Biology · AP Biology
Ekologi
energi dan populasi dalam komunitas
Ekologi mempelajari bagaimana organisme berinteraksi satu sama lain dan dengan lingkungannya, serta bagaimana energi dan materi berpindah di antara mereka.
Piramida pada gambar adalah model ekosistem. Produsen menangkap 20,000 kkal energi per meter persegi setiap tahun. Hanya sekitar sepersepuluhnya yang sampai ke herbivora yang memakannya, sepersepuluh dari itu sampai ke karnivora, dan seterusnya. Sisanya meninggalkan setiap tingkat sebagai kalor (merah).
Bab ini menaiki tingkat-tingkat organisasi. Individu menanggapi lingkungannya dan menyeimbangkan anggaran energi. Populasi, yaitu individu-individu satu spesies di satu area, tumbuh sampai sumber daya menipis. Komunitas, yaitu semua populasi di suatu area, dibentuk oleh cara spesies saling memakan, bersaing, dan saling membantu. Ekosistem menambahkan bagian tak hidup: air, tanah, udara, cahaya.
Halaman-halaman terakhir menanyakan apa yang menjaga ekosistem tetap stabil, dan apa yang terjadi saat ekosistem terganggu.
perilaku dan fisiologi yang menjawab suatu sinyal
Organisme mendeteksi perubahan di lingkungannya dan menanggapinya, melalui perilaku atau fisiologi, dengan cara yang cenderung menjaga mereka tetap hidup dan bereproduksi.
Tumbuhan juga menanggapi. Pada fototropisme, tunas tumbuh menuju cahaya; pada fotoperiodisme, tumbuhan berbunga ketika malam mencapai panjang tertentu. Pada hewan, taksis adalah gerak yang terarah menuju atau menjauhi suatu rangsangan, seperti ngengat yang terbang ke lampu. Kinesis hanya mengubah kecepatan atau laju berbelok dari gerak yang tidak terarah. Aktif pada malam hari (nokturnal) atau siang hari (diurnal) dan respons lawan-atau-lari juga merupakan tanggapan.
Gambar. Kutu buku (pill bug) dalam ruang pilihan berjalan cepat dan cukup lurus di kertas kering, dan lambat serta sering berbelok di kertas lembap. Tidak satu pun yang menuju kelembapan. Masing-masing hanya berlama-lama di sana, sekitar 70% dari waktunya dalam model ini, sehingga sisi lembap menjadi penuh. Itu adalah kinesis.
Menguji hasil. Setelah 10 menit, satu kelas menghitung 15 dari 20 kutu di sisi lembap. Hipotesis nol, tidak ada preferensi, memprediksi 10 dan 10:
Dengan dua kategori, derajat kebebasannya 1, dan nilai kritis pada p = 0.05 adalah 3.84. Karena 5.0 > 3.84, tolak hipotesis nol: kutu-kutu itu tidak tersebar secara acak.
Komunikasi. Hewan bertukar informasi melalui sinyal visual, suara, sentuhan, listrik, dan kimia (feromon adalah sinyal kimia). Tarian goyang lebah madu memberi tahu teman sarang di mana makanan berada; seruan alarm memperingatkan adanya pemangsa. Sinyal mengubah perilaku penerimanya.
Perilaku dan kebugaran. Seleksi alam menguntungkan perilaku bawaan dan hasil belajar yang meningkatkan kelangsungan hidup dan keberhasilan reproduksi. Perilaku kooperatif, seperti meerkat yang bergiliran berjaga, membantu populasi bertahan.
endoterm, ektoterm, dan ukuran tubuh
Setiap organisme membutuhkan energi untuk menjaga selnya tetap teratur, untuk tumbuh, dan untuk berkembang biak. Dalam jangka waktu tertentu, energi yang diperolehnya harus menutupi energi yang dikeluarkannya.
