معلومة

46.1 د: نمذجة ديناميكيات النظام البيئي - علم الأحياء

46.1 د: نمذجة ديناميكيات النظام البيئي - علم الأحياء



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

تصف النماذج المفاهيمية بنية النظام البيئي ، بينما تستخدم النماذج التحليلية والمحاكاة الخوارزميات للتنبؤ بديناميكيات النظام البيئي.

أهداف التعلم

  • قارن وقارن بين النماذج المفاهيمية والتحليلية والمحاكاة لديناميات النظام البيئي

النقاط الرئيسية

  • غالبًا ما تكون النماذج المفاهيمية عبارة عن مخططات تدفق توضح العلاقات بين الكائنات الحية المختلفة في المجتمع وبيئتها ، بما في ذلك نقل الطاقة والعناصر الغذائية.
  • تستخدم النماذج التحليلية المعادلات الرياضية للتنبؤ ووصف المكونات الخطية البسيطة للنظم البيئية ، مثل سلاسل الغذاء.
  • تستخدم نماذج المحاكاة خوارزميات الكمبيوتر للتنبؤ بديناميات النظام البيئي ؛ يعتبرون الأكثر واقعية ودقة من الناحية البيئية.

الشروط الاساسية

  • النموذج المفاهيمي: نموذج يتم تمثيله من خلال التمثيلات المفاهيمية للعلاقات بين الكائنات الحية المختلفة في المجتمع وبيئتهم
  • نموذج تحليلي: نموذج يعمل بشكل أفضل عند التعامل مع أنظمة بسيطة نسبيًا (غالبًا خطية) ، وتحديدًا تلك التي يمكن وصفها بدقة من خلال مجموعة من المعادلات الرياضية التي يكون سلوكها معروفًا جيدًا
  • نموذج محاكاة: نموذج يستخدم الخوارزميات الرياضية للتنبؤ بالاستجابات المعقدة في ديناميكيات النظام البيئي

النماذج المفاهيمية

النماذج المفاهيمية مفيدة لوصف بنية النظام الإيكولوجي وديناميكياته ولإظهار العلاقات بين الكائنات الحية المختلفة في المجتمع وبيئتها. عادةً ما يتم تصوير النماذج المفاهيمية بيانياً على شكل مخططات انسيابية. يتم تجميع الكائنات الحية ومواردها في أقسام محددة مع أسهم توضح العلاقة ونقل الطاقة أو العناصر الغذائية فيما بينها. تسمى هذه المخططات أحيانًا نماذج مقصورة.

لنمذجة دورة المغذيات المعدنية ، يتم تقسيم المغذيات العضوية وغير العضوية إلى العناصر الغذائية المتوفرة بيولوجيًا (الجاهزة للدمج في الجزيئات البيولوجية الكبيرة) وتلك التي لا تتوفر. على سبيل المثال ، في النظام البيئي الأرضي بالقرب من رواسب الفحم ، سيكون الكربون متاحًا لنباتات هذا النظام البيئي كغاز ثاني أكسيد الكربون في فترة قصيرة ، وليس من الفحم الغني بالكربون نفسه. ومع ذلك ، على مدى فترة أطول ، سوف تدمج الكائنات الحية الدقيقة القادرة على هضم الفحم الكربون أو إطلاقه كغاز طبيعي (الميثان ، CH4) ، وتغيير هذا المصدر العضوي غير المتاح إلى مصدر متاح.

يعمل الاحتراق البشري للوقود الأحفوري على تسريع هذا التحول عن طريق إطلاق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ، والذي قد يكون مساهماً كبيراً في ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي في العصر الصناعي. يتم إنتاج ثاني أكسيد الكربون المنطلق من حرق الوقود الأحفوري بشكل أسرع مما يمكن أن تستخدمه الكائنات الحية الضوئية ، في حين انخفض عدد أشجار التمثيل الضوئي بسبب إزالة الغابات في جميع أنحاء العالم. يتفق معظم العلماء على أن ارتفاع ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي هو سبب رئيسي لتغير المناخ العالمي.

