Informatie

Waarom zijn er ecosystemen?


Waarom zouden dingen zichzelf op zo'n manier organiseren? Ik ben een wiskundige en ik heb geen bagage in ecologie of biologie. Als de vraag te breed is, kan iemand me misschien verwijzen naar formele bronnen waar dit soort problemen worden aangepakt.


In principe doen ze dat niet. Ecosystemen zijn dat ook zo ongeveer de facto, afgebakend door geografische grenzen, of door ons gedefinieerd. Een ondergronds meer zou bijvoorbeeld een ecosysteem zijn en het is zo georganiseerd om de eenvoudige reden dat er geen communicatie is tussen het en een ander systeem.

De meeste ecosystemen communiceren echter wel. We noemen een woestijn bijvoorbeeld een ecosysteem, maar hoe zit het met wezens die in de grenzen leven? Dat kan zowel de barre woestijn als de mildere buitenwijken overleven. Behoren ze tot het woestijnecosysteem? Naar de omgeving? Aan beide?

Kortom, we verdelen de natuur in ecosystemen omdat we ze op die manier beter kunnen bestuderen. Soorten die deel uitmaken van hetzelfde ecosysteem hebben de neiging om op de een of andere manier met elkaar in wisselwerking te staan ​​en soorten uit volledig gescheiden ecosystemen hebben dat meestal niet. Dit is echter niet een soort regel, het is gewoon de manier wij dingen categoriseren.

Om een ​​ander voorbeeld te nemen, hoe zou u een stad definiëren? Waar eindigt een stad en begint het platteland? Ecosystemen lijken op elkaar, er zijn zelden duidelijke lijnen die ze scheiden, ze lopen als het ware in elkaar over.

Met andere woorden, uw vraag is onbespreekbaar, ecosystemen organiseren zich niet echt als zodanig. De organisatie die wel bestaat, bevindt zich tussen de verschillende soorten en is een opkomende kwaliteit van het complexe systeem dat het ecosysteem is. Het is echter over het algemeen verkeerd om ecosystemen als afzonderlijke en goed gedefinieerde entiteiten te beschouwen.


De definitie van ecosysteem ontbreekt hier, maar als je bedoelt "een onderlinge afhankelijkheid van verschillende organismen die allemaal in dezelfde geografische regio leven", dan denk ik dat concurrentie en samenwerking grote drijfveren zijn voor het tot stand brengen van deze rollen.

Sommige dieren en planten zijn zo onderling afhankelijk dat ze samen evolueren ondanks dat ze verschillende soorten zijn. De haviksmotten hebben vreselijk lange probiscus die samen zijn geëvolueerd met bloemen met diepe bekervormen.

De bloemen en de motten zorgen voor meer exclusieve relaties - de bloemen zijn betrouwbaardere voedselbronnen voor de volwassen motten wanneer andere bestuivers er niet bij kunnen en de bloemen hebben meer kans op bestuiving als de mot minder soorten bloemen voedt. Dergelijke samenwerking komt meestal spontaan tot uiting in het ecologische milieu vanwege het nut en de stabiliteit die het kan brengen.

Concurrentie is de andere kant van deze kant van de evolutie van ecosystemen. Omdat levende wezens zich zo voortplanten dat voeding en veiligheid schaars zijn (dus niet genoeg voor elke plant/dier), wordt samenwerking een belangrijk voordeel.


Een ecosysteem is een gemeenschap van levende wezens die bestaan ​​in combinatie met en afhankelijk zijn van niet-levende dingen zoals een rots, een zandstrand, lucht of water. Elk organisme heeft een ideale omgeving en buiten die omgeving kunnen ze mogelijk niet overleven. Zo zie je een vijver met vissen die erin leven naast een bos met eekhoorns. De verdeling en zelforganisatie is natuurlijk: de vissen doen het niet zo goed op het land en de eekhoorns hebben moeite om onder water te overleven en blijven dus in hun eigen ecosystemen.

Als je vraag meer in de trant van "waarom is hier een woestijn naast een berg met een bos aan de andere kant van de berg?" Deze organisatie vindt plaats als gevolg van toeval, verzacht door de fysieke wetten van het universum op basis van zaken als planetaire geografie / klimaat, tektoniek en astrofysica.


Verschillende soorten ecosystemen

Een ecosysteem omvat de geografie, temperaturen, regenval, planten en dieren in een bepaald gebied. Deze kenmerken omvatten de fysieke, biologische en chemische aspecten van een specifieke habitat. Elk van de typen ecosystemen heeft verschillende abiotische kenmerken, zoals zonlicht, bodemvocht, regenval en temperaturen. Biotische kenmerken van een ecosysteem omvatten onderlinge relaties tussen roofdieren, prooien en detrivoren - organismen die helpen rottend of dood organisch materiaal af te breken.


Ecologische piramides en hun beperkingen | Biologie

Dit zijn de schematische illustraties van verband tussen verschillende trofische niveaus in termen van energie, biomassa en aantal van een organisme. De basis van elke piramide vertegenwoordigt de producenten of het eerste trofische niveau. Apex vertegenwoordigt tertiaire of topconsumenten. Over het algemeen staan ​​alle piramides rechtop, maar er zijn enkele uitzonderingen.

Er zijn drie ecologische piramides die meestal studies zijn:

Het vertegenwoordigt het totale aantal organismen op elk trofisch niveau. Het staat altijd rechtop, maar in een boomecosysteem is de piramide van het aantal omgekeerd.

Het vertegenwoordigt het totale gewicht van de organismen op elk trofisch niveau.

(i) Rechtopstaand, bijvoorbeeld in graslanden.

(ii) Omgekeerd, bijvoorbeeld in het vijverecosysteem.

Het vertegenwoordigt de totale energie van de organismen op elk trofisch niveau. Piramide van energie staat altijd rechtop, d.w.z. het kan nooit worden omgekeerd, omdat wanneer energie wordt overgedragen van een bepaald trofisch niveau naar het volgende trofische niveau, er altijd wat energie verloren gaat als warmte bij elke stap.

Enkele belangrijke punten over ecologische piramides worden hieronder gegeven:

(i) Een bepaald organisme kan meer dan één trofisch niveau tegelijkertijd innemen.

(ii) Trofisch niveau vertegenwoordigt een functioneel niveau.

(iii) Een bepaalde soort kan tegelijkertijd meer dan één trofisch niveau in hetzelfde ecosysteem innemen.

Een mus is bijvoorbeeld de primaire consument wanneer hij zaden, fruit, erwten, enz. eet, en een secundaire consument wanneer hij insecten en wormen eet.

(iv) In de meeste ecosystemen staan ​​alle piramides van aantal, biomassa en energie rechtop, d.w.z. er zijn meer producenten en biomassa dan de herbivoren en herbivoren zijn meer in aantal en biomassa dan carnivoren.

(v) Ook is energie op een lager trofisch niveau altijd meer op een hoger trofisch niveau. Er zijn echter uitzonderingen op deze generalisatie.

(vi) Piramide van biomassa in zee is omgekeerd omdat de biomassa van vissen veel groter is dan die van fytoplankton.

(vii) Elke balk in de energiepiramide geeft de hoeveelheid energie aan die aanwezig is op elk trofisch niveau in een bepaalde tijd of jaarlijks per oppervlakte-eenheid.

Beperkingen van ecologische piramides:

(i) Er wordt nooit rekening gehouden met dezelfde soort die tot twee of meer trofische niveaus behoort.

(ii) Het gaat uit van een eenvoudige voedselketen, iets dat in de natuur bijna nooit bestaat.

(iii) Het herbergt geen voedselweb.

(iv) Saprofyten krijgen geen plaats in ecologische piramides, ook al spelen ze een belangrijke rol in het ecosysteem.


