Name: measuring ecosystem health
Uploaded: 2019-01-29T11:04:46.000Z
Duration: 5 min 49 s
Channel: JoVE

K12 Standards

north-carolina-k-12-science-standard-course-of-study

North Carolina K-12 Science Standard Course of Study

9-12

Earth and Environmental Science

Earth and Human Activity

ESS.EES.5.6

Community Diversity

Ein Ökosystem ist eine Gemeinschaft von lebenden und nicht-lebenden Komponenten, die in einem Gebiet interagieren. Dieser kann so groß sein wie die Erde selbst oder ein Wald voller Pflanzen und Tiere oder so klein wie ein Magen mit seinen mikrobiellen Bewohnern. Die Gesundheit eines Ökosystems kann auf unterschiedliche Weise gemessen werden, aber ein guter Indikator ist die biologische Vielfalt, ein Maß für die Vielfalt biologischer Arten in einem Ökosystem. 

Wir können die biologische Vielfalt mit einem Maß namens Shannon-Wiener-Index bewerten, das von Claude Shannon und Norbert Wiener in den 1940er Jahren vorgeschlagen wurde. Der Shannon-Wiener-Index ist ein einheitenloses Maß, das als H berechnet wird. Der Index verwendet zwei Variablen: den Artenreichtum oder die Anzahl der vorhandenen Arten, angegeben durch K, und die Gleichmäßigkeit der Arten, d. h. den Anteil jeder Art, angegeben durch PI. Der Artenreichtum ist die Anzahl einzigartiger Arten in einem Ökosystem. In diesem Beispiel gibt es sieben. Die Gleichmäßigkeit der Arten misst, wie Arten in einem Ökosystem verteilt sind. Das bedeutet, dass ein Ökosystem, in dem die verschiedenen Arten eine ähnliche Anzahl haben, gleichmäßiger ist als eines, in dem eine oder zwei Arten die meisten Organismen ausmachen, wie dieser, der relativ von Hasen überrannt wird. 

Jetzt, da wir wissen, was wir messen müssen, wollen wir lernen, wie man die biologische Vielfalt misst. Da Ökosysteme riesig sein können, mussten Ökologen Wege finden, um schnell große Flächen nach dem Zufallsprinzip zu beproben. Die einfachste davon ist das Quadrat, bei dem es sich um einen Rahmen fester Größe handelt, der typischerweise zufällig innerhalb einer Probenahmestelle platziert wird. Wissenschaftler vermessen das Gebiet innerhalb des Quadrats, protokollieren den Artenreichtum und auch deren Ebenheit. Mit diesen kleinen Fenstern, die an mehreren Stellen in einem Ökosystem platziert sind, können sie ihre Ergebnisse extrapolieren, um Diversitätsschätzungen für das gesamte Untersuchungsgebiet zu erhalten. Aber obwohl diese Technik eine überschaubare Beurteilung eines großen Bereichs ermöglicht, ist sie nicht perfekt. Bei der zufälligen Platzierung von Quadranten können Individuen übersehen werden, was zu einer Unterrepräsentation der Arten und falsch niedrigen Schätzungen der Biodiversität führt. 

Diese Einschränkung bedeutet, dass einige Gemeinschaften, insbesondere uneinheitliche oder uneinheitliche Gemeinschaften, durch einen strukturierteren Ansatz besser in die Stichprobe einbezogen werden können. Hier grenzt unsere Wiese an den Wald und besteht in Wirklichkeit aus verschiedenen Lebensraumflecken. Um diese Gemeinschaft gerecht abzudecken, können wir die Landschaft in Kernlebensräume und vor allem in Randlebensräume unterteilen. Oft weisen Randgebiete eine größere Artenvielfalt auf, da dort Arten aus beiden Lebensraumtypen leben können. Dies könnte jedoch bei der traditionellen Zufallsstichprobe übersehen werden. Um die Artenvielfalt in einer solchen Gemeinde zu messen, kann es eine gute Strategie sein, zunächst die Kerngebiete nach dem Zufallsprinzip mit Quadraten zu beproben. Die gesammelten Daten können dann verwendet werden, um den H-Wert für jeden Kernlebensraum zu berechnen. Als nächstes kann ein Transekt oder eine Probenahmelinie über jeden Kernlebensraum gelegt werden, die sich bis in den Randbereich erstreckt. Der Artenreichtum und die Gleichmäßigkeit können dann mit Hilfe von Quadraten erfasst werden, die an festgelegten Punkten entlang dieser Linien platziert sind. Mit der Shannon-Wiener-Formel kann nun der Diversitätsindex für jede Entfernung entlang des Transekts berechnet und verglichen werden. Eine Fläche mit einem höheren H-Wert ist in der Regel vielfältiger als eine mit einem niedrigeren H-Wert. Diese kombinierte Zufallsquadrat- und Transekttechnik ermöglicht eine vielseitige und fairere Bewertung, wie die verschiedenen Lebensräume innerhalb derselben Gemeinschaft in Bezug auf die Vielfalt verglichen werden. 

