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

생물 다양성. 이 단어는 거대한 숲의 화려 함 또는 바다의 풍요 로움을 불러 일으키며, 단순히 관심있는 생태계에있는 다양한 유기체로 정의됩니다. 생물 다양성을 보호하기 위해 과학자들은 생물 다양성을 측정할 수 있어야 합니다. 이것은 특정 공간에 얼마나 많은 다른 종들이 함께 살고 있는지 알아내는 것을 의미합니다. 종을 세는 편리한 방법은 무엇입니까? 

전체 생태계의 모든 것을 세는 것은 불가능하기 때문에 과학자들은 카운팅을 수행하기 위해 환경에 무작위로 배치된 고정된 크기의 프레임인 쿼드랫(quadrat)이라는 도구를 사용합니다. 이 작은 섹션에서 발견되는 종과 개체를 분류한 후 이 과정을 반복하여 더 많은 사각형을 무작위로 배치하거나 환경을 가로지르는 선을 따라 설정된 위치에 배치하는 것을 transect라고 합니다.

그런 다음 한 지역의 총 종 수를 추정하기 위해 종 축적 곡선이 사용됩니다. 사각형에서 발견되는 종의 누적 수가 샘플링된 사각형의 수에 대해 표시되면 곡선이 나타납니다. 예를 들어, 이 데이터 세트에서 4개의 사각형을 조사했을 때 10개의 고유한 종이 있는 것으로 나타났습니다. 6에는 17이 포함되어 있습니다. 이 유형의 곡선의 점근선은 환경에 의해 지원되는 종의 수에 대한 추정치를 나타냅니다. 이 경우 약 30입니다. 그러나 단일 사이트에서 다양성을 측정하는 것은 매우 유용하지만, 더 넓은 지역에 걸쳐 사이트를 비교하면 다양성을 훨씬 더 큰 규모로 나타낼 수 있습니다. 

1972년, 생태학자 로버트 휘태커(Robert Whittaker)는 알파, 베타, 감마의 세 가지 주요 생물 다양성을 설명했습니다. 알파 다양성은 단순히 한 지역에 있는 종의 수를 의미하며 종종 종 풍부도(species richness)라고 합니다. 예를 들어, 이 사이트에는 7개의 다른 종이 있으므로 알파 점수는 7입니다. 두 번째 사이트인 사이트 B에는 5종이 있고 세 번째 사이트인 사이트 C에는 7종이 있습니다. 그러나 여러 지역을 비교함으로써 우리는 베타 다양성(beta diversity)이라고 불리는 것, 즉 각 지역에 고유한 종들의 총합을 결정할 수 있다. 따라서 사이트 A와 사이트 B를 비교하면 둘 사이에 공통된 세 가지 종이 있음을 알 수 있습니다. 나머지 종을 세어 보면 6 개가 있음을 알 수 있습니다. 이는 사이트 A와 사이트 B 사이에 6의 베타 다양성이 있음을 의미합니다. 사이트 A와 C에는 3 개의 공통점이 있으며 8 개의 고유 한 종이 남아 있습니다. 이것은 8개의 베타 다양성입니다. 사이트 B와 C는 두 개의 공통 종 또는 베타 다양성 값이 8입니다. 마지막으로, 감마 다양성은 모든 부위에 있는 서로 다른 종의 수를 합친 것입니다. 이 예에서는 감마 다양성이 12입니다. 따라서 세 가지 종류의 생물 다양성을 요약하자면, 알파, 베타, 감마로 볼 수 있습니다. 다양성을 기록하는 것 외에도 과학자들은 종종 종 균등성(species evenness)을 언급하는데, 이는 각 유형의 개체가 얼마나 많은지를 의미합니다. 예를 들어, 이 두 사이트는 둘 다 7종을 가지고 있기 때문에 동일한 풍부함 또는 알파 다양성을 가지고 있습니다. 그러나 사이트 A는 다른 종의 수가 적은 토끼로 인해 상대적으로 들끓는 반면, 사이트 B는 종의 분포가 꽤 고르기 때문에 사이트 A에 비해 더 큰 균일성을 가진 것으로 간주됩니다. 과학자들은 일반적으로 더 높은 풍부함과 균일성을 가진 생태계, 즉 많은 균등하게 분포된 종을 가장 건강하다고 생각했습니다. 농사나 오염과 같은 인간의 행동으로 인해 종종 교란된 서식지는 종종 풍요로움과 균일성이 떨어집니다. 현장을 비교할 수 있는 능력은 연구자가 생태계의 상대적 건전성을 결정할 수 있게 해주기 때문에 매우 중요합니다. 
이 실험실에서는 세 개의 서로 다른 환경 현장에서 사분면 및 횡단 샘플링을 수행하고 실험실 시뮬레이션을 수행한 다음 관찰된 생물 다양성을 설명하기 위해 수집된 데이터를 분석합니다.

