Biology for Majors II (Svenska)

Skillnad mellan abiotiska och biotiska komponenter i miljön

Många krafter påverkar samhällena av levande organismer som finns i olika delar av biosfären ( alla delar av jorden bebodda av livet). Biosfären sträcker sig in i atmosfären (flera kilometer över jorden) och till havets djup. Trots sin uppenbara storhet för en enskild människa upptar biosfären bara ett litet utrymme jämfört med det kända universum. Många abiotiska krafter påverkar var liv kan existera och vilka typer av organismer som finns i olika delar av biosfären. De abiotiska faktorerna påverkar fördelningen av klimat, flora och fauna.

Biogeografi

Biogeografi är studien av den geografiska fördelningen av levande saker och de abiotiska faktorer som påverkar deras fördelning. Abiotiska faktorer som temperatur och nederbörd varierar beroende på latitud och höjd. När dessa abiotiska faktorer förändras förändras också sammansättningen av växter och djur. Om du till exempel skulle börja en resa vid ekvatorn och gå norrut, skulle du märka gradvisa förändringar i växtsamhällen. I början av din resa skulle du se tropiska våta skogar med bredbladiga vintergröna träd, som är karakteristiska för växtsamhällen som finns nära ekvatorn. När du fortsatte att resa norrut skulle du se att dessa bredbladiga vintergröna växter så småningom ger upphov till säsongsmässiga torra skogar med utspridda träd. Du skulle också börja märka förändringar i temperatur och fukt. Vid cirka 30 grader norr skulle dessa skogar ge vika för öknar, som kännetecknas av låg nederbörd.

Förflyttning längre norrut skulle du se att öknar ersätts av gräsmarker eller prärier. Så småningom ersätts gräsmarker med lövfällande tempererade skogar. Dessa lövskogar viker för de boreala skogarna som finns i subarktiken, området söder om polcirkeln. Slutligen skulle du nå den arktiska tundran, som finns på de nordligaste breddgraderna. Denna vandring norr avslöjar gradvisa förändringar i både klimat och de typer av organismer som har anpassat sig till miljöfaktorer associerade med ekosystem som finns på olika breddgrader. Olika ekosystem existerar emellertid på samma latitud, delvis på grund av abiotiska faktorer som jetströmmar, golfströmmen och havsströmmarna. Om du skulle vandra uppför ett berg skulle de förändringar du ser i vegetationen parallellt med dem när du flyttar till högre breddgrader.

Artfördelning

Ekologer som studerar biogeografi undersöker mönster av artfördelning. Ingen art finns överallt; till exempel är Venus flytfälla endemisk mot ett litet område i North och South Carolina. En endemisk art är en som naturligt endast finns i ett specifikt geografiskt område som vanligtvis är begränsat i storlek. Andra arter är generalister: arter som lever i en mängd olika geografiska områden; tvättbjörnen, till exempel, är infödd i större delen av Nord- och Centralamerika.

Artfördelningsmönster baseras på biotiska och abiotiska faktorer och deras påverkan under de mycket långa tidsperioder som krävs för artsutveckling; därför var tidiga studier av biogeografi nära kopplade till framväxten av evolutionärt tänkande på 1700-talet. Några av de mest utmärkande samlingarna av växter och djur förekommer i regioner som har varit fysiskt åtskilda i miljontals år av geografiska hinder. Biologer uppskattar att Australien till exempel har mellan 600 000 och 700 000 arter av växter och djur. Cirka 3/4 av levande växt- och däggdjursarter är endemiska arter som enbart finns i Australien (Figur 1).