النماذج التحليلية والمحاكاة

النماذج المفاهيمية محدودة ؛ أنها تتنبأ بشكل سيئ بعواقب التغيرات في أنواع النظم الإيكولوجية و / أو البيئة. النظم البيئية هي كيانات ديناميكية تخضع لمجموعة متنوعة من الاضطرابات اللاأحيائية والأحيائية. في هذه الحالات ، غالبًا ما يستخدم العلماء نماذج تحليلية أو نماذج محاكاة. تتنبأ هذه النماذج بكيفية تعافي النظم البيئية من الاضطرابات ، والعودة إلى حالة التوازن. نظرًا لأن معظم النظم البيئية تخضع لاضطرابات دورية وغالبًا ما تكون في حالة تغيير ، فإنها عادة ما تتحرك نحو حالات توازن متعددة أو بعيدًا عنها. نظرًا لأن التأثير البشري يمكن أن يغير بشكل كبير وسريع محتوى الأنواع وموائل النظام البيئي ، فمن الأهمية بمكان أن يطور العلماء نماذج تتنبأ بكيفية استجابة النظم البيئية لهذه التغييرات.

النماذج التحليلية

تعمل النماذج التحليلية بشكل عام بشكل أفضل عند التعامل مع أنظمة خطية بسيطة نسبيًا ؛ على وجه التحديد ، تلك التي يمكن وصفها بدقة من خلال مجموعة من المعادلات الرياضية التي يكون سلوكها معروفًا جيدًا. إنها نماذج معقدة رياضياً جيدة في التنبؤ بمكونات النظم البيئية مثل سلاسل الغذاء. ومع ذلك ، فإن دقتها محدودة بسبب تبسيطها للنظم البيئية المعقدة.

نماذج المحاكاة

مثل النماذج التحليلية ، تستخدم نماذج المحاكاة خوارزميات معقدة للتنبؤ بديناميكيات النظام البيئي. ومع ذلك ، فقد مكّنت برامج الكمبيوتر المتطورة نماذج المحاكاة من التنبؤ بالاستجابات في النظم البيئية المعقدة. تستخدم نماذج المحاكاة تقنيات عددية لحل المشكلات التي تكون الحلول التحليلية لها غير عملية أو مستحيلة. تميل هذه الأنواع من النماذج إلى أن تكون أكثر استخدامًا. تعتبر بشكل عام أكثر واقعية من الناحية البيئية ، في حين يتم تقييم النماذج التحليلية لأناقتها الرياضية وقوتها التفسيرية. تعتبر هذه المحاكاة الأكثر دقة وتوقعًا لديناميكيات النظام البيئي.


46.1 د: نمذجة ديناميكيات النظام البيئي - علم الأحياء

غالبًا ما تدور الحياة في نظام بيئي حول التنافس على الموارد المحدودة ، وهي سمة من سمات نظرية الانتقاء الطبيعي. لوحظ التنافس في المجتمعات (جميع الكائنات الحية داخل موائل محددة) داخل الأنواع وبين الأنواع المختلفة. تشمل الموارد التي تتنافس عليها الكائنات الحية المواد العضوية من الكائنات الحية أو الكائنات الحية سابقًا ، وضوء الشمس ، والمغذيات المعدنية ، والتي توفر الطاقة للعمليات الحية والمواد اللازمة لتكوين الهياكل المادية للكائنات الحية. العوامل الحاسمة الأخرى التي تؤثر على ديناميكيات المجتمع هي مكونات بيئته المادية والجغرافية: خط عرض الموطن ، وكمية هطول الأمطار ، والتضاريس (الارتفاع) ، والأنواع المتاحة. هذه كلها متغيرات بيئية مهمة تحدد الكائنات الحية التي يمكن أن توجد في منطقة معينة.

ان النظام البيئي هو مجتمع من الكائنات الحية وتفاعلاتها مع بيئتها اللاأحيائية (غير الحية). يمكن أن تكون النظم البيئية صغيرة ، مثل برك المد والجزر الموجودة بالقرب من الشواطئ الصخرية للعديد من المحيطات ، أو كبيرة ، مثل غابات الأمازون المطيرة في البرازيل (الشكل 1).

الشكل 1. أ () النظام البيئي لحمامات المد والجزر في جزيرة ماتينيكوس في ولاية مين هو نظام بيئي صغير ، في حين أن (ب) غابات الأمازون المطيرة في البرازيل هي نظام بيئي كبير. (الائتمان أ: تعديل العمل بواسطة "takomabibelot" / رصيد فليكر ب: تعديل العمل بواسطة إيفان ملينياريك)

هناك ثلاث فئات واسعة من النظم البيئية بناءً على بيئتها العامة: المياه العذبة ومياه المحيطات والأرضية. ضمن هذه الفئات الواسعة توجد أنواع من النظم البيئية الفردية تعتمد على الكائنات الحية الموجودة ونوع الموائل البيئية.