Endoterm (burung dan mamalia) menjaga suhu tubuh tetap dengan kalor dari metabolismenya sendiri. Ektoterm (kebanyakan ikan, amfibi, reptil, dan invertebrata) tidak memiliki pemanasan internal yang efisien dan mengambil kalor dari lingkungannya, seperti kadal yang berjemur di atas batu. Pada massa tubuh yang sama, ektoterm membutuhkan jauh lebih sedikit makanan, tetapi ia lamban saat dingin.
Ukuran tubuh. Laju metabolisme per satuan massa tubuh menurun seiring bertambahnya massa: hewan kecil memiliki permukaan yang lebih luas untuk setiap gram tubuhnya, kehilangan kalor lebih cepat, dan harus membakar bahan bakar lebih cepat untuk menggantinya. Kurva ini adalah kecocokan empiris untuk mamalia, 3.4M0.75 watt untuk seluruh tubuh, sehingga 3.4M−0.25 watt per kilogram:
| hewan | massa | seluruh tubuh | per kg |
|---|
| mouse | 0.02 kg | 0.18 W | 9.04 W/kg |
| rabbit | 2 kg | 5.7 W | 2.86 W/kg |
| human | 70 kg | 82 W | 1.18 W/kg |
| horse | 500 kg | 360 W | 0.72 W/kg |
| elephant | 4,000 kg | 1700 W | 0.43 W/kg |
Seekor gajah memakai energi total yang jauh lebih besar daripada seekor tikus, tetapi setiap kilogram tikus memakai 21 kali lebih banyak daripada satu kilogram gajah. Panah merah pada gambar menunjukkan kalor dari setiap kilogram.
Keuntungan atau kerugian bersih. Organisme yang memperoleh energi lebih banyak daripada yang dipakainya menyimpan kelebihannya, sebagai lemak atau pati, lalu tumbuh. Yang memperoleh lebih sedikit membakar simpanannya dan kehilangan massa; jika terus berlanjut, ia mati. Reproduksi itu mahal, jadi banyak organisme hanya berkembang biak saat energi melimpah, pada musim tertentu.
sekitar sepersepuluh diteruskan, sisanya hilang sebagai kalor
Energi masuk ke sebagian besar ekosistem sebagai sinar matahari, berpindah dari organisme ke organisme sebagai makanan, dan keluar sebagai kalor. Energi mengalir satu arah; tidak berdaur.
Autotrof (produsen) menangkap energi dari dunia fisik: organisme fotosintetik dari cahaya, dan bakteri serta arkea kemosintetik, misalnya di ventilasi laut dalam, dari bahan kimia anorganik. Heterotrof (konsumen) memperoleh energi dengan memakan organisme lain. Pengurai seperti jamur dan bakteri menguraikan materi mati dan limbah.
Setiap langkah makan adalah satu tingkat trofik. Rantai makanan mengikuti satu jalur makan; jaring-jaring makanan menunjukkan semuanya.
| tingkat | energi tersimpan (kkal/m²/tahun) |
|---|
| Produsen | 20,000 |
| Konsumen primer | 2,000 |
| Konsumen sekunder | 200 |
| Konsumen tersier | 20 |
Hanya sekitar 10% energi pada satu tingkat menjadi biomassa pada tingkat berikutnya. Sisanya dipakai dalam respirasi seluler dan hilang sebagai kalor, atau tidak dimakan, atau tidak dicerna dan diteruskan ke pengurai. Volume kubus pada gambar sesuai skala: masing-masing sepersepuluh dari kubus di bawahnya. Tingkat teratas mendapat 0.10000000000000002% dari yang disimpan produsen, itulah sebabnya rantai makanan jarang memiliki lebih dari empat atau lima tingkat.
Produktivitas primer adalah laju produsen menyimpan energi. Produktivitas primer kotor adalah semua yang ditangkap fotosintesis; produktivitas primer bersih adalah yang tersisa setelah respirasi produsen itu sendiri, NPP = GPP − R, dan itulah yang dapat dimakan konsumen.