Figur 1. Australien är hem för många endemiska arter. (A) wallaby (Wallabia bicolor), en medelstor medlem i kängurufamiljen, är ett påsat däggdjur eller pungdjur. (B) echidna (Tachyglossus aculeatus) är ett äggläggande däggdjur. (kredit a: modifiering av arbete av Derrick Coetzee; kredit b: modifikation av arbete av Allan Whittome)

Ibland upptäcker ekologer unika mönster för artsfördelning genom att bestämma var arter inte finns. Hawaii har till exempel inga inhemska arter av reptiler eller amfibier och har bara ett inhemskt marklevande däggdjur, hoary bat. Det mesta av Nya Guinea, som ett annat exempel, saknar däggdjur från placenta.

Växter kan vara endemiska eller generalister: endemiska växter finns bara på specifika regioner på jorden, medan generalister finns i många regioner. Isolerade landmasser – som Australien, Hawaii och Madagaskar – har ofta ett stort antal endemiska växtarter. Några av dessa växter är hotade på grund av mänsklig aktivitet. Forest gardenia (Gardenia brighamii) är till exempel endemisk mot Hawaii; endast uppskattningsvis 15–20 träd tros existera.

Energikällor

Figur 2. Vårskönheten är en kortvarig vårväxt som blommar tidigt på våren för att undvika att konkurrera med större skogsträd om solljus. (kredit: John Beetham)

Energi från solen fångas upp av gröna växter, alger, cyanobakterier och fotosyntetiska protister. Dessa organismer omvandlar solenergi till den kemiska energi som alla levande saker behöver. Ljustillgänglighet kan vara en viktig kraft som direkt påverkar utvecklingen av anpassningar i fotosyntetiserare. Till exempel skuggas växter i en tempererad skogs underskog när träden ovanför dem i baldakinen helt blad ut på sen vår. Inte överraskande har understory-växter anpassningar för att framgångsrikt fånga tillgängligt ljus. En sådan anpassning är den snabba tillväxten av vårens kortvariga växter som vårens skönhet (figur 2). Dessa vårblommor uppnår mycket av sin tillväxt och avslutar sin livscykel (reproducerar) tidigt på säsongen innan träden i baldakinen utvecklar löv.

I vattenlevande ekosystem kan tillgången på ljus vara begränsad eftersom solljus är absorberas av vatten, växter, suspenderade partiklar och bosatta mikroorganismer. Mot botten av en sjö, damm eller hav finns det en zon som ljuset inte når. Fotosyntes kan inte äga rum där och som ett resultat har ett antal anpassningar utvecklats som gör att levande saker kan överleva utan ljus. Exempelvis har vattenväxter fotosyntetisk vävnad nära vattenytan; tänk till exempel på de breda, flytande bladen på en näckros – näckrosor kan inte överleva utan ljus. I miljöer som hydrotermiska ventiler extraherar vissa bakterier energi från oorganiska kemikalier eftersom det inte finns något ljus för fotosyntes.

Figur 3. Havsvatten är en viktig process som återvinner näringsämnen och energi i havet. När vind (gröna pilar) skjuter ut till havs, får det vatten från havsbotten (röda pilar) att röra sig till ytan och föra upp näringsämnen från havsdjupet.

Tillgången på näringsämnen i akvatiska system är också en viktig aspekt av energi eller fotosyntes. Många organismer sjunker till havets botten när de dör i det öppna vattnet; när detta inträffar, sekvestreras den energi som finns i den levande organismen under en längre tid såvida inte havsuppsvämning sker. Ocean upwelling är stigningen av djupa havsvatten som uppstår när rådande vindar blåser längs ytvatten nära en kustlinje (Figur 3). När vinden skjuter havsvatten till havs rör sig vatten från havets botten upp för att ersätta detta vatten. Som ett resultat blir näringsämnena som en gång finns i döda organismer tillgängliga för återanvändning av andra levande organismer.