Zusätzlich zu den Artenmessungen können Wissenschaftler auch Messungen der chemischen Komponenten eines Ökosystems vornehmen, um dessen Gesundheit zu beurteilen. Sie können zum Beispiel auf Verschmutzung prüfen oder die Bodenqualität durch Messung der vorhandenen Nährstoffe untersuchen. Diese Informationen können auch nützlich sein, um Veränderungen in den Mustern der biologischen Vielfalt in verschiedenen Regionen einer Gemeinschaft zu erklären. Wenn die Wiese also in unserem Beispiel einen minderwertigen Boden als der Wald und der Rand hat, kann es sein, dass sie weniger Arten beherbergt. 

In diesem Lab messen Sie die Biodiversität und die Bodenqualität in zwei verschiedenen Kernregionen und untersuchen dann, wie sich die Biodiversität entlang eines Randlebensraums auswirkt.

vielfalt in der gemeinschaft

Bevölkerungen leben nicht isoliert, daher interagiert jede Population auf bestimmte Weise mit anderen. Diese Wechselwirkungen führen zu einem Netzwerk von Populationen. Eine ökologische Gemeinschaft besteht also aus solchen Populationsnetzwerken verschiedener Arten, die innerhalb desselben Gebiets miteinander interagieren. Diese biologischen oder biotischen Komponenten können auch eng mit nicht lebenden oder abiotischen Komponenten interagieren und ein Ökosystem bilden. Ökosysteme können so klein sein wie die mikrobiellen Gemeinschaften im menschlichen Verdauungstrakt, strukturiert durch den pH-Wert und die Nährstoffe ihrer Umgebung, oder so groß wie ein Wald mit Bäumen und Insekten, die durch den Kohlenstoffkreislauf eng miteinander verbunden sind. Ökologen und Naturschützer interessieren sich zunehmend für Ökosysteme, da der Mensch sie weltweit durch Urbanisierung und Klimawandel stark verändert. Änderungen an einer einzelnen Komponente eines Ökosystems können sich auf andere, eng miteinander verknüpfte Komponenten auswirken und möglicherweise drastische Veränderungen im gesamten System verursachen. Aus diesen Gründen ist die Quantifizierung und Vorhersage der aktuellen und zukünftigen "Gesundheit" von Ökosystemen zu einem wichtigen Thema der ökologischen Forschung geworden.

<h4>Biodiversität</h4>

Der Begriff "Ökosystemgesundheit" ist metaphorisch, weil es schwierig ist, die Gesundheit sehr unterschiedlicher Ökosysteme zu vergleichen, und es gibt keinen einzigen Wert, der verwendet werden kann, um zu quantifizieren, wie gesund ein Ökosystem ist. Zum Beispiel weisen Wüsten und Wälder eine sehr unterschiedliche Artenvielfalt auf, aber die eine ist nicht unbedingt gesünder als die andere. Daher wurden mehrere Metriken formuliert, um die Gesundheit eines Ökosystems darzustellen, und ihre Verwendung hängt von den Zielen der Studie ab. Daher kann sich "Ökosystemgesundheit" darauf beziehen, wie wertvoll ein Ökosystem für den Menschen ist. So wird beispielsweise der Wert von Ökosystemdienstleistungen wie die Kohlenstoffbindung durch Bäume oder die Bestäubung durch Bienen verwendet, um die Gesundheit von Ökosystemen zu quantifizieren. Andere Metriken können die Anzahl der seltenen Arten in einem Ökosystem messen, wie widerstandsfähig ein Ökosystem gegen Feuer ist, oder einige andere Messungen biotischer und abiotischer Faktoren. Für Ökologen ist ein sehr beliebtes Gesundheitsmaß das der biologischen Vielfalt oder "Biodiversität". Die Biodiversität ist ein Maß für die Vielfalt der biologischen Arten, die in einem Gebiet vorkommen, und kann mit dem Shannon-Wiener-Biodiversitätsindex berechnet werden.

