Name: why biodiversity matters in ecosystems
Uploaded: 2019-01-29T11:04:46.000Z
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K12 Standards

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North Carolina K-12 Science Standard Course of Study

9-12

Earth and Environmental Science

Earth's Systems

ESS.EES.4.5

Measuring Biodiversity

biodiversità. La parola evoca lo splendore di una grande foresta, o la brulicante ricchezza dell'oceano, ed è semplicemente definita come la varietà di organismi in un ecosistema di interesse. Per proteggere la biodiversità, gli scienziati devono essere in grado di misurarla. Ciò significa capire quante specie diverse vivono insieme in un determinato spazio. Qual è un modo conveniente per contare le specie? 

Cercare di contare tutto in un intero ecosistema sarebbe impossibile, quindi gli scienziati utilizzano uno strumento chiamato quadrat, che è un fotogramma di dimensioni fisse posizionato in modo casuale nell'ambiente in cui effettuare il conteggio. Dopo aver catalogato le specie e gli individui trovati in questa piccola sezione, il processo viene ripetuto, posizionando più quadrati in modo casuale o, in alternativa, in posizioni prestabilite lungo una linea che attraversa l'ambiente, denominata transetto.

Per poi stimare il numero totale di specie in un'area, vengono utilizzate le curve di accumulo delle specie. Se il numero cumulativo di specie trovate in un quadrato viene confrontato con il numero di quadrati campionati, emergerà una curva. Ad esempio, in questo set di dati, quando sono stati studiati quattro quadrati, si è scoperto che c'erano 10 specie uniche. Sei contenevano 17 e così via. L'asintoto di questo tipo di curva rappresenta una stima del numero di specie supportate da un ambiente. In questo caso, si tratta di circa 30. Ma mentre misurare la diversità in un singolo sito è incredibilmente utile, confrontare i siti su un'area più ampia può darci un'indicazione ancora più ampia della diversità. 

Nel 1972, l'ecologo Robert Whittaker descrisse tre principali tipi di biodiversità, alfa, beta e gamma. La diversità alfa si riferisce semplicemente al numero di specie in un'area ed è spesso indicata come ricchezza di specie. Ad esempio, in questo sito ci sono sette specie diverse, quindi il punteggio alfa è sette. Un secondo sito, il sito B, ha cinque specie e un terzo, il sito C, ne ha sette. Ma confrontando i siti, possiamo determinare quella che viene chiamata la diversità beta, la somma delle specie uniche di ogni area. Quindi, se confrontiamo il sito A con il sito B, vediamo tre specie in comune tra i due. Contando le specie rimanenti, scopriamo che sono sei. Ciò significa che esiste una diversità beta tra il sito A e il sito B di sei. I siti A e C hanno anche tre specie in comune, lasciandone otto uniche. Si tratta di una diversità beta di otto. I siti B e C hanno due specie comuni tra loro, o un valore di diversità beta di otto. Infine, la diversità gamma è il numero di specie diverse in tutti i siti combinati. In questo esempio, c'è una diversità gamma di 12. Quindi, per riassumere i tre tipi di biodiversità, possiamo guardarli in questo modo, alfa, beta e gamma. Oltre a registrare la diversità, gli scienziati fanno spesso riferimento all'uniformità delle specie, ovvero al numero di individui di ciascun tipo presenti. Ad esempio, questi due siti hanno la stessa ricchezza, o diversità alfa, poiché entrambi hanno sette specie. Ma il sito A è relativamente invaso da conigli con un basso numero di altre specie, mentre il sito B ha una distribuzione abbastanza uniforme delle specie, quindi si ritiene che abbia una maggiore uniformità rispetto al sito A. Gli scienziati generalmente consideravano gli ecosistemi con maggiore ricchezza e uniformità, cioè molte specie uniformemente distribuite, come i più sani. Gli habitat disturbati, spesso a causa delle azioni dell'uomo, come l'agricoltura o l'inquinamento, hanno spesso scarsa ricchezza e uniformità. Essere in grado di confrontare i siti è fondamentale perché consente ai ricercatori di determinare la salute relativa degli ecosistemi. 
In questo laboratorio, effettuerai campionamenti in quadrato e transetto in tre diversi siti ambientali, oltre a effettuare una simulazione di laboratorio, per poi analizzare i dati raccolti per descrivere la biodiversità osservata.