생물다양성 측정

다양한 생태계는 지구의 건강과 인간으로서의 우리의 생존에 중요하며, 따라서 생태계 내 살아있는 유기체 간의 변동성으로 정의되는 생물 다양성을 이해하고 측정하는 것은 매우 중요합니다. 생물 다양성은 유전, 종, 군집 및 생태계를 포함한 다양한 수준에서 측정할 수 있습니다. 생물 다양성을 측정하는 한 가지 방법은 생태계의 종 풍부도를 평가하는 것인데, 이는 지역 공동체 내에서 구별되는 종의 총 수입니다. 많은 종을 보유하는 것은 일반적으로 다양하고 건강한 생태계를 갖는 것과 일치하지만, 균등성도 고려해야 합니다. 균등성은 지역 또는 군집 내에서 각 종의 비율이 동등함을 나타냅니다. 예를 들어, 한 종이 그 지역을 지배하고 다른 종은 매우 희귀한 경우, 이 지역의 생물 다양성은 동일한 종의 풍부함이 있는 지역보다 낮습니다. 따라서 상대적으로 풍부함이 동일한 많은 종이 있는 지역이 생물 다양성의 가치가 가장 높습니다.

<h4>생물다양성 추정</h4>

두 공동체 사이의 풍부함과 균등성의 차이는 계급-풍부도 곡선으로 시각화할 수 있습니다. 종의 수가 같으면 선의 모양은 어떤 군집이 더 다양한지 알려줄 수 있습니다. 선이 평평하면 종 간에 높은 균일성이 있습니다. 그러나 라인이 빠르게 떨어지면 균일성이 낮습니다. 두 군집 간에 풍부함과 균등성이 모두 다른 경우 생물학자는 방정식을 사용하여 다양성을 계산해야 합니다. 이러한 방정식은 각 구성 요소의 중요도에 가중치를 다르게 부여하며, 어떤 방정식이 다양성을 계산하는 데 가장 적합한지에 대한 합의는 여전히 논쟁 중입니다.

때로는 한 지역에 너무 많은 종이 있어 모든 종을 세는 것이 비현실적입니다. 예를 들어, 아마존 열대 우림의 나무 한 그루에는 수백 종의 딱정벌레가 있을 수 있습니다. 이 문제를 피하기 위해 생태학자들은 사분면(quadrats)이라고 하는 표본 추출 도구를 사용합니다. 사각형은 단순히 알려진 내부 영역이 있는 프레임입니다. 예를 들어, 1에이커의 잔디밭에서 종의 풍부도를 측정하기 위해 생태학자들은 에이커 내의 모든 종을 세는 대신 밭에 사각형을 무작위로 배치하고 사각형 내의 종을 계산합니다. 또한 transect 테이프를 사용하여 체계적으로 샘플링할 수도 있습니다. transects는 필드를 가로 질러 뻗어 있으며, quadrats는 일정한 간격으로 transect를 따라 배치됩니다. 이 방법은 반 무작위이며 생물 다양성을 추정하기 위해 전체 필드에 걸쳐 샘플링의 충분한 범위를 보장합니다.

