Biology · AP Biology
Ekologi
tenaga dan populasi dalam komuniti
Ekologi mengkaji cara organisma berinteraksi antara satu sama lain dan dengan persekitarannya, serta cara tenaga dan jirim bergerak di antara mereka.
Piramid dalam rajah ialah model ekosistem. Pengeluar menangkap 20,000 kkal tenaga bagi setiap meter persegi setiap tahun. Hanya kira-kira sepersepuluh daripadanya sampai kepada herbivor yang memakannya, sepersepuluh daripada tenaga herbivor sampai kepada karnivor, dan seterusnya. Selebihnya meninggalkan setiap aras sebagai haba (merah).
Bab ini mendaki aras organisasi hidupan. Seorang individu bertindak balas terhadap persekitarannya dan mengimbangi belanjawan tenaga. Satu populasi, iaitu individu satu spesies di satu kawasan, bertambah sehingga sumber kehabisan. Satu komuniti, iaitu semua populasi di sesuatu kawasan, dibentuk oleh cara spesies makan, bersaing dan membantu satu sama lain. Satu ekosistem menambah bahagian tak hidup: air, tanah, udara, cahaya.
Halaman terakhir menyoal apa yang memastikan ekosistem stabil, dan apa yang berlaku apabila ia terganggu.
tingkah laku dan fisiologi yang menjawab sesuatu isyarat
Organisma mengesan perubahan dalam persekitarannya dan bertindak balas, melalui tingkah laku atau fisiologi, dengan cara yang cenderung memastikan ia terus hidup dan membiak.
Tumbuhan juga bertindak balas. Dalam fototropisme, pucuk tumbuh ke arah cahaya; dalam fotoperiodisme, tumbuhan berbunga apabila malam mencapai panjang tertentu. Pada haiwan, taksis ialah pergerakan yang terarah ke arah atau menjauhi suatu rangsangan, seperti rama-rama yang terbang ke arah lampu. Kinesis hanya mengubah laju atau kadar berpusing bagi pergerakan yang tidak terarah. Aktif pada waktu malam (nokturnal) atau siang (diurnal) dan tindak balas lawan atau lari juga ialah tindak balas.
Rajah. Kutu pil dalam kebuk pilihan berjalan laju dan agak lurus di atas kertas kering, dan perlahan serta kerap berpusing di atas kertas lembap. Tiada satu pun yang menuju ke arah kelembapan. Setiap satu hanya berlama-lama di situ, kira-kira 70% daripada masanya dalam model ini, jadi separuh yang lembap semakin penuh. Itulah kinesis.
Menguji keputusan. Selepas 10 minit, sebuah kelas mengira 15 daripada 20 kutu di bahagian lembap. Hipotesis nul, tiada keutamaan, meramalkan 10 dan 10:
Dengan dua kategori, terdapat 1 darjah kebebasan, dan nilai genting pada p = 0.05 ialah 3.84. Oleh sebab 5.0 > 3.84, tolak hipotesis nul: kutu tidak tersebar secara rawak.
Komunikasi. Haiwan bertukar maklumat melalui isyarat visual, bunyi, sentuhan, elektrik dan kimia (feromon ialah isyarat kimia). Tarian bergoyang lebah madu memberitahu rakan sarang di mana makanan berada; panggilan amaran memberi amaran tentang pemangsa. Isyarat mengubah tingkah laku penerimanya.
Tingkah laku dan kecergasan. Pemilihan semula jadi memihak kepada tingkah laku semula jadi dan tingkah laku yang dipelajari yang meningkatkan kemandirian dan kejayaan pembiakan. Tingkah laku bekerjasama, seperti meerkat yang bergilir-gilir menjadi pengawas, membantu populasi terus hidup.
endoterm, ektoterm dan saiz badan
Setiap organisma memerlukan tenaga untuk memastikan seselnya tersusun, untuk membesar dan untuk membiak. Dari semasa ke semasa, tenaga yang diambil mesti menampung tenaga yang digunakan.
