מדידת המגוון הביולוגי

מערכות אקולוגיות מגוונות חשובות לבריאות כדור הארץ ולהישרדותנו כבני אדם; לכן חשוב לנו מאוד להבין ולמדוד את המגוון הביולוגי, המוגדר כשונות בין אורגניזמים חיים במערכת אקולוגית. מגוון ביולוגי יכול להימדד ברמות רבות ושונות, כולל גנטיקה, מינים, קהילה ומערכת אקולוגית. דרך אחת למדוד מגוון ביולוגי היא להעריך את עושר המינים של מערכת אקולוגית, שהוא המספר הכולל של מינים נפרדים בתוך קהילה מקומית. בעוד שיש מינים רבים בדרך כלל בקנה אחד עם מערכת אקולוגית מגוונת ובריאה, יש לקחת בחשבון גם את האחידות. אחידות מתייחסת לשוויון היחסי של כל מין בתוך אזור או קהילה. לדוגמה, כאשר מין אחד שולט באזור בעוד האחרים נדירים מאוד, המגוון הביולוגי באזור זה נמוך יותר מאשר באזור עם מינים בעלי שפע שווה. לכן, אזורים עם מינים רבים שהם שווים יחסית בשפע הם בעלי הערכים הגבוהים ביותר של מגוון ביולוגי.

הערכת המגוון הביולוגי

את ההבדלים בעושר ובאחידות בין שתי קהילות ניתן להמחיש באמצעות עקומות השפע. אם מספר המינים שווה, צורת הקו יכולה לומר לנו איזו קהילה מגוונת יותר. אם הקו שטוח, יש אחידות גבוהה בין המינים. עם זאת, אם הקו יורד במהירות, האחידות נמוכה. אם עושר ואחידות שונים בין שתי קהילות, ביולוגים חייבים להשתמש במשוואות כדי לחשב מגוון. משוואות אלה משקללות את חשיבותו של כל רכיב באופן שונה, ועדיין קיימת מחלוקת על הסכמה לגבי איזו משוואה היא הטובה ביותר בחישוב הגיוון.

לפעמים יש יותר מדי מינים באזור שזה לא מציאותי לספור כל מין ומין. לדוגמה, עץ בודד ביער הגשם באמזונס עשוי להכיל מאות מינים של חיפושיות. כדי לעקוף בעיה זו, אקולוגים משתמשים בכלי דגימה הנקראים quadrats. רביעייה היא פשוט מסגרת עם אזור פנימי ידוע. לדוגמה, כדי למדוד את עושר המינים של שדה דשא של דונם אחד, אקולוגים מציבים באופן אקראי את הרביעייה בשדה וסופרים את המינים בתוך הרביעייה, במקום לספור את כל המינים בתוך הדונם. הם עשויים גם לדגום באופן שיטתי באמצעות קלטות טרנסקט. טרנסקט נמתח על פני השדה, ולאחר מכן רביעיות ממוקמות לאורך הטרנסקט במרווחי זמן קבועים. שיטה זו היא אקראית למחצה ומבטיחה כיסוי נרחב של דגימות על פני כל השדה כדי להעריך את המגוון הביולוגי שלו.

בעוד רביעיות וטרנסקטים עשויים לאסוף את רוב המינים, כמה מינים נדירים עשויים להיעלם מעיניהם. במקרה זה, אקולוגים עשויים להשתמש בעקומת הצטברות מינים, המייצגת את המספר המצטבר של מינים הנראים בסדרה של רביעיות. ציר ה-y של העקומה מייצג את המספר הכולל של המינים הנצפים, ואילו ציר ה-x מייצג את מספר המרובעים שעבורם נמנו המינים. המספר הכולל של המינים ברביע הראשון מייצג את הנקודה הראשונה בגרף. כל נקודה עוקבת מייצגת את מספר המינים החדשים שנמצאו בכל רביע חדש שנדגם, בתוספת כל המינים מהרבעים הקודמים. בשלב מסוים, יימצאו מעט מינים נוספים בכל רביע חדש שיידגם, אם בכלל, והעקומה תתקרב לאסימפטוטה, שהיא הערכה של המספר הכולל של המינים הנוכחים. גם אם האסימפטוטה לעולם לא תגיע בגלל מינים נדירים רבים, ביולוגים יכולים להעריך את המספר הכולל בהתבסס על עקומה זו.

אם יש צורך לערוך השוואות בין אזורים או קני מידה שונים, נעשה שימוש במדדי גיוון אלפא, בטא וגמא. מגוון אלפא (α) מתייחס למספר המינים באזור. מגוון בטא (β) משווה בין שני אזורים שונים והוא סכום המינים הייחודיים לכל אזור. גמא-מגוון (γ) הוא מספר המינים באזורים רבים המשולבים לאזור. על ידי שימוש באמצעים אלה, ביולוגים יכולים לקבל מושג על מגוון על פני החלל, כולל קני מידה קטנים וגדולים כאחד.