Der Shannon-Wiener-Index erfordert zwei Messungen von einer lokalen Gemeinschaft: Artenreichtum und Gleichmäßigkeit. Der Artenreichtum ist die Gesamtzahl der verschiedenen Arten innerhalb einer lokalen Gemeinschaft. Eine Fläche ohne Arten, wie z. B. ein frisch gepflasterter Parkplatz, hätte einen Reichtumswert von 0. Regenwälder, die dafür bekannt sind, einige der vielfältigsten Gemeinschaften der Erde zu beherbergen, haben einen viel größeren Artenreichtum. Während viele Arten in der Regel mit einem vielfältigen und gesunden Ökosystem einhergehen, muss auch die Gleichmäßigkeit berücksichtigt werden. Wenn zum Beispiel eine Art das Gebiet dominiert, während die anderen sehr selten sind, ist die Artenvielfalt in diesem Gebiet geringer als in einem Gebiet mit gleichen Artenhäufigkeiten. Daher weisen Gebiete mit vielen Arten, die relativ gleich häufig vorkommen, die höchsten Werte für die Artenvielfalt auf.

Shannon-Wiener ist nicht das einzige Maß für die Artenvielfalt und Gesundheit des Ökosystems. Zum Beispiel wird ein beliebter Index, der sogenannte EPT-Index, verwendet, um die Wasserqualität in Flusssystemen zu bestimmen, indem einzelnen Organismen Gesundheitswerte zugewiesen werden. Genauer gesagt berücksichtigt dieser Index drei schadstoffempfindliche Ordnungen von wirbellosen Tieren, die in Flüssen vorkommen: Ephemeroptera (Eintagsfliegen), Plecoptera (Steinfliegen) und Trichoptera (Köcherfliegen). Das Vorkommen dieser schadstoffintoleranten Arten in einem Gewässer wird als Hinweis auf eine gute Wasserqualität gewertet und das betreffende Ökosystem gilt als gesund.

Oft sind ökologisch relevante Flächen zu groß, um sie vollständig zu beproben. Um dieses Problem zu lösen, beproben Ökologen mehrere kleinere Parzellen im gesamten Untersuchungsgebiet mit Hilfe von Quadraten, bei denen es sich um kleine Rahmen einer vorgegebenen Größe handelt, die an Punkten im gesamten Untersuchungsgebiet platziert werden und in denen ein Forscher alle Individuen von Interesse identifiziert und erfasst. Wenn genügend quadratische Proben in Betracht gezogen werden, können Wissenschaftler extrapolieren, um genaue Schätzungen der ökologischen Gemeinschaften vorzunehmen.

<h4>Auswirkungen ökologischer Veränderungen</h4>

Die meisten natürlichen ökologischen Veränderungen finden über einen längeren Zeitraum statt. Darüber hinaus verändert der Mensch weiterhin Ökosysteme. Um langfristige Veränderungen in Ökosystemen abzuschätzen, haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Long Term Ecological Research Sites (LTERs) eingerichtet. Einer der am längsten laufenden LTERs ist der Hubbard Brook Experimental Forest in New Hampshire, USA. Diese und andere Stätten haben das Wissen über die Skalenmuster von Ökosystemen erweitert, die sich aus Entwaldung, Veränderungen des hydrologischen Regimes und anderen langfristigen ökologischen Störungen ergeben1.

Wenn eine große Veränderung sehr schnell vonstatten geht, spricht man von einer ökologischen Störung. Brände, Wirbelstürme und Überschwemmungen sind Beispiele für ökologische Störungen. Störungen können ein Ökosystem verändern, indem sie Nährstoffe vernichten und die Zusammensetzung der biologischen Gemeinschaft verändern. Nach einer Störung werden die widerstandsfähigsten und widerstandsfähigsten Arten für das Überleben bevorzugt. Eine resistente Art oder Gemeinschaft ist eine solche, die größere Störungen mit minimalen Nachteilen überstehen und sich schnell von einer Störung erholen kann, wie Löwenzahn nach dem Mähen eines Rasens. Es ist nicht möglich, einen Standort über viele Jahre vor und nach Störungen zu beproben, aber der Vergleich verschiedener Gebiete mit unterschiedlichen Störungsregimen bietet eine teilweise Lösung für dieses Problem.