النظم البيئية للمحيطات هي الأكثر شيوعًا ، حيث تضم 75 في المائة من سطح الأرض وتتكون من ثلاثة أنواع أساسية: المحيط الضحل ومياه المحيطات العميقة وأسطح المحيطات العميقة (المناطق ذات العمق المنخفض في أعماق المحيطات). تشتمل النظم البيئية للمحيطات الضحلة على أنظمة بيئية شديدة التنوع البيولوجي للشعاب المرجانية ، كما أن سطح المحيط العميق معروف بأعداده الكبيرة من العوالق والكريل (القشريات الصغيرة) التي تدعمه. هاتان البيئتان مهمتان بشكل خاص لأجهزة التنفس الهوائية في جميع أنحاء العالم حيث تؤدي العوالق النباتية 40 في المائة من جميع عمليات التمثيل الضوئي على الأرض. على الرغم من أنها ليست متنوعة مثل النظامين الآخرين ، إلا أن النظم الإيكولوجية لأعماق المحيطات تحتوي على مجموعة متنوعة من الكائنات البحرية. توجد مثل هذه النظم البيئية حتى في قاع المحيط حيث لا يستطيع الضوء اختراق الماء.

النظم البيئية للمياه العذبة هي الأكثر ندرة ، حيث توجد على 1.8 في المائة فقط من سطح الأرض و 8217. تشكل البحيرات والأنهار والجداول والينابيع هذه الأنظمة المتنوعة تمامًا ، وهي تدعم مجموعة متنوعة من الأسماك والبرمائيات والزواحف والحشرات والعوالق النباتية والفطريات والبكتيريا.

يتم تجميع النظم البيئية الأرضية ، المعروفة أيضًا بتنوعها ، في فئات كبيرة تسمى المناطق الأحيائية ، مثل الغابات الاستوائية المطيرة والسافانا والصحاري والغابات الصنوبرية والغابات المتساقطة والتندرا. تجميع هذه النظم البيئية في عدد قليل من فئات المناطق الأحيائية يحجب التنوع الكبير للأنظمة البيئية الفردية داخلها. على سبيل المثال ، هناك تباين كبير في الغطاء النباتي الصحراوي: صبار ساجوارو والحياة النباتية الأخرى في صحراء سونوران ، في الولايات المتحدة ، وفيرة نسبيًا مقارنة بصحراء بوا فيستا الصخرية المقفرة ، وهي جزيرة تقع قبالة ساحل غرب إفريقيا ( الشكل 2).

الشكل 2. النظم الإيكولوجية الصحراوية ، مثلها مثل جميع النظم الإيكولوجية ، يمكن أن تختلف اختلافا كبيرا. تتمتع الصحراء في (أ) حديقة ساجوارو الوطنية ، أريزونا ، بالحياة النباتية الوفيرة ، في حين أن الصحراء الصخرية (ب) جزيرة بوا فيستا ، الرأس الأخضر ، أفريقيا ، خالية من الحياة النباتية. (الائتمان أ: تعديل العمل بواسطة جاي جالفين الائتمان ب: تعديل العمل بواسطة Ingo Wölbern)

النظم البيئية معقدة مع العديد من الأجزاء المتفاعلة. تتعرض بشكل روتيني لاضطرابات مختلفة ، أو تغيرات في البيئة تؤثر على مكوناتها: التغيرات السنوية في هطول الأمطار ودرجة الحرارة والعمليات الأبطأ لنمو النبات ، والتي قد تستغرق عدة سنوات. العديد من هذه الاضطرابات ناتجة عن عمليات طبيعية. على سبيل المثال ، عندما يتسبب البرق في نشوب حريق في الغابة ويدمر جزءًا من النظام البيئي للغابات ، فإن الأرض تسكنها في النهاية الأعشاب ، ثم الشجيرات والشجيرات ، ثم الأشجار الناضجة لاحقًا ، مما يعيد الغابة إلى حالتها السابقة. إن تأثير الاضطرابات البيئية التي تسببها الأنشطة البشرية لا يقل أهمية عن التغييرات التي تحدثها العمليات الطبيعية. ممارسات الزراعة البشرية ، وتلوث الهواء ، والأمطار الحمضية ، وإزالة الغابات العالمية ، والصيد الجائر ، والتغذيات ، وانسكابات النفط ، والإغراق غير القانوني على الأرض وفي المحيط ، كلها قضايا تهم دعاة الحفاظ على البيئة.