I sötvattenssystem sker återvinning av näringsämnen som svar på förändringar i lufttemperaturen. Näringsämnena längst ner i sjöarna återvinns två gånger varje år: på vår- och höstomsättningen. Vår- och höstomsättningen är en säsongsbetonad process som återvinner näringsämnen och syre från botten av ett sötvattensekosystem till toppen av en vattendrag. Dessa omsättningar orsakas av bildandet av en termoklin: ett vattenskikt med en temperatur som skiljer sig väsentligt från de omgivande skikten. På vintern är ytan av sjöar som finns i många norra regioner frusen. Vattnet under isen är dock något varmare och vattnet längst ner i sjön är varmare men ändå vid 4 ° C till 5 ° C (39,2 ° F till 41 ° F). Vattnet är tätast vid 4 ° C; därför är det djupaste vattnet också det tätaste. Det djupaste vattnet är syrefattigt eftersom nedbrytningen av organiskt material längst ner i sjön förbrukar tillgängligt syre som inte kan ersättas med syrediffusion i vattnet på grund av ytlagret.

Figur 4. Vår- och höstomsättningen är viktiga processer i sötvattensjöar som verkar för att flytta näringsämnen och syre i botten av djupa sjöar till toppen. Omsättningen sker eftersom vatten har en maximal densitet vid 4 ° C. Ytvattentemperaturen förändras när säsongerna utvecklas och tätare vatten sjunker.

På våren ökar lufttemperaturen och isen smälter. När ytvattentemperaturen börjar nå 4 ° C blir vattnet tyngre och sjunker till botten. Vattnet längst ner i sjön förskjuts sedan av det tyngre ytvattnet och stiger därmed till toppen. När vattnet stiger till toppen, kommer sedimenten och näringsämnena från sjöbotten med sig. Under sommarmånaderna stratifierar sjövattnet, eller bildar temperaturskikt, med det varmaste vattnet vid sjöytan.

När lufttemperaturen sjunker på hösten svalnar sjövattnet till 4 ° C; därför orsakar detta minskad omsättning när det tunga kalla vattnet sjunker och förskjuter vattnet i botten. Det syrerika vattnet vid ytan av sjön rör sig sedan till botten av sjön, medan näringsämnena längst ner i sjön stiger till ytan. Under vintern används syret längst ner i sjön av sönderdelare och andra organismer som kräver syre, till exempel fisk.

Temperatur

Figur 5. Denna färgstarka varma källa i Yellowstone National Park, belägen i Midway Geyser Basin, är den största varma källan i USA och den tredje största i världen. Dess rika färg är resultatet av termofila organismer som lever längs kanterna på den varma källan.

Temperaturen påverkar fysiologin hos levande saker såväl som vattnets densitet och tillstånd. Temperaturen har ett viktigt inflytande på levande saker eftersom få levande saker kan överleva vid temperaturer under 0 ° C (32 ° F) på grund av metaboliska begränsningar. Det är också sällsynt att levande saker överlever vid temperaturer över 45 ° C (113 ° F); detta är en återspegling av evolutionärt svar på typiska temperaturer. Enzymer är mest effektiva inom ett smalt och specifikt temperaturområde; enzymnedbrytning kan uppstå vid högre temperaturer. Därför måste organismer antingen bibehålla en inre temperatur eller så måste de bo i en miljö som håller kroppen inom ett temperaturområde som stöder ämnesomsättningen. Vissa djur har anpassat sig för att göra det möjligt för sina kroppar att överleva betydande temperaturfluktuationer, som man kan se i viloläge eller reptil. På samma sätt är vissa bakterier anpassade för att överleva i extremt heta temperaturer som gejsrar. Sådana bakterier är exempel på extremofiler: organismer som trivs i extrema miljöer.

