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

biodiversidade. A palavra evoca o esplendor de uma grande floresta, ou a riqueza abundante do oceano, e é simplesmente definida como a variedade de organismos em um ecossistema de interesse. Para proteger a biodiversidade, os cientistas devem ser capazes de medi-la. Isso significa descobrir quantas espécies diferentes estão vivendo juntas em um determinado espaço. Qual é uma maneira conveniente de contar espécies? 

Tentar contar tudo em um ecossistema inteiro seria impossível, então os cientistas usam uma ferramenta chamada quadrado, que é um quadro de tamanho fixo colocado aleatoriamente no ambiente para fazer a contagem. Depois de catalogar as espécies e indivíduos encontrados nesta pequena seção, o processo é repetido, colocando mais quadrados ao acaso, ou alternativamente, em posições definidas ao longo de uma linha através do ambiente, chamada de transecto.

Para então estimar o número total de espécies em uma área, são utilizadas curvas de acumulação de espécies. Se o número cumulativo de espécies encontradas em um quadrado for plotado em relação ao número de quadrados amostrados, uma curva surgirá. Por exemplo, neste conjunto de dados, quando quatro quadrados foram investigados, descobriu-se que havia 10 espécies únicas. Seis continham 17 e assim por diante. A assíntota desse tipo de curva representa uma estimativa do número de espécies suportadas por um ambiente. Neste caso, são cerca de 30. Mas, embora medir a diversidade em um único local seja incrivelmente útil, comparar locais em uma área maior pode nos dar uma indicação de diversidade em escala ainda maior. 

Em 1972, o ecologista Robert Whittaker descreveu três tipos principais de biodiversidade, alfa, beta e gama. A diversidade alfa refere-se simplesmente ao número de espécies em uma área e é frequentemente chamada de riqueza de espécies. Por exemplo, neste local existem sete espécies diferentes, então a pontuação alfa é sete. Um segundo sítio, o sítio B, tem cinco espécies, e um terceiro, o sítio C, tem sete. Mas, comparando entre os locais, podemos determinar o que é chamado de diversidade beta, a soma das espécies únicas de cada área. Portanto, se compararmos o local A com o local B, vemos três espécies em comum entre os dois. Contando as espécies restantes, descobrimos que existem seis. Isso significa que há uma diversidade beta entre o local A e o local B de seis. Os locais A e C também têm três espécies em comum, deixando oito únicas. Esta é uma diversidade beta de oito. Os locais B e C têm duas espécies comuns entre eles, ou um valor de diversidade beta de oito. Finalmente, a diversidade gama é o número de espécies diferentes em todos os locais combinados. Neste exemplo, há uma diversidade gama de 12. Então, para resumir os três tipos de biodiversidade, podemos vê-los desta forma, alfa, beta e gama. Além de registrar a diversidade, os cientistas costumam se referir à uniformidade das espécies, ou seja, quantos indivíduos de cada tipo estão presentes. Por exemplo, esses dois locais têm a mesma riqueza, ou diversidade alfa, pois ambos têm sete espécies. Mas o local A é relativamente invadido por coelhos com baixo número de outras espécies, enquanto o local B tem uma distribuição bastante uniforme de espécies, por isso é considerado como tendo maior uniformidade em comparação com o local A. Os cientistas geralmente consideram os ecossistemas com maior riqueza e uniformidade, ou seja, muitas espécies uniformemente distribuídas, como os mais saudáveis. Habitats perturbados, muitas vezes devido às ações dos seres humanos, como agricultura ou poluição, muitas vezes têm pouca riqueza e uniformidade. Ser capaz de comparar locais é fundamental porque permite que os pesquisadores determinem a saúde relativa dos ecossistemas. 
Neste laboratório, você realizará amostragem de quadratas e transectos em três locais ambientais diferentes, além de realizar uma simulação de laboratório e, em seguida, analisar os dados coletados para descrever a biodiversidade observada.

