גיוון קהילתי
אוכלוסיות אינן חיות בבידוד, ולכן כל אוכלוסייה מתקשרת עם אחרות בדרכים מסוימות. אינטראקציות אלה יוצרות רשת של אוכלוסיות. לפיכך, קהילה אקולוגית מורכבת מר…
מערכת אקולוגית היא קהילה של מרכיבים חיים ולא חיים המקיימים אינטראקציה באזור. זה יכול להיות גדול כמו כדור הארץ עצמו או יער מלא צמחים ובעלי חיים, או קטן כמו קיבה עם מערך התושבים המיקרוביאליים שלה. בריאות המערכת האקולוגית יכולה להימדד בדרכים שונות, אבל אינדיקטור טוב אחד הוא מגוון ביולוגי, מדד למגוון המינים הביולוגיים במערכת אקולוגית.
אנו יכולים להעריך את המגוון הביולוגי באמצעות מדד שנקרא מדד שאנון-וינר, שהוצע על ידי קלוד שאנון ונורברט וינר בשנות הארבעים. מדד שאנון-וינר הוא מדד ללא יחידה, המחושב כ-H. המדד משתמש בשני משתנים: עושר המינים, או מספר המינים הנוכחים, המסומן על ידי K, ואחידות המינים, או החלק היחסי של כל מין, המסומן על ידי PI. עושר מינים הוא מספר המינים הייחודיים במערכת אקולוגית. בדוגמה זו יש שבעה. אחידות המינים מודדת את אופן חלוקת המינים במערכת אקולוגית. משמעות הדבר היא שמערכת אקולוגית שבה למינים השונים יש מספרים דומים היא אפילו יותר ממערכת שבה מין אחד או שניים מהווים את רוב האורגניזמים, כמו זה, מוצפים יחסית בארנבות.
עכשיו, כשאנחנו יודעים מה למדוד, בואו נלמד איך למדוד את המגוון הביולוגי. מאחר שמערכות אקולוגיות יכולות להיות ענקיות, אקולוגים היו צריכים למצוא דרכים לדגום אזורים גדולים באופן אקראי במהירות. הפשוטה שבהן היא הרביעית, שהיא מסגרת בגודל קבוע, המוצבת בדרך כלל באקראי בתוך אתר דגימה. מדענים סוקרים את השטח בתוך הרביע, רושמים את עושר המינים וגם את אחידותם. באמצעות חלונות קטנים אלה הממוקמים במספר נקודות מעל מערכת אקולוגית, הם יכולים להסיק את ממצאיהם כדי לתת הערכות גיוון עבור אזור המחקר כולו. אבל למרות שטכניקה זו מאפשרת הערכה ניתנת לניהול של שטח גדול, היא אינה מושלמת. מיקום אקראי של רבעים עלול להחמיץ פרטים, וכתוצאה מכך תת-ייצוג של מינים והערכות שגויות של מגוון ביולוגי נמוך.
מגבלה זו פירושה שקהילות מסוימות, במיוחד קהילות טלאים או לא אחידות, נדגמות טוב יותר על ידי גישה מובנית יותר. כאן, האחו שלנו גובל ביער, ובמציאות, מורכב מכתמי בית גידול שונים. כדי לכסות קהילה זו בצורה הוגנת, אנו יכולים לחלק את הנוף לבתי גידול מרכזיים וחשוב מכך, בתי גידול קצה. לעתים קרובות, באזורי קצה יש מגוון ביולוגי גדול יותר מכיוון שמינים משני סוגי בתי הגידול עשויים לחיות שם. אבל זה עלול להתפספס בדגימה אקראית מסורתית. במקום זאת, כדי למדוד את המגוון הביולוגי ברחבי קהילה כזו, אסטרטגיה טובה עשויה להיות לדגום תחילה את אזורי הליבה באופן אקראי באמצעות quadrats. הנתונים שנאספו יכולים לשמש לחישוב ערך H עבור כל סביבת מחיה מרכזית. לאחר מכן, ניתן להניח קו טרנסקט או דגימה על פני כל בית גידול ליבה, המשתרע עד לאזור הקצה. לאחר מכן ניתן לתעד את העושר והאחידות של המינים באמצעות רביעיות הממוקמות בנקודות קבועות לאורך קווים אלה. כעת באמצעות נוסחת שאנון-וינר, ניתן לחשב את מדד הגיוון עבור כל מרחק לאורך הטרנסקט, וניתן להשוות ביניהם. אזור עם ערך H גדול יותר הוא בדרך כלל מגוון יותר מאזור עם H נמוך יותר. טכניקה משולבת זו של ריבוע אקראי וטרנסקט נותנת הערכה מגוונת והוגנת יותר של האופן שבו בתי הגידול השונים באותה קהילה משווים במונחים של מגוון.