Temperatur kan begränsa distributionen av levande saker. Djur som står inför temperatursvängningar kan svara med anpassningar, såsom migration, för att överleva. Migration, förflyttningen från en plats till en annan, är en anpassning som finns i många djur, inklusive många som bor i säsongsbetonade kalla klimat. Migration löser problem relaterade till temperatur, lokalisering av mat och att hitta en kompis. Vid migration gör till exempel den arktiska tärnan (Sterna paradisaea) en 40.000 km (24.000 mi) tur och retur varje år mellan dess utfodringsplatser på södra halvklotet och dess häckningsområden i Arktiska havet. Monarkfjärilar (Danaus plexippus) bor i de östra USA under de varmare månaderna och migrerar till Mexiko och södra USA på vintern. Vissa däggdjursarter gör också vandringsflyg. Renar (Rangifer tarandus) reser cirka 5 000 km (3 100 mi) varje år för att hitta mat. Amfibier och reptiler är mer begränsade i sin distribution eftersom de saknar migrationsförmåga. Inte alla djur som kan migrera gör det: migration medför risk och har en hög energikostnad.

Figur 6. Chipmunks i viloläge för vintern, men de kommer ur sömnen med några dagars mellanrum för att äta.

Vissa djur sover eller estiverar för att överleva fientliga temperaturer. Viloläge gör det möjligt för djur att överleva kalla förhållanden och estivation gör att djur kan överleva de fientliga förhållandena i ett varmt, torrt klimat. Djur i viloläge eller estivation går in i ett tillstånd som kallas torpor: ett tillstånd där deras ämnesomsättning sänks signifikant. Detta gör att djuret kan vänta tills dess miljö bättre stöder dess överlevnad. Vissa amfibier, såsom trägroda (Rana sylvatica), har en frostskyddsliknande kemikalie i sina celler, vilket bibehåller cellernas integritet och hindrar dem från att spricka.

Abiotiska faktorer som påverkar växttillväxt

Temperatur och fukt är viktiga influenser på växtproduktionen (primärproduktivitet) och mängden organiskt material som finns som mat (primärproduktivitet netto).Primärproduktiviteten netto är en uppskattning av allt organiskt material som finns tillgängligt som livsmedel. den beräknas som den totala mängden kol som är fast per år minus den mängd som oxideras under cellulär andning. I markbundna miljöer uppskattas nettoprimärproduktiviteten genom att mäta den ovanjordiska biomassan per ytenhet, vilket är den totala massan av levande växter, exklusive rötter. Detta innebär att en stor andel av växtbiomassan som finns under jorden inte ingår i denna mätning. Primär nettoproduktivitet är en viktig variabel när man överväger skillnader i biomer. Mycket produktiva biomer har en hög nivå av ovanjordisk biomassa.

Årlig produktion av biomassa är direkt relaterad till de abiotiska komponenterna i miljön. Miljöer med den största mängden biomassa har förhållanden där fotosyntes, växttillväxt och den resulterande primära nettoproduktiviteten optimeras. Klimatet i dessa områden är varmt och vått. Fotosyntes kan fortsätta i hög hastighet, enzymer kan fungera mest effektivt och stomata kan förbli öppen utan risk för överdriven transpiration; tillsammans leder dessa faktorer till att den maximala mängden koldioxid (CO2) rör sig in i anläggningen, vilket resulterar i hög biomassaproduktion. Den ovanjordiska biomassan producerar flera viktiga resurser för andra levande saker, inklusive livsmiljö och mat. Omvänt har torra och kalla miljöer lägre fotosyntetiska hastigheter och därför mindre biomassa. De djursamhällen som bor där kommer också att påverkas av minskningen av tillgänglig mat.

Oorganiska näringsämnen och jord

Oorganiska näringsämnen, såsom kväve och fosfor, är viktiga i distributionen och överflöd av levande saker. Växter får dessa oorganiska näringsämnen från jorden när vatten rör sig in i växten genom rötterna. Därför spelar markstruktur (partikelstorlek hos jordkomponenter), jordens pH och jordnäringsinnehåll en viktig roll i fördelningen av växter. Djur får oorganiska näringsämnen från maten de konsumerar. Därför är djurfördelningar relaterade till fördelningen av vad de äter. I vissa fall kommer djur att följa sin matresurs när den rör sig genom miljön.

