organisme înconjurate de apa nu este imună la dezechilibrul apei; și ele au adaptări unice pentru a gestiona apa din interiorul și din exteriorul celulelor.

• Organismele de apă dulce sunt înconjurate de apă și sunt în mod constant în pericol de a avea apă să se precipite în celulele lor din cauza osmozei. Multe adaptări ale organismelor care trăiesc în medii de apă dulce au evoluat pentru a se asigura că concentrațiile de solut din corpul lor rămân la niveluri adecvate. O astfel de adaptare este excreția de urină diluată; urina diluată are o concentrație scăzută de substanțe dizolvate și este în mare parte apă, ceea ce le permite să expulzeze excesul de apă.
• Organismele marine sunt înconjurate de apă cu o concentrație mai mare de substanță dizolvată decât organismul și, astfel, sunt în pericol de pierderea apei în mediu din cauza osmozei. Aceste organisme au adaptări morfologice și fiziologice pentru a reține apa și a elibera substanțe dizolvate în mediu. De exemplu, iguanele marine (Amblyrhynchus cristatus) strănută vaporii de apă cu conținut ridicat de sare pentru a menține concentrațiile de solut într-un interval acceptabil în timp ce înoată în ocean și mănâncă plante marine.

Alți factori acvatici

Unii factori abiotici, cum ar fi oxigenul, sunt importanți atât în ecosistemele acvatice, cât și în mediile terestre. Animalele terestre obțin oxigen din aerul pe care îl respiră. Disponibilitatea oxigenului poate fi o problemă pentru organismele care trăiesc la cote foarte mari, totuși, unde există mai puține molecule de oxigen în aer. În sistemele acvatice, concentrația de oxigen dizolvat este legată de temperatura apei și de viteza cu care se mișcă apa. Apa rece are mai mult oxigen dizolvat decât apa mai caldă. În plus, salinitatea, curentul și mareea pot fi factori abiotici importanți în ecosistemele acvatice.

Alți factori terestri

Figura 7. Conurile mature ale pinului deschis se deschid numai atunci când sunt expuse la temperaturi ridicate, cum ar fi în timpul unui incendiu forestier. (credit: USDA)

Vântul poate fi un factor abiotic important deoarece influențează rata de evaporare și transpirație.Forța fizică a vântului este, de asemenea, importantă, deoarece poate mișca solul, apa sau alți factori abiotici, precum și organismele unui ecosistem.

Focul este un alt factor terestru care poate fi un agent important de perturbare a teritoriului. ecosisteme. Unele organisme sunt adaptate la foc și, prin urmare, necesită căldura ridicată asociată focului pentru a finaliza o parte din ciclul lor de viață. De exemplu, pinul negru (Pinus banksiana) – un copac de conifere – necesită căldură din foc pentru ca conurile sale să se deschidă. Este posibil ca un incendiu să ucidă cea mai mare parte a vegetației, astfel încât răsadurile care germinează după un incendiu sunt mai susceptibile de a primi o rază solară amplă decât una care germinează în condiții normale. Prin arderea acelor de pin, focul adaugă azot în sol și limitează concurența prin distrugerea tufelor.

Verificați-vă înțelegerea

Răspundeți la întrebările de mai jos pentru a vedea cât de bine înțelegeți subiectele tratate în secțiunea anterioară. Acest scurt test nu contează pentru nota dvs. din clasă și îl puteți relua de un număr nelimitat de ori.

Utilizați acest test pentru a vă înțelege și a decide dacă (1) studiați în continuare secțiunea anterioară. sau (2) treceți la secțiunea următoare.