בנוסף למדדי מינים, מדענים עשויים גם למדוד את המרכיבים הכימיים של מערכת אקולוגית כדי להעריך את בריאותה. לדוגמה, הם עשויים לבדוק זיהום, או לבחון את איכות הקרקע על ידי מדידת החומרים המזינים הנוכחים. מידע זה יכול גם להיות שימושי כדי לעזור להסביר שינויים בדפוסים של מגוון ביולוגי באזורים שונים של קהילה. לכן, בדוגמה שלנו, אם לאחו יש אדמה באיכות נמוכה יותר מאשר ליער ולשוליים, הוא עשוי לתמוך בפחות מינים.
במעבדה זו תמדוד את המגוון הביולוגי ואת איכות הקרקע בשני אזורי ליבה שונים, ולאחר מכן תבחן כיצד המגוון הביולוגי מושפע לאורך בית גידול קצה.
מערכת אקולוגית היא קהילה של מרכיבים חיים ולא חיים המקיימים אינטראקציה באזור. זה יכול להיות גדול כמו כדור הארץ עצמו או יער מלא צמחים ובעלי חיים, או קטן כמו קיבה עם מערך התושבים המיקרוביאליים שלה. בריאות המערכת האקולוגית יכולה להימדד בדרכים שונות, אבל אינדיקטור טוב אחד הוא מגוון ביולוגי, מדד למגוון המינים הביולוגיים במערכת אקולוגית.
אנו יכולים להעריך את המגוון הביולוגי באמצעות מדד שנקרא מדד שאנון-וינר, שהוצע על ידי קלוד שאנון ונורברט וינר בשנות הארבעים. מדד שאנון-וינר הוא מדד ללא יחידה, המחושב כ-H. המדד משתמש בשני משתנים: עושר המינים, או מספר המינים הנוכחים, המסומן על ידי K, ואחידות המינים, או החלק היחסי של כל מין, המסומן על ידי PI. עושר מינים הוא מספר המינים הייחודיים במערכת אקולוגית. בדוגמה זו יש שבעה. אחידות המינים מודדת את אופן חלוקת המינים במערכת אקולוגית. משמעות הדבר היא שמערכת אקולוגית שבה למינים השונים יש מספרים דומים היא אפילו יותר ממערכת שבה מין אחד או שניים מהווים את רוב האורגניזמים, כמו זה, מוצפים יחסית בארנבות.
עכשיו, כשאנחנו יודעים מה למדוד, בואו נלמד איך למדוד את המגוון הביולוגי. מאחר שמערכות אקולוגיות יכולות להיות ענקיות, אקולוגים היו צריכים למצוא דרכים לדגום אזורים גדולים באופן אקראי במהירות. הפשוטה שבהן היא הרביעית, שהיא מסגרת בגודל קבוע, המוצבת בדרך כלל באקראי בתוך אתר דגימה. מדענים סוקרים את השטח בתוך הרביע, רושמים את עושר המינים וגם את אחידותם. באמצעות חלונות קטנים אלה הממוקמים במספר נקודות מעל מערכת אקולוגית, הם יכולים להסיק את ממצאיהם כדי לתת הערכות גיוון עבור אזור המחקר כולו. אבל למרות שטכניקה זו מאפשרת הערכה ניתנת לניהול של שטח גדול, היא אינה מושלמת. מיקום אקראי של רבעים עלול להחמיץ פרטים, וכתוצאה מכך תת-ייצוג של מינים והערכות שגויות של מגוון ביולוגי נמוך.