medindo a biodiversidade

Diversos ecossistemas são importantes para a saúde do planeta e nossa sobrevivência como humanos; portanto, é extremamente importante para nós entender e medir a biodiversidade, que é definida como a variabilidade entre os organismos vivos em um ecossistema. A biodiversidade pode ser medida em muitos níveis diferentes, incluindo genética, espécie, comunidade e ecossistema. Uma maneira de medir a biodiversidade é avaliar a riqueza de espécies de um ecossistema, que é o número total de espécies distintas dentro de uma comunidade local. Embora ter muitas espécies geralmente coincida com ter um ecossistema diversificado e saudável, a uniformidade também precisa ser considerada. A uniformidade refere-se à igualdade da proporção de cada espécie dentro de uma área ou comunidade. Por exemplo, quando uma espécie domina a área enquanto as outras são muito raras, a biodiversidade nessa área é menor do que em uma área com espécies de igual abundância. Portanto, áreas com muitas espécies relativamente iguais em abundância têm os maiores valores de biodiversidade.

<h4>Estimando a biodiversidade</h4>

As diferenças de riqueza e uniformidade entre duas comunidades podem ser visualizadas por curvas de abundância de classificação. Se o número de espécies for igual, a forma da linha pode nos dizer qual comunidade é mais diversa. Se a linha for plana, há alta uniformidade entre as espécies. No entanto, se a linha cair rapidamente, a uniformidade é baixa. Se a riqueza e a uniformidade são diferentes entre duas comunidades, os biólogos devem usar equações para calcular a diversidade. Essas equações ponderam a importância de cada componente de maneira diferente, e um consenso sobre qual equação é a melhor no cálculo da diversidade ainda é debatido.

Às vezes, há muitas espécies em uma área que não é realista contar todas as espécies. Por exemplo, uma única árvore na Floresta Amazônica pode conter centenas de espécies de besouros. Para contornar esse problema, os ecologistas usam ferramentas de amostragem chamadas quadrats. Um quadrado é simplesmente um quadro com uma área interna conhecida. Por exemplo, para medir a riqueza de espécies de um campo de grama de um acre, os ecologistas colocam aleatoriamente o quadrado no campo e contam as espécies dentro do quadrado, em vez de contar todas as espécies dentro do acre. Eles também podem amostrar sistematicamente usando fitas de transecto. Os transectos são esticados pelo campo e os quadrados são colocados ao longo do transecto em intervalos regulares. Este método é semi-aleatório e garante ampla cobertura de amostragem em todo o campo para estimar sua biodiversidade.

Embora quadrats e transectos possam pegar a maioria das espécies, algumas espécies raras podem passar despercebidas. Nesse caso, os ecologistas podem usar uma curva de acumulação de espécies, que representa o número cumulativo de espécies vistas em uma série de quadrados. O eixo y da curva representa o número total de espécies observadas, enquanto o eixo x representa o número de quadrados para os quais as espécies foram enumeradas. O número total de espécies no primeiro quadrado representa o primeiro ponto do gráfico. Cada ponto sucessivo representa o número de novas espécies encontradas em cada novo quadrado amostrado, além de todas as espécies dos quadrados anteriores. Em algum momento, haverá poucas ou nenhuma espécie adicional encontrada em cada novo quadrado amostrado, e a curva se aproximará de uma assíntota, que é uma estimativa do número total de espécies presentes. Mesmo que a assíntota nunca seja alcançada por causa de muitas espécies raras, os biólogos podem estimar o número total com base nessa curva.

Se for necessário fazer comparações entre diferentes áreas ou escalas, medidas de diversidade alfa, beta e gama são usadas. A diversidade alfa (α) refere-se ao número de espécies em uma área. A diversidade beta (β) compara duas áreas diferentes e é a soma das espécies únicas de cada área. Diversidade gama (γ) é o número de espécies em muitas áreas combinadas em uma região. Ao usar essas medidas, os biólogos podem ter uma ideia da diversidade no espaço, incluindo pequenas e grandes escalas.

