Różnorodność społeczności

Populacje nie żyją w izolacji, a zatem każda populacja wchodzi w interakcje z innymi w określony sposób. Interakcje te prowadzą do powstania sieci populacji. W związku z tym społeczność ekologiczna składa się z takich sieci populacji różnych gatunków oddziałujących ze sobą na tym samym obszarze. Te biologiczne lub biotyczne składniki mogą również ściśle wchodzić w interakcje ze składnikami nieożywionymi lub abiotycznymi, tworząc ekosystem. Ekosystemy mogą być tak małe, jak zbiorowiska mikroorganizmów w ludzkim przewodzie pokarmowym, ustrukturyzowane przez pH i składniki odżywcze ich środowiska, lub tak duże, jak las zawierający drzewa i owady ściśle powiązane obiegiem węgla. Ekolodzy i ekolodzy coraz bardziej interesują się ekosystemami, ponieważ ludzie nadal dokonują w nich poważnych zmian na całym świecie poprzez urbanizację i zmiany klimatyczne. Zmiany w dowolnym pojedynczym elemencie ekosystemu mogą wpływać na inne ściśle powiązane komponenty, potencjalnie powodując drastyczne zmiany w całym systemie. Z tych powodów kwantyfikacja i przewidywanie obecnego i przyszłego "zdrowia" ekosystemów stało się głównym tematem badań ekologicznych.

Bioróżnorodność

Termin "zdrowie ekosystemu" jest metaforyczny, ponieważ trudno jest porównywać zdrowie bardzo różnych ekosystemów i nie ma jednej wartości, którą można by wykorzystać do ilościowego określenia, jak zdrowy jest ekosystem. Na przykład pustynie i lasy mają bardzo różną różnorodność gatunkową, ale jedna niekoniecznie jest zdrowsza od drugiej. W związku z tym sformułowano wiele wskaźników reprezentujących zdrowie ekosystemu, a ich użycie zależy od celów badania. W związku z tym "zdrowie ekosystemu" może odnosić się do tego, jak cenny jest ekosystem dla ludzi. Na przykład wartość usług ekosystemowych, takich jak sekwestracja dwutlenku węgla przez drzewa lub zapylanie przez pszczoły, jest wykorzystywana do ilościowego określania stanu ekosystemów. Inne wskaźniki mogą mierzyć liczbę rzadkich gatunków występujących w ekosystemie, odporność ekosystemu na ogień lub inne pomiary czynników biotycznych i abiotycznych. Dla ekologów jedną z bardzo popularnych miar zdrowotnych jest różnorodność biologiczna lub "różnorodność biologiczna". Różnorodność biologiczna jest miarą różnorodności gatunków biologicznych występujących na danym obszarze i może być obliczona za pomocą wskaźnika różnorodności biologicznej Shannona-Wienera.

Indeks Shannona-Wienera wymaga od lokalnej społeczności dwóch pomiarów: bogactwa gatunkowego i równomierności. Bogactwo gatunkowe to całkowita liczba odrębnych gatunków w obrębie społeczności lokalnej. Obszar, na którym nie występują żadne gatunki, taki jak świeżo utwardzony parking, miałby wartość bogactwa równą 0. Lasy deszczowe, znane z tego, że wspierają jedne z najbardziej zróżnicowanych społeczności na Ziemi, mają znacznie większe bogactwo gatunkowe. Chociaż posiadanie wielu gatunków na ogół zbiega się z posiadaniem zróżnicowanego i zdrowego ekosystemu, należy również wziąć pod uwagę równomierność. 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 wyniki różnorodności biologicznej.

Metoda Shannon-Wiener nie jest jedyną miarą różnorodności biologicznej i zdrowia ekosystemu. Na przykład popularny indeks, zwany indeksem EPT, służy do określania jakości wody w systemach rzecznych poprzez przypisywanie wartości zdrowotności poszczególnym organizmom. Dokładniej rzecz ujmując, indeks ten uwzględnia trzy wrażliwe na zanieczyszczenia rzędy bezkręgowców występujących w rzekach: Ephemeroptera (jętki), Plecoptera (muchy kamienne) i Trichoptera (chruściki). Obecność tych gatunków nietolerujących zanieczyszczeń w drodze wodnej jest wykorzystywana jako wskaźnik dobrej jakości wody, a dany ekosystem uważa się za zdrowy.