46.1 Ecologie van ecosystemen

Aan het einde van dit gedeelte kunt u het volgende doen:

  • Beschrijf de basistypes van ecosystemen
  • De methoden uitleggen die ecologen gebruiken om de structuur en dynamiek van ecosystemen te bestuderen
  • Identificeer de verschillende methoden van ecosysteemmodellering
  • Maak onderscheid tussen voedselketens en voedselwebben en erken het belang van elk

Het leven in een ecosysteem gaat vaak over concurrentie om beperkte hulpbronnen, een kenmerk van de theorie van natuurlijke selectie. Concurrentie in gemeenschappen (alle levende wezens binnen specifieke habitats) wordt zowel binnen soorten als tussen verschillende soorten waargenomen. De hulpbronnen waarvoor organismen concurreren, zijn onder meer organisch materiaal, zonlicht en minerale voedingsstoffen, die de energie leveren voor levende processen en de materie om de fysieke structuren van organismen te vormen. Andere kritische factoren die de dynamiek van gemeenschappen beïnvloeden, zijn de componenten van de fysieke en geografische omgeving: de breedtegraad van een habitat, de hoeveelheid regenval, topografie (hoogte) en beschikbare soorten. Dit zijn allemaal belangrijke omgevingsvariabelen die bepalen welke organismen in een bepaald gebied kunnen voorkomen.

Een ecosysteem is een gemeenschap van levende organismen en hun interacties met hun abiotische (niet-levende) omgeving. Ecosystemen kunnen klein zijn, zoals de getijdenpoelen die worden gevonden in de buurt van de rotsachtige kusten van veel oceanen, of groot, zoals het Amazone-regenwoud in Brazilië (Figuur 46.2).

Er zijn drie brede categorieën ecosystemen op basis van hun algemene omgeving: zoet water, oceaanwater en terrestrisch. Binnen deze brede categorieën vallen individuele ecosysteemtypen op basis van de aanwezige organismen en het type milieuhabitat.

Oceaan-ecosystemen komen het meest voor en omvatten meer dan 70 procent van het aardoppervlak en bestaan ​​uit drie basistypen: ondiepe oceaan, diep oceaanwater en diepe oceaanoppervlakken (de lage dieptegebieden van de diepe oceanen). De ecosystemen van de ondiepe oceaan omvatten extreem biodiverse koraalrifecosystemen, en het diepe oceaanoppervlak staat bekend om zijn grote aantallen plankton en krill (kleine kreeftachtigen) die het ondersteunen. Deze twee omgevingen zijn vooral belangrijk voor aerobe ademhalingstoestellen over de hele wereld, aangezien het fytoplankton 40 procent van alle fotosynthese op aarde uitvoert. Hoewel ze niet zo divers zijn als de andere twee, bevatten diepe oceaanecosystemen een grote verscheidenheid aan mariene organismen. Dergelijke ecosystemen bestaan ​​zelfs op de bodem van de oceaan waar licht niet door het water kan dringen.

Zoetwaterecosystemen zijn de zeldzaamste en komen voor op slechts 1,8 procent van het aardoppervlak. Meren, rivieren, beken en bronnen omvatten deze systemen. Ze zijn behoorlijk divers en ze ondersteunen een verscheidenheid aan vissen, amfibieën, reptielen, insecten, fytoplankton, schimmels en bacteriën.

Terrestrische ecosystemen, ook bekend om hun diversiteit, zijn gegroepeerd in grote categorieën die biomen worden genoemd, zoals tropische regenwouden, savannes, woestijnen, naaldbossen, loofbossen en toendra. Door deze ecosystemen in slechts enkele bioomcategorieën te groeperen, wordt de grote diversiteit van de individuele ecosystemen erin verhuld. Zo is er een grote variatie in woestijnvegetatie: de saguaro-cactussen en ander plantenleven in de Sonorawoestijn, in de Verenigde Staten, zijn relatief overvloedig in vergelijking met de desolate rotswoestijn van Boa Vista, een eiland voor de kust van West-Afrika ( Figuur 46.3).

Ecosystemen zijn complex met veel op elkaar inwerkende onderdelen. Ze worden routinematig blootgesteld aan verschillende verstoringen of veranderingen in de omgeving die hun samenstelling beïnvloeden: jaarlijkse variaties in regenval en temperatuur en de langzamere processen van plantengroei, die meerdere jaren kunnen duren. Veel van deze verstoringen zijn het gevolg van natuurlijke processen. Wanneer bliksem bijvoorbeeld een bosbrand veroorzaakt en een deel van een bosecosysteem vernietigt, wordt de grond uiteindelijk bevolkt door grassen, dan door struiken en struiken, en later door volwassen bomen, waardoor het bos in zijn vroegere staat wordt hersteld. De impact van milieuverstoringen veroorzaakt door menselijke activiteiten is even belangrijk als de veranderingen die door natuurlijke processen teweeg worden gebracht. Menselijke landbouwpraktijken, luchtvervuiling, zure regen, wereldwijde ontbossing, overbevissing, eutrofiëring, olielozingen en het dumpen van afval op het land en in de oceaan zijn allemaal punten van zorg voor natuurbeschermers.

Evenwicht is de stabiele toestand van een ecosysteem waarin alle organismen in balans zijn met hun omgeving en met elkaar. In de ecologie worden twee parameters gebruikt om veranderingen in ecosystemen te meten: weerstand en veerkracht. Weerstand is het vermogen van een ecosysteem om ondanks verstoringen in evenwicht te blijven. Veerkracht is de snelheid waarmee een ecosysteem het evenwicht herstelt nadat het is verstoord. Weerstand en veerkracht van ecosystemen zijn vooral belangrijk als we kijken naar de menselijke impact. De aard van een ecosysteem kan zo veranderen dat het zijn veerkracht volledig kan verliezen. Dit proces kan leiden tot de volledige vernietiging of onomkeerbare verandering van het ecosysteem.

Voedselketens en voedselwebben

De term "voedselketen" wordt soms metaforisch gebruikt om menselijke sociale situaties te beschrijven. Individuen die als succesvol worden beschouwd, worden gezien als aan de top van de voedselketen en consumeren alle anderen in hun voordeel, terwijl de minder succesvolle worden gezien als onderaan.

Het wetenschappelijke begrip van een voedselketen is nauwkeuriger dan in het dagelijks gebruik. In de ecologie is een voedselketen een lineaire opeenvolging van organismen waar voedingsstoffen en energie doorheen gaan: primaire producenten, primaire consumenten en consumenten op een hoger niveau worden gebruikt om de ecosysteemstructuur en -dynamiek te beschrijven. Er is één pad door de keten. Elk organisme in een voedselketen heeft een zogenaamd trofisch niveau. Afhankelijk van hun rol als producent of consument kunnen soorten of groepen van soorten op verschillende trofische niveaus worden ingedeeld.

In veel ecosystemen bestaat de onderkant van de voedselketen uit fotosynthetische organismen (planten en/of fytoplankton), die primaire producenten worden genoemd. De organismen die de primaire producenten consumeren, zijn herbivoren: de primaire consumenten. Secundaire consumenten zijn meestal carnivoren die de primaire consumenten eten. Tertiaire consumenten zijn carnivoren die andere carnivoren eten. Consumenten op een hoger niveau voeden zich met de volgende lagere tropische niveaus, enzovoort, tot aan de organismen aan de top van de voedselketen: de topconsumenten. In de voedselketen van Lake Ontario, weergegeven in figuur 46.4, is de Chinook-zalm de topconsument aan de top van deze voedselketen.

Een belangrijke factor die de lengte van voedselketens beperkt, is energie. Energie gaat verloren als warmte tussen elk trofisch niveau als gevolg van de tweede wet van de thermodynamica. Dus, na een beperkt aantal trofische energieoverdrachten, is de hoeveelheid energie die in de voedselketen overblijft mogelijk niet groot genoeg om levensvatbare populaties op een nog hoger trofisch niveau te ondersteunen.

Het energieverlies tussen trofische niveaus wordt geïllustreerd door de baanbrekende studies van Howard T. Odum in het ecosysteem van Silver Springs, Florida in de jaren veertig (Figuur 46.5). De primaire producenten genereerden 20.819 kcal/m 2 /jr (kilocalorieën per vierkante meter per jaar), de primaire verbruikers genereerden 3368 kcal/m 2 /jr, de secundaire verbruikers genereerden 383 kcal/m 2 /jr en de tertiaire verbruikers genereerden alleen 21 kcal/m2/jr. Er blijft dus weinig energie over voor een ander niveau van consumenten in dit ecosysteem.

