Pomiar różnorodności biologicznej

Zróżnicowane ekosystemy są ważne dla zdrowia planety i naszego przetrwania jako ludzi; dlatego niezwykle ważne jest dla nas zrozumienie i zmierzenie różnorodności biologicznej, która jest definiowana jako zmienność organizmów żywych w ekosystemie. Różnorodność biologiczną można mierzyć na wielu różnych poziomach, w tym genetycznym, gatunkowym, społecznościowym i ekosystemowym. Jednym ze sposobów pomiaru różnorodności biologicznej jest ocena bogactwa gatunkowego ekosystemu, czyli całkowitej liczby odrębnych gatunków w społeczności lokalnej. Chociaż posiadanie wielu gatunków na ogół zbiega się z posiadaniem zróżnicowanego i zdrowego ekosystemu, należy również wziąć pod uwagę równomierność. Równość odnosi się do równości proporcji każdego gatunku na danym obszarze lub społeczności. Na przykład, gdy jeden gatunek dominuje na danym obszarze, podczas gdy inne są bardzo rzadkie, różnorodność biologiczna na tym obszarze jest mniejsza niż na obszarze, na którym występują gatunki o równej liczebności. W związku z tym obszary z wieloma gatunkami, które są stosunkowo równe pod względem liczebności, mają najwyższe wartości różnorodności biologicznej.

Szacowanie różnorodności biologicznej

Różnice w bogactwie i równości między dwiema społecznościami można zwizualizować za pomocą krzywych rangi i obfitości. Jeśli liczba gatunków jest równa, kształt linii może nam powiedzieć, która społeczność jest bardziej zróżnicowana. Jeśli linia jest płaska, występuje duża równość między gatunkami. Jeśli jednak linia szybko opada, równość jest niska. Jeśli zarówno bogactwo, jak i równość są różne między dwiema społecznościami, biolodzy muszą użyć równań do obliczenia różnorodności. Równania te w różny sposób ważą znaczenie każdego składnika, a konsensus co do tego, które równanie jest najlepsze w obliczaniu różnorodności, jest nadal przedmiotem dyskusji.

Czasami na danym obszarze jest zbyt wiele gatunków, że nierealne jest liczenie każdego gatunku z osobna. Na przykład jedno drzewo w amazońskim lesie deszczowym może zawierać setki gatunków chrząszczy. Aby obejść ten problem, ekolodzy używają narzędzi do pobierania próbek zwanych kwadratami. Kwadrat to po prostu rama o znanym obszarze wewnętrznym. Na przykład, aby zmierzyć bogactwo gatunkowe jednoakrowego pola trawy, ekolodzy losowo umieszczają kwadrat na polu i liczą gatunki w kwadracie, zamiast liczyć wszystkie gatunki w obrębie akra. Mogą również systematycznie pobierać próbki za pomocą taśm transektowych. Transekty są rozciągane w poprzek pola, a kwadraty są następnie umieszczane wzdłuż transektu w regularnych odstępach czasu. Metoda ta jest częściowo losowa i zapewnia wystarczające pokrycie próbek na całym polu w celu oszacowania jego różnorodności biologicznej.

Podczas gdy kwadraty i transekty mogą wychwycić większość gatunków, niektóre rzadkie gatunki mogą pozostać niezauważone. W tym przypadku ekolodzy mogą użyć krzywej akumulacji gatunków, która reprezentuje skumulowaną liczbę gatunków obserwowanych w serii kwadratów. Oś y krzywej reprezentuje całkowitą liczbę obserwowanych gatunków, podczas gdy oś x reprezentuje liczbę kwadratów, dla których gatunki zostały policzone. Całkowita liczba gatunków w pierwszym kwadracie reprezentuje pierwszy punkt na wykresie. Każdy kolejny punkt reprezentuje liczbę nowych gatunków znalezionych w każdym nowym kwadracie, z którego pobrano próbki, oraz wszystkie gatunki z poprzednich kwadratów. W pewnym momencie w każdym nowym kwadracie pobranym od próbki znajdzie się niewiele dodatkowych gatunków lub nie znajdzie się ich wcale, a krzywa zbliży się do asymptoty, która jest oszacowaniem całkowitej liczby obecnych gatunków. Nawet jeśli asymptota nigdy nie zostanie osiągnięta z powodu wielu rzadkich gatunków, biolodzy mogą oszacować całkowitą liczbę na podstawie tej krzywej.

Jeśli konieczne jest dokonanie porównań między różnymi obszarami lub skalami, stosuje się miary różnorodności alfa, beta i gamma. Różnorodność alfa (α) odnosi się do liczby gatunków na danym obszarze. Różnorodność beta (β) porównuje dwa różne obszary i jest sumą gatunków unikalnych dla każdego obszaru. Różnorodność gamma (γ) to liczba gatunków na wielu obszarach połączonych w region. Korzystając z tych pomiarów, biolodzy mogą zorientować się w różnorodności w przestrzeni, w tym zarówno w małej, jak i dużej skali.