Gestörte Lebensräume sind in der Regel lückenhaft, daher kann die Verwendung von zufällig platzierten Quadraten zu einer Unterrepräsentation von Arten und falschen Schätzungen der Biodiversität führen. Aus diesem Grund ist es wichtig, die Umgebung und einige der Merkmale des zu untersuchenden Lebensraums zu berücksichtigen. Dies wird in der Landschaftsökologie erreicht, indem sowohl Kern- als auch Randlebensräume untersucht werden. Ein Kernlebensraum befindet sich zentral innerhalb eines Fleckchens, umgeben von der gleichen Art von Lebensraum. Im Gegensatz dazu grenzt ein Randlebensraum, der auch als Grenzhabitat bezeichnet wird, an einen anderen Lebensraumtyp. Randlebensräume, z. B. dort, wo ein Waldlebensraum auf einen Wiesenlebensraum trifft, können eine erhöhte Artenvielfalt aufweisen, da in ihnen Arten aus beiden Lebensraumtypen vorkommen können. Solche Unterschiede in der Artenvielfalt an den Rändern von Lebensräumen werden als Randeffekte bezeichnet. Um diese Übergangsbereiche zu beurteilen, nutzen Ökologen Wege entlang von Lebensräumen, sogenannte Transekte, und erfassen die Artenvielfalt kleiner Probenahmestellen in festgelegten Abständen entlang des Weges. Allerdings haben nicht alle Lebensräume Randeffekte, und manchmal sind Randarten invasiv und können in einem breiteren Spektrum von Lebensräumen wachsen, was nicht auf ein "gesundes" Ökosystem hinweist.

Zusätzlich zu den Artenmessungen können Wissenschaftler auch Messungen der chemischen Komponenten eines Ökosystems vornehmen, um dessen Gesundheit zu beurteilen. Sie können zum Beispiel auf Verschmutzung prüfen oder die Bodenqualität durch Messung der vorhandenen Nährstoffe untersuchen. Diese Informationen können auch nützlich sein, um Veränderungen in den Mustern der biologischen Vielfalt in verschiedenen Regionen einer Gemeinschaft zu erklären. Es gibt auch viele Variablen wie Temperatur, Niederschlag über einen bestimmten Zeitraum und funktionelle Merkmale der Art, die schwer zu messen wären und fortschrittliche statistische Analysen erfordern würden. Ökologen arbeiten ständig an neuen Wegen, um diese Variablen über größere Zeit- und Raumskalen hinweg zu erfassen. Dies ist neuen Methoden wie der Fernerkundung von Ökosystemen gewichen, bei der Satellitenbilder verwendet werden, um Variablen von Interesse über den gesamten Globus abzuschätzen2. Diese Daten erfordern den Einsatz von multivariater Statistik und anderen komplexen mathematischen Werkzeugen, die ständig weiterentwickelt werden.

Da die menschliche Bevölkerung weltweit weiter wächst und die Ökosysteme verändert, arbeiten Wissenschaftler und besorgte Bürger daran, bedrohte Ökosysteme zu erhalten und zu erhalten. Eine Möglichkeit, stark veränderte Ökosysteme wiederherzustellen, ist die biologische Sanierung, bei der biologische Organismen, in der Regel Mikroorganismen, freigesetzt werden, um Schadstoffe abzubauen und einem Ökosystem wieder günstige Eigenschaften zu verleihen3. Ein Beispiel dafür ist die Freisetzung von Mikroorganismen im Abwasser, um die Verschmutzung abzubauen und das Wasser wieder in einen bewohnbaren Zustand für Fische zu versetzen4. Daher werden erfinderische Wege zur Wiederherstellung von Ökosystemen immer wichtiger, um die Auswirkungen des Menschen auf die Ökosysteme zu verringern.

<h4>Referenzen</h4>

<ol class="Referenzen">
	<li>Likens, Gen E. Fünfzig Jahre kontinuierlicher Niederschlag und Daten zur Flusschemie aus der Hubbard Brook Ökosystemstudie (1963–2013). Ökologie. Band 98, 8: 2224.</li>
	<li>Zhaoqin Li, Dandan Xu, Xulin Guo. Fernerkundung der Gesundheit von Ökosystemen: Chancen, Herausforderungen und Zukunftsperspektiven. Sensoren (Basel). 2014, Bd. 14(11): 21117–21139.</li>
	<li>Garbisu, Itziar Alkorta Lur Epelde Carlos. Durch den Klimawandel veränderte Umweltparameter beeinflussen die Aktivität von Bodenmikroorganismen, die an der Bioremediation beteiligt sind. FEMS Mikrobiologie Briefe. 2017, Bd. 364, 19.</li>
	<li>P. Padmavathi, K. Sunitha, K. Veeraiah. Wirksamkeit von Probiotika bei der Verbesserung der Wasserqualität und der Bakterienflora in Fischteichen. Afr. J. Microbiol. Res. 2012, 6(49). 7471-7478.</li>
</ol>

Vielfalt in der Gemeinschaft

Bevölkerungen leben nicht isoliert; So interagiert jede Bevölkerung auf bestimmte Weise mit anderen. Aus diesen Wechselwirkungen entsteht ein Netzwerk von ...