Contoh. Dua botol air kolam mulai dengan 8.0 mg/L O2 terlarut. Setelah sehari, botol yang disimpan di tempat terang menunjukkan 9.5 mg/L dan yang disimpan di tempat gelap menunjukkan 6.8 mg/L. Di tempat gelap hanya ada respirasi: R = 8.0 − 6.8 = 1.2. Di tempat terang, produktivitas bersih adalah 9.5 − 8.0 = 1.5. Jadi GPP = 1.5 + 1.2 = 2.7 mg O2/L per hari.
karbon, nitrogen, fosfor, dan air
Energi mengalir melalui ekosistem dan hilang, tetapi atom-atomnya tetap tinggal. Karbon, nitrogen, fosfor, dan air berpindah berulang kali antara makhluk hidup dan cadangan tak hidup: siklus biogeokimia.
Karbon ada dalam setiap karbohidrat, lipid, protein, dan asam nukleat. Fotosintesis mengambil CO2 dari udara menjadi gula (hitam, pada gambar); konsumen memperolehnya dengan makan. Respirasi seluler, oleh produsen, konsumen, dan pengurai, mengembalikannya sebagai CO2. Laut melarutkan CO2 dan melepaskannya (biru). Pembakaran bahan bakar fosil mengembalikan, dalam hitungan dekade, karbon yang terkubur selama jutaan tahun (merah), sehingga CO2 atmosfer meningkat.
Nitrogen ada dalam protein dan asam nukleat. Udara mengandung 78% N2, yang tidak dapat dipakai oleh kebanyakan organisme. Fiksasi nitrogen oleh bakteri, sebagian hidup di bintil akar polong-polongan, mengubah N2 menjadi amonia (NH3, sebagai NH4+ dalam tanah). Nitrifikasi oleh bakteri lain mengubah amonium menjadi nitrat (NO3−). Tumbuhan menyerap amonium dan nitrat; pengurai mengembalikan amonium dari materi mati (amonifikasi); denitrifikasi oleh bakteri mengembalikan N2 ke udara.
Fosfor ada dalam asam nukleat, ATP, dan fosfolipid. Fosfor tidak memiliki fase gas yang penting: ia masuk ke ekosistem sebagai fosfat hasil pelapukan batuan, melewati jaring-jaring makanan, dan mengendap menjadi sedimen yang kembali menjadi batuan. Prosesnya lambat, sehingga sering membatasi pertumbuhan.
Air menguap dari laut dan danau serta bertranspirasi dari daun, mengembun dan jatuh sebagai presipitasi, lalu kembali sebagai limpasan dan air tanah.
| siklus | cadangan utama | masuk ke makhluk hidup |
|---|
| karbon | CO2 atmosfer, laut, batuan | fotosintesis |
| nitrogen | N2 atmosfer | fiksasi, lalu penyerapan |
| fosfor | batuan dan sedimen | penyerapan fosfat |
| air | laut | penyerapan oleh akar |
sumber daya tak terbatas, pertumbuhan eksponensial
Populasi adalah individu-individu dari satu spesies yang hidup di satu area. Populasi bertambah karena kelahiran dan berkurang karena kematian (serta karena migrasi, yang diabaikan di sini).
dengan N adalah ukuran populasi, dan B serta D adalah kelahiran dan kematian per satuan waktu. Dengan makanan dan ruang tak terbatas serta tanpa penyakit, setiap individu menyumbang pada laju tertingginya bagi spesies itu, yaitu laju pertumbuhan per kapita maksimum rmax:
Laju pertumbuhan sebanding dengan ukuran populasi, sehingga makin banyak individu, makin cepat mereka bertambah: pertumbuhan eksponensial, kurva berbentuk J. Pada gambar, garis merah adalah kemiringan kurva, dN/dt. Kemiringannya makin curam seiring naiknya N.
Gambar. 20 individu dengan rmax = 0.4 per tahun. Setelah 10 tahun ada 1,092. Setiap titik di kanan mewakili sepuluh individu.