Zagrożenia dla różnorodności biologicznej i ich konsekwencje

Różnorodność biologiczna na całym świecie jest zagrożona przez zanieczyszczenia, zmiany klimatyczne i gatunki inwazyjne. Głównym powodem działań na rzecz utrzymania różnorodności biologicznej jest funkcjonowanie ekosystemów. Ekosystemy składają się z wielu części roboczych, w tym producentów pierwotnych, roślinożerców, mięsożerców i detrytusożerców, z których wszystkie przyczyniają się do funkcjonowania ekosystemu. Jeśli gatunki zostaną utracone, ekosystem może się załamać. A jeśli ekosystem się załamie, usługi, które zapewnia ludziom, również się załamią. Tropikalne rafy koralowe są dobrym przykładem tej koncepcji¹. Skoki temperatury wody powodują, że koralowce tracą swoje symbiotyczne komórki glonów. Bez glonów koralowce zaczynają głodować, umierać, a następnie ulegać degradacji i tracić swoją strukturę. Kiedy koralowce ulegają rozkładowi, nie stanowią już schronienia dla ryb, a liczebność gatunków ryb spada, co z kolei wpływa na lokalnych rybaków i ludzi, którzy polegają na rybach jako źródle pożywienia. Z biegiem czasu martwe rafy koralowe ulegają degradacji na większą skalę i nie stanowią już bufora dla sąsiednich linii brzegowych, ostatecznie powodując erozję wybrzeża i niszcząc wyspy. Wysoce zróżnicowana społeczność jest mniej narażona na upadek z powodu redundancji funkcjonalnej². Na przykład koralowce mogą różnić się wrażliwością na wysokie temperatury. Jeśli jeden koralowiec jest wyjątkowo wrażliwy na temperaturę, inny może zająć swoje miejsce w społeczności, ale jeśli jest tylko kilka gatunków, jest mniej prawdopodobne, że taki substytut będzie dostępny.

Znaczna liczba leków, z których korzystamy, jest bezpośrednim wynikiem różnorodności życia. Leki, które obecnie syntetyzujemy, były kiedyś izolowane ze zwierząt, roślin, grzybów i bakterii. Istnieje cały przemysł zajmujący się odkrywaniem nowych potencjalnych leków poprzez skanowanie różnych gatunków pod kątem obecności związków bioaktywnych. Na przykład rośliny wytwarzają chemikalia do obrony przed infekcjami i roślinożercami. Pająki i węże wytwarzają różnorodne jady. Obie klasy organizmów są źródłem ważnych leków, takich jak Taxol z cisów, który leczy raka piersi, płuc i jajników, czy Ohanin z jadu kobry królewskiej, który jest środkiem przeciwbólowym^3-4. Każdy gatunek, który wyginie, może być kluczem do leczenia obecnie nieuleczalnych chorób. Im szybciej stracimy te gatunki, tym mniejsza szansa na znalezienie rozwiązań.

Gdy jakiś gatunek wyginie, nigdy nie będziemy w stanie ich doświadczyć. Ten rodzaj myślenia napędzał ochronę pand, wydr morskich i innych charyzmatycznych zwierząt. Gatunki te nazywane są gatunkami flagowymi, a ich ochrona może skutkować ochroną różnorodności biologicznej. Mimo że zwierzęta te stanowią tylko niewielką część całego ekosystemu, ich ochrona oznacza ochronę ekosystemu, który zamieszkują. Wysiłki mające na celu uratowanie wydry morskiej na zachodnim wybrzeżu Ameryki Północnej zaowocowały zdrowymi lasami wodorostów, w których żyje wiele tysięcy^{innych gatunków5}. Bez ochrony wydr morskich roślinożercy, tacy jak jeżowce, które są zwykle zjadane przez wydry, są w stanie całkowicie pochłonąć lasy wodorostów, pozostawiając jałowe skały, w których bardzo niewiele gatunków mogłoby przetrwać.

Odwołania

1. Knowlton, Nancy. Przyszłość raf koralowych. PNAS. 2001, tom 98 , (10) 5419-5425.
2. Andrea S. Downing, Egbert H. van Nes, Wolf M. Mooij, Marten Scheffer. Odporność i odporność ekosystemu na upadek różnorodności. PLoS Jeden. . 2012; , tom 7(9): e46135.
3. Wall, Monroe E. Camptothecin i taxol: od odkrycia do kliniki. Med Res Rev. 1998, Vol. 18, 5 (299-314).
4. Yuh Fen Pung, Peter T. H. Wong, Prakash P. Kumar, Wayne C. Hodgson, R. Manjunatha Kini. Ohanina, nowe białko z jadu kobry królewskiej, indukuje hipolokcję i hiperalgezję u myszy. J Biol Chem. 2005, 280, 13137-13147.
5. Estes, J.A. i wsp. Złożone interakcje troficzne w ekosystemach lasów wodorostów. Biuletyn Nauk o Morzu, tom . 2004, tom 7, 3: 621-638.