حالة توازن هي الحالة المستقرة لنظام بيئي حيث تكون جميع الكائنات متوازنة مع بيئتها ومع بعضها البعض. في علم البيئة ، يتم استخدام معلمتين لقياس التغيرات في النظم البيئية: المقاومة والمرونة. تسمى قدرة النظام البيئي على البقاء في حالة توازن على الرغم من الاضطرابات مقاومة. تسمى السرعة التي يستعيد بها النظام البيئي التوازن بعد تعرضه للاضطراب المرونة. مقاومة النظام البيئي ومرونته مهمان بشكل خاص عند النظر في التأثير البشري. قد تتغير طبيعة النظام البيئي إلى درجة أنه قد يفقد مرونته تمامًا. يمكن أن تؤدي هذه العملية إلى تدمير كامل أو تغيير لا رجعة فيه للنظام البيئي.

ثلاثة شوكة Stickleback

ثبت جيدًا من خلال نظرية الانتقاء الطبيعي أن التغيرات في البيئة تلعب دورًا رئيسيًا في تطور الأنواع داخل النظام البيئي. ومع ذلك ، لا يُعرف الكثير عن كيف يمكن لتطور الأنواع داخل النظام البيئي أن يغير بيئة النظام البيئي. في عام 2009 ، نشر الدكتور لوك هارمون ، من جامعة أيداهو في موسكو ، ورقة أظهرت لأول مرة أن تطور الكائنات الحية إلى سلالات يمكن أن يكون له تأثيرات مباشرة على بيئتها البيئية.

الشكل 3. تطورت شوكة الشوكة ثلاثية الأشواك من أسماك المياه المالحة إلى أسماك المياه العذبة. (الائتمان: باريت بول ، USFWS)

ثلاثة أشواك أبو شوكة (Gasterosteus aculeatus) هي أسماك المياه العذبة التي تطورت من أسماك المياه المالحة لتعيش في بحيرات المياه العذبة منذ حوالي 10000 عام ، والتي تعتبر تطورًا حديثًا في زمن التطور. على مدى 10000 عام الماضية ، أصبحت أسماك المياه العذبة هذه معزولة عن بعضها البعض في بحيرات مختلفة. اعتمادًا على مجموعة البحيرات التي تمت دراستها ، أظهرت النتائج أن هذه الشجيرات إما بقيت كنوع واحد أو تطورت إلى نوعين. أصبح تباين الأنواع ممكنًا من خلال استخدام مناطق مختلفة من البركة لتغذية تسمى المنافذ الصغيرة.

ابتكر الدكتور هارمون وفريقه عوالم مصغرة من الأحواض الاصطناعية في خزانات سعة 250 جالونًا ، وأضافوا الطين من أحواض المياه العذبة كمصدر للعوالق الحيوانية واللافقاريات الأخرى للحفاظ على الأسماك. في خزانات تجريبية مختلفة أدخلوا نوعًا واحدًا من أبو شوكة إما من بحيرة من نوع واحد أو نوع مزدوج.

بمرور الوقت ، لاحظ الفريق أن بعض الدبابات قد ازدهرت بالطحالب بينما لم تتفتح بعضها. حير هذا العلماء ، وقرروا قياس الماء & # 8217s الكربون العضوي المذاب (DOC) ، والذي يتكون في الغالب من جزيئات كبيرة من المواد العضوية المتحللة التي تعطي مياه البركة لونها البني قليلاً. اتضح أن المياه من الأحواض التي تحتوي على نوعين من الأسماك تحتوي على جزيئات أكبر من الكربون العضوي القابل للتحلل (وبالتالي المياه الأكثر قتامة) من المياه التي تحتوي على نوع واحد من الأسماك. أدت هذه الزيادة في الكربون العضوي القابل للتحلل إلى حجب ضوء الشمس ومنع تكاثر الطحالب. على العكس من ذلك ، احتوت المياه من الخزان أحادي النوع على جزيئات DOC أصغر ، مما يسمح بتغلغل المزيد من ضوء الشمس لتغذية تكاثر الطحالب.