Endoterm (burung dan mamalia) mengekalkan suhu badan yang tetap dengan haba daripada metabolismenya sendiri. Ektoterm (kebanyakan ikan, amfibia, reptilia dan invertebrata) tidak mempunyai pemanasan dalaman yang cekap dan mengambil haba daripada persekitarannya, seperti cicak yang berjemur di atas batu. Pada jisim badan yang sama, ektoterm memerlukan makanan yang jauh lebih sedikit, tetapi ia lembap apabila sejuk.
Saiz badan. Kadar metabolisme bagi setiap unit jisim badan berkurang apabila jisim bertambah: haiwan kecil mempunyai lebih banyak permukaan bagi setiap gram badan, kehilangan haba lebih cepat, dan mesti membakar bahan api lebih cepat untuk menggantinya. Lengkung ini ialah penyuaian empirik untuk mamalia, 3.4M0.75 watt bagi seluruh badan, jadi 3.4M−0.25 watt setiap kilogram:
| haiwan | jisim | seluruh badan | setiap 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 menggunakan jauh lebih banyak tenaga secara keseluruhan berbanding seekor tikus, tetapi setiap kilogram tikus menggunakan 21 kali ganda daripada setiap kilogram gajah. Anak panah merah dalam rajah menunjukkan haba daripada setiap kilogram.
Keuntungan atau kehilangan bersih. Organisma yang mengambil lebih banyak tenaga daripada yang digunakan menyimpan lebihannya, sebagai lemak atau kanji, dan membesar. Organisma yang mengambil kurang membakar simpanannya dan kehilangan jisim; jika berterusan, ia mati. Pembiakan memerlukan kos yang tinggi, jadi banyak organisma membiak hanya apabila tenaga mencukupi, pada musim tertentu.
kira-kira sepersepuluh disalurkan, selebihnya hilang sebagai haba
Tenaga memasuki kebanyakan ekosistem sebagai cahaya matahari, berpindah daripada satu organisma kepada organisma lain sebagai makanan, dan keluar sebagai haba. Ia mengalir sehala; ia tidak berkitar.
Autotrof (pengeluar) menangkap tenaga daripada dunia fizikal: organisma fotosintesis daripada cahaya, dan bakteria serta arkea kemosintesis, di bukaan dasar laut dalam misalnya, daripada bahan kimia tak organik. Heterotrof (pengguna) mendapat tenaga dengan memakan organisma lain. Pengurai seperti kulat dan bakteria menguraikan bahan mati dan bahan buangan.
Setiap langkah pemakanan ialah satu aras trofik. Rantai makanan mengikuti satu laluan pemakanan; siratan makanan menunjukkan semuanya.
| aras | tenaga tersimpan (kkal/m²/thn) |
|---|
| Pengeluar | 20,000 |
| Pengguna primer | 2,000 |
| Pengguna sekunder | 200 |
| Pengguna tertier | 20 |
Hanya kira-kira 10% tenaga dalam satu aras menjadi biojisim dalam aras seterusnya. Selebihnya digunakan dalam respirasi sel dan hilang sebagai haba, atau tidak dimakan, atau tidak dicerna dan disalurkan kepada pengurai. Isi padu kubus dalam rajah adalah mengikut skala: setiap satu ialah sepersepuluh daripada yang di bawahnya. Aras teratas mendapat 0.10000000000000002% daripada apa yang disimpan oleh pengeluar, itulah sebabnya rantai makanan jarang mempunyai lebih daripada empat atau lima aras.
Produktiviti primer ialah kadar pengeluar menyimpan tenaga. Produktiviti primer kasar ialah semua yang ditangkap oleh fotosintesis; produktiviti primer bersih ialah yang tinggal selepas respirasi pengeluar sendiri, NPP = GPP − R, dan itulah yang boleh dimakan oleh pengguna.