<h4>Ameaças à Biodiversidade e suas Implicações</h4>

A biodiversidade em todo o mundo está ameaçada pela poluição, mudanças climáticas e espécies invasoras. Uma das principais razões subjacentes aos esforços para manter a biodiversidade baseia-se no funcionamento dos ecossistemas. Os ecossistemas são compostos de muitas partes de trabalho, incluindo produtores primários, herbívoros, carnívoros e detritívoros, todos os quais contribuem para a função do ecossistema. Se as espécies forem perdidas, o ecossistema pode entrar em colapso. E se o ecossistema entrar em colapso, os serviços que ele fornece aos humanos também. Os recifes de coral tropicais são um bom exemplo desse conceito1. Picos na temperatura da água fazem com que os corais percam suas células de algas simbióticas. Sem as algas, os corais começam a morrer de fome, morrer, depois se degradar e perder sua estrutura. Quando os corais se decompõem, eles não fornecem mais cobertura para os peixes e a abundância de espécies de peixes diminui, o que, por sua vez, afeta os pescadores locais e as pessoas que dependem dos peixes para seu sustento. Com o tempo, os recifes de coral mortos se degradam em maior escala e não fornecem mais um amortecedor para as costas adjacentes, eventualmente erodindo a costa e destruindo ilhas. Uma comunidade altamente diversificada tem menos probabilidade de entrar em colapso devido à redundância funcional2. Por exemplo, os corais podem variar em sua sensibilidade a altas temperaturas. Se um coral é extremamente sensível à temperatura, outro pode ocupar seu lugar na comunidade, mas se houver apenas algumas espécies, é menos provável que tal substituto esteja disponível.

Um número significativo de medicamentos dos quais nos beneficiamos é resultado direto da diversidade da vida. Os medicamentos que agora sintetizamos já foram isolados de animais, plantas, fungos e bactérias. Existe toda uma indústria dedicada à descoberta de novos medicamentos potenciais, examinando várias espécies quanto à presença de compostos bioativos. Por exemplo, as plantas produzem produtos químicos para defesa contra infecções e herbívoros. Aranhas e cobras produzem diversos venenos. Ambas as classes de organismos têm sido a fonte de medicamentos importantes, como o Taxol dos teixos, que trata os cânceres de mama, pulmão e ovário, ou o Ohanin do veneno da King Cobra, que é um analgésico3-4. Cada espécie que se extingue pode ter a chave para curar doenças atualmente intratáveis. Quanto mais rápido perdermos essas espécies, menor será a chance de descobrir soluções.

Uma vez que uma espécie é extinta, nunca seremos capazes de experimentá-la. Esse tipo de pensamento impulsionou a conservação de pandas, lontras marinhas e outros animais carismáticos. Essas espécies são chamadas de espécies emblemáticas e sua conservação pode resultar na proteção da biodiversidade. Embora esses animais sejam apenas uma pequena parte de todo o ecossistema, preservá-los significa preservar o ecossistema que ocupam. Os esforços para salvar a lontra marinha na costa oeste da América do Norte resultaram em florestas saudáveis de algas que abrigam muitos milhares de outras espécies5. Sem a proteção das lontras marinhas, herbívoros como os ouriços-do-mar, que geralmente são comidos pelas lontras, são capazes de devorar completamente as florestas de algas, deixando rochas estéreis onde muito poucas espécies poderiam sobreviver.

<h4>Referências</h4>

<ol class="referências">
	<li>Knowlton, Nancy. O futuro dos recifes de coral. PNAS. 2001, Vol. 98, (10) 5419-5425.</li>
	<li>Andrea S. Downing, Egbert H. van Nes, Wolf M. Mooij, Marten Scheffer. A resiliência e resistência de um ecossistema a um colapso da diversidade. PLoS Um. . 2012; , Vol. 7(9): e46135.</li>
	<li>Parede, Monroe E. Camptotecina e taxol: Descoberta para clínica. 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. Ohanin, uma nova proteína do veneno da cobra-rei, induz hipolocomoção e hiperalgesia em camundongos. J Biol Chem. 2005, 280, 13137-13147.</li>
	<li>Estes, J.A., et al. Interações tróficas complexas em ecossistemas florestais de algas. Boletim de Ciências Marinhas, Volume. 2004, Vol. 7, 3: 621-638.</li>
</ol>

Medindo a biodiversidade

Diversos ecossistemas são importantes para a saúde do planeta e nossa sobrevivência como humanos; Portanto, é extremamente importante para nós entender e ...

Education

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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...

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,...

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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...

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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...

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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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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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Siga os procedimentos passo a passo de Medindo a biodiversidade neste vídeo de protocolo estudantil de 8 minutos. Parte da coleção Biology no JoVE Lab Manual.

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Adhesion

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Solubility Equilibria: Ionic Product of Water

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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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