من المحتمل أن يكون لهذا التغيير في البيئة ، والذي يرجع إلى عادات التغذية المختلفة لأنواع أبو شوكة في كل نوع بحيرة ، تأثير كبير على بقاء الأنواع الأخرى في هذه النظم البيئية ، وخاصة الكائنات الحية الأخرى التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي. وهكذا ، تُظهر الدراسة أنه ، على الأقل في هذه النظم البيئية ، يكون للبيئة وتطور السكان تأثيرات متبادلة يمكن الآن إدراجها في نماذج المحاكاة.


النماذج المفاهيمية

النماذج المفاهيمية مفيدة لوصف بنية النظام البيئي وديناميكياته ولإظهار العلاقات بين الكائنات الحية المختلفة في المجتمع وبيئتها. عادةً ما يتم تصوير النماذج المفاهيمية بيانياً على شكل مخططات انسيابية. يتم تجميع الكائنات الحية ومواردها في أقسام محددة مع أسهم توضح العلاقة ونقل الطاقة أو العناصر الغذائية فيما بينها. وبالتالي ، تسمى هذه المخططات أحيانًا نماذج مقصورة.

لنمذجة دورة المغذيات المعدنية ، يتم تقسيم المغذيات العضوية وغير العضوية إلى العناصر الغذائية المتوفرة بيولوجيًا (الجاهزة للدمج في الجزيئات البيولوجية الكبيرة) وتلك التي لا تتوفر. على سبيل المثال ، في النظام البيئي الأرضي بالقرب من رواسب الفحم ، سيكون الكربون متاحًا لنباتات هذا النظام البيئي كغاز ثاني أكسيد الكربون في فترة قصيرة ، وليس من الفحم الغني بالكربون نفسه. ومع ذلك ، على مدى فترة أطول ، سوف تدمج الكائنات الحية الدقيقة القادرة على هضم الفحم الكربون أو إطلاقه كغاز طبيعي (الميثان ، CH4) ، وتغيير هذا المصدر العضوي غير المتاح إلى مصدر متاح. يتم تسريع هذا التحول بشكل كبير من خلال احتراق البشر للوقود الأحفوري ، مما يؤدي إلى إطلاق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. يُعتقد أن هذا عامل رئيسي في ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي في العصر الصناعي. يتم إنتاج ثاني أكسيد الكربون الناتج عن حرق الوقود الأحفوري بشكل أسرع مما يمكن أن تستخدمه الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي. يتم تكثيف هذه العملية عن طريق الحد من أشجار التمثيل الضوئي بسبب إزالة الغابات في جميع أنحاء العالم. يتفق معظم العلماء على أن ارتفاع ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي هو سبب رئيسي لتغير المناخ العالمي.

تُستخدم النماذج المفاهيمية أيضًا لإظهار تدفق الطاقة عبر أنظمة بيئية معينة. يعتمد الشكل 6 على الدراسة الكلاسيكية التي أجراها هوارد تي أودوم عن نظام بيئي شامل في مدينة سيلفر سبرينغز بولاية فلوريدا في منتصف القرن العشرين. توضح هذه الدراسة محتوى الطاقة والانتقال بين أجزاء النظام البيئي المختلفة.

اتصال فني

الشكل 6. يوضح هذا النموذج المفاهيمي تدفق الطاقة عبر نظام بيئي ربيعي في سيلفر سبرينغز ، فلوريدا. لاحظ أن الطاقة تتناقص مع كل زيادة في المستوى الغذائي.

لماذا تعتقد أن القيمة الإجمالية للإنتاجية للمنتجين الأساسيين هي نفس قيمة إجمالي الحرارة والتنفس (20،810 كيلو كالوري / م 2 / سنة)؟