Często obszary istotne z ekologicznego punktu widzenia są zbyt duże, aby można było pobrać próbki w całości. Aby rozwiązać ten problem, ekolodzy pobierają próbki z wielu mniejszych działek na całym badanym obszarze za pomocą kwadratów, które są małymi ramkami o z góry określonej wielkości umieszczonymi w punktach na całym obszarze badania, w których badacz identyfikuje i rejestruje wszystkie osobniki interesujących gatunków. Gdy weźmie się pod uwagę wystarczającą liczbę próbek kwadratów, naukowcy mogą dokonać ekstrapolacji, aby dokonać dokładnych szacunków społeczności ekologicznych.

Skutki zmian ekologicznych

Większość naturalnych zmian ekologicznych zachodzi w dłuższej skali czasowej. Ponadto ludzie nadal zmieniają ekosystemy. Aby ocenić długoterminowe zmiany w ekosystemach, naukowcy utworzyli ośrodki długoterminowych badań ekologicznych (LTER). Jednym z najdłużej działających LTER-ów jest Hubbard Brook Experimental Forest znajdujący się w New Hampshire w Stanach Zjednoczonych. Ten i inne obszary poszerzyły wiedzę na temat wzorców skali ekosystemów wynikających z wylesiania, zmian w reżimach hydrologicznych i innych długoterminowych zakłóceń ekologicznych¹.

Kiedy poważna zmiana zachodzi bardzo szybko, nazywa się ją zaburzeniem ekologicznym. Pożary, huragany i powodzie to przykłady zakłóceń ekologicznych. Zakłócenia mogą zmienić ekosystem poprzez eliminację składników odżywczych i zmianę składu społeczności biologicznej. Po zakłóceniu faworyzowane są najbardziej odporne i odporne gatunki do przetrwania. Odporny gatunek lub społeczność to taka, która może przetrwać poważne zakłócenia przy minimalnych szkodach i szybko odzyskać sprawność po zakłóceniu, jak mniszek lekarski po skoszeniu trawnika. Pobieranie próbek z terenu przez wiele lat przed i po zakłóceniach jest niewykonalne, ale porównanie różnych obszarów o różnych reżimach zakłóceń stanowi częściowe rozwiązanie tego problemu.

Zakłócone siedliska są zwykle niejednolite, dlatego stosowanie losowo rozmieszczonych czworokątów może skutkować niedostateczną reprezentacją gatunków i nieprawidłowymi szacunkami różnorodności biologicznej. Z tego powodu konieczne jest uwzględnienie otoczenia i niektórych cech badanego siedliska. Osiąga się to w ekologii krajobrazu poprzez badanie zarówno siedlisk podstawowych, jak i brzegowych. Rdzeń siedliska znajduje się centralnie w obrębie plamy, otoczony tym samym typem siedliska. Natomiast siedlisko brzegowe, znane również jako siedlisko graniczne, graniczy z innym typem siedliska. Siedliska brzegowe, takie jak miejsca, w których siedlisko leśne styka się z siedliskiem łąkowym, mogą charakteryzować się zwiększoną różnorodnością biologiczną, ponieważ można w nich występować gatunki z obu typów siedlisk. Takie różnice w różnorodności biologicznej na obrzeżach siedlisk nazywane są efektami brzegowymi. Aby ocenić te obszary przejściowe, ekolodzy wykorzystują ścieżki wzdłuż siedlisk, zwane transektami, i rejestrują różnorodność biologiczną małych miejsc pobierania próbek w określonych odstępach wzdłuż ścieżki. Jednak nie wszystkie siedliska będą miały wpływ na krawędzie, a czasami gatunki brzegowe są inwazyjne i mogą rosnąć w szerszym zakresie siedlisk, a zatem nie wskazują na "zdrowy" ekosystem.