misurare la biodiversità

Gli ecosistemi diversificati sono importanti per la salute del pianeta e la nostra sopravvivenza come esseri umani; è quindi incredibilmente importante per noi comprendere e misurare la biodiversità, che è definita come la variabilità tra gli organismi viventi in un ecosistema. La biodiversità può essere misurata a molti livelli diversi, tra cui genetica, specie, comunità ed ecosistema. Un modo per misurare la biodiversità è valutare la ricchezza delle specie di un ecosistema, che è il numero totale di specie distinte all'interno di una comunità locale. Sebbene la presenza di molte specie coincida generalmente con l'avere un ecosistema diversificato e sano, anche l'uniformità deve essere considerata. L'uniformità si riferisce all'uguaglianza della proporzione di ciascuna specie all'interno di un'area o di una comunità. Ad esempio, quando una specie domina l'area mentre le altre sono molto rare, la biodiversità in quest'area è inferiore rispetto a un'area con specie di uguale abbondanza. Pertanto, le aree con molte specie che sono relativamente uguali in abbondanza hanno i valori più alti di biodiversità.

<h4>Stima della biodiversità</h4>

Le differenze di ricchezza e uniformità tra due comunità possono essere visualizzate dalle curve di rango-abbondanza. Se il numero di specie è uguale, la forma della linea può dirci quale comunità è più diversificata. Se la linea è piatta, c'è un'elevata uniformità tra le specie. Tuttavia, se la linea scende rapidamente, l'uniformità è bassa. Se la ricchezza e l'uniformità sono entrambe diverse tra due comunità, i biologi devono usare le equazioni per calcolare la diversità. Queste equazioni pesano l'importanza di ciascun componente in modo diverso e un consenso su quale equazione sia la migliore nel calcolare la diversità è ancora dibattuto.

A volte ci sono troppe specie in un'area che non è realistico contare ogni singola specie. Ad esempio, un singolo albero nella foresta pluviale amazzonica può contenere centinaia di specie di coleotteri. Per aggirare questo problema, gli ecologisti utilizzano strumenti di campionamento chiamati quadrats. Un quadrato è semplicemente un fotogramma con un'area interna nota. Ad esempio, per misurare la ricchezza di specie di un acro di campo erboso, gli ecologi posizionano casualmente il quadrato nel campo e contano le specie all'interno del quadrato, invece di contare tutte le specie all'interno dell'acro. Possono anche campionare sistematicamente utilizzando nastri transetti. I transetti vengono allungati attraverso il campo e i quadrati vengono quindi posizionati lungo il transetto a intervalli regolari. Questo metodo è semi-casuale e garantisce un'ampia copertura del campionamento in tutto il campo per stimarne la biodiversità.

Mentre i quadrati e i transetti possono raccogliere la maggior parte delle specie, alcune specie rare possono passare inosservate. In questo caso, gli ecologi possono utilizzare una curva di accumulo delle specie, che rappresenta il numero cumulativo di specie osservate in una serie di quadrati. L'asse y della curva rappresenta il numero totale di specie osservate, mentre l'asse x rappresenta il numero di quadrati per i quali sono state enumerate le specie. Il numero totale di specie nel primo quadrato rappresenta il primo punto del grafico. Ogni punto successivo rappresenta il numero di nuove specie trovate in ogni nuovo quadrato campionato, più tutte le specie dei quadrati precedenti. Ad un certo punto, ci saranno poche o nessuna specie aggiuntiva trovata in ogni nuovo quadrato campionato, e la curva si avvicinerà a un asintoto, che è una stima del numero totale di specie presenti. Anche se l'asintoto non viene mai raggiunto a causa di molte specie rare, i biologi possono stimare il numero totale in base a questa curva.

Se è necessario effettuare confronti tra diverse aree o scale, vengono utilizzate misure di diversità alfa, beta e gamma. La diversità alfa (α) si riferisce al numero di specie presenti in un'area. La beta-diversità (β) confronta due aree diverse ed è la somma delle specie uniche per ciascuna area. La diversità gamma (γ) è il numero di specie in molte aree combinate in una regione. Utilizzando queste misure, i biologi possono farsi un'idea della diversità nello spazio, comprese le piccole e grandi scale.