نمذجة البيئة وتطور التنوع البيولوجي: المهد الحيوي الجغرافي والمتاحف والقبور

يتزايد فهم العمليات الفردية التي تشكل الأنماط الجغرافية للتنوع البيولوجي ، لكن تفاعلاتها المعقدة على نطاقات مكانية وزمنية واسعة تظل بعيدة عن متناول النماذج التحليلية والتجارب التقليدية. لمواجهة هذا التحدي ، قمنا ببناء نموذج محاكاة ميكانيكي واضح مكانيًا ينفذ التكيف ، وتحولات النطاق ، والتجزئة ، والانتواع ، والتشتت ، والمنافسة ، والانقراض ، مدفوعًا بمناخات نموذجية على مدار 800000 سنة الماضية في أمريكا الجنوبية. أكد التمليس الطبوغرافي التجريبي تأثير عدم تجانس المناخ على التنويع. حددت عمليات المحاكاة مناطق وحلقات التنوّع (المهد) ، والمثابرة (المتاحف) ، والانقراض (القبور). على الرغم من أن عمليات المحاكاة لم يكن لها نمط مستهدف ولم يتم تحديد معاييرها بالبيانات التجريبية ، إلا أن خرائط الثراء الناشئة تشبه إلى حد كبير الخرائط المعاصرة للأنواع الرئيسية ، مما يؤكد الأدوار القوية للتطور والتنويع المدفوع بالطوبوغرافيا والمناخ.


ديناميات النيتروجين في النظم البيئية النموذجية البلوطية المعرضة لارتفاع درجة حرارة الهواء والجفاف في تربتين مختلفتين

كونها متسامحة مع الحرارة والجفاف ، تعتبر أشجار البلوط مرشحة واعدة للغابات في المستقبل في ضوء تغير المناخ في أوروبا الوسطى. من المتوقع أن يزداد ارتفاع درجة حرارة الهواء ، ويقلل الجفاف من توافر النيتروجين في التربة وبالتالي إمداد الأشجار بالنيتروجين. هنا ، أجرينا تجربة نموذجية للنظام الإيكولوجي ، حيث تم خلط مجموعات من خشب البلوط الصغير (Quercus robur, س: البتراء و Q. pubescens) على تربتين مختلفتين وخضعت لأربعة معالجات مناخية خلال ثلاثة مواسم نمو: ارتفاع درجة حرارة الهواء بمقدار 1-2 درجة مئوية ، وفترات الجفاف (متوسط ​​انخفاض هطول الأمطار بنسبة 43-60٪) ، مزيج من هاتين المعاملتين ، والتحكم . على عكس فرضياتنا ، لم يؤثر ارتفاع درجة حرارة الهواء أو الجفاف بشكل كبير على توافر النيتروجين ، في حين أظهرت الكميات الإجمالية والتوزيع الرأسي وتوافر التربة N اختلافات جوهرية بين التربتين. بينما لم يكن لارتفاع درجة حرارة الهواء أي تأثير على نمو الأشجار وتراكم النيتروجين ، فإن معالجة الجفاف قللت من نمو الأشجار وزادت ، أو تميل إلى زيادة ، تراكم النيتروجين في الكتلة الحيوية المختزلة ، مما يشير إلى أن النمو لم يكن مقيدًا بـ N. أن هذا التراكم كان مرتبطًا بزيادة امتصاص النترات. بناءً على نتائجنا ، من المتوقع أن تكون تأثيرات تغير المناخ على ديناميكيات N أقل أهمية في حوامل البلوط من انخفاض توافر مياه التربة.


46.1 إيكولوجيا النظم البيئية

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • وصف أنواع النظم البيئية الأساسية
  • اشرح الطرق التي يستخدمها علماء البيئة لدراسة بنية النظام البيئي وديناميكياته
  • التعرف على الطرق المختلفة لنمذجة النظام البيئي
  • ميّز بين سلاسل الغذاء وشبكات الغذاء وأدرك أهمية كلٍّ منهما

غالبًا ما تدور الحياة في نظام بيئي حول التنافس على الموارد المحدودة ، وهي سمة من سمات نظرية الانتقاء الطبيعي. لوحظ التنافس في المجتمعات (جميع الكائنات الحية داخل موائل محددة) داخل الأنواع وبين الأنواع المختلفة. تشمل الموارد التي تتنافس عليها الكائنات الحية المواد العضوية وضوء الشمس والمغذيات المعدنية ، والتي توفر الطاقة للعمليات الحية والمواد اللازمة لتكوين الهياكل الفيزيائية للكائنات. العوامل الحاسمة الأخرى التي تؤثر على ديناميكيات المجتمع هي مكونات بيئته المادية والجغرافية: خط عرض الموطن ، وكمية هطول الأمطار ، والتضاريس (الارتفاع) ، والأنواع المتاحة. هذه كلها متغيرات بيئية مهمة تحدد الكائنات الحية التي يمكن أن توجد في منطقة معينة.