Education

Lehre

JoVE Lab Manual

Biology

Biologie

Ecology

Ökologie

measuring ecosystem health

Ecosystem health is measured by looking at how species, habitats, and nonliving conditions interact in the same area. An ecological community includes many populations that live together and affect one another. When biotic parts, or living parts, also interact with abiotic parts, or nonliving parts, they form an ecosystem. These systems can be very small, like microbes in the human digestive tract, or very large, like a forest linked by the carbon cycle.

Ecologists study ecosystem health because urbanization and climate change are changing ecosystems around the world. A change in one part of an ecosystem can affect other connected parts. That can lead to major shifts in the whole system. Because of this, scientists want to measure and predict the current and future health of ecosystems.

There is no single way to measure ecosystem health. The term is metaphorical, and different ecosystems are not easy to compare directly. A desert and a forest may have very different species diversity, but one is not automatically healthier than the other. Researchers use different metrics based on the goal of the study. Some look at ecosystem services, such as carbon sequestration by trees or pollination by bees. Others measure rare species, fire resistance, or other biotic and abiotic factors.

One common measure is biodiversity, or biological diversity. Biodiversity describes the variety of species in an area and can be calculated with the Shannon-Wiener biodiversity index. This index uses two measurements: species richness and evenness. Species richness is the total number of different species in a local community. A freshly paved parking lot would have a richness of 0, while a rainforest would have a much higher richness. Evenness matters too. If one species dominates and the others are rare, biodiversity is lower than in a community where species are more evenly abundant.

Another health measure is the EPT index, which is used in river systems to check water quality. EPT stands for Ephemeroptera, Plecoptera, and Trichoptera, which are mayflies, stoneflies, and caddisflies. These invertebrates are sensitive to pollution, so finding them in a waterway is a sign of good water quality. In that case, the ecosystem is considered healthy.

Ecologists often cannot sample a large habitat all at once. To solve this, they use quadrats, which are small frames of a set size placed at different points in the study area. Inside each quadrat, a researcher identifies and records the species of interest. With enough samples, scientists can estimate the ecological community more accurately.

Ecological change can happen slowly over many years or quickly as a disturbance. Fires, hurricanes, and floods are examples of disturbances. They can remove nutrients and change the makeup of the biological community. Afterward, the most resistant and resilient species are more likely to survive. A resistant species can handle major disturbance with little harm and recover quickly, like dandelions after a lawn is mowed.

To study long-term change, scientists use Long Term Ecological Research sites, or LTERs. The Hubbard Brook Experimental Forest in New Hampshire is one of the longest running examples. These sites have helped scientists understand long-term patterns linked to deforestation, changes in water flow, and other major disturbances. Since it is not practical to sample the same site for many years before and after every event, researchers also compare areas with different disturbance histories.

Disturbed habitats are often patchy, so random quadrats can miss important species and give poor biodiversity estimates. Ecologists also study landscape patterns by comparing core habitats and edge habitats. A core habitat is found in the middle of a patch. An edge habitat, or boundary habitat, borders a different habitat type. For example, where a forest meets a meadow, biodiversity may be higher because species from both habitats can be present. These changes are called edge effects, and they are often measured with transects, or paths across the habitat, where small sampling sites are recorded at set intervals.

Not every edge shows an edge effect. Some edge species are invasive and can live in many habitat types, so they may not indicate a healthy ecosystem. Scientists also measure chemical features of ecosystems, such as pollution levels or soil nutrients. These data help explain biodiversity patterns in different parts of a community. Other variables, including temperature, precipitation over time, and species traits, can be harder to measure and may require advanced statistical analysis.

To study ecosystems across large areas and long time scales, ecologists are using remote sensing. This method uses satellite images to estimate variables across the globe. The data often require multivariate statistics and other complex math tools that are still being improved. As people continue to change ecosystems worldwide, conservation and restoration have become increasingly important. One restoration method is bioremediation, which uses biological organisms, usually microorganisms, to break down pollutants and restore favorable ecosystem traits. In wastewater, for example, microorganisms can help remove pollution and make the water habitable for fish.

Measuring Ecosystem Health

animal behavior

Drosophila Taxis in Animal Behavior

Drosophila taxis behavior is a key part of animal behavior studies. The common fruit fly, Drosophila melanogaster, is a widely used model organism in biology. It is easy to keep in small tubes, it has a short generation time of about two weeks, and males and females are easy to tell apart because males have black coloration toward the posterior and females have banded abdomens. Scientists have used Drosophila for more than a century. Thomas Hunt Morgan and his students studied mutant flies in...

energy dynamics

Food Chain Energy Flow and Biomass

Food chain energy flow shows how energy moves through ecosystems from one organism to the next. Energy cannot be created or destroyed, so it can only change form or be passed along to another organism. When a cow grazes on grass or an osprey eats fish, energy moves to the consumer. Each transfer is part of a trophic level, and these links help explain how ecosystems stay balanced. Primary producers sit at the base of the food chain. They are autotrophs, or self-feeding organisms, because they...