Oprócz pomiarów gatunków naukowcy mogą również dokonywać pomiarów składników chemicznych ekosystemu, aby ocenić jego zdrowie. Na przykład mogą sprawdzać, czy nie ma zanieczyszczeń lub badać jakość gleby, mierząc obecne w niej składniki odżywcze. Informacje te mogą być również przydatne do wyjaśnienia zmian we wzorcach różnorodności biologicznej w różnych regionach społeczności. Istnieje również wiele zmiennych, w tym temperatura, opady w określonym przedziale czasowym i cechy funkcjonalne gatunku, które byłyby trudne do zmierzenia i wymagałyby zaawansowanych analiz statystycznych. Ekolodzy nieustannie pracują nad nowymi sposobami rejestrowania tych zmiennych w większych skalach czasu i przestrzeni. Utorowało to drogę nowym metodom, takim jak teledetekcja ekosystemów, w której zdjęcia satelitarne są wykorzystywane do szacowania zmiennych będących przedmiotem zainteresowania na całym globie². Dane te wymagają wykorzystania statystyk wielowymiarowych i innych złożonych narzędzi matematycznych, które są stale rozwijane.

Ponieważ populacje ludzkie nadal rosną i zmieniają ekosystemy na całym świecie, naukowcy i zaniepokojeni obywatele pracują na rzecz ochrony i zachowania zagrożonych ekosystemów. Jednym ze sposobów na odbudowę silnie zmienionych ekosystemów jest bioremediacja, która polega na uwolnieniu organizmów biologicznych, zwykle mikroorganizmów, w celu rozbicia zanieczyszczeń i przywrócenia korzystnych cech ekosystemu³. Jednym z przykładów jest uwalnianie mikroorganizmów do ścieków w celu rozbicia zanieczyszczeń i przywrócenia wody do stanu nadającego się do zamieszkania dla ryb⁴. W związku z tym nowatorskie sposoby odbudowy ekosystemów będą miały coraz większe znaczenie dla przeciwdziałania skutkom wywieranym przez człowieka na ekosystemy.

Odwołania

1. Likens, Gen E. Pięćdziesiąt lat ciągłych danych dotyczących opadów i chemii strumieni z badania ekosystemu Hubbard Brook (1963–2013). ekologia. Tom 98 , 8: 2224.
2. Zhaoqin Li, Dandan Xu, Xulin Guo. Teledetekcja zdrowia ekosystemów: szanse, wyzwania i perspektywy na przyszłość. Czujniki (Bazylea). 2014, tomy 14(11): 21117–21139.
3. Garbisu, itziar alkorta lur epelde carlos. Parametry środowiskowe zmienione przez zmiany klimatu wpływają na aktywność mikroorganizmów glebowych biorących udział w bioremediacji. Listy mikrobiologiczne MEMS. 2017, tom 364, s. 19.
4. P. Padmavathi, K. Sunitha, K. Veeraiah. Skuteczność probiotyków w poprawie jakości wody i flory bakteryjnej w stawach rybnych. Afr. J. Microbiol. Res. 2012, 6(49). 7471-7478.

Ekosystem to społeczność żywych i nieożywionych elementów, które oddziałują na siebie na danym obszarze. Może to być tak duże jak sama ziemia lub las pełen roślin i zwierząt, lub tak małe, jak żołądek z szeregiem mikrobiologicznych mieszkańców. Zdrowie ekosystemów można mierzyć na różne sposoby, ale jednym z dobrych wskaźników jest różnorodność biologiczna, miara różnorodności gatunków biologicznych w ekosystemie.

Możemy ocenić różnorodność biologiczną za pomocą miary zwanej indeksem Shannona-Wienera, zaproponowanej przez Claude'a Shannona i Norberta Wienera w latach czterdziestych XX wieku. Indeks Shannona-Wienera jest miarą niemianowaną, obliczaną jako H. Indeks wykorzystuje dwie zmienne: bogactwo gatunkowe, czyli liczbę obecnych gatunków, wskazywaną przez K, oraz równość gatunków, czyli proporcję każdego gatunku, wskazywaną przez PI. Bogactwo gatunkowe to liczba unikalnych gatunków w ekosystemie. W tym przykładzie jest ich siedem. Równość gatunków mierzy, w jaki sposób gatunki w ekosystemie są rozmieszczone. Oznacza to, że ekosystem, w którym różne gatunki mają podobną liczebność, jest bardziej równomierny niż taki, w którym jeden lub dwa gatunki stanowią większość organizmów, takich jak ten, stosunkowo opanowany przez zające.

