Разнообразие сообщества
Популяции не живут изолированно, таким образом, каждая популяция взаимодействует с другими определенным образом. Эти взаимодействия порождают сеть поп…
Экосистема — это сообщество живых и неживых компонентов, которые взаимодействуют на территории. Он может быть таким же большим, как сама земля или лес, полный растений и животных, или маленьким, как желудок с его множеством микробных обитателей. Здоровье экосистемы можно измерить по-разному, но одним из хороших показателей является биоразнообразие, которое измеряет разнообразие биологических видов в экосистеме.
Мы можем оценить биоразнообразие с помощью показателя, называемого индексом Шеннона-Винера, предложенным Клодом Шенноном и Норбертом Винером в 1940-х годах. Индекс Шеннона-Винера — это безединицное измерение, вычисляемое как H. В индексе используются две переменные: видовое богатство, или количество присутствующих видов, обозначенное буквой K, и равномерность видов, или доля каждого вида, обозначенная PI. Видовое богатство – это количество уникальных видов в экосистеме. В этом примере их семь. Равномерность видов измеряет распределение видов в экосистеме. Это означает, что экосистема, в которой разные виды имеют одинаковую численность, более равномерна, чем та, в которой один или два вида составляют большую часть организмов, как эта, относительно переполненная зайцами.
Теперь, когда мы знаем, что измерять, давайте узнаем, как измерять биоразнообразие. Поскольку экосистемы могут быть огромными, экологам пришлось быстро найти способы случайного отбора проб на больших площадях. Простейшим из них является квадрат, который представляет собой рамку фиксированного размера, обычно размещаемую случайным образом в пределах места отбора проб. Ученые обследуют территорию внутри квадрата, регистрируя видовое богатство, а также их равномерность. Используя эти маленькие окна, расположенные в нескольких точках по всей экосистеме, они могут экстраполировать свои выводы, чтобы дать оценки разнообразия для всей исследуемой территории. Но хотя этот метод позволяет легко оценить большую территорию, он не идеален. При случайном размещении квадрантов отдельные особи могут быть пропущены, что приводит к недопредставленности видов и неверно низким оценкам биоразнообразия.
Это ограничение означает, что некоторые сообщества, особенно неоднородные или неоднородные, лучше отбираются с помощью более структурированного подхода. Здесь наша поляна граничит с лесом и, в действительности, состоит из разных участков обитания. Чтобы справедливо охватить это сообщество, мы можем разделить ландшафт на основные места обитания и, что важно, периферийные места обитания. Часто приграничные районы имеют большее биоразнообразие, потому что там могут обитать виды из обоих типов местообитаний. Но это может быть упущено при традиционной случайной выборке. Вместо этого, чтобы измерить биоразнообразие в таком сообществе, хорошей стратегией может быть сначала случайный отбор проб из основных областей с использованием квадратов. Собранные данные затем могут быть использованы для расчета значения H для каждого основного местообитания. Затем через каждую основную среду обитания может быть проложен разрез или линия отбора проб, простирающаяся в краевую зону. Затем богатство и равномерность видов могут быть зарегистрированы с помощью квадратов, размещенных в заданных точках вдоль этих линий. Теперь, используя формулу Шеннона-Винера, можно рассчитать индекс разнесения для каждого расстояния вдоль разреза, и их можно сравнить. Область с большим значением H обычно более разнообразна, чем область с меньшим значением H. Этот комбинированный метод случайных квадратов и трансект дает разностороннюю и более справедливую оценку того, как различные места обитания в одном и том же сообществе соотносятся с точки зрения разнообразия.
В дополнение к измерениям видов, ученые также могут проводить измерения химических компонентов экосистемы для оценки ее здоровья. Например, они могут проверить загрязнение или проверить качество почвы, измерив присутствующие питательные вещества. Эта информация также может быть полезна для объяснения изменений в моделях биоразнообразия в различных регионах сообщества. Так, в нашем примере, если на лугу почва более низкого качества, чем на лесу и опушке, на нем может произрастать меньше видов.
В этой лабораторной работе вы измерите биоразнообразие и качество почвы в двух разных основных регионах, а затем изучите, как это влияет на биоразнообразие вдоль краевой среды обитания.
Экосистема — это сообщество живых и неживых компонентов, которые взаимодействуют на территории. Он может быть таким же большим, как сама земля или лес, полный растений и животных, или маленьким, как желудок с его множеством микробных обитателей. Здоровье экосистемы можно измерить по-разному, но одним из хороших показателей является биоразнообразие, которое измеряет разнообразие биологических видов в экосистеме.
Мы можем оценить биоразнообразие с помощью показателя, называемого индексом Шеннона-Винера, предложенным Клодом Шенноном и Норбертом Винером в 1940-х годах. Индекс Шеннона-Винера — это безединицное измерение, вычисляемое как H. В индексе используются две переменные: видовое богатство, или количество присутствующих видов, обозначенное буквой K, и равномерность видов, или доля каждого вида, обозначенная PI. Видовое богатство – это количество уникальных видов в экосистеме. В этом примере их семь. Равномерность видов измеряет распределение видов в экосистеме. Это означает, что экосистема, в которой разные виды имеют одинаковую численность, более равномерна, чем та, в которой один или два вида составляют большую часть организмов, как эта, относительно переполненная зайцами.