Er is één probleem bij het gebruik van voedselketens om de meeste ecosystemen nauwkeurig te beschrijven. Zelfs wanneer alle organismen zijn gegroepeerd in geschikte trofische niveaus, kunnen sommige van deze organismen zich voeden met soorten van meer dan één trofisch niveau, en sommige van deze organismen kunnen worden gegeten door soorten van meerdere trofische niveaus. Met andere woorden, het lineaire model van ecosystemen, de voedselketen, is niet volledig beschrijvend voor de ecosysteemstructuur. Een holistisch model - dat rekening houdt met alle interacties tussen verschillende soorten en hun complexe onderling verbonden relaties met elkaar en met de omgeving - is een nauwkeuriger en beschrijvend model voor ecosystemen. Een voedselweb is een grafische weergave van een holistisch, niet-lineair web van primaire producenten, primaire consumenten en hogere consumenten die worden gebruikt om de structuur en dynamiek van ecosystemen te beschrijven (Figuur 46.6).

Een vergelijking van de twee soorten structurele ecosysteemmodellen toont kracht in beide. Voedselketens zijn flexibeler voor analytische modellering, zijn gemakkelijker te volgen en gemakkelijker om mee te experimenteren, terwijl voedselwebmodellen de structuur en dynamiek van ecosystemen nauwkeuriger weergeven en gegevens direct kunnen worden gebruikt als input voor simulatiemodellering.

Link naar leren

Ga naar deze online interactieve simulator om de voedselwebfunctie te onderzoeken. In de Interactieve Labs doos, onder voedselweb, Klik Stap 1. Lees eerst de instructies en klik vervolgens op Stap 2 voor aanvullende instructies. Wanneer u klaar bent om een ​​simulatie te maken, vindt u in de rechterbovenhoek van de Interactieve Labs vak, klik op OPEN SIMULATOR.

Binnen één ecosysteem worden vaak twee algemene soorten voedselwebben getoond. Een grazend voedselweb (zoals het voedselweb van Lake Ontario in figuur 46.6) heeft planten of andere fotosynthetische organismen aan de basis, gevolgd door herbivoren en verschillende carnivoren. Een detritaal voedselweb bestaat uit een basis van organismen die zich voeden met rottend organisch materiaal (dode organismen), decomposers of detritivoren genoemd. Deze organismen zijn meestal bacteriën of schimmels die organisch materiaal terug in het biotische deel van het ecosysteem recyclen, omdat ze zelf door andere organismen worden geconsumeerd. Omdat alle ecosystemen een methode nodig hebben om materiaal van dode organismen te recyclen, hebben de meeste grazende voedselwebben een bijbehorend verontreinigend voedselweb. In een weide-ecosysteem kunnen planten bijvoorbeeld een grazend voedselweb van verschillende organismen, primaire en andere niveaus van consumenten ondersteunen, terwijl ze tegelijkertijd een verwoestend voedselweb ondersteunen van bacteriën, schimmels en detrivore ongewervelde dieren die zich voeden met dode planten en dieren .

Evolutie verbinding

Driedoornige stekelbaars

De theorie van natuurlijke selectie heeft bewezen dat veranderingen in de omgeving een belangrijke rol spelen in de evolutie van soorten binnen een ecosysteem. Er is echter weinig bekend over hoe de evolutie van soorten binnen een ecosysteem de ecosysteemomgeving kan veranderen. In 2009 publiceerde Dr. Luke Harmon, van de Universiteit van Idaho, een paper dat voor het eerst aantoonde dat de evolutie van organismen tot ondersoorten directe effecten kan hebben op hun ecosysteemomgeving. 1

De driedoornige stekelbaars (Gasterosteus aculeatus) is een zoetwatervis die ongeveer 10.000 jaar geleden is geëvolueerd van een zoutwatervis om in zoetwatermeren te leven, wat wordt beschouwd als een recente ontwikkeling in evolutionaire tijd (Figuur 46.7). In de afgelopen 10.000 jaar raakten deze zoetwatervissen vervolgens in verschillende meren van elkaar geïsoleerd. Afhankelijk van de meerpopulatie die werd bestudeerd, toonden de bevindingen aan dat deze stekelbaarzen vervolgens ofwel als één soort bleven of evolueerden tot twee soorten. De divergentie van soorten werd mogelijk gemaakt door hun gebruik van verschillende delen van de vijver voor het voeden, de zogenaamde micronissen.

Dr. Harmon en zijn team creëerden kunstmatige vijvermicrokosmos in tanks van 250 gallon en voegden modder uit zoetwatervijvers toe als een bron van zoöplankton en andere ongewervelde dieren om de vissen in stand te houden. In verschillende experimentele tanks introduceerden ze één soort stekelbaars uit een meer met één of twee soorten.

Na verloop van tijd merkte het team op dat sommige tanks met algen bloeiden, terwijl andere dat niet deden. Dit verbaasde de wetenschappers en ze besloten de opgeloste organische koolstof (DOC) van het water te meten, die voornamelijk bestaat uit grote moleculen van rottend organisch materiaal die vijverwater zijn enigszins bruinachtige kleur geven. Het bleek dat het water van de tanks met tweesoortige vissen grotere deeltjes DOC (en dus donkerder water) bevatte dan water met eensoortige vis. Deze toename van DOC blokkeerde het zonlicht en verhinderde algenbloei. Omgekeerd bevatte het water uit de tank met één soort kleinere DOC-deeltjes, waardoor meer zonlicht kon doordringen om de algenbloei te voeden.

Deze verandering in de omgeving, die het gevolg is van de verschillende voedingsgewoonten van de stekelbaarssoorten in elk meertype, heeft waarschijnlijk een grote impact op het voortbestaan ​​van andere soorten in deze ecosystemen, met name andere fotosynthetische organismen. De studie toont dus aan dat, in ieder geval in deze ecosystemen, het milieu en de evolutie van populaties wederzijdse effecten hebben die nu in simulatiemodellen kunnen worden verwerkt.

Onderzoek naar ecosysteemdynamiek: experimenten en modellering van ecosystemen

De studie van de veranderingen in de ecosysteemstructuur veroorzaakt door veranderingen in de omgeving (verstoringen) of door interne krachten wordt ecosysteemdynamiek genoemd. Ecosystemen worden gekarakteriseerd met behulp van verschillende onderzoeksmethodologieën. Sommige ecologen bestuderen ecosystemen met behulp van gecontroleerde experimentele systemen, terwijl sommige hele ecosystemen in hun natuurlijke staat bestuderen, en anderen beide benaderingen gebruiken.

Een holistisch ecosysteemmodel probeert de samenstelling, interactie en dynamiek van hele ecosystemen te kwantificeren. Het is het meest representatief voor het ecosysteem in zijn natuurlijke staat. Een voedselweb is een voorbeeld van een holistisch ecosysteemmodel. Dit type onderzoek is echter beperkt door tijd en kosten, evenals het feit dat het niet haalbaar of ethisch is om experimenten uit te voeren op grote natuurlijke ecosystemen. Het is moeilijk om alle verschillende soorten in een ecosysteem en de dynamiek in hun habitat te kwantificeren, vooral bij het bestuderen van grote habitats zoals het Amazone-regenwoud.

Om deze redenen bestuderen wetenschappers ecosystemen onder meer gecontroleerde omstandigheden. Experimentele systemen omvatten meestal ofwel het verdelen van een deel van een natuurlijk ecosysteem dat kan worden gebruikt voor experimenten, een zogenaamde mesokosmos, of door een ecosysteem volledig te herscheppen in een binnen- of buitenlaboratoriumomgeving, waarnaar wordt verwezen als een microkosmos. Een belangrijke beperking van deze benaderingen is dat het verwijderen van individuele organismen uit hun natuurlijke ecosysteem of het veranderen van een natuurlijk ecosysteem door partitionering de dynamiek van het ecosysteem kan veranderen. Deze veranderingen zijn vaak te wijten aan verschillen in soortenaantallen en diversiteit en ook aan veranderingen in de omgeving veroorzaakt door partitionering (mesokosmos) of het opnieuw creëren (microkosmos) van de natuurlijke habitat. Dit soort experimenten zijn dus niet volledig voorspellend voor veranderingen die zouden optreden in het ecosysteem waaruit ze zijn verzameld.