Vatten

Vatten krävs av alla levande saker eftersom det är viktigt för cellulära processer. Eftersom marklevande organismer förlorar vatten till miljön genom enkel diffusion har de utvecklat många anpassningar för att behålla vatten.

• Djur kommer att täckas i en fet eller vaxig hud eller nagelband för att behålla fukt.
• Växter har ett antal intressanta funktioner på sina löv, såsom bladhår och en vaxartad nagelband, som tjänar till att minska hastigheten på vattenförlust genom transpiration.

Organismer som omges av vatten är inte immunt mot vattenobalans; de har också unika anpassningar för att hantera vatten inuti och ur celler.

• Sötvattenorganismer är omgivna av vatten och riskerar ständigt att få vatten att rusa in i sina celler på grund av osmos. Många anpassningar av organismer som lever i sötvattenmiljöer har utvecklats för att säkerställa att koncentrationerna av lösta ämnen i deras kroppar ligger inom lämpliga nivåer. En sådan anpassning är utsöndringen av utspädd urin; utspädd urin har en låg koncentration av upplösta ämnen och är mestadels vatten, vilket gör att de kan driva ut överflödigt vatten.
• Marina organismer är omgivna av vatten med en högre koncentrerad lösning än organismen och riskerar således förlorar vatten till miljön på grund av osmos. Dessa organismer har morfologiska och fysiologiska anpassningar för att behålla vatten och släppa ut lösta ämnen i miljön. Till exempel, marina leguaner (Amblyrhynchus cristatus), nyser ut vattenånga som innehåller mycket salt för att upprätthålla koncentrationerna av lösta ämnen inom ett acceptabelt område medan du simmar i havet och äter marina växter.

Andra vattenfaktorer

Vissa abiotiska faktorer, såsom syre, är viktiga i vattenlevande ekosystem såväl som terrestriska miljöer. Terrestriska djur får syre från luften de andas in. Syre tillgänglighet kan vara ett problem för organismer som lever i mycket höga höjder, men där det finns färre syremolekyler i luften. I vattenlevande system är koncentrationen av upplöst syre relaterad till vattentemperaturen och den hastighet med vilken vattnet rör sig. Kallt vatten har mer löst syre än varmare vatten. Dessutom kan salthalt, ström och tidvatten vara viktiga abiotiska faktorer i vattenlevande ekosystem.

Andra markfaktorer

Figur 7. Jackkornens mogna kottar öppnas endast när de utsätts för höga temperaturer, till exempel under en skogsbrand. (kredit: USDA)

Vind kan vara en viktig abiotisk faktor eftersom den påverkar avdunstningshastigheten och transpirationshastigheten.Vindens fysiska kraft är också viktig eftersom den kan flytta jord, vatten eller andra abiotiska faktorer såväl som ett ekosystems organismer.

Eld är en annan markfaktor som kan vara ett viktigt störningsmedel i markbunden ekosystem. Vissa organismer är anpassade för eld och kräver därför hög värme associerad med eld för att slutföra en del av deras livscykel. Till exempel, jack-tall (Pinus banksiana) – ett barrträd – kräver värme från eld för att dess frökottar ska kunna öppnas. En brand kommer sannolikt att döda de flesta vegetationer, så en planta som groddar efter en brand är mer benägna att få gott om solljus än en som gro under normala förhållanden. Genom förbränning av tallnålar tillsätter eld kväve i jorden och begränsar konkurrensen genom att förstöra underväxt.

Kontrollera din förståelse

Besvara frågorna nedan för att se hur väl du förstår ämnena i föregående avsnitt. Det här korta frågesporten räknas inte med i ditt betyg i klassen, och du kan ta om det ett obegränsat antal gånger.

Använd det här frågesporten för att kontrollera din förståelse och besluta om (1) studera föregående avsnitt ytterligare eller (2) gå vidare till nästa avsnitt.