איומים על המגוון הביולוגי והשלכותיהם

המגוון הביולוגי ברחבי העולם מאוים על ידי זיהום, שינויי אקלים ומינים פולשים. סיבה בסיסית עיקרית למאמצים לשמור על המגוון הביולוגי מבוססת על תפקוד המערכת האקולוגית. מערכות אקולוגיות מורכבות מחלקים עובדים רבים, כולל יצרנים ראשוניים, אוכלי עשב, טורפים ואוכלי דטריטור, שכולם תורמים לתפקוד המערכת האקולוגית. אם מינים הולכים לאיבוד, המערכת האקולוגית עלולה לקרוס. ואם המערכת האקולוגית תקרוס, גם השירותים שהיא מספקת לבני האדם יקרוסו. שוניות אלמוגים טרופיות הן דוגמה טובה למושג זה¹. קפיצות בטמפרטורות המים גורמות לאלמוגים לאבד את תאי האצות הסימביוטיים שלהם. ללא האצות, אלמוגים מתחילים לגווע ברעב, למות, ואז להתפרק ולאבד את המבנה שלהם. כאשר אלמוגים נרקבים, הם כבר לא מספקים מחסה לדגים ושפע מיני הדגים פוחת, מה שבתורו משפיע על דייגים מקומיים, ועל האנשים שמסתמכים על דגים למחייתם. עם הזמן, שוניות אלמוגים מתות מתכלות בקנה מידה גדול יותר ואינן מספקות עוד חיץ לקווי חוף סמוכים, ובסופו של דבר שוחקות את החוף והורסות איים. קהילה מגוונת מאוד נוטה פחות לקרוס בגלל יתירות תפקודית². לדוגמה, אלמוגים עשויים להשתנות ברגישותם לטמפרטורות גבוהות. אם אלמוג אחד רגיש מאוד לטמפרטורה, אלמוג אחר עשוי לתפוס את מקומו בקהילה, אך אם יש רק כמה מינים, פחות סביר שתחליף כזה יהיה זמין.

מספר לא מבוטל של תרופות שאנו נהנים מהן הן תוצאה ישירה של מגוון החיים. התרופות שאנו מסנתזים כיום בודדו בעבר מבעלי חיים, צמחים, פטריות וחיידקים. יש תעשייה שלמה המוקדשת לגילוי תרופות פוטנציאליות חדשות על ידי סריקת מינים שונים לנוכחות של תרכובות ביו-אקטיביות. לדוגמה, צמחים מייצרים כימיקלים להגנה מפני זיהומים ואוכלי עשב. עכבישים ונחשים מייצרים ארס מגוון. שני סוגי האורגניזמים היו המקור לתרופות חשובות, כמו טקסול מעצי הטקסוס, המטפל בסרטן השד, הריאות והשחלות, או אוחנין מארס קוברה המלך, שהוא משכך כאבים^3-4. כל מין שנכחד עשוי להחזיק את המפתח לריפוי מחלות שאינן ניתנות לטיפול כיום. ככל שנאבד את המינים האלה מהר יותר, כך קטן הסיכוי לגלות פתרונות.

ברגע שמין נכחד, לעולם לא נוכל לחוות אותו. סוג זה של חשיבה הניע את שימורם של פנדות, לוטרות ים ובעלי חיים כריזמטיים אחרים. מינים אלה נקראים מיני דגל, ושימורם יכול להביא להגנה על המגוון הביולוגי. למרות שבעלי חיים אלה הם רק חלק קטן מהמערכת האקולוגית כולה, שימורם פירושו שימור המערכת האקולוגית שהם מאכלסים. המאמצים להציל את לוטרת הים בחוף המערבי של צפון אמריקה הביאו ליערות אצות ים בריאים המאכלסים אלפים רבים של מינים אחרים⁵. ללא הגנה על לוטרות הים, אוכלי עשב כמו קיפודי ים, שבדרך כלל נאכלים על ידי הלוטרות, מסוגלים לטרוף לחלוטין יערות אצות ים ולהותיר סלעים עקרים שבהם מעט מאוד מינים יכולים לשרוד.

הפניות

1. נולטון, ננסי. עתיד שוניות האלמוגים. PNAS. 2001, כרך 98, (10) 5419-5425.
2. אנדריאה ס. דאונינג, אגברט ה. ואן נס, וולף מ. מויג', מרטן שפר. החוסן והעמידות של מערכת אקולוגית לקריסת המגוון. PLoS אחד. . . 2012; כרך 7(9): e46135.,
3. וול, מונרו א. קמפטוטצין וטקסול: גילוי למרפאה. Med Res Rev. 1998, Vol. 18, 5 (299-314).
4. יו פן פונג, פיטר ט. ה. וונג, פראקאש פ. קומאר, ויין הודג'סון, ר. מנג'ונת'ה קיני. אוהנין, חלבון חדש מארס קוברה המלך, גורם להיפלוקו-תנועה ולשיכוך יתר בעכברים. J Biol Chem. 2005, 280, 13137-13147.
5. אסטס, J.A., et al. אינטראקציות טרופיות מורכבות במערכות אקולוגיות של יער קלפ. עלון מדעי הים, כרך . 2004, כרך 7, 3: 621-638.