النظام البيئي هو مجتمع من الكائنات الحية وتفاعلاتها مع بيئتها اللاأحيائية (غير الحية). يمكن أن تكون النظم البيئية صغيرة ، مثل برك المد والجزر الموجودة بالقرب من الشواطئ الصخرية للعديد من المحيطات ، أو كبيرة ، مثل غابات الأمازون المطيرة في البرازيل (الشكل 46.2).

هناك ثلاث فئات واسعة من النظم البيئية بناءً على بيئتها العامة: المياه العذبة ومياه المحيطات والأرضية. ضمن هذه الفئات الواسعة توجد أنواع من النظم البيئية الفردية تعتمد على الكائنات الحية الموجودة ونوع الموائل البيئية.

النظم البيئية للمحيطات هي الأكثر شيوعًا ، حيث تضم أكثر من 70 في المائة من سطح الأرض وتتكون من ثلاثة أنواع أساسية: المحيط الضحل ، ومياه المحيطات العميقة ، وأسطح المحيطات العميقة (المناطق ذات العمق المنخفض في أعماق المحيطات). تشمل النظم البيئية للمحيطات الضحلة أنظمة بيئية شديدة التنوع البيولوجي للشعاب المرجانية ، كما أن سطح المحيط العميق معروف بأعداده الكبيرة من العوالق والكريل (القشريات الصغيرة) التي تدعمه. هاتان البيئتان مهمتان بشكل خاص لأجهزة التنفس الهوائية في جميع أنحاء العالم حيث تؤدي العوالق النباتية 40 في المائة من جميع عمليات التمثيل الضوئي على الأرض. على الرغم من أنها ليست متنوعة مثل النظامين الآخرين ، إلا أن النظم الإيكولوجية لأعماق المحيطات تحتوي على مجموعة متنوعة من الكائنات البحرية. توجد مثل هذه النظم البيئية حتى في قاع المحيط حيث لا يستطيع الضوء اختراق الماء.

تعد النظم الإيكولوجية للمياه العذبة هي الأندر ، حيث توجد على 1.8 في المائة فقط من سطح الأرض. تشكل البحيرات والأنهار والجداول والينابيع هذه الأنظمة. إنها متنوعة تمامًا ، وهي تدعم مجموعة متنوعة من الأسماك والبرمائيات والزواحف والحشرات والعوالق النباتية والفطريات والبكتيريا.

يتم تجميع النظم البيئية الأرضية ، المعروفة أيضًا بتنوعها ، في فئات كبيرة تسمى المناطق الأحيائية ، مثل الغابات الاستوائية المطيرة والسافانا والصحاري والغابات الصنوبرية والغابات المتساقطة والتندرا. تجميع هذه النظم البيئية في عدد قليل من فئات المناطق الأحيائية يحجب التنوع الكبير للأنظمة البيئية الفردية داخلها. على سبيل المثال ، هناك تباين كبير في الغطاء النباتي الصحراوي: صبار ساجوارو والحياة النباتية الأخرى في صحراء سونوران ، في الولايات المتحدة ، وفيرة نسبيًا مقارنة بصحراء بوا فيستا الصخرية المقفرة ، وهي جزيرة تقع قبالة ساحل غرب إفريقيا ( الشكل 46.3).

النظم البيئية معقدة مع العديد من الأجزاء المتفاعلة. تتعرض بشكل روتيني لاضطرابات مختلفة ، أو تغيرات في البيئة تؤثر على مكوناتها: التغيرات السنوية في هطول الأمطار ودرجة الحرارة والعمليات الأبطأ لنمو النبات ، والتي قد تستغرق عدة سنوات. ينتج العديد من هذه الاضطرابات عن العمليات الطبيعية. على سبيل المثال ، عندما يتسبب البرق في نشوب حريق في الغابة ويدمر جزءًا من النظام البيئي للغابات ، فإن الأرض تسكنها في النهاية الأعشاب ، ثم الشجيرات والشجيرات ، ثم الأشجار الناضجة لاحقًا ، مما يعيد الغابة إلى حالتها السابقة. إن تأثير الاضطرابات البيئية التي تسببها الأنشطة البشرية لا يقل أهمية عن التغييرات التي تحدثها العمليات الطبيعية. الممارسات الزراعية البشرية ، وتلوث الهواء ، والأمطار الحمضية ، وإزالة الغابات العالمية ، والصيد الجائر ، والتغذيات ، وانسكابات النفط ، وإلقاء النفايات على الأرض وفي المحيط كلها قضايا تهم دعاة الحفاظ على البيئة.