quadrats와 transects는 대부분의 종을 선택할 수 있지만 일부 희귀 종은 눈에 띄지 않을 수 있습니다. 이 경우 생태학자들은 일련의 사분면에서 볼 수 있는 종의 누적 수를 나타내는 종 축적 곡선을 사용할 수 있습니다. 곡선의 y축은 관찰된 종의 총 수를 나타내고, x축은 종이 열거된 사각형의 수를 나타냅니다. 첫 번째 사분면에 있는 종의 총 수는 그래프의 첫 번째 점을 나타냅니다. 연속적인 각 점은 샘플링된 각 새로운 사분면에서 발견된 새로운 종의 수와 이전 사분면의 모든 종을 더한 값을 나타냅니다. 어느 시점이 되면, 표본화된 각각의 새로운 사분면체에서 발견되는 추가 종은 거의 없거나 전혀 없을 것이며, 곡선은 존재하는 총 종의 추정치인 점근선에 가까워질 것입니다. 희귀종이 많기 때문에 점근선에 도달하지 못하더라도 생물학자들은 이 곡선을 기반으로 전체 수를 추정할 수 있습니다.

서로 다른 영역 또는 척도 간에 비교를 수행해야 하는 경우 알파, 베타 및 감마 다양성 측정값이 사용됩니다. 알파 다양성(α)은 한 지역에 있는 종의 수를 나타냅니다. 베타 다양성(β)은 서로 다른 두 지역을 비교하며 각 지역에 고유한 종의 합입니다. 감마 다양성(gamma-diversity, γ)은 여러 지역에서 한 지역으로 결합된 종의 수입니다. 이러한 측정을 사용하여 생물학자들은 작은 규모와 큰 규모를 모두 포함하여 공간에 대한 다양성에 대한 아이디어를 얻을 수 있습니다.

<h4>생물다양성에 대한 위협과 그 영향</h4>

전 세계의 생물 다양성은 오염, 기후 변화 및 침입종으로 인해 위협을 받고 있습니다. 생물다양성을 유지하기 위한 노력의 주된 이유는 생태계 기능에 기반을 두고 있습니다. 생태계는 1차 생산자, 초식 동물, 육식 동물 및 잔해 동물을 포함한 많은 작업 부분으로 구성되며, 이 모든 것이 생태계 기능에 기여합니다. 종이 사라지면 생태계가 붕괴될 수 있습니다. 그리고 생태계가 붕괴되면 인간에게 제공하는 서비스도 붕괴될 것입니다. 열대 산호초는 이 개념1의 좋은 예입니다. 수온의 급격한 상승은 산호가 공생 조류 세포를 잃게 만듭니다. 조류가 없으면 산호는 굶어 죽기 시작하고 분해되어 구조를 잃습니다. 산호가 썩으면 더 이상 물고기를 보호할 수 없게 되고 어종의 풍부함이 감소하여 지역 어부와 물고기에 생계를 의존하는 사람들에게 영향을 미칩니다. 시간이 지남에 따라 죽은 산호초는 더 큰 규모로 악화되고 더 이상 인접한 해안선에 완충 역할을 하지 못하여 결국 해안을 침식하고 섬을 파괴합니다. 매우 다양한 커뮤니티는 기능적 중복성2로 인해 붕괴될 가능성이 적습니다. 예를 들어, 산호는 고온에 대한 민감도가 다양할 수 있습니다. 한 산호가 온도에 매우 민감하면 다른 산호가 군락에서 그 자리를 차지할 수 있지만 종이 적다면 그러한 대체물을 사용할 수 있을 가능성이 적습니다.