measuring biodiversity

Why Biodiversity Matters in Ecosystems

Biodiversity matters because it helps keep ecosystems healthy and stable. Biodiversity is the variety of living organisms in an ecosystem, and it can be measured at the genetic, species, community, and ecosystem levels. Ecologists often focus on species richness, which is the total number of different species in a local community. They also consider evenness, which describes how similar the abundances of those species are. A community with many species is not always the most diverse if one...

extinction

Mass Extinction and the Fossil Record

Mass extinction is a major loss of species, and the fossil record shows how these events changed life on Earth. Fossils from different rock layers helped scientists see that life has a long history. In the early 19th century, that idea helped launch paleontology, the study of fossils and ancient life. At first, many scientists did not fully accept that a species could disappear forever. They thought unknown organisms seen only in fossils might still live in unexplored places on Earth. By 1859,...

species distribution and biogeography

Island Biogeography and Species Richness

Island biogeography explains why species are found in some places and not others. It looks at how biotic factors, like competition and predation, and abiotic factors, like habitat size and distance, shape birth, death, immigration, and emigration rates. For a species to avoid local extinction, births and immigration must match or exceed deaths and emigration. Edward O. Wilson and Robert MacArthur helped define this field in 1967 by studying isolated oceanic islands. Islands gave early...

population growth

Population Models and Carrying Capacity

Population ecology examines how a species population changes over time. A population is a group of individuals of the same species living in the same area at the same time. To persist, a population must grow or at least stay about the same size. Ecologists study birth rate, death rate, and age distribution to understand whether a population is increasing, declining, or at risk of extinction. Population ecologists use models to predict how population size changes. Two simple models are...

community diversity

Ecosystem health is measured by looking at how species, habitats, and nonliving conditions interact in the same area. An ecological community includes many populations that live together and affect one another. When biotic parts, or living parts, also interact with abiotic parts, or nonliving parts, they form an ecosystem. These systems can be very small, like microbes in the human digestive tract, or very large, like a forest linked by the carbon cycle. Ecologists study ecosystem health...

climate change

Climate Change Effects on Sea Level and Species

Climate change affects Earth’s average temperature, sea level, and living things. Scientists distinguish climate from weather by time scale. Weather describes short-term conditions in one place, such as temperature and precipitation. Climate describes those same conditions over long periods, and global climate is measured using data from across the entire Earth. Researchers track climate change with help from meteorology, geography, oceanography, and computer models. Much of this work focuses...

group behavior

Hawk-Dove Strategy in Animal Populations

Hawk-dove strategy helps explain how animals compete and cooperate in populations. Organisms often face costs when they try to get food, shelter, or mates. Because of that, individuals can use different behavioral strategies to gain an advantage. This is clear in polymorphic mating systems, where one sex, usually males, uses more than one mating strategy. For example, dominant male sea lions defend groups of females on the beach. Non-dominant males stay in or near the water and try to mate...

optimal foraging

Patch Use in Optimal Foraging

Patch use in optimal foraging explains how organisms balance food gain against the time and energy needed to search for it. Foraging is not limited to food. Animals also search for habitats, shelter, and mates. Each choice has costs and benefits. A resource provides a benefit, but finding and capturing it takes effort. Optimal Foraging Theory models how organisms reach the best balance between those costs and gains. A key idea in this theory is that resources are often clumped into patches...

sexual selection and mate choice

Mate Competition and Fitness Traits

Mate competition and fitness traits shape how organisms choose partners and pass genes to the next generation. Evolutionary fitness depends on surviving and producing offspring, and sexual selection is a major part of that process. It creates pressure on traits used in courtship and mating, such as bright colors, ornamentation, and other features that help attract a mate. These traits can also create sexual dimorphism, which means males and females of the same species look different. Sexual...

eusociality and division of labor

Honeybee Altruism and Inclusive Fitness

Eusociality is a highly organized form of animal social life. It includes division of labor, where different individuals take on different roles in the group. In these systems, some animals help others even when it comes at a cost to their own survival or reproduction. That self-sacrificing behavior is called altruism. Early evolutionary biologists used to explain fitness only at the level of the individual. Observations of eusocial species, such as honeybees, challenged that idea. W. D.

ecology

Learn how ecologists measure ecosystem health with biodiversity, quadrats, EPT index, disturbance studies, remote sensing, and bioremediation.

