Name: why biodiversity matters in ecosystems
Uploaded: 2019-01-29T11:04:46.000Z
Duration: 5 min 41 s
Channel: JoVE

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

生物多様性。この言葉は、大森林の素晴らしさや海の豊かさを連想させ、単に関心のある生態系の生物の多様性として定義されています。生物多様性を保護するためには、科学者は生物多様性を測定できなければなりません。これは、特定の空間にいくつの異なる種が一緒に住んでいるかを把握することを意味します。種を数える便利な方法は何ですか?

生態系全体のすべてを数えようとするのは不可能であるため、科学者は、カウントを行う環境にランダムに配置された固定サイズのフレームであるクワッドラットと呼ばれるツールを使用します。この小さなセクションで見つかった種と個体をカタログ化した後、このプロセスが繰り返され、ランダムに、またはトランセクトと呼ばれる環境を通る線に沿った設定された位置に、より多くの四角形が配置されます。

次に、エリア内の種の総数を推定するために、種の蓄積曲線が使用されます。クワドラットで見つかった種の累積数をサンプリングされたクワドラットの数に対してプロットすると、曲線が現れます。例えば、このデータセットでは、4つの四角形を調べたところ、10種類のユニークな種が存在することがわかりました。6つには17が含まれていました。このタイプの曲線の漸近線は、環境によって支えられる種の数を推定したものを表します。この場合、約 30 です。しかし、1つのサイトで多様性を測定することは非常に便利ですが、より広いエリアでサイトを比較すると、さらに大きなスケールで多様性を示すことができます。

1972年、生態学者のロバート・ウィテカーは、アルファ、ベータ、ガンマの3つの主要な種類の生物多様性について説明しました。アルファ多様性とは、単に地域内の種の数を指し、しばしば種の豊富さと呼ばれます。たとえば、このサイトには7つの異なる種があるため、アルファスコアは7です。2番目のサイトであるサイトBには5種、3番目のサイトCには7種があります。しかし、サイト間で比較することで、ベータ多様性と呼ばれるもの、つまり各地域に固有の種の合計を特定できます。したがって、サイトAとサイトBを比較すると、2つの間には3つの種が共通していることがわかります。残りの種を数えると、6つあることがわかります。これは、サイト A とサイト B の間に 6 のベータ多様性があることを意味します。サイトAとCにも3つの種が共通しており、8つのユニークな種が残っています。これは 8 のベータ多様性です。サイトBとCには、それらの間に2つの共通の種があるか、ベータ多様性の値が8です。最後に、ガンマ多様性は、すべてのサイトにおける異なる種の数を合わせたものです。この例では、ガンマ多様性は 12 です。ですから、生物多様性の3種類をまとめると、アルファ、ベータ、ガンマの3種類をこのように見ることができます。科学者は、多様性を記録するだけでなく、種の均一性、つまり各タイプの個体が何人存在するかについても言及することがよくあります。たとえば、これら 2 つのサイトは、どちらも 7 つの種を持っているため、同じ豊かさ、つまりアルファ多様性を持っています。しかし、サイトAは他の種の数が少ないウサギによって比較的オーバーランしているのに対し、サイトBは種の分布がかなり均一であるため、サイトAと比較して均一性が高いと考えられています。農業や汚染など、人間の行動によることが多い生息地の乱れは、豊かさと均一性が乏しいことがよくあります。サイトを比較できることは、研究者が生態系の相対的な健康状態を判断できるため、非常に重要です。 
このラボでは、3つの異なる環境サイトでクワッドラットサンプリングとトランセクトサンプリングを行うとともに、ラボシミュレーションを行い、収集されたデータを分析して観察された生物多様性を記述します。

生物多様性の測定

多様な生態系は、地球の健康と人間としての生存にとって重要であるため、生態系内の生物間の変動性として定義される生物多様性を理解し、測定することは私たちにとって非常に重要です。生物多様性は、遺伝、種、コミュニティ、生態系など、さまざまなレベルで測定できます。 生物多様性を測定する 1 つの方法は、生態系の種の豊富さ (地域コミュニティ内の異なる種の総数) を評価することです。多くの種が存在することは、一般的に多様で健全な生態系を持つことと一致しますが、均一性も考慮する必要があります。均一性とは、地域またはコミュニティ内の各種の比率が等しいことを指します。 たとえば、1つの種がその地域を支配し、他の種が非常に珍しい場合、この地域の生物多様性は、同じ量の種がいる地域よりも低くなります。したがって、豊富に比較的等しい多くの種が存在する地域は、生物多様性の価値が最も高いです。