Aangezien beide benaderingen hun beperkingen hebben, suggereren sommige ecologen dat de resultaten van deze experimentele systemen alleen mogen worden gebruikt in combinatie met holistische ecosysteemstudies om de meest representatieve gegevens te verkrijgen over de structuur, functie en dynamiek van ecosystemen.

Wetenschappers gebruiken de gegevens die door deze experimentele studies worden gegenereerd om ecosysteemmodellen te ontwikkelen die de structuur en dynamiek van ecosystemen aantonen. Ze gebruiken drie basistypen ecosysteemmodellering in onderzoek en ecosysteembeheer: een conceptueel model, een analytisch model en een simulatiemodel. Een conceptueel model is een ecosysteemmodel dat bestaat uit stroomdiagrammen om interacties van verschillende compartimenten van de levende en niet-levende componenten van het ecosysteem te tonen. Een conceptueel model beschrijft de structuur en dynamiek van ecosystemen en laat zien hoe milieuverstoringen het ecosysteem beïnvloeden, maar het vermogen om de effecten van deze verstoringen te voorspellen is beperkt. Analytische en simulatiemodellen daarentegen zijn wiskundige methoden om ecosystemen te beschrijven die inderdaad in staat zijn om de effecten van mogelijke veranderingen in het milieu te voorspellen zonder direct te experimenteren, zij het met enkele beperkingen wat betreft nauwkeurigheid. Een analytisch model is een ecosysteemmodel dat is gemaakt met behulp van eenvoudige wiskundige formules om de effecten van omgevingsverstoringen op de ecosysteemstructuur en -dynamiek te voorspellen. Een simulatiemodel is een ecosysteemmodel dat is gemaakt met behulp van complexe computeralgoritmen om ecosystemen holistisch te modelleren en de effecten van omgevingsverstoringen op de structuur en dynamiek van ecosystemen te voorspellen. Idealiter zijn deze modellen nauwkeurig genoeg om te bepalen welke componenten van het ecosysteem bijzonder gevoelig zijn voor verstoringen, en kunnen ze als leidraad dienen voor ecosysteembeheerders (zoals natuurbeschermingsecologen of visserijbiologen) bij het praktische onderhoud van de gezondheid van ecosystemen.

Conceptuele modellen

Conceptuele modellen zijn nuttig om de structuur en dynamiek van ecosystemen te beschrijven en om de relaties tussen verschillende organismen in een gemeenschap en hun omgeving aan te tonen. Conceptuele modellen worden meestal grafisch weergegeven als stroomdiagrammen. De organismen en hun hulpbronnen zijn gegroepeerd in specifieke compartimenten met pijlen die de relatie en overdracht van energie of voedingsstoffen tussen hen weergeven. Daarom worden deze diagrammen soms compartimentmodellen genoemd.

Om de kringloop van minerale nutriënten te modelleren, worden organische en anorganische nutriënten onderverdeeld in die welke biologisch beschikbaar zijn (klaar om te worden opgenomen in biologische macromoleculen) en die welke dat niet zijn. In een terrestrisch ecosysteem in de buurt van een steenkoolafzetting zal koolstof op korte termijn beschikbaar zijn voor de planten van dit ecosysteem als koolstofdioxidegas, niet van de koolstofrijke steenkool zelf. Over een langere periode zullen micro-organismen die steenkool kunnen verteren echter hun koolstof opnemen of afgeven als aardgas (methaan, CH4), het veranderen van deze niet-beschikbare organische bron in een beschikbare. Deze omzetting wordt sterk versneld door de verbranding van fossiele brandstoffen door de mens, waarbij grote hoeveelheden koolstofdioxide in de atmosfeer vrijkomen. Men denkt dat dit een belangrijke factor is in de stijging van het kooldioxidegehalte in de atmosfeer in het industriële tijdperk. De kooldioxide die vrijkomt bij het verbranden van fossiele brandstoffen wordt sneller geproduceerd dan fotosynthetische organismen het kunnen gebruiken. Dit proces wordt versterkt door de vermindering van fotosynthetische bomen als gevolg van wereldwijde ontbossing. De meeste wetenschappers zijn het erover eens dat een hoog kooldioxidegehalte in de atmosfeer een belangrijke oorzaak is van de wereldwijde klimaatverandering.

Conceptuele modellen worden ook gebruikt om de stroom van energie door bepaalde ecosystemen te laten zien. Figuur 46.8 is gebaseerd op Howard T. Odums klassieke studie van het holistische ecosysteem Silver Springs, Florida, halverwege de twintigste eeuw. 2 Deze studie toont de energie-inhoud en overdracht tussen verschillende ecosysteemcompartimenten.

Visuele verbinding

Waarom denk je dat de waarde voor brutoproductiviteit van de primaire producenten gelijk is aan de waarde voor totale warmte en ademhaling (20.810 kcal/m 2 /jr)?

Analytische en simulatiemodellen

De belangrijkste beperking van conceptuele modellen is hun onvermogen om de gevolgen van veranderingen in ecosysteemsoorten en/of omgeving te voorspellen. Ecosystemen zijn dynamische entiteiten en onderhevig aan een verscheidenheid aan abiotische en biotische verstoringen veroorzaakt door natuurlijke krachten en/of menselijke activiteit. Ecosystemen die vanuit hun oorspronkelijke evenwichtstoestand zijn veranderd, kunnen vaak herstellen van dergelijke verstoringen en terugkeren naar een evenwichtstoestand. Aangezien de meeste ecosystemen onderhevig zijn aan periodieke verstoringen en zich vaak in een staat van verandering bevinden, bewegen ze zich gewoonlijk naar of van hun evenwichtstoestand af. Er zijn veel van deze evenwichtstoestanden tussen de verschillende componenten van een ecosysteem, die het ecosysteem in het algemeen beïnvloeden. Bovendien, aangezien mensen het vermogen hebben om de soortinhoud en habitat van een ecosysteem sterk en snel te veranderen, wordt de behoefte aan voorspellende modellen die inzicht geven in hoe ecosystemen op deze veranderingen reageren, belangrijker.

Analytische modellen maken vaak gebruik van eenvoudige, lineaire componenten van ecosystemen, zoals voedselketens, en staan ​​erom bekend dat ze wiskundig complex zijn. Daarom vereisen ze een aanzienlijke hoeveelheid wiskundige kennis en expertise. Hoewel analytische modellen een groot potentieel hebben, wordt aangenomen dat hun vereenvoudiging van complexe ecosystemen hun nauwkeurigheid beperkt. Simulatiemodellen die computerprogramma's gebruiken, kunnen beter omgaan met de complexiteit van de ecosysteemstructuur.

Een recente ontwikkeling in simulatiemodellering maakt gebruik van supercomputers om individueel gebaseerde simulaties te creëren en uit te voeren, die rekening houden met het gedrag van individuele organismen en hun effecten op het ecosysteem als geheel. Deze simulaties worden beschouwd als de meest nauwkeurige en voorspellende voor de complexe reacties van ecosystemen op verstoringen.

Link naar leren

Bezoek The Darwin Project om een ​​verscheidenheid aan ecosysteemmodellen te bekijken, inclusief simulaties die roofdier-prooirelaties modelleren voor meer informatie.


Populaties in ecosystemen:

Populaties van verschillende soorten vormen een gemeenschap binnen een habitat. De gemeenschap vormt samen met niet-levende kenmerken (bekend als abiotische omstandigheden), waaronder temperatuur en water, een gemeenschap. Ecosystemen kunnen in grootte variëren van klein, b.v. een tuin van een eigendom tot grote ecosystemen, b.v. regenwoud.