Measuring Ecosystem Health | JoVE K12

ESS.EES.6.1

ESS.EES.6.3

Earth's Systems

ESS.EES.4.1

ESS.EES.4.2

Louisiana Student Standards for Science

High School

Earth Science

Human Sustainability

HS-ESS3-3

HS-ESS3-4

Environmental Science

Resources And Resource Management

HS-EVS1-1

ecosystems-interactions-energy-and-dynamics

Ecosystems: Interactions, Energy And Dynamics

HS-LS2-1

HS-LS2-6

HS-LS2-7

Virginia  Standards of Learning

HIgh School

ES.8

ES.8.b

Alabama Course of Study Science

Unity and Diversity

9-12.EVS.2.3.a

new-york-state-science-learning-standards

New York State Science Learning Standards

Life Science

interdependent-relationships-in-ecosystems

Interdependent Relationships in Ecosystems

HS-LS2-2.

HS-LS2-7.

Georgia Standards of Excellence

SEC1.

SEC1.a

Botany

SBO1.

coevolution-plant-morphological-anatomical-structures-with-animals-ie

Coevolution of plant morphological and anatomical structures with animals (i.e., pollination), Rhizobium (i.e., nitrogen fixation), and Mycorrhiza (i.e., fungi in rhizosphere).

Bereiten Sie den Unterricht zu Vielfalt in der Gemeinschaft mit diesem 1-minütigen Leitfaden für Lehrkräfte vor. Behandelt die wichtigsten Vorbereitungsschritte für das Biology-Labor auf JoVE Lab Manual.

Vielfalt in der Gemeinschaft Lehrervorbereitung in Biology - 1.3K+ Aufrufe | JoVE Lab Manual

Folgen Sie den Schritt-für-Schritt-Verfahren von Vielfalt in der Gemeinschaft in diesem 13-minütigen Studentenprotokoll-Video. Teil der Biology-Sammlung auf JoVE Lab Manual.

Vielfalt in der Gemeinschaft Studentenprotokoll in Biology - 2.3K+ Aufrufe | JoVE Lab Manual

Threats to Biodiversity

There have been five major extinction events throughout geological history, resulting in the elimination of biodiversity, followed by a rebound of species ...

The Carbon Cycle

Carbon is the basis of all organic matter on Earth, and is recycled through the ecosystem in two primary processes: one in which carbon is exchanged among ...

Energy Dynamics

The Food Chain
Energy is one of the most important abiotic factors in an ecosystem and organisms in an ecosystem are connected by the flow of energy and ...

What is Climate?

Climate refers to the prevailing weather conditions in a specific area over an extended period. As the saying goes, &#8220;Climate is what you expect. ...

Sustainable Development

As the human population continues to grow and use resources, we must be mindful of our planet&rsquo;s natural limits. Sustainable development provides a ...

Global Climate Change

Throughout its ~4.5 billion year history, the Earth has experienced periods of warming and cooling. However, the current drastic increase in global ...

Extinction

The History of Life on Earth
Fossils of organisms that were different from anything alive today had been documented as early as the 17th century, but it ...

Ecological Disturbance

An ecological disturbance is a temporary disruption in the environment resulting from abiotic, biotic, or anthropogenic factors, causing a pronounced ...

Climate Change

The certainty of climate change remains a public controversy despite the consensus among approximately 97% of active climate researchers, who not only ...

Habitat Fragmentation

Habitat fragmentation describes the division of a more extensive, continuous habitat into smaller, discontinuous areas. Human activities such as land ...

Analyze and interpret data to explain the impacts of land use on Earth's systems.

ESS.EES.5.1

water-quality-analysis-via-indicator-organisms

Water Quality Analysis via Indicator Organisms

Source: Laboratories of Dr. Ian Pepper and Dr. Charles Gerba -The University of Arizona
Demonstrating Author: Luisa Ikner
Water quality analysis monitors ...

Nutrients in Aquatic Ecosystems

Source: Laboratories of Margaret Workman and Kimberly Frye - Depaul University
Nitrogen and phosphorus are essential plant nutrients found in aquatic ...

turbidity-and-total-solids-in-surface-water

Turbidity and Total Solids in Surface Water

Source: Laboratories of Margaret Workman and Kimberly Frye - Depaul University
Turbidity and total solids are related measurements addressing clarity of ...

environmental-applications-of-microorganisms

Environmental Applications of Microorganisms

Microorganisms play a pivotal role in maintaining ecosystem balance by recycling essential elements such as carbon, nitrogen, and phosphorus, as well as ...

Dissolved Oxygen in Surface Water

Source: Laboratories of Margaret Workman and Kimberly Frye - Depaul University
Dissolved oxygen (DO) measurements calculate the amount of gaseous oxygen ...