우리가 혜택을 받는 상당수의 의약품은 생명의 다양성의 직접적인 결과입니다. 우리가 지금 합성하는 약은 한때 동물, 식물, 곰팡이 및 박테리아로부터 분리되었습니다. 생체 활성 화합물의 존재 여부를 확인하기 위해 다양한 종을 스캔하여 새로운 잠재적 약물을 발견하는 데 전념하는 전체 산업이 있습니다. 예를 들어, 식물은 감염과 초식 동물에 대한 방어를 위한 화학 물질을 생산합니다. 거미와 뱀은 다양한 독을 생산합니다. 유기체의 두 종류 전부는 계속 유방암, 폐 및 난소암을 대우하는 주목 나무에서 Taxol 또는 진통제3-4인 King Cobra 독에서 Ohanin와 같은 중요한 약의 근원이다. 멸종되는 각 종은 현재 치료할 수 없는 질병을 치료할 수 있는 열쇠를 쥐고 있을 수 있습니다. 우리가 그 종을 빨리 잃을수록 해결책을 발견할 기회는 더 작아집니다.

한 종이 멸종하면 우리는 결코 그 종을 경험할 수 없을 것입니다. 이러한 유형의 사고는 판다, 해달 및 기타 카리스마 있는 동물의 보존을 주도했습니다. 이러한 종은 플래그십 종이라고 불리며, 이들의 보존은 생물 다양성을 보호하는 결과를 가져올 수 있습니다. 이 동물들은 전체 생태계의 작은 부분에 불과하지만, 그들을 보존한다는 것은 그들이 차지하고 있는 생태계를 보존하는 것을 의미합니다. 북아메리카 서부 해안에서 해달을 구하기 위한 노력으로 수천 종의 다른 종들이 서식하는 건강한 다시마 숲이 생겨났습니다5. 해달의 보호가 없으면 보통 수달이 먹는 성게와 같은 초식 동물은 다시마 숲을 완전히 먹어 치울 수 있으며 극소수의 종이 살아남을 수있는 불모의 바위를 남깁니다.

<h4>참조</h4>

<ol class="참조">
	<li>놀튼, 낸시. 산호초의 미래. PNAS입니다. 2001년, Vol. 98 , (10) 5419-5425.</li>
	<li>안드레아 S. 다우닝, 에그버트 H. 반 네스, 울프 M. 무이, 마튼 셰퍼. 다양성의 붕괴에 대한 생태계의 회복력과 저항. PLoS 하나. . 2012; , Vol. 7(9): e46135.</li>
	<li>벽, 먼로 E. Camptothecin 및 taxol: 클리닉에 대한 발견. 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. King Cobra Venom의 새로운 단백질인 Ohanin은 생쥐에서 저운동과 통각과민을 유도합니다. J Biol 화학. 2005년, 280, 13137-13147.</li>
	<li>Estes, J.A. 외. 다시마 숲 생태계의 복잡한 영양 상호 작용. 해양 과학 게시판, 볼륨 . 2004년, Vol. 7, 3: 621-638.</li>
</ol>

다양한 생태계는 지구의 건강과 인간으로서의 생존에 중요합니다. 따라서 우리가 이해하고 ...

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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.

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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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2분 길이의 강사용 가이드를 통해 생물다양성 측정 수업을 준비하세요. JoVE Lab Manual의 Biology 실험을 위한 핵심 준비 단계를 다룹니다.

Biology의 생물다양성 측정 강사용 준비 - 3.6K+ 조회수 | JoVE Lab Manual

8분 길이의 학생 프로토콜 영상을 통해 생물다양성 측정 절차를 단계별로 따라 해보세요. JoVE Lab Manual의 Biology 컬렉션의 일부입니다.

Biology의 생물다양성 측정 학생 프로토콜 - 6.3K+ 조회수 | JoVE Lab Manual

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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. ...

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Overview

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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 ...

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Solubility Equilibria: Ionic Product of Water

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

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