Binnen een habitat heeft elk organisme een andere niche (de rol van een soort binnen een habitat). De niche die een soort kan bezetten, omvat:

VOORBEELD: Zeeotters moeten kokkels en schelpdieren openbreken met stenen.

  • De abiotische interacties: De zuurstof die het organisme inademt en de CO2 die het uitblaast.

VOORBEELD: Otters hebben poten met zwemvliezen, wat betekent dat ze zowel op het land kunnen lopen als zwemmen.

Een ecosysteem ondersteunt een bepaalde omvang van een populatie van een soort die de draagkracht wordt genoemd. Deze populatiegrootte kan variëren als gevolg van:

  • De effecten van abiotische omstandigheden: Als temperatuur, licht, water of andere abiotische factoren dalen, betekent dit dat de reproductie en groeisnelheid laag zullen zijn.

VOORBEELD: Wanneer de temperatuur van de omgeving van een zoogdier ideaal is om de metabolische reacties te laten plaatsvinden, betekent dit dat ze niet veel energie hoeven te gebruiken om een ​​constante lichaamstemperatuur te behouden, daarom kan de energie worden gebruikt voor groei en reproductie, waardoor de grootte van de de bevolking.

  • De effecten van biotische omstandigheden: Er zijn twee soorten competities en predatie die je moet kennen:
  • Interspecifieke competitie: Dit is concurrentie tussen verschillende soorten om dezelfde hulpbronnen zoals voedsel en ruimte. Aangezien het voedsel in dit geval niet volledig beschikbaar zou zijn voor één soort, zal de beschikbaarheid van voedsel voor beide soorten lager zijn, waardoor ze minder energie hebben voor groei en reproductie, waardoor beide populaties lager worden voor beide soorten. In sommige gevallen kan de ene soort beter aangepast zijn dan de andere, waardoor de soort die sterker is, meer kans heeft om te overleven en zich voort te planten en de voordelige allelen door te geven aan de nakomelingen, waardoor de allelfrequentie toeneemt.
  • Intraspecifieke competitie:Dit is competitie binnen een soort om dezelfde hulpbronnen:

1 = De populatie van een soort neemt toe als er voldoende hulpbronnen beschikbaar zijn voor elk individu.

2 = Uiteindelijk beginnen de middelen op te raken, daarom neemt de concurrentie toe en begint de bevolking af te nemen naarmate de zwakkeren worden weggeconcurreerd.

3 = De populatie begint toe te nemen nadat ze op het laagste punt is geweest, omdat er minder concurrentie is en middelen voor iedereen beschikbaar komen.

  • Predatie: Roofdier- en prooipopulaties zijn met elkaar verbonden. Als de ene verandert, verandert de andere, zoals hieronder wordt weergegeven:


NB: De populatie van de roofdieren is altijd onder de prooi vanwege de energieniveaus in de voedselpiramide. Prooien hebben meer energie dan roofdieren. Deze grafiek is gebaseerd op het feit dat het roofdier alleen de prooi opeet die in de grafiek wordt getoond en niets anders.

1 = De prooipopulatie neemt toe waardoor ook de predatorpopulatie toeneemt omdat er meer voedsel beschikbaar is voor de predatoren.

2 = Dit vermindert de hoeveelheid prooi voor de predatoren, daarom neemt de populatie van de prooi af waardoor de predatorpopulatie afneemt.

De grootte van een populatie kan worden geschat met behulp van:

  • willekeurig geplaatste quadrats of quadrats geplaatst langs een riemtransect voor langzaam bewegende of niet-beweeglijke (niet-bewegende) organismen:

VOORBEELD VOOR WILLEKEURIG GEPLAATSTE QUADRATS: Als een quadrat met afmetingen 0,5 m bij 0,5 m zou worden gebruikt, zou deze een oppervlakte hebben van 0,25 m 2 . Het dekkingspercentage wordt vervolgens berekend door de vierkanten te tellen die voor de helft of meer zijn gevuld met de soort die u onderzoekt. Er zijn meestal 100 vierkanten in een kwadraat, waardoor het aantal vierkanten het percentage dekt. Als die er niet zijn, moet je het aantal vierkanten met de soort delen door het totale aantal vierkanten in het kwadraat en dit met 100 vermenigvuldigen.

VOORBEELD VOOR QUADRATS GEPLAATST LANGS EEN RIEMTRANSECT: In belt transects, quadrats are placed next to each other along the transect to work out species frequency or percentage cover. The quadrats do not have to be placed next to each other but can be placed at intervals which is known as an interrupted belt transect.

EXAMPLE: A group of scientists wants to find the total population of the Violet Turaco, a native bird of Ghana.

To do this capture the birds in the most appropriate, safe, ethical and harmless way. Mark them also in the most appropriate, safe, ethical and harmless way e.g. put a tag on them that will not affect their behaviour and roaming, record the number and then release them back into their habitat. Wait for a week or for how long you want making sure that you do not wait too short or too long and then return to the same population to count how many birds you recapture with a mark you left on them and also other birds of the same species without the mark. (You should have three sets of data which are number caught the first time and marked, number caught the second time just with the same mark you left on them and the total number caught the second time with a mark you left and without the mark). Once your data is obtained you use the equation below to work out the total size of the population:

Where T is the total size of the population of a species, N1 is the number caught the first time and marked, N2 is the total number caught with a mark and without the mark and mN2 is the number caught the second time with just the mark you left on them.

When using the mark-release-recapture method there are a few assumptions which include that the marked sample has had enough time and opportunity to mix back in with the population hence why in the method you should wait not too long and not too short, the markings do not affect the species chances of survival but the marking should still be on the individuals when you return the second time hence why the markings should be appropriate, safe, ethical and harmless to the species, and there should be no changes in the population size due to births, deaths and migration during the time of study hence why you should not wait too long for the second capture.

Ecosystems are dynamic systems meaning they are constantly changing.

Succession is the process where an ecosystem changes overtime. NB: There are two types of succession being primary and secondary but only primary succession needs to be known. Primary succession starts with a species colonising the new land where these species are known as pioneer species – an example of pioneer species is lichen which you may have heard in GCSE. Lichen is an organism which is in between a plant and a fungus. This succession takes place on newly formed or land without soil where the abiotic conditions are harsh. Pioneer species start to grow as they are adapted to hostile abiotic conditions and eventually change them to become less hostile by dying and getting decomposed to make basic soil. This soil helps to retain water therefore changing the abiotic conditions. The change in the conditions causes new species such as grass and small plants with adaptations being similar to the conditions to grow. These new species then die and are decomposed making the abiotic conditions much more friendly as more organic matter (humus) is added making the soil more richer in minerals. The soil can now retain even more water helping larger species such shrubs and hedges to be grown. In some cases the new species causes the abiotic condition s to be less suitable to the pioneer species. An example of this would be that sand sedges stabilise in the sand by the use of rhizomes (an underground stem). This is not convenient for marram grass as they need constant reburial by sand in order to grow healthy therefore these start to die. Shrubs begin to grow and become the dominant species where diversity increases. The final stage comes large trees start to grow and a climax community is established where the ecosystem is supporting the largest and most complex community of animals and plants. This will not change as it is in a steady state.

NB: Only a few details of secondary succession need to be known. Secondary succession takes place on land which has soil and the pioneer species are bigger.

Conservation, the protection and management of ecosystems, helps maintain the habitats by preventing succession in order to keep it at its current stage. Maintaining the number of habitats saves the animals and plants that live in the area. There are a couple of ways to carry out conservation:

  • Grazing: The animals grazing have a similar effect to mowing a garden. The animals eat newly growing shoots of shrubs preventing them from establishing themselves to keep the vegetation low.
  • Managed fires: These fires are lit for secondary succession. The first species to grow (pioneer species) are conserved. Larger species will establish themselves again and are removed when the next fire is lit.