Contoh. Dua botol air kolam bermula dengan 8.0 mg/L O2 terlarut. Selepas sehari, botol yang diletakkan dalam cahaya menunjukkan 9.5 mg/L dan yang diletakkan dalam gelap menunjukkan 6.8 mg/L. Dalam gelap hanya ada respirasi: R = 8.0 − 6.8 = 1.2. Dalam cahaya, produktiviti bersih ialah 9.5 − 8.0 = 1.5. Jadi GPP = 1.5 + 1.2 = 2.7 mg O2/L sehari.
karbon, nitrogen, fosforus dan air
Tenaga mengalir melalui ekosistem dan hilang, tetapi atomnya kekal. Karbon, nitrogen, fosforus dan air bergerak berulang kali antara benda hidup dan simpanan tak hidup: kitar biogeokimia.
Karbon terdapat dalam setiap karbohidrat, lipid, protein dan asid nukleik. Fotosintesis mengambil CO2 daripada udara menjadi gula (hitam, dalam rajah); pengguna mengambilnya dengan makan. Respirasi sel, oleh pengeluar, pengguna dan pengurai, mengembalikannya sebagai CO2. Lautan melarutkan CO2 dan membebaskannya (biru). Pembakaran bahan api fosil mengembalikan, dalam beberapa dekad, karbon yang terpendam selama berjuta-juta tahun (merah), maka CO2 atmosfera meningkat.
Nitrogen terdapat dalam protein dan asid nukleik. Udara mengandungi 78% N2, yang tidak dapat digunakan oleh kebanyakan organisma. Pengikatan nitrogen oleh bakteria, sebahagiannya hidup dalam nodul akar kekacang, menukarkan N2 kepada ammonia (NH3, sebagai NH4+ dalam tanah). Pengnitratan oleh bakteria lain menukarkan ammonium kepada nitrat (NO3−). Tumbuhan menyerap ammonium dan nitrat; pengurai mengembalikan ammonium daripada bahan mati (pengammonian); penyahnitratan oleh bakteria mengembalikan N2 ke udara.
Fosforus terdapat dalam asid nukleik, ATP dan fosfolipid. Ia tidak mempunyai fasa gas yang penting: ia memasuki ekosistem sebagai fosfat yang terluluhawa daripada batuan, melalui siratan makanan, dan termendap dalam sedimen yang menjadi batuan semula. Prosesnya perlahan, jadi ia sering mengehadkan pertumbuhan.
Air tersejat daripada lautan dan tasik serta bertranspirasi daripada daun, terkondensasi dan jatuh sebagai kerpasan, dan kembali sebagai air larian dan air bawah tanah.
| kitar | simpanan utama | ke dalam benda hidup |
|---|
| karbon | CO2 atmosfera, lautan, batuan | fotosintesis |
| nitrogen | N2 atmosfera | pengikatan, kemudian penyerapan |
| fosforus | batuan dan sedimen | penyerapan fosfat |
| air | lautan | penyerapan oleh akar |
sumber tanpa had, pertumbuhan eksponen
Populasi ialah individu satu spesies yang hidup di satu kawasan. Populasi bertambah melalui kelahiran dan berkurang melalui kematian (dan melalui migrasi, yang diketepikan di sini).
dengan N ialah saiz populasi, manakala B dan D ialah bilangan kelahiran dan kematian bagi setiap unit masa. Dengan makanan dan ruang yang tidak terhad serta tanpa penyakit, setiap individu menyumbang pada kadar tertinggi spesies itu, iaitu kadar pertumbuhan per kapita maksimum rmax:
Kadar pertumbuhan berkadar terus dengan saiz, jadi semakin ramai individu, semakin cepat mereka menambah bilangan: pertumbuhan eksponen, iaitu lengkung berbentuk J. Dalam rajah, garis merah ialah kecerunan lengkung, dN/dt. Garis itu semakin curam apabila N meningkat.
Rajah. 20 individu dengan rmax = 0.4 setahun. Selepas 10 tahun terdapat 1,092. Setiap titik di sebelah kanan mewakili sepuluh individu.