מגוון ביולוגי. המילה מעוררת את הפאר של יער גדול, או את העושר השופע של האוקיינוס, ומוגדרת בפשטות כמגוון האורגניזמים במערכת אקולוגית מעניינת. כדי להגן על המגוון הביולוגי, מדענים חייבים להיות מסוגלים למדוד אותו. זה אומר להבין כמה מינים שונים חיים יחד במרחב מסוים. מהי דרך נוחה לספור מינים?

ניסיון לספור כל דבר במערכת אקולוגית שלמה יהיה בלתי אפשרי, ולכן מדענים משתמשים בכלי שנקרא ריבוע, שהוא מסגרת בגודל קבוע שממוקמת באופן אקראי בסביבה שבה הם מבצעים את הספירה. לאחר קטלוג המינים והפרטים הנמצאים בקטע קטן זה, התהליך חוזר על עצמו, ומציב ריבועים נוספים באופן אקראי, או לחילופין, במיקומים קבועים לאורך קו דרך הסביבה, המכונה רוחב.

על מנת להעריך את המספר הכולל של מינים באזור, נעשה שימוש בעקומות הצטברות מינים. אם המספר המצטבר של המינים שנמצאו בריבוע משורטט כנגד מספר הריבועים שנדגמו, תופיע עקומה. לדוגמה, במערך נתונים זה, כאשר נחקרו ארבעה ריבועים, נמצא כי ישנם 10 מינים ייחודיים. שישה הכילו 17 וכן הלאה. האסימפטוטה של סוג זה של עקומה מייצגת אומדן של מספר המינים הנתמכים על ידי סביבה. במקרה הזה, זה בערך 30. אך בעוד שמדידת גיוון באתר יחיד היא שימושית להפליא, השוואה בין אתרים על פני שטח גדול יותר יכולה לתת לנו אינדיקציה בקנה מידה גדול עוד יותר לגיוון.

בשנת 1972, האקולוג רוברט ויטאקר תיאר שלושה סוגים עיקריים של מגוון ביולוגי, אלפא, בטא וגמא. מגוון אלפא מתייחס פשוט למספר המינים באזור ומכונה לעתים קרובות עושר מינים. לדוגמה, באתר זה ישנם שבעה מינים שונים, כך שציון האלפא הוא שבעה. באתר שני, אתר B, יש חמישה מינים, ובשלישי, אתר C, יש שבעה. אולם על ידי השוואה בין אתרים, אנו יכולים לקבוע מה נקרא מגוון בטא, סכום המינים הייחודיים לכל אזור. כך שאם נשווה את אתר א' לאתר ב', נראה שלושה מינים משותפים בין השניים. אם סופרים את המינים הנותרים, אנו מוצאים שיש שישה. המשמעות היא שיש מגוון בטא בין אתר A לאתר B של שישה. לאתרים A ו-C יש גם שלושה מינים משותפים, והשאירו שמונה ייחודיים. זהו מגוון בטא של שמונה. לאתרים B ו-C יש שני מינים משותפים ביניהם, או ערך מגוון בטא של שמונה. לבסוף, מגוון גמא הוא מספר המינים השונים בכל האתרים ביחד. בדוגמה זו, יש מגוון גמא של 12. אז כדי לסכם את שלושת סוגי המגוון הביולוגי, אנו יכולים להסתכל עליהם כך, אלפא, בטא וגמא. בנוסף לתיעוד הגיוון, מדענים מתייחסים לעתים קרובות לאחידות המינים, כלומר כמה פרטים מכל סוג נמצאים. לדוגמה, לשני האתרים האלה יש את אותו עושר, או מגוון אלפא, מכיוון שלשניהם יש שבעה מינים. אבל אתר A מוצף יחסית על ידי ארנבים עם מספרים נמוכים של המינים האחרים, בעוד שבאתר B יש פיזור די שווה של מינים, ולכן הוא נחשב לאחיד יותר בהשוואה לאתר A. מדענים בדרך כלל החשיבו מערכות אקולוגיות עם עושר ואחידות גבוהים יותר, כלומר מינים רבים המפוזרים באופן שווה, כבריאות ביותר. לסביבות מחיה מופרעות, לעתים קרובות כתוצאה מפעולות של בני אדם, כמו חקלאות או זיהום, יש לעתים קרובות עושר ואחידות ירודים. היכולת להשוות אתרים היא קריטית מכיוון שהיא מאפשרת לחוקרים לקבוע את הבריאות היחסית של מערכות אקולוגיות.
במעבדה זו תבצעו דגימת ריבוע ורוחב בשלושה אתרים סביבתיים שונים, כמו גם תבצעו סימולציה מעבדתית, ולאחר מכן תנתחו את הנתונים שנאספו כדי לתאר את המגוון הביולוגי הנצפה.