<h4>生物多様性の推定</h4>

2つのコミュニティ間の豊かさと均一性の違いは、ランク-存在量曲線によって視覚化できます。種の数が等しい場合、線の形状は、どちらのコミュニティがより多様であるかを教えてくれます。線が平坦な場合、種間の均一性が高くなります。しかし、ラインがすぐに下がると、均一性は低くなります。2つのコミュニティ間で豊かさと均一性が異なる場合、生物学者は方程式を使用して多様性を計算する必要があります。これらの方程式は、各コンポーネントの重要性を異なる方法で重み付けしており、多様性を計算するのに最も適した方程式についてのコンセンサスはまだ議論されています。

ある地域に種が多すぎるため、すべての種を数えるのは非現実的である場合があります。たとえば、アマゾンの熱帯雨林の 1 本の木には、数百種のカブトムシが含まれている可能性があります。この問題を回避するために、生態学者はクワッドラットと呼ばれるサンプリングツールを使用します。クワッドラットは、既知の内部領域を持つ単純なフレームです。たとえば、1エーカーの草原の種の豊富さを測定するために、生態学者は、エーカー内のすべての種を数えるのではなく、四角形を畑にランダムに配置し、四角形内の種を数えます。また、トランセクトテープを使用して体系的にサンプリングすることもできます。トランセクトはフィールドを横切って引き伸ばされ、次に四角形がトランセクトに沿って一定の間隔で配置されます。この方法は半ランダムであり、フィールド全体のサンプリングを十分にカバーして、その生物多様性を推定します。

クワッドラットとトランセクトはほとんどの種を拾うかもしれませんが、一部の希少種は見過ごされる可能性があります。この場合、生態学者は、一連の四角形で見られる種の累積数を表す種の蓄積曲線を使用することができる。曲線の y 軸は観察された種の総数を表し、x 軸は種が列挙された四角形の数を表します。最初の四角形の種の総数は、グラフの最初の点を表します。連続する各ポイントは、サンプリングされた新しい四角形ごとに見つかった新しい種の数と、前の四角形のすべての種を表します。ある時点で、サンプリングされた新しい四角形ごとに追加の種はほとんどまたはまったく見つからず、曲線は漸近線(存在する種の総数の推定値)に近づきます。希少種が多いために漸近線に到達できない場合でも、生物学者はこの曲線に基づいて総数を推定できます。

異なる領域やスケール間で比較を行う必要がある場合は、アルファ、ベータ、およびガンマの多様性測定が使用されます。アルファダイバーシティ(α)は、エリア内の種の数を指します。ベータ多様性(β)は、2つの異なる領域を比較し、各領域に固有の種の合計です。ガンマ多様性(γ)は、多くの地域の種の数を1つの地域に組み合わせたものです。これらの手段を使用することで、生物学者は、小規模と大規模の両方を含む空間上の多様性のアイデアを得ることができます。

<h4>生物多様性への脅威とその影響</h4>

世界中の生物多様性は、汚染、気候変動、侵入種によって脅かされています。生物多様性を維持するための努力の主な根本的な理由は、生態系の機能に基づいています。生態系は、一次生産者、草食動物、肉食動物、デトリチボアなど、多くの作業部分で構成されており、そのすべてが生態系機能に貢献しています。種が失われてしまうと、生態系が崩壊する可能性があります。そして、生態系が崩壊すれば、それが人間に提供するサービスも崩壊します。熱帯のサンゴ礁は、この概念の良い例です1。水温の急上昇は、サンゴの共生藻類細胞を失わせます。藻類がなければ、サンゴは飢え始め、死に、その後劣化して構造を失います。サンゴが朽ちると、魚の隠れ家ではなくなり、魚種の豊富さが減少し、地元の漁師や魚に頼って生活している人々に影響を及ぼします。時間が経つにつれて、死んだサンゴ礁は大規模に劣化し、隣接する海岸線の緩衝材を提供しなくなり、最終的には海岸を侵食し、島々を破壊します。 非常に多様なコミュニティは、機能的な冗長性のために崩壊する可能性が低くなります2。たとえば、サンゴは高温に対する感受性が異なる場合があります。1つのサンゴが温度に非常に敏感な場合、別のサンゴがコミュニティでその場所を占める可能性がありますが、種が数種しかない場合は、そのような代替品が利用可能になる可能性は低くなります。

私たちが恩恵を受ける医薬品のかなりの数は、生命の多様性の直接的な結果です。現在私たちが合成している薬は、かつて動物、植物、菌類、細菌から分離されていました。さまざまな生物活性化合物の存在をスキャンすることにより、新しい潜在的な医薬品の発見に専念する業界全体があります。例えば、植物は感染や草食動物に対する防御のための化学物質を生産します。クモやヘビは多様な毒を生成します。 乳がん、肺がん、卵巣がんを治療するイチイの木からのタキソールや、鎮痛剤であるキングコブラ毒のオハニンなど、両方のクラスの生物が重要な医薬品の供給源となっています3-4。絶滅したそれぞれの種が、現在治療不可能な病気を治す鍵を握っているかもしれません。これらの種を早く失うほど、解決策を発見する可能性は低くなります。