Contoh. Apabila populasi ini mencapai 500:
Pertumbuhan eksponen berlaku apabila sumber melimpah: bakteria dalam kuah segar, spesies yang baru tiba di habitat kosong, populasi yang pulih selepas merosot. Pertumbuhan ini tidak kekal.
model logistik dan muatan tampung
Apabila populasi bertambah, setiap individu mendapat makanan, ruang dan tempat perlindungan yang kurang. Pertumbuhan menjadi perlahan dan terhenti pada muatan tampung K, iaitu populasi terbesar yang dapat ditampung oleh habitat.
Faktor (K − N)/K ialah pecahan muatan yang belum digunakan. Berhampiran N = 0 nilainya hampir 1 dan pertumbuhan hampir eksponen; pada N = K nilainya 0; melebihi K nilainya negatif dan populasi mengecil. Lengkungnya berbentuk S: pertumbuhan logistik.
Rajah. Permulaan yang sama seperti 8.3, iaitu 20 individu dengan rmax = 0.4, kini dengan K = 800. Lengkung kelabu ialah pertumbuhan eksponen dengan rmax yang sama.
| N | 200 | 400 | 600 | 800 |
|---|
| dN/dt setahun | 60 | 80 | 60 | 0 |
|---|
Pertumbuhan paling cepat pada N = K/2 = 400: 0.4 × 400 × ½ = 80 setahun.
Faktor bersandar ketumpatan menjadi lebih kuat apabila populasi semakin padat: persaingan untuk makanan dan tapak bersarang, pemangsaan, penyakit dan parasit yang merebak dari perumah ke perumah, serta pengumpulan bahan buangan. Faktor inilah yang mengekalkan populasi berhampiran K. Faktor tak bersandar ketumpatan menjejaskan populasi tanpa mengira ketumpatan: pembekuan, kemarau, kebakaran, banjir.
bagaimana spesies mempengaruhi satu sama lain
Komuniti ialah semua populasi yang hidup di satu kawasan. Strukturnya ialah spesies yang terdapat di dalamnya, bilangan setiap spesies, dan cara spesies itu berinteraksi.
| interaksi | spesies 1 | spesies 2 | contoh |
|---|
| Persaingan | − | − | dua spesies tumbuhan yang menggunakan air tanah yang sama |
| Pemangsaan | + | − | seekor links memakan arnab |
| Herbivori | + | − | seekor rusa meragut belukar |
| Parasitisme | + | − | cacing pita dalam usus perumah |
| Mutualisme | + | + | seekor lebah mendebungakan bunga yang menjadi sumber makanannya |
| Komensalisme | + | 0 | teritip menumpang pada ikan paus |
(+ mendapat manfaat, − dirugikan, 0 tidak terjejas.) Dalam mutualisme kedua-duanya mendapat manfaat; dalam komensalisme satu mendapat manfaat dan satu lagi tidak terjejas. Pemangsaan, herbivor dan parasitisme semuanya menyara satu spesies dengan mengorbankan spesies yang lain.
Persaingan. Dua spesies yang memerlukan sumber terhad yang sama tidak dapat hidup bersama lama: satu menyingkirkan yang lain (penyingkiran persaingan). Spesies yang bertindih sering membahagikan sumber itu, makan pada ketinggian atau masa yang berbeza, lalu hidup bersama (pembahagian sumber).
Pemangsa dan mangsa. Apabila mangsa melimpah, pemangsa makan dengan baik dan bilangannya meningkat. Lebih ramai pemangsa memakan lebih banyak mangsa, lalu bilangan mangsa menurun. Dengan makanan yang sedikit, bilangan pemangsa menurun, dan mangsa pulih. Dalam rajah, mangsa (hitam) memuncak pada tahun 2.5; pemangsa (merah) memuncak 2.5 tahun kemudian, iaitu suku daripada kitaran 10 tahun di belakang.
Interaksi membentuk komuniti lebih daripada mana-mana satu spesies: pemangsa boleh mengawal pesaing yang lebih unggul dan membolehkan lebih banyak spesies bertahan.
mengapa banyak spesies menjadikan ekosistem lebih kukuh
Ekosistem yang lebih tinggi biodiversitinya umumnya lebih berdaya tahan: ia lebih mampu menghadapi dan pulih daripada penyakit, kemarau atau perubahan lain berbanding ekosistem yang ringkas.