<h4>Minacce alla biodiversità e loro implicazioni</h4>

La biodiversità in tutto il mondo è minacciata dall'inquinamento, dai cambiamenti climatici e dalle specie invasive. Una delle ragioni principali alla base degli sforzi per mantenere la biodiversità si basa sul funzionamento degli ecosistemi. Gli ecosistemi sono costituiti da molte parti operative, tra cui produttori primari, erbivori, carnivori e detritivori, che contribuiscono alla funzione dell'ecosistema. Se le specie vengono perse, l'ecosistema può collassare. E se l'ecosistema collassa, lo faranno anche i servizi che fornisce agli esseri umani. Le barriere coralline tropicali sono un buon esempio di questo concetto1. I picchi di temperatura dell'acqua fanno sì che i coralli perdano le loro cellule di alghe simbiotiche. Senza le alghe, i coralli iniziano a morire di fame, a morire, poi a degradarsi e a perdere la loro struttura. Quando i coralli si decompongono, non forniscono più copertura ai pesci e l'abbondanza di specie ittiche diminuisce, il che a sua volta colpisce i pescatori locali e le persone che dipendono dal pesce per il sostentamento. Nel corso del tempo, le barriere coralline morte si degradano su larga scala e non forniscono più un cuscinetto per le coste adiacenti, erodendo infine la costa e distruggendo le isole. Una comunità altamente diversificata ha meno probabilità di collassare a causa della ridondanza funzionale2. Ad esempio, i coralli possono variare nella loro sensibilità alle alte temperature. Se un corallo è estremamente sensibile alla temperatura, un altro può prendere il suo posto nella comunità, ma se ci sono solo poche specie, è meno probabile che un tale sostituto sia disponibile.

Un numero significativo di farmaci di cui beneficiamo è il risultato diretto della diversità della vita. I farmaci che ora sintetizziamo un tempo erano isolati da animali, piante, funghi e batteri. C'è un'intera industria dedicata alla scoperta di nuovi potenziali farmaci attraverso la scansione di varie specie per la presenza di composti bioattivi. Ad esempio, le piante producono sostanze chimiche per la difesa contro le infezioni e gli erbivori. Ragni e serpenti producono diversi veleni. Entrambe le classi di organismi sono state la fonte di importanti medicinali, come il Taxol degli alberi di tasso, che cura i tumori al seno, ai polmoni e alle ovaie, o l'Ohanin dal veleno del cobra reale, che è un antidolorifico3-4. Ogni specie che si estingue può essere la chiave per curare malattie attualmente incurabili. Più velocemente perdiamo quelle specie, minore è la possibilità di trovare soluzioni.

Una volta che una specie si estingue, non saremo mai in grado di viverla. Questo tipo di pensiero ha guidato la conservazione di panda, lontre marine e altri animali carismatici. Queste specie sono chiamate specie bandiera e la loro conservazione può portare alla protezione della biodiversità. Anche se questi animali sono solo una piccola parte dell'intero ecosistema, preservarli significa preservare l'ecosistema che occupano. Gli sforzi per salvare la lontra marina sulla costa occidentale del Nord America hanno portato a foreste di alghe sane che ospitano molte migliaia dialtre specie. Senza la protezione delle lontre marine, gli erbivori come i ricci di mare, che di solito vengono mangiati dalle lontre, sono in grado di divorare completamente le foreste di alghe lasciando rocce sterili dove pochissime specie potrebbero sopravvivere.

<h4>Referenze</h4>

<ol class="riferimenti">
	<li>Knowlton, Nancy. Il futuro delle barriere coralline. PNAS. 2001, vol. 98 , (10) 5419-5425.</li>
	<li>Andrea S. Downing, Egbert H. van Nes, Wolf M. Mooij, Marten Scheffer. La resilienza e la resistenza di un ecosistema al collasso della diversità. PLoS Uno. . 2012; , Vol. 7(9): e46135.</li>
	<li>Muro, Monroe E. Camptotecina e taxolo: dalla scoperta alla clinica. Med Res Rev. 1998, Vol. 18, 5 (299-314).</li>
	<li>Yuh Fen Pung, Peter T. H. Wong, Prakash P. Kumar, Wayne C. Hodgson, R. Manjunatha Kini. L'ohanina, una nuova proteina del veleno del cobra reale, induce ipolocomozione e iperalgesia nei topi. J Biol Chem. 2005, 280, 13137-13147.</li>
	<li>Estes, J.A., et al. Interazioni trofiche complesse negli ecosistemi forestali di alghe. Bollettino di Scienze Marine, Volume . 2004, vol. 7, 3: 621-638.</li>
</ol>