Bioróżnorodność. Słowo to przywołuje na myśl splendor wielkiego lasu lub tętniące bogactwo oceanu i jest po prostu definiowane jako różnorodność organizmów w ekosystemie będącym przedmiotem zainteresowania. Aby chronić różnorodność biologiczną, naukowcy muszą być w stanie ją zmierzyć. Oznacza to ustalenie, ile różnych gatunków żyje razem w danej przestrzeni. Jaki jest wygodny sposób liczenia gatunków?

Próba policzenia wszystkiego w całym ekosystemie byłaby niemożliwa, więc naukowcy używają narzędzia zwanego kwadratem, które jest ramką o ustalonym rozmiarze umieszczoną losowo w środowisku, w którym należy przeprowadzić liczenie. Po skatalogowaniu gatunków i osobników znalezionych w tym małym przekroju, proces ten powtarza się, umieszczając losowo więcej kwadratów lub alternatywnie w ustalonych pozycjach wzdłuż linii biegnącej przez środowisko, zwanej transektem.

Aby następnie oszacować całkowitą liczbę gatunków na danym obszarze, stosuje się krzywe akumulacji gatunków. Jeśli skumulowana liczba gatunków znalezionych w kwadracie zostanie zestawiona z liczbą kwadratów, z których pobrano próbki, pojawi się krzywa. Na przykład w tym zestawie danych, gdy badano cztery kwadraty, stwierdzono, że istnieje 10 unikalnych gatunków. Sześć zawierało 17 i tak dalej. Asymptota tego typu krzywej reprezentuje oszacowanie liczby gatunków wspieranych przez środowisko. W tym przypadku jest to około 30. Ale podczas gdy pomiar różnorodności w jednym miejscu jest niezwykle przydatny, porównywanie witryn na większym obszarze może dać nam jeszcze większą wskazówkę co do różnorodności.

W 1972 roku ekolog Robert Whittaker opisał trzy główne rodzaje różnorodności biologicznej: alfa, beta i gamma. Różnorodność alfa odnosi się po prostu do liczby gatunków na danym obszarze i jest często określana jako bogactwo gatunkowe. Na przykład w tym miejscu występuje siedem różnych gatunków, więc wynik alfa wynosi siedem. Drugie stanowisko, stanowisko B, ma pięć gatunków, a trzecie, miejsce C, ma ich siedem. Ale porównując między stanowiskami, możemy określić to, co nazywa się różnorodnością beta, czyli sumą gatunków unikalnych dla każdego obszaru. Jeśli więc porównamy stanowisko A ze stanowiskiem B, zobaczymy trzy gatunki wspólne dla tych dwóch. Licząc pozostałe gatunki, okazuje się, że jest ich sześć. Oznacza to, że istnieje zróżnicowanie beta między miejscem A a miejscem B wynoszącym sześć. Stanowiska A i C mają również trzy wspólne gatunki, co daje osiem unikalnych gatunków. Jest to odmiana beta składająca się z ośmiu. Obszary B i C mają między sobą dwa wspólne gatunki, czyli wartość różnorodności beta wynoszącą osiem. Wreszcie różnorodność gamma to liczba różnych gatunków we wszystkich miejscach łącznie. W tym przykładzie istnieje różnorodność gamma równa 12. Podsumowując trzy rodzaje różnorodności biologicznej, możemy spojrzeć na nie w ten sposób: alfa, beta i gamma. Oprócz rejestrowania różnorodności, naukowcy często odnoszą się do równości gatunków, co oznacza, ile osobników każdego typu jest obecnych. Na przykład te dwa stanowiska mają takie samo bogactwo lub różnorodność alfa, ponieważ oba mają siedem gatunków. Jednak obszar A jest stosunkowo opanowany przez króliki z niewielką liczbą innych gatunków, podczas gdy obszar B ma dość równomierne rozmieszczenie gatunków, więc uważa się, że ma większą równość w porównaniu z obszarem A. Naukowcy ogólnie uważali ekosystemy o większym bogactwie i równości, tj. wiele równomiernie rozmieszczonych gatunków, za najzdrowsze. Zakłócone siedliska, często spowodowane działaniami człowieka, takimi jak rolnictwo lub zanieczyszczenie, często mają słabe bogactwo i równomierność. Możliwość porównywania lokalizacji ma kluczowe znaczenie, ponieważ pozwala naukowcom określić względny stan ekosystemów.
W tym laboratorium przeprowadzisz pobieranie próbek z kwaratu i transektu w trzech różnych miejscach środowiskowych, a także przeprowadzisz symulację laboratoryjną, a następnie przeanalizujesz zebrane dane w celu opisania obserwowanej różnorodności biologicznej.