Mengukur kepelbagaian. Kepelbagaian bergantung pada bilangan spesies dan sejauh mana individu tersebar sekata antara spesies itu. Indeks kepelbagaian Simpson menggabungkan kedua-duanya:
dengan n ialah bilangan individu bagi satu spesies dan N jumlah semua spesies. Nilainya bermula dari 0 (satu spesies) menghampiri 1 (banyak spesies dengan bilangan yang sekata).
Rajah. Dua plot, setiap satu dengan 20 tumbuhan daripada 4 spesies yang sama.
Sejenis hawar membunuh spesies merah. Plot A mengekalkan 75% tumbuhannya; plot B, yang didominasi oleh satu spesies itu, mengekalkan 15%. Kepelbagaian genetik dalam satu populasi berfungsi dengan cara yang sama: ladang tanaman yang seiras secara genetik boleh musnah oleh satu penyakit.
Spesies kunci. Sesetengah spesies mempunyai kesan yang jauh lebih besar daripada bilangannya. Memerang laut memakan landak laut, yang meragut kelp; apabila memerang diburu hingga pupus, landak laut membiak dan memusnahkan hutan kelp, dan banyak spesies yang hidup dalam kelp turut hilang. Apabila spesies kunci disingkirkan, ekosistem sering runtuh.
Pengeluar, di dasar setiap siratan makanan, dan faktor abiotik seperti air, nutrien dan suhu juga menentukan berapa banyak kepelbagaian yang dapat ditampung oleh sesebuah ekosistem.
penceroboh, perubahan oleh manusia dan peristiwa semula jadi
Ekosistem yang terbentuk sepanjang masa yang lama boleh berubah dengan cepat apabila sesuatu yang baru tiba atau keadaan berubah.
Spesies invasif. Spesies yang dibawa ke tempat baharu mungkin mendapati sumber yang ada tanpa pemangsa, parasit atau pesaing yang mengawalnya di tempat asal. Ia membiak secara eksponen dan menguasai suatu nic. Kupang zebra, yang berasal dari kawasan Laut Hitam dan Laut Kaspia, tiba di Great Lakes dalam air balast kapal pada tahun 1980-an. Ia menapis fitoplankton daripada air, menyebabkan zooplankton dan kupang asli mendapat kurang makanan, dan ia melekat pada cangkerang kupang asli lalu menyesakkannya.
Rajah menunjukkan model siratan makanan tasik: apabila penceroboh merah bertambah, fitoplankton berkurang, kupang asli hampir lenyap, dan kehilangan itu merebak naik siratan makanan hingga ke ikan.
Aktiviti manusia mengubah persekitaran lebih cepat daripada kemampuan banyak populasi untuk menyesuaikan diri: habitat dimusnahkan atau berpecah-pecah, penuaian berlebihan, pencemaran dan perubahan iklim.
Eutrofikasi. Baja dan kumbahan menambah nitrogen dan fosforus ke tasik dan pantai. Alga berkembang pesat, kemudian mati; pengurai yang memecahkannya menghabiskan oksigen terlarut; ikan dan haiwan lain lemas. Hasilnya ialah “zon mati” hipoksia.
Pembesaran biologi. Toksin yang berberterusan seperti DDT atau metilmerkuri disimpan dalam lemak dan tidak dikumuhkan. Setiap pengguna memakan banyak mangsa dan menyimpan toksin mereka, jadi kepekatannya meningkat pada setiap aras trofik dan paling tinggi pada pemangsa teratas. DDT menipiskan cangkerang telur helang dan pelikan.
Peristiwa semula jadi juga mengganggu: letusan gunung berapi, El Niño, banjir dan kebakaran, dan, sepanjang masa geologi, pergerakan benua serta hentaman asteroid yang menyebabkan kepupusan besar-besaran. Selepas setiap satu, salasilah yang bertahan mempelbagai ke dalam nic yang kosong.
← Pemilihan semula jadi