Misurare la biodiversità

Ecosistemi diversificati sono importanti per la salute del pianeta e la nostra sopravvivenza come esseri umani; È quindi incredibilmente importante per noi capire e...

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Biology

Biologia

Ecology

Ecologia

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 species dominates. When species are more evenly distributed, biodiversity is higher than in a community where rare species make up only a small part of the total. Biologists can compare communities with rank-abundance curves. A flat curve shows high evenness, while a curve that drops quickly shows low evenness. If richness and evenness both differ, ecologists use equations to calculate diversity, although there is still debate about which equation works best.

Counting every organism is often impossible. A single tree in the Amazon Rainforest may hold hundreds of beetle species. To estimate biodiversity, ecologists use quadrats, which are frames with a known area. They place quadrats randomly in a field or along transects, which are tapes stretched across an area so samples can be taken at regular intervals. This approach helps cover the site while making the survey practical.

Even with quadrats and transects, rare species can be missed. Ecologists use species accumulation curves to track the total number of species found as more quadrats are sampled. The curve rises as new species appear and eventually approaches an asymptote, which gives an estimate of the total number of species in the area. If the asymptote is not fully reached, scientists can still estimate how many species are likely present.

Biologists also compare diversity across space with alpha, beta, and gamma diversity. Alpha-diversity is the number of species in one area. Beta-diversity compares two areas and includes the species unique to each one. Gamma-diversity measures the number of species across many areas in a region. Together, these measures show diversity at small and large scales.

Biodiversity is threatened by pollution, climate change, and invasive species. Ecosystems depend on many working parts, including primary producers, herbivores, carnivores, and detritivores. If species are lost, the ecosystem can collapse, and the services it provides to people can disappear too. Coral reefs show this clearly. When water temperatures rise, corals lose their symbiotic algae cells, then starve, die, and lose their structure. Fish lose cover, fish numbers decline, fishermen are affected, and damaged reefs can no longer protect coastlines from erosion.

High biodiversity can make a community more resistant to collapse because of functional redundancy. If one coral species is very sensitive to heat, another may be able to fill its role. With only a few species, that backup is less likely. Biodiversity also supports medicine. Many medicines were first isolated from animals, plants, fungi, and bacteria. Scientists continue to search species for bioactive compounds, such as Taxol from yew trees for cancer treatment and Ohanin from king cobra venom as a painkiller. Each extinct species may remove a possible source of future cures.

Conservation often focuses on flagship species such as pandas and sea otters. Protecting these animals can also protect the ecosystems they live in. On the West Coast of North America, efforts to save sea otters helped keep kelp forests healthy and full of many other species. Without otters, sea urchins can overgraze kelp forests and leave barren rocks with very few species able to survive.

Why Biodiversity Matters in Ecosystems

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

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...

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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,...

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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...

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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...

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Climate Change Effects on Sea Level and Species

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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...

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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...

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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...

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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.

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Learn how biodiversity is measured with richness, evenness, quadrats, and diversity curves, and why it protects ecosystems, medicine, and conservation.

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Ecosystems: Interactions, Energy And Dynamics

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ESS.EES.2.5

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Redox Reactions

Oxidation-reduction or redox reactions involve the transfer of electrons from one molecule or atom to another. When an atom gains an electron, another ...

Adhesion

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Cohesion is the attraction between molecules of the same type, such as water molecules. Water molecules have an overall neutral charge but are polar ...

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The physical form of a substance changes by changing its temperature. For example, raising the temperature of a liquid causes the liquid to vaporize ...

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Solubility Equilibria: Ionic Product of Water

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ESS.EES.3.1

Analyze how the geosphere is shaped by plate tectonics and the rock cycle.

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