Contoh. Saat populasi ini mencapai 500:
Pertumbuhan eksponensial terjadi saat sumber daya melimpah: bakteri dalam kaldu segar, spesies yang baru tiba di habitat kosong, populasi yang pulih setelah anjlok. Pertumbuhan ini tidak pernah bertahan lama.
model logistik dan daya dukung
Saat populasi tumbuh, setiap individu mendapat makanan, ruang, dan tempat berlindung yang makin sedikit. Pertumbuhan melambat dan berhenti pada daya dukung K, populasi terbesar yang dapat ditopang habitat.
Faktor (K − N)/K adalah bagian kapasitas yang belum terpakai. Di dekat N = 0 nilainya mendekati 1 dan pertumbuhan hampir eksponensial; pada N = K nilainya 0; di atas K nilainya negatif dan populasi menyusut. Kurvanya berbentuk S: pertumbuhan logistik.
Gambar. Awal yang sama seperti 8.3, 20 individu dengan rmax = 0.4, kini dengan K = 800. Kurva abu-abu adalah pertumbuhan eksponensial dengan rmax yang sama.
| N | 200 | 400 | 600 | 800 |
|---|
| dN/dt per tahun | 60 | 80 | 60 | 0 |
|---|
Pertumbuhan tercepat terjadi pada N = K/2 = 400: 0.4 × 400 × ½ = 80 per tahun.
Faktor yang bergantung kepadatan makin kuat saat populasi makin padat: persaingan memperebutkan makanan dan tempat bersarang, pemangsaan, penyakit dan parasit yang menyebar dari inang ke inang, serta penumpukan limbah. Faktor-faktor inilah yang menahan populasi di dekat K. Faktor yang tidak bergantung kepadatan menyerang tanpa memandang kepadatan: cuaca beku, kekeringan, kebakaran, banjir.
bagaimana spesies saling memengaruhi
Komunitas adalah semua populasi yang hidup di satu area. Strukturnya terdiri dari spesies yang ada, jumlah masing-masing, dan cara mereka berinteraksi.
| interaksi | spesies 1 | spesies 2 | contoh |
|---|
| Kompetisi | − | − | dua spesies tumbuhan yang memakai air tanah yang sama |
| Predasi | + | − | lynx memakan kelinci liar |
| Herbivori | + | − | rusa memakan semak |
| Parasitisme | + | − | cacing pita di usus inang |
| Mutualisme | + | + | seekor lebah yang menyerbuki bunga tempatnya mencari makan |
| Komensalisme | + | 0 | teritip menumpang pada paus |
(+ diuntungkan, − dirugikan, 0 tidak terpengaruh.) Pada mutualisme keduanya untung; pada komensalisme satu untung dan yang lain tidak terpengaruh. Pemangsaan, herbivori, dan parasitisme semuanya menyuplai makanan bagi satu spesies dengan merugikan spesies lain.
Kompetisi. Dua spesies yang membutuhkan sumber daya terbatas yang persis sama tidak dapat hidup berdampingan lama: satu menyingkirkan yang lain (eksklusi kompetitif). Spesies yang tumpang tindih sering membagi sumber daya, misalnya mencari makan pada ketinggian atau waktu yang berbeda, sehingga dapat hidup berdampingan (pembagian sumber daya).
Pemangsa dan mangsa. Saat mangsa melimpah, pemangsa makan dengan baik dan jumlahnya naik. Pemangsa yang lebih banyak memakan lebih banyak mangsa, dan mangsa pun berkurang. Dengan makanan yang sedikit, pemangsa berkurang, dan mangsa pulih. Pada gambar, mangsa (hitam) memuncak pada tahun 2.5; pemangsa (merah) memuncak 2.5 tahun kemudian, seperempat dari siklus 10 tahun, tertinggal di belakang.
Interaksi membentuk komunitas lebih daripada satu spesies mana pun: pemangsa dapat menjaga pesaing unggul tetap terkendali sehingga lebih banyak spesies bertahan.
mengapa banyak spesies membuat ekosistem lebih tangguh
Ekosistem dengan keanekaragaman hayati lebih tinggi umumnya lebih tahan banting: mereka lebih mampu bertahan dan pulih dari penyakit, kekeringan, atau perubahan lain dibandingkan ekosistem sederhana.