The Water Cycle

The Earth&rsquo;s hydrosphere includes all of the areas where the storage and movement of water occurs. Since water is the basis of all living processes, ...

Biodiversity and Human Values

Human civilization relies on biodiversity in many ways. Sudden changes in species biodiversity result in environmental changes that can modify weather ...

Analyze and interpret data to evaluate how human use of ground and surface waters impacts water quality and availability in river basins, wetlands, estuaries, and aquifers.

ESS.EES.5.2

Measuring Tropospheric Ozone

Source: Laboratories of Margaret Workman and Kimberly Frye - Depaul University
Ozone is a form of elemental oxygen (O3), a molecule of three oxygen atoms ...

determination-of-nox-in-automobile-exhaust-using-uv-vis-spectroscopy

Determination Of NOx in Automobile Exhaust Using UV-VIS Spectroscopy

Source: Laboratories of Margaret Workman and Kimberly Frye - Depaul University
In the troposphere, ozone is naturally formed when sunlight splits nitrogen ...

What is Weather?

Overview

Weather refers to the current state of atmospheric conditions at a specific time and place. Weather is temporary and is influenced by the ...

The Sulfur Cycle

Sulfur, an important element in the chemical makeup of proteins, is recycled through the atmosphere and aquatic and terrestrial environments. Found in the ...

design-example-sustainability-in-concrete-building

Design Example: Sustainability in Concrete Building

A construction firm specializing in concrete buildings constructed a sustainable commercial building.&#160;
The various sustainable practices incorporated ...

The Efficient Level of Pollution

Producing goods often results in pollution as a byproduct, but eliminating all pollution isn&#39;t practical. Doing so would mean halting the production ...

Construct an argument to evaluate the ways that human activities influence atmospheric composition.

ESS.EES.5.3

Proton Exchange Membrane Fuel Cells

Source: Laboratories of Margaret Workman and Kimberly Frye - Depaul University
The United States consumes a large amount of energy &#8211; the current ...

Dye-sensitized Solar Cells

Source: Tamara M. Powers, Department of Chemistry, Texas A&#38;M University
Today&#39;s modern world requires the use of a large amount of energy. While ...

Energy

The universe is composed of matter in different forms, and all forms of matter contain energy.&#160; The different forms of energy on Earth originate from ...

Construct an argument to evaluate the benefits and trade-offs of using non-renewable or renewable energy sources for electricity production and transportation fuels.

ESS.EES.5.4

Proper Waste Disposal

Robert M. Rioux and Taslima A. Zaman, Pennsylvania State University, Pennsylvania, PA

Users are responsible for the proper disposal of the waste ...

Green Marketing

Green marketing is about promoting products or services by highlighting their environmental advantages.
These products or services are produced and ...

The Efficient Amount of Recycling I

In an imaginary town, Greendale, residents carelessly dispose of recyclable plastics due to minimal additional trash pickup fees, leading to recyclable ...

The Efficient Amount of Recycling II

In the town of Greendale, tackling the recyclable plastic waste issue with price or quantity mechanisms, such as a disposal fee, quota, or disposable ...

Bioremediation

Bioremediation is the use of prokaryotes, fungi, or plants to remove pollutants from the environment. This process has been used to remove harmful toxins ...

Construct an argument to evaluate potential solutions that will ensure sustainable consumption of Earth's resources.

ESS.EES.5.5

Populations do not live in isolation; thus, every population interacts with others in certain ways. These interactions give rise to a network of ...

What is Conservation Biology?

Conservation biology is a scientific field that focuses on the preservation of biodiversity in order to protect ecosystems while meeting the needs of the ...

Construct an argument to evaluate a range of solutions to mitigate impacts of human activities on Earth's systems.

Dimensions of Health and Illness

The factors influencing the health-illness continuum can be internal or external and may or may not be under conscious control. They are related to the ...

The Soil Ecosystem

Plants obtain inorganic minerals and water from the soil, which acts as a natural medium for land plants. The composition and quality of soil depend not ...

Analyze and interpret data to infer how use of natural resources impacts ecosystems and human populations, including human health.

simulating-impacts-of-ice-storms-on-forest-ecosystems

Simulating Impacts of Ice Storms on Forest Ecosystems

Ice storms can have profound and lasting effects on the structure and function of forest ecosystems in regions that experience freezing conditions. ...

Construct an argument to infer how some natural hazards (such as flooding and wildfires) are increasing in frequency and intensity due to human activities.

ESS.EES.6.2

Construct an argument to explain how natural hazards and other environmental problems may impact some human populations more than others.

Evaluate how human consumption patterns impact Earth's systems.

Measuring Ecosystem Health

Description

Transcript

Tags

More videos by Standards