Some conservation plans do not just protect habitats but may protect species too:

  • Seedbanks: These are stores of a vast amount of seeds from a variety of species. If a population of a certain species of plants become extinct conservationists can bring them back by planting the stored seeds.
  • Fishing quotas: These are limits as to how much of a certain type of fish can be caught. This can also be done by having nets which have large holes so that young offspring can be left in the water for breeding can catching fish in a certain cycle allowing time for the population to grow.
  • Protected areas: These are areas such as national parks and natural reserves where urban development industrialisation and farming are restricted to protect the wildlife and their habitats.
  • Endangered species:These are species that have a low population due to overhunting, natural disaster or disease. These organisms are bred in captivity such as zoos to raise the numbers and are then returned to the wild.

However not everyone agrees with every conservation plan and measure that is carried out as there often conflicts between human needs and conservationists. Therefore careful management is needed to find the balance between the two so that there is sustainability of natural resources. An example of this would be the Maasai Mara in Kenya where the Maasai people overgraze their cattle to earn a living therefore conservationists need to step in to protect the natural reserves causing conflict.

Evaluating evidence and data about conservation issues:

NB: You need to know this for the exam.

EXAMPLE:Otters make a comeback. In the 1950s and 1960s there was a dramatic decline in the otter population. Removal of vegetation from riverbanks wiped them out in almost all of the Midlands and South-East England. In the 1990s the government, through conservation organisations such as local wildlife trusts, carried out a number of ambitious projects designed to restore otters to all rivers where they existed before the 1950s. An experiment was carried out over 15 years to see what would happen to the population of otters if the vegetation on the riverbanks increased. A controlled group was also used with the same species of otter living in the same habitat but under the normal conditions i.e. the vegetation was left and not changed. The graphs shows the results:

NB: You may be asked to interpret and analyse the data.

  • Describe the data:
  • For the first five years the population of otters decreased from 50% to 25% with a steep gradient. After vegetation started to grow in the fifth year, the population of otters started to increase but with a shallow/small gradient.
  • The control group experienced a steady decline in the percentage of otters for the whole of the 15 years where there was a drop from 50% to 20%
  • Draw up conclusions:
  • The results of both the groups together show that an increase in vegetation has caused an increase in the population of otters. This suggests that in the 1950s and 1960s the otters lost food, habitats and materials which helped them to survive and reproduce.
  • Evaluate the method:
  • The effects of other variables such as changing temperatures were removed so that the validity of our results increases.
  • The study area and sample was large to further increase the validity of the results.
  • Random sampling removed biasness – the data is more likely to be an accurate estimate of the whole area.

Some experiments show conflicting evidence. If the above experiment was to be carried out in another area but of the same land with a smaller sample size and no control group, it would not be enough to say that vegetation is the cause of the decline o the otters. This is because the control group provides evidence that under normal condition the otters are declining and that increasing the vegetation has an affect on the otter numbers. With no control group it may show that another factor is involved in increasing the population. This experiment may be that there was no control group and the experiment’s results showed that vegetation is not the answer to increase the population as the population continued to decrease after vegetation started to increase.


Deserts as Ecosystems and Why They Need Protecting

Deserts conjure up specific ideas about topography: typically, that they are dry and sandy dunes or rock, or a mixture of both. But deserts are far more than this and there are multiple types. How we define the desert biome are not about the types of rock, or the amount of sand, or even the temperature because there are both cold and hot deserts. The simple explanation is that deserts are topographic landscapes that receive little precipitation in a typical year. The threshold is 10 inches, or 25cm. But more than simply having low rainfall, a desert is “arid”. This means a high rate of water loss through plant reclamation (called transpiration) and through evaporation. These two aspects are combined into something called evapotranspiration. This is the amount of water that the landscape would lose when available (1). For deserts, evapotranspiration ratio exceeds average annual rainfall by anything from 2:1 to 33:1. The higher the ratio, the less available moisture there is. The coarse nature of the soil means most moisture seeps through the top soil rapidly.

Furthermore, what precipitation a desert does experience is erratic. The average rainfall is just that. A desert may receive far more than the “average” in one year and not experience any rainfall the year before and the year after. Deserts will differ depending on their climate and location and their overall aridity can influence many things, not least of all the ecology, food chain, plant and animal types. High evaporation leaves behind higher salt levels, affecting further which plants can grow and the individual size and the numbers of herbivores that may feed on them and, in turn, carnivores. Some experience vast temperature fluctuations, especially hot deserts which may reach unbearable heat during the day and extreme cold at night (2). This is because the rock and sand absorb heat during the day and releases it at night. There may also be an extreme variation between warm and cool seasons, including extreme winds and storms due to the mixing of cold and warm air.

Deserts are vitally important to the planetary ecosystem. They cover approximately 1/3 of the dry land of our planet (3, p1). They are also amongst the most fragile and endangered biomes.


Scientists identify vast underground ecosystem containing billions of micro-organisms

The Earth is far more alive than previously thought, according to “deep life” studies that reveal a rich ecosystem beneath our feet that is almost twice the size of all the world’s oceans.

Despite extreme heat, no light, minuscule nutrition and intense pressure, scientists estimate this subterranean biosphere is teeming with between 15bn and 23bn tonnes of micro-organisms, hundreds of times the combined weight of every human on the planet.

Researchers at the Deep Carbon Observatory say the diversity of underworld species bears comparison to the Amazon or the Galápagos Islands, but unlike those places the environment is still largely pristine because people have yet to probe most of the subsurface.

“It’s like finding a whole new reservoir of life on Earth,” said Karen Lloyd, an associate professor at the University of Tennessee in Knoxville. “We are discovering new types of life all the time. So much of life is within the Earth rather than on top of it.”

The team combines 1,200 scientists from 52 countries in disciplines ranging from geology and microbiology to chemistry and physics. A year before the conclusion of their 10-year study, they will present an amalgamation of findings to date before the American Geophysical Union’s annual meeting opens this week.

Samples were taken from boreholes more than 5km deep and undersea drilling sites to construct models of the ecosystem and estimate how much living carbon it might contain.

The results suggest 70% of Earth’s bacteria and archaea exist in the subsurface, including barbed Altiarchaeales that live in sulphuric springs and Geogemma barossii, a single-celled organism found at 121C hydrothermal vents at the bottom of the sea.

One organism found 2.5km below the surface has been buried for millions of years and may not rely at all on energy from the sun. Instead, the methanogen has found a way to create methane in this low energy environment, which it may not use to reproduce or divide, but to replace or repair broken parts.

Lloyd said: “The strangest thing for me is that some organisms can exist for millennia. They are metabolically active but in stasis, with less energy than we thought possible of supporting life.”

Rick Colwell, a microbial ecologist at Oregon State University, said the timescales of subterranean life were completely different. Some microorganisms have been alive for thousands of years, barely moving except with shifts in the tectonic plates, earthquakes or eruptions.

“We humans orientate towards relatively rapid processes – diurnal cycles based on the sun, or lunar cycles based on the moon – but these organisms are part of slow, persistent cycles on geological timescales.”

Underworld biospheres vary depending on geology and geography. Their combined size is estimated to be more than 2bn cubic kilometres, but this could be expanded further in the future.

The researchers said their discoveries were made possible by two technical advances: drills that can penetrate far deeper below the Earth’s crust, and improvements in microscopes that allow life to be detected at increasingly minute levels.

The scientists have been trying to find a lower limit beyond which life cannot exist, but the deeper they dig the more life they find. There is a temperature maximum – currently 122C – but the researchers believe this record will be broken if they keep exploring and developing more sophisticated instruments.

Mysteries remain, including whether life colonises up from the depths or down from the surface, how the microbes interact with chemical processes, and what this might reveal about how life and the Earth co-evolved.

The scientists say some findings enter the realm of philosophy and exobiology – the study of extraterrestrial life.

Robert Hazen, a mineralogist at the Carnegie Institution for Science, said: “We must ask ourselves: if life on Earth can be this different from what experience has led us to expect, then what strangeness might await as we probe for life on other worlds?”


The Ecosystem and how it relates to Sustainability

In the previous lectures we have learned about the Earth and its environment, and we have learned about the diversity of life on the planet and about ecological interactions between species. Now we will combine these two basic components and consider how the environment and life interact in "ecosystems". But before that we should return to a topic introduced at the very start of class, which is that of sustainability and how we view it in terms of system science.