一度種が絶滅すると、私たちはそれらを経験することはできません。このような考え方が、パンダやラッコなどのカリスマ的な動物の保護を推進してきました。これらの種はフラッグシップ種と呼ばれ、その保全は生物多様性の保護につながる可能性があります。これらの動物は生態系全体のほんの一部にすぎませんが、それらを保護することは、彼らが占める生態系を保護することを意味します。北米西海岸のラッコを救うための努力は、他の何千もの種を収容する健康な昆布の森をもたらしました5。ラッコの保護がなければ、ウニのような草食動物は、通常はカワウソに食べられますが、昆布の森を完全に食い尽くすことができ、不毛の岩を残し、生き残ることのできる種はほとんどありません。

<h4>参照</h4>

<ol class="references">
	<li>ノウルトン、ナンシー。サンゴ礁の未来。PNASです。 2001年、第98巻、(10)5419-5425。</li>
	<li>アンドレア・S・ダウニング、エグバート・H・ファン・ネス、ウルフ・M・ムーイ、マーテン・シェファー。多様性の崩壊に対する生態系の回復力と抵抗力。プロスワン。 。2012;、第7巻(9):e46135。</li>
	<li>ウォール、モンローE。カンプトテシンとタキソール:クリニックへの発見。Med Res Rev. 1998, Vol. 18, 5 (299-314).</li>
	<li>ユー・フェン・プン、ピーター・T・H・ウォン、プラカシュ・P・クマール、ウェイン・C・ホジソン、R・マンジュナータ・キニ。キングコブラ毒の新規タンパク質であるオハニンは、マウスに運動低下と痛覚過敏を誘発します。J Biol Chem. 2005年、280、13137から13147。</li>
	<li>エステス、JA、他。昆布林生態系における複雑な栄養相互作用。Bulletin of Marine Science, Volume . 2004年、第7巻、3:621-638。</li>
</ol>

多様な生態系は、地球の健康と人間としての生存にとって重要です。したがって、私たちが理解し、...

Education

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Biology

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Ecology

生態学

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...

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

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...

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

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生物多様性の測定 を教える準備を、この 2 分間の教員向けガイドで行いましょう。JoVE Lab Manual の Biology ラボの主要な準備手順を解説します。

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この 8 分間の学生プロトコル動画で、生物多様性の測定 の手順をステップごとに学びましょう。JoVE Lab Manual の Biology コレクションの一部です。

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Using Topographic Maps to Generate Topographic Profiles

Source: Laboratory of Alan Lester - University of Colorado Boulder
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Determining Spatial Orientation of Rock Layers with the Brunton Compass

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Use models to explain how mantle convection powers plate tectonics.

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ESS.EES.2.2

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An Overview of Alkenone Biomarker Analysis for Paleothermometry

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Throughout this series of videos, natural samples were extracted and ...

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Topographic surveying is critical for documenting the Earth's surface, focusing on capturing elevations, slopes, and natural and man-made features. It is ...

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Methods of Obtaining Topography

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Use models to explain how plate tectonics influence topography.

ESS.EES.2.3

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Carry out investigations to explain how the rock cycle and rates of weathering, erosion, and soil formation influence Earth's systems.

ESS.EES.2.4

What is Climate?

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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 ...

Variation of Atmospheric Pressure

Change in atmospheric pressure with height is particularly interesting. The decrease in atmospheric pressure with increasing altitude is due to the ...

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Analyze and interpret data to explain how volcanic activity influences changes in Earth's atmosphere, geosphere, biosphere, and hydrosphere.

ESS.EES.2.5

States of Water

Water exists in any one of the three classical states: solid (ice), liquid (water), and gas (steam or water vapor). The state of water depends on i) the ...

The potential of hydrogen (pH) is a measure of the acidity or basicity of a water-based solution determined by the concentration of hydronium ions (H3O+). ...

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A solvent is a substance, most often a liquid, that can dissolve other substances. Here, the substance being dissolved is called a solute. When a solvent ...

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

Adhesion occurs when one type of molecule is attracted to a different molecule. Water exhibits adhesive properties in the presence of polar surfaces, such ...

Cohesion

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 specific heat capacity of a substance refers to the energy required to increase the temperature of one gram of that substance by one degree Celcius. ...

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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 ...

Role of Water in Human Biology

Water is the one of the most significant components of the human body; it plays a crucial role in several physiological activities because of its unique ...

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Solubility Equilibria: Ionic Product of Water

Water is a weak electrolyte and undergoes a small amount of self-ionization.
At any given temperature, the concentration of undissociated water is ...

Carry out investigations to explain the properties of water.

ESS.EES.3.1

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

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