מגבלה זו פירושה שקהילות מסוימות, במיוחד קהילות טלאים או לא אחידות, נדגמות טוב יותר על ידי גישה מובנית יותר. כאן, האחו שלנו גובל ביער, ובמציאות, מורכב מכתמי בית גידול שונים. כדי לכסות קהילה זו בצורה הוגנת, אנו יכולים לחלק את הנוף לבתי גידול מרכזיים וחשוב מכך, בתי גידול קצה. לעתים קרובות, באזורי קצה יש מגוון ביולוגי גדול יותר מכיוון שמינים משני סוגי בתי הגידול עשויים לחיות שם. אבל זה עלול להתפספס בדגימה אקראית מסורתית. במקום זאת, כדי למדוד את המגוון הביולוגי ברחבי קהילה כזו, אסטרטגיה טובה עשויה להיות לדגום תחילה את אזורי הליבה באופן אקראי באמצעות quadrats. הנתונים שנאספו יכולים לשמש לחישוב ערך H עבור כל סביבת מחיה מרכזית. לאחר מכן, ניתן להניח קו טרנסקט או דגימה על פני כל בית גידול ליבה, המשתרע עד לאזור הקצה. לאחר מכן ניתן לתעד את העושר והאחידות של המינים באמצעות רביעיות הממוקמות בנקודות קבועות לאורך קווים אלה. כעת באמצעות נוסחת שאנון-וינר, ניתן לחשב את מדד הגיוון עבור כל מרחק לאורך הטרנסקט, וניתן להשוות ביניהם. אזור עם ערך H גדול יותר הוא בדרך כלל מגוון יותר מאזור עם H נמוך יותר. טכניקה משולבת זו של ריבוע אקראי וטרנסקט נותנת הערכה מגוונת והוגנת יותר של האופן שבו בתי הגידול השונים באותה קהילה משווים במונחים של מגוון.
בנוסף למדדי מינים, מדענים עשויים גם למדוד את המרכיבים הכימיים של מערכת אקולוגית כדי להעריך את בריאותה. לדוגמה, הם עשויים לבדוק זיהום, או לבחון את איכות הקרקע על ידי מדידת החומרים המזינים הנוכחים. מידע זה יכול גם להיות שימושי כדי לעזור להסביר שינויים בדפוסים של מגוון ביולוגי באזורים שונים של קהילה. לכן, בדוגמה שלנו, אם לאחו יש אדמה באיכות נמוכה יותר מאשר ליער ולשוליים, הוא עשוי לתמוך בפחות מינים.
במעבדה זו תמדוד את המגוון הביולוגי ואת איכות הקרקע בשני אזורי ליבה שונים, ולאחר מכן תבחן כיצד המגוון הביולוגי מושפע לאורך בית גידול קצה.
View the full transcript and gain access to JoVE Lab Manual videos
Q1: What is the Shannon-Wiener Index and why do ecologists use it?
The Shannon-Wiener Index is a unitless measurement that quantifies biodiversity by combining two variables: species richness (the number of unique species present) and species evenness (how evenly species are distributed). Ecologists use this index to assess ecosystem health because it captures both diversity and balance, revealing whether an ecosystem has many species in equal abundance or is dominated by a few species.
Q2: How do quadrats help ecologists sample large ecosystems?
Quadrats are fixed-size frames placed randomly at multiple spots within a sampling site. Scientists survey the area inside each quadrat, recording species richness and evenness. By using these small sampling windows across an ecosystem, ecologists can extrapolate their findings to estimate biodiversity for the entire study area without surveying every organism.
Q3: What is the difference between core habitats and edge habitats?
Core habitats are located centrally within a patch, surrounded by the same habitat type. Edge habitats, also called boundary habitats, border different habitat types. Edge habitats often have higher biodiversity because species from both adjacent habitat types may live there, creating what ecologists call edge effects.
Q4: Why might random quadrat sampling miss important biodiversity patterns?
Random placement of quadrats may miss individuals in patchy or non-uniform communities, resulting in underrepresentation of species and incorrectly low biodiversity estimates. This limitation is especially problematic in communities with distinct core and edge habitats, where edge areas may contain species not found in core regions.
Q5: How do transects improve biodiversity assessment in heterogeneous communities?
A transect is a sampling line laid across different habitat types, with quadrats placed at set intervals along the line. This structured approach allows ecologists to record species richness and evenness across transitions between habitats, then calculate Shannon-Wiener diversity values for each distance along the transect to compare biodiversity patterns.
Q6: What role does soil quality play in explaining biodiversity patterns?
Scientists measure soil quality by examining nutrient content and checking for pollution. Soil quality directly influences which species an ecosystem can support; for example, a meadow with lower quality soil than adjacent forest or edge habitats may support fewer species, helping explain observed differences in biodiversity across regions of a community.
Q7: Why is species evenness as important as species richness for measuring biodiversity?
Species evenness measures how species are distributed in an ecosystem. An ecosystem where different species have similar numbers is more even than one dominated by one or two species. High biodiversity requires both many species and relatively equal abundance; an ecosystem with many species but one dominant species has lower overall diversity than one with balanced populations.