Sustainability and System Science -

Scientific Concepts, applied to ecosystems and to sustainability.

Working through this simple example illustrates how complex the issue of sustainability can become. However, what we also find is that in all such problems there is a common set of key scientific concepts and principles that we will learn to understand in this course &ndash these concepts include the following (there will be more specific examples given later on):

Standing Stock = the amount of material in a "pool", such as the amount of oil in the ground or greenhouse gases in the atmosphere. "Standing" refers to the amount at the current time (like what is the stock of trees standing in the forest right now).

Mass Balance = asking the question of "do the numbers add up?" If I need $100 each class to give to students, but I only have $1, then the mass balance is off. We can also use a mass balance equation to determine how a system is changing over time (we will do this in a later lecture for heat-trapping gases in the atmosphere).

Material Flux Rate = the input or output of material from a system, such as the amount of oil we pump out of the ground each year, or the amount of greenhouse gas we pump into the atmosphere each year by burning fossil fuels.

Residence Time = the standing stock divided by the flux rate, which provides the average time that materials spent circulating in a pool - for example, the residence time of methane in the atmosphere is about 10 years.

Negative and Positive Feedbacks = negative feedbacks tend to traag a process, while positive feedbacks tend to accelerate a process. For example, in a warming world the ice caps will melt, which reduces the Earth's albedo, we retain more of the sun's heat energy, and that accelerates warming which in turn melts more ice cap -- this is a positive feedback.

What is an Ecosystem?

An ecosystem consists of the biological community that occurs in some locale, and the physical and chemical factors that make up its non-living or abiotic environment. There are many examples of ecosystems -- a pond, a forest, an estuary, a grassland. The boundaries are not fixed in any objective way, although sometimes they seem obvious, as with the shoreline of a small pond. Usually the boundaries of an ecosystem are chosen for practical reasons having to do with the goals of the particular study.

The study of ecosystems mainly consists of the study of certain processes that link the living, or biotic, components to the non-living, or abiotic, components. The two main processes that ecosystem scientists study are Energy transformations en biogeochemical cycling. As we learned earlier, ecology generally is defined as the interactions of organisms with one another and with the environment in which they occur. We can study ecology at the level of the individual, the population, the community, and the ecosystem.

studies van individuen are concerned mostly about physiology, reproduction, development or behavior, and studies of populaties usually focus on the habitat and resource needs of particular species, their group behaviors, population growth, and what limits their abundance or causes extinction. studies van communitiesexamine how populations of many species interact with one another, such as predators and their prey, or competitors that share common needs or resources.

In ecosystem ecology we put all of this together and, insofar as we can, we try to understand how the system operates as a whole. This means that, rather than worrying mainly about particular species, we try to focus on major functional aspects of the system. These functional aspects include such things as the amount of energy that is produced by photosynthesis, how energy or materials flow along the many steps in a food chain, or what controls the rate of decomposition of materials or the rate at which nutrients (required for the production of new organic matter) are recycled in the system.

Components of an Ecosystem You are already familiar with the parts of an ecosystem. From this course and from general knowledge, you also have a basic understanding of the diversity of plants and animals, and how plants and animals and microbes obtain water, nutrients, and food. We can clarify the parts of an ecosystem by listing them under the headings "abiotic" and "biotic".

ABIOTIC COMPONENTS BIOTIC COMPONENTS
Sunlight primaire producenten
Temperatuur Herbivores
Neerslag Carnivores
Water or moisture Omnivores
Soil or water chemistry (e.g., P, NO3 , NH4) Detritivores
etc. etc.
All of these vary over space/time

By and large, this set of components and environmental factors is important almost everywhere, in all ecosystems.

Usually, biological communities include the "functional groupings" shown above. EEN functionele groep is a biological category composed of organisms that perform mostly the same kind of function in the system for example, all the photosynthetic plants or primary producers form a functional group. Membership in the functional group does not depend very much on who the actual players (species) happen to be, only on what function they perform in the ecosystem.

Processes of Ecosystems

Figure 1. Energy flows and material cycles.

Energy enters the biological system as light energy, or photons, is transformed into chemical energy in organic molecules by cellular processes including photosynthesis and respiration, and ultimately is converted to heat energy. This energy is dissipated, meaning it is lost to the system as heat once it is lost it cannot be recycled. Without the continued input of solar energy, biological systems would quickly shut down. Thus the Earth is an open system with respect to energy.

Elements such as carbon, nitrogen, or phosphorus enter living organisms in a variety of ways. Plants obtain elements from the surrounding atmosphere, water, or soils. Animals may also obtain elements directly from the physical environment, but usually they obtain these mainly as a consequence of consuming other organisms. These materials are transformed biochemically within the bodies of organisms, but sooner or later, due to excretion or decomposition, they are returned to an inorganic state (that is, inorganic material such as carbon, nitrogen, and phosphorus, instead of those elements being bound up in organic matter). Often bacteria complete this process, through the process called decomposition or mineralization (see next lecture on microbes).

During decomposition these materials are not destroyed or lost, so the Earth is a closed system with respect to elements (with the exception of a meteorite entering the system now and then. ). The elements are cycled endlessly between their biotic and abiotic states within ecosystems. Those elements whose supply tends to limit biological activity are called nutrients.

The Transformation of Energy

The transformations of energy in an ecosystem begin first with the input of energy from the sun. Energy from the sun is captured by the process of photosynthesis. Carbon dioxide is combined with hydrogen (derived from the splitting of water molecules) to produce carbohydrates (the shorthand notation is "CHO"). Energy is stored in the high energy bonds of adenosine triphosphate, or ATP (see lecture on photosynthesis).

The prophet Isaah said "all flesh is grass", earning him the title of first ecologist, because virtually all energy available to organisms originates in plants. Because it is the first step in the production of energy for living things, it is called primary production (click here for a primer on photosynthesis). Herbivores obtain their energy by consuming plants or plant products, carnivores eat herbivores, and detritivores consume the droppings and carcasses of us all.

Figure 2 portrays a simple food chain, in which energy from the sun, captured by plant photosynthesis, flows from trophic level to trophic level via the food chain. A trophic level is composed of organisms that make a living in the same way, that is they are all primaire producenten (plants), primary consumers (herbivores) or secondary consumers (carnivores). Dead tissue and waste products are produced at all levels. Scavengers, detritivores, and decomposers collectively account for the use of all such "waste" -- consumers of carcasses and fallen leaves may be other animals, such as crows and beetles, but ultimately it is the microbes that finish the job of decomposition. Not surprisingly, the amount of primary production varies a great deal from place to place, due to differences in the amount of solar radiation and the availability of nutrients and water.

For reasons that we will explore more fully in subsequent lectures, energy transfer through the food chain is inefficient. This means that less energy is available at the herbivore level than at the primary producer level, less yet at the carnivore level, and so on. The result is a pyramid of energy, with important implications for understanding the quantity of life that can be supported.

Usually when we think of food chains we visualize green plants, herbivores, and so on. These are referred to as grazer food chains, because living plants are directly consumed. In many circumstances the principal energy input is not green plants but dead organic matter. Deze heten detritus food chains. Examples include the forest floor or a woodland stream in a forested area, a salt marsh, and most obviously, the ocean floor in very deep areas where all sunlight is extinguished 1000's of meters above. In subsequent lectures we shall return to these important issues concerning energy flow.

Finally, although we have been talking about food chains, in reality the organization of biological systems is much more complicated than can be represented by a simple "chain". There are many food links and chains in an ecosystem, and we refer to all of these linkages as a voedselweb. Food webs can be very complicated, where it appears that "everything is connected to everything else"(this is a major take-home point of this lecture), and it is important to understand what are the most important linkages in any particular food web. The next question is how do we determine what the important processes or linkages are in food webs or ecosystems? Ecosystem scientists use several different tools, which can be described generally under the term "biogeochemistry".

Biogeochemistry

There are several main principles and tools that biogeochemists use to study earth systems. Most of the major environmental problems that we face in our world today can be analyzed using biogeochemical principles and tools. These problems include global warming, acid rain, environmental pollution, and increasing greenhouse gases. The principles and tools that we use can be broken down into 3 major components: element ratios, mass balance, and element cycling.