Теперь, когда мы знаем, что измерять, давайте узнаем, как измерять биоразнообразие. Поскольку экосистемы могут быть огромными, экологам пришлось быстро найти способы случайного отбора проб на больших площадях. Простейшим из них является квадрат, который представляет собой рамку фиксированного размера, обычно размещаемую случайным образом в пределах места отбора проб. Ученые обследуют территорию внутри квадрата, регистрируя видовое богатство, а также их равномерность. Используя эти маленькие окна, расположенные в нескольких точках по всей экосистеме, они могут экстраполировать свои выводы, чтобы дать оценки разнообразия для всей исследуемой территории. Но хотя этот метод позволяет легко оценить большую территорию, он не идеален. При случайном размещении квадрантов отдельные особи могут быть пропущены, что приводит к недопредставленности видов и неверно низким оценкам биоразнообразия.
Это ограничение означает, что некоторые сообщества, особенно неоднородные или неоднородные, лучше отбираются с помощью более структурированного подхода. Здесь наша поляна граничит с лесом и, в действительности, состоит из разных участков обитания. Чтобы справедливо охватить это сообщество, мы можем разделить ландшафт на основные места обитания и, что важно, периферийные места обитания. Часто приграничные районы имеют большее биоразнообразие, потому что там могут обитать виды из обоих типов местообитаний. Но это может быть упущено при традиционной случайной выборке. Вместо этого, чтобы измерить биоразнообразие в таком сообществе, хорошей стратегией может быть сначала случайный отбор проб из основных областей с использованием квадратов. Собранные данные затем могут быть использованы для расчета значения H для каждого основного местообитания. Затем через каждую основную среду обитания может быть проложен разрез или линия отбора проб, простирающаяся в краевую зону. Затем богатство и равномерность видов могут быть зарегистрированы с помощью квадратов, размещенных в заданных точках вдоль этих линий. Теперь, используя формулу Шеннона-Винера, можно рассчитать индекс разнесения для каждого расстояния вдоль разреза, и их можно сравнить. Область с большим значением H обычно более разнообразна, чем область с меньшим значением H. Этот комбинированный метод случайных квадратов и трансект дает разностороннюю и более справедливую оценку того, как различные места обитания в одном и том же сообществе соотносятся с точки зрения разнообразия.
В дополнение к измерениям видов, ученые также могут проводить измерения химических компонентов экосистемы для оценки ее здоровья. Например, они могут проверить загрязнение или проверить качество почвы, измерив присутствующие питательные вещества. Эта информация также может быть полезна для объяснения изменений в моделях биоразнообразия в различных регионах сообщества. Так, в нашем примере, если на лугу почва более низкого качества, чем на лесу и опушке, на нем может произрастать меньше видов.
В этой лабораторной работе вы измерите биоразнообразие и качество почвы в двух разных основных регионах, а затем изучите, как это влияет на биоразнообразие вдоль краевой среды обитания.
View the full transcript and gain access to JoVE Lab Manual videos
Q1: What is the Shannon-Wiener Index and why do ecologists use it?
The Shannon-Wiener Index is a unitless measurement that quantifies biodiversity by combining two variables: species richness (the number of unique species present) and species evenness (how evenly species are distributed). Ecologists use this index to assess ecosystem health because it captures both diversity and balance, revealing whether an ecosystem has many species in equal abundance or is dominated by a few species.
Q2: How do quadrats help ecologists sample large ecosystems?
Quadrats are fixed-size frames placed randomly at multiple spots within a sampling site. Scientists survey the area inside each quadrat, recording species richness and evenness. By using these small sampling windows across an ecosystem, ecologists can extrapolate their findings to estimate biodiversity for the entire study area without surveying every organism.
Q3: What is the difference between core habitats and edge habitats?
Core habitats are located centrally within a patch, surrounded by the same habitat type. Edge habitats, also called boundary habitats, border different habitat types. Edge habitats often have higher biodiversity because species from both adjacent habitat types may live there, creating what ecologists call edge effects.
Q4: Why might random quadrat sampling miss important biodiversity patterns?
Random placement of quadrats may miss individuals in patchy or non-uniform communities, resulting in underrepresentation of species and incorrectly low biodiversity estimates. This limitation is especially problematic in communities with distinct core and edge habitats, where edge areas may contain species not found in core regions.
Q5: How do transects improve biodiversity assessment in heterogeneous communities?
A transect is a sampling line laid across different habitat types, with quadrats placed at set intervals along the line. This structured approach allows ecologists to record species richness and evenness across transitions between habitats, then calculate Shannon-Wiener diversity values for each distance along the transect to compare biodiversity patterns.
Q6: What role does soil quality play in explaining biodiversity patterns?
Scientists measure soil quality by examining nutrient content and checking for pollution. Soil quality directly influences which species an ecosystem can support; for example, a meadow with lower quality soil than adjacent forest or edge habitats may support fewer species, helping explain observed differences in biodiversity across regions of a community.
Q7: Why is species evenness as important as species richness for measuring biodiversity?
Species evenness measures how species are distributed in an ecosystem. An ecosystem where different species have similar numbers is more even than one dominated by one or two species. High biodiversity requires both many species and relatively equal abundance; an ecosystem with many species but one dominant species has lower overall diversity than one with balanced populations.