Teraz, gdy już wiemy, co mierzyć, nauczmy się mierzyć bioróżnorodność. Ponieważ ekosystemy mogą być ogromne, ekolodzy musieli znaleźć sposób na szybkie losowe pobieranie próbek z dużych obszarów. Najprostszym z nich jest kwadrat, który jest ramką o stałym rozmiarze, zwykle umieszczaną losowo w miejscu pobierania próbek. Naukowcy badają obszar wewnątrz kwadratu, rejestrując bogactwo gatunków, a także ich równomierność. Korzystając z tych małych okienek umieszczonych w wielu miejscach w ekosystemie, mogą ekstrapolować swoje wyniki, aby oszacować różnorodność dla całego badanego obszaru. Ale chociaż ta technika pozwala na łatwą do opanowania ocenę dużego obszaru, nie jest idealna. Losowe rozmieszczenie kwadrantów może powodować pominięcie osobników, co skutkuje niedostateczną reprezentacją gatunków i nieprawidłowo niskimi szacunkami różnorodności biologicznej.

To ograniczenie oznacza, że niektóre społeczności, zwłaszcza te niejednolite lub niejednolite, są lepiej próbkowane przy użyciu bardziej ustrukturyzowanego podejścia. Tutaj nasza łąka graniczy z lasem i w rzeczywistości składa się z różnych płatów siedlisk. Aby sprawiedliwie objąć tę społeczność, możemy podzielić krajobraz na siedliska podstawowe i, co ważne, siedliska brzegowe. Często obszary przybrzeżne mają większą różnorodność biologiczną, ponieważ mogą tam żyć gatunki z obu typów siedlisk. Ale może to zostać pominięte w tradycyjnym losowym próbkowaniu. Zamiast tego, aby zmierzyć różnorodność biologiczną w społeczności takiej jak ta, dobrą strategią może być najpierw losowe pobieranie próbek z kluczowych obszarów za pomocą kwadratów. Zebrane dane można następnie wykorzystać do obliczenia wartości H dla każdego siedliska podstawowego. Następnie w poprzek każdego głównego siedliska można ułożyć transekt lub linię pobierania próbek, rozciągającą się na obszar krawędziowy. Bogactwo i równomierność gatunków można następnie rejestrować za pomocą kwadratów umieszczonych w ustalonych punktach wzdłuż tych linii. Teraz, korzystając ze wzoru Shannona-Wienera, wskaźnik różnorodności można obliczyć dla każdej odległości wzdłuż transektu i można je porównać. Obszar o większej wartości H jest na ogół bardziej zróżnicowany niż obszar o niższej wartości H. Ta połączona technika losowego kwadratu i transektu daje wszechstronną i bardziej sprawiedliwą ocenę tego, jak różne siedliska w tej samej społeczności wypadają w porównaniu pod względem różnorodności.

Oprócz pomiarów gatunków, naukowcy mogą również dokonywać pomiarów składników chemicznych ekosystemu, aby ocenić jego zdrowie. Na przykład mogą sprawdzać, czy nie ma zanieczyszczeń lub badać jakość gleby, mierząc obecne w niej składniki odżywcze. Informacje te mogą być również przydatne do wyjaśnienia zmian we wzorcach różnorodności biologicznej w różnych regionach społeczności. Tak więc, w naszym przykładzie, jeśli łąka ma glebę gorszej jakości niż las i obrzeża, może wspierać mniej gatunków.

W tym laboratorium zmierzysz różnorodność biologiczną i jakość gleby w dwóch różnych głównych regionach, a następnie zbadasz, w jaki sposób wpływa to na różnorodność biologiczną wzdłuż siedliska brzegowego.