Mengukur keanekaragaman. Keanekaragaman bergantung pada jumlah spesies dan seberapa merata individu tersebar di antara spesies itu. Indeks keanekaragaman Simpson menggabungkan keduanya:
dengan n adalah jumlah individu satu spesies dan N total semua spesies. Nilainya berkisar dari 0 (satu spesies) menuju 1 (banyak spesies dengan jumlah merata).
Gambar. Dua petak, masing-masing dengan 20 tanaman dari 4 spesies yang sama.
Hama penyakit membunuh spesies merah. Petak A tetap memiliki 75% tanamannya; petak B, yang didominasi spesies itu, tetap memiliki 15%. Keanekaragaman genetik dalam satu populasi bekerja dengan cara yang sama: ladang tanaman yang identik secara genetik dapat musnah oleh satu penyakit.
Spesies kunci. Beberapa spesies berpengaruh jauh lebih besar daripada jumlahnya. Berang-berang laut memakan bulu babi, yang merumput pada rumput laut kelp; di tempat berang-berang diburu habis, bulu babi berkembang biak dan menggunduli hutan kelp, dan banyak spesies yang hidup di kelp ikut hilang. Ketika spesies kunci disingkirkan, ekosistem sering runtuh.
Produsen, di dasar setiap jaring makanan, dan faktor abiotik seperti air, nutrien, dan suhu juga menentukan seberapa besar keanekaragaman yang dapat ditampung ekosistem.
spesies invasif, perubahan akibat manusia, dan peristiwa alam
Ekosistem yang terbentuk selama waktu yang panjang dapat berubah cepat ketika sesuatu yang baru datang atau kondisi bergeser.
Spesies invasif. Spesies yang terbawa ke tempat baru mungkin menemukan sumber daya dan tidak ada pemangsa, parasit, atau pesaing yang mengendalikannya seperti di tempat asal. Spesies ini tumbuh secara eksponensial dan menguasai suatu relung. Kerang zebra, asli dari wilayah Laut Hitam dan Laut Kaspia, tiba di Danau-Danau Besar lewat air balas kapal pada tahun 1980-an. Mereka menyaring fitoplankton dari air, sehingga zooplankton dan kerang asli kekurangan makanan, dan mereka menempel pada cangkang kerang asli lalu mencekiknya.
Gambar menunjukkan model jaring danau: saat penyerbu merah bertambah, fitoplankton menyusut, kerang asli nyaris lenyap, dan kehilangan itu naik sepanjang jaring hingga ke ikan.
Aktivitas manusia mengubah lingkungan lebih cepat daripada kemampuan banyak populasi beradaptasi: habitat dihancurkan atau terpecah-pecah, penangkapan berlebih, polusi, dan perubahan iklim.
Eutrofikasi. Pupuk dan limbah menambahkan nitrogen dan fosfor ke danau dan pesisir. Alga bermekaran, lalu mati; dekomposer yang menguraikannya menghabiskan oksigen terlarut; ikan dan hewan lain mati lemas. Hasilnya adalah “zona mati” yang hipoksik.
Biomagnifikasi. Racun yang persisten seperti DDT atau metilmerkuri disimpan dalam lemak dan tidak dikeluarkan. Setiap konsumen memakan banyak mangsa dan menyimpan racun mereka, sehingga konsentrasinya naik pada setiap tingkat trofik dan paling tinggi pada pemangsa puncak. DDT menipiskan cangkang telur elang dan pelikan.
Peristiwa alam juga mengganggu: letusan gunung berapi, El Niño, banjir dan kebakaran, dan, dalam waktu geologis, benua yang bergerak serta tumbukan asteroid yang menyebabkan kepunahan massal. Setelah masing-masing peristiwa, garis keturunan yang bertahan berdiversifikasi mengisi relung yang kosong.
← Seleksi alam