In biological systems, we refer to important elements als "conservative". These elements are often nutrients. By "conservative" we mean that an organism can change only slightly the amount of these elements in their tissues if they are to remain in good health. It is easiest to think of these conservative elements in relation to other important elements in the organism. For example, in healthy algae the elements C, N, P, and Fe have the following ratio, called the Redfield ratio after the oceanographer who discovered it. The ratio of number of atoms of these elements (referenced to 1 P atom) is as follows:

C : N : P : Fe = 106 : 16 : 1 : 0.01

Once we know these ratios, we can compare them to the ratios that we measure in a sample of algae to determine if the algae are lacking in one of these limiting nutrients.

Another important tool that biogeochemists use is a simple mass balance equation to describe the state of a system. The system could be a snake, a tree, a lake, or the entire globe. Using a mass balance approach we can determine whether the system is changing and how fast it is changing. The equation is:

NET CHANGE = INPUT + OUTPUT + INTERNAL CHANGE

In this equation the net change in the system from one time period to another is determined by what the inputs are, what the outputs are, and what the internal change in the system was. The example given in class is of the acidification of a lake, considering the inputs and outputs and internal change of acid in the lake.

Element cycling describes where and how fast elements move in a system. There are two general classes of systems that we can analyze, as mentioned above: closed and open systems.

  1. Rate = number of cycles / time . As the rate increases, productivity increases
  2. Pathways - important because of different reactions that may occur along different pathways
  1. Rate
  2. Pathways
  3. Residence time, Rt

(Note that the "units" in this calculation must cancel properly)

Controls on Ecosystem Function

Now that we have learned something about how ecosystems are put together and how materials and energy flow through ecosystems, we can better address the question of "what controls ecosystem function"? There are two dominant theories of the control of ecosystems. The first, called bottom-up control, states that it is the nutrient supply to the primary producers that ultimately controls how ecosystems function. If the nutrient supply is increased, the resulting increase in production of autotrophs is propagated through the food web and all of the other trophic levels will respond to the increased availability of food (energy and materials will cycle faster).

The second theory, called top-down control, states that predation and grazing by higher trophic levels on lower trophic levels ultimately controls ecosystem function. For example, if you have an increase in predators, that increase will result in fewer grazers, and that decrease in grazers will result in turn in more primary producers because fewer of them are being eaten by the grazers. Thus the control of population numbers and overall productivity "cascades" from the top levels of the food chain down to the bottom trophic levels. In earlier lectures this idea was also introduced and explained as a "trophic cascade".

So, which theory is correct? Well, as is often the case when there is a clear dichotomy to choose from, the answer lies somewhere in the middle. There is evidence from many ecosystem studies that BOTH controls are operating to some degree, but that NEITHER control is complete. For example, the "top-down" effect is often very strong at trophic levels near to the top predators, but the control weakens as you move further down the food chain toward the primary producers. Similarly, the "bottom-up" effect of adding nutrients usually stimulates primary production, but the stimulation of secondary production further up the food chain is less strong or is absent.

Thus we find that both of these controls are operating in any system at any time, and we must understand the relative importance of each control in order to help us to predict how an ecosystem will behave or change under different circumstances, such as in the face of a changing climate.

The Geography of Ecosystems

The word "biome" is used to describe a major vegetation type such as tropical rain forest, grassland, tundra, etc., extending over a large geographic area (Figure 3). It is never used for aquatic systems, such as ponds or coral reefs. It always refers to a vegetation category that is dominant over a very large geographic scale, and thus is somewhat broader geographically than an ecosystem.

figuur 3: The distribution of biomes.

We can draw upon previous lectures to remember that temperature and rainfall patterns for a region are distinctive. Every place on Earth gets the same total number of hours of sunlight each year, but not the same amount of heat. The sun's rays strike low latitudes directly but high latitudes obliquely. This uneven distribution of heat sets up not just temperature differences, but global wind and ocean currents that in turn have a great deal to do with where rainfall occurs. Add in the cooling effects of elevation and the effects of land masses on temperature and rainfall, and we get a complicated global pattern of climate.

A schematic view of the earth shows that, complicated though climate may be, many aspects are predictable (Figure 4). High solar energy striking near the equator ensures nearly constant high temperatures and high rates of evaporation and plant transpiration. Warm air rises, cools, and sheds its moisture, creating just the conditions for a tropical rain forest. Contrast the stable temperature but varying rainfall of a site in Panama with the relatively constant precipitation but seasonally changing temperature of a site in New York State. Every location has a rainfall- temperature graph that is typical of a broader region.

Figuur 4. Climate patterns affect biome distributions.

We can draw upon plant physiology to know that certain plants are distinctive of certain climates, creating the vegetation appearance that we call biomes. Note how well the distribution of biomes plots on the distribution of climates (Figure 5). Note also that some climates are impossible, at least on our planet. High precipitation is not possible at low temperatures -- there is not enough solar energy to power the water cycle, and most water is frozen and thus biologically unavailable throughout the year. The high tundra is as much a desert as is the Sahara.


Figuur 5. The distribution of biomes related to temperature and precipitation.


How Cave Biology Works

As you probably learned in biology class, all life depends on sunlight -- a process known as photosynthesis. This is true even for the deepest, darkest part of a cave, otherwise known as the dark zone. We know that no green plants can grow in the dark zone. So how do those troglobites, the organisms that live solely in the dark zone, survive? The answer is simple -- through a food chain, just like everything else on our planet. Let's take a closer look at that chain.

One way for food to get into a cave is through natural weather events like a flood. Excess rainwater washes leaves, twigs and plants into a cave, providing munchies for insects and other animals. Another way that nutrients enter a cave is simply when animals -- trogloxenes and troglophiles -- bring it in.

Yet another food source for cave organisms is one you probably haven't thought about -- guano. Guano is full of organic matter, and troglobites love to feed on this stuff. What is guano? It's the scientific term for bat poop. Bats nest deep inside the cave, and their droppings will pile up several feet high and several feet wide. Very few animals can feed directly on these droppings, but bacteria and fungi found in the cave can decompose guano into basic food and nutrients.

As you can see, all the different organisms in a cave depend on each other for survival. We call this a food chain and here's how it works, starting at the bottom:

Organic material, such as guano, other animal droppings and washed-in plants provide a haven for fungus and microscopic bacteria, which feed on the organic material, breaking it down into simple nutrients. Then, millipedes and tiny crustaceans feed on the fungus, bacteria and the nutrients left behind. Bigger insects, such as cave beetles, feed on these millipedes, crustaceans and even the eggs of cave crickets. Centipedes, cave spiders, salamanders and cavefish feed on insects smaller than them. Some cave centipedes grow so large, they've been spotted feasting on bats [source: Krajick].

Because there are more animals and organisms at the bottom of the cave food chain than at the top, it might be better to call it the cavevoedselpiramide. You'll find many decomposers at the base of the pyramid, with the more evolved carnivores at the top.

On the next page, we'll discuss the science of studying cave life and the challenges of working in the dark zone.


Referencing this Article

If you need to reference this article in your work, you can copy-paste the following depending on your required format:

APA (American Psychological Association)
Ecosystems: What is an Ecosystem? Population Stability, Succession. (2017). In ScienceAid. Retrieved Jun 21, 2021, from https://scienceaid.net/biology/ecology/ecosystems.html

MLA (Modern Language Association) "Ecosystems: What is an Ecosystem? Population Stability, Succession." ScienceAid, scienceaid.net/biology/ecology/ecosystems.html Accessed 21 Jun 2021.

Chicago / Turabian ScienceAid.net. "Ecosystems: What is an Ecosystem? Population Stability, Succession." Accessed Jun 21, 2021. https://scienceaid.net/biology/ecology/ecosystems.html.

If you have problems with any of the steps in this article, please ask a question for more help, or post in the comments section below.


Bekijk de video: WAT IS EEN ECOSYSTEEM? Ordening Basisstof Biologie Havo. Vwo (December 2021).