التوازن هو الحالة المستقرة لنظام بيئي حيث تكون جميع الكائنات متوازنة مع بيئتها ومع بعضها البعض. في علم البيئة ، يتم استخدام معلمتين لقياس التغيرات في النظم البيئية: المقاومة والمرونة. المقاومة هي قدرة النظام البيئي على البقاء في حالة توازن على الرغم من الاضطرابات. المرونة هي السرعة التي يستعيد بها النظام البيئي التوازن بعد تعرضه للاضطراب. مقاومة النظام البيئي ومرونته مهمان بشكل خاص عند النظر في التأثير البشري. قد تتغير طبيعة النظام البيئي إلى درجة أنه قد يفقد مرونته تمامًا. يمكن أن تؤدي هذه العملية إلى تدمير كامل أو تغيير لا رجعة فيه للنظام البيئي.

سلاسل الغذاء وشبكات الغذاء

يستخدم مصطلح "السلسلة الغذائية" أحيانًا بشكل مجازي لوصف المواقف الاجتماعية البشرية. يُنظر إلى الأفراد الذين يُنظر إليهم على أنهم ناجحون على أنهم في قمة السلسلة الغذائية ، ويستهلكون كل الآخرين لمصلحتهم ، في حين يُنظر إلى الأشخاص الأقل نجاحًا على أنهم في القاع.

يعتبر الفهم العلمي للسلسلة الغذائية أكثر دقة من استخدامه اليومي. في علم البيئة ، فإن السلسلة الغذائية هي سلسلة خطية من الكائنات الحية تمر عبرها المغذيات والطاقة: يتم استخدام المنتجين الأساسيين والمستهلكين الأساسيين والمستهلكين ذوي المستوى الأعلى لوصف بنية النظام الإيكولوجي وديناميكياته. هناك مسار واحد عبر السلسلة. يحتل كل كائن حي في سلسلة غذائية ما يسمى المستوى الغذائي. اعتمادًا على دورها كمنتجين أو مستهلكين ، يمكن تعيين الأنواع أو مجموعات الأنواع إلى مستويات غذائية مختلفة.

في العديد من النظم البيئية ، يتكون الجزء السفلي من السلسلة الغذائية من كائنات التمثيل الضوئي (النباتات و / أو العوالق النباتية) ، والتي تسمى المنتجين الأساسيين. الكائنات الحية التي تستهلك المنتجين الأساسيين هي العواشب: المستهلكون الأساسيون. عادة ما يكون المستهلكون الثانويون من الحيوانات آكلة اللحوم التي تأكل المستهلكين الأساسيين. المستهلكون من الدرجة الثالثة هم من الحيوانات آكلة اللحوم التي تأكل آكلات اللحوم الأخرى. يتغذى المستهلكون ذوو المستوى الأعلى على المستويات المدارية الأدنى التالية ، وما إلى ذلك ، حتى الكائنات الحية في الجزء العلوي من السلسلة الغذائية: المستهلكون الرئيسيون. في السلسلة الغذائية لبحيرة أونتاريو الموضحة في الشكل 46.4 ، يعتبر سلمون شينوك هو المستهلك الرئيسي في قمة هذه السلسلة الغذائية.

أحد العوامل الرئيسية التي تحد من طول السلاسل الغذائية هو الطاقة. تُفقد الطاقة كحرارة بين كل مستوى غذائي بسبب القانون الثاني للديناميكا الحرارية. وبالتالي ، بعد عدد محدود من عمليات نقل الطاقة الغذائية ، قد لا تكون كمية الطاقة المتبقية في السلسلة الغذائية كبيرة بما يكفي لدعم مجموعات قابلة للحياة عند مستوى تغذوي أعلى.

يتضح فقدان الطاقة بين المستويات الغذائية من خلال الدراسات الرائدة التي أجرتها Howard T. Odum في نظام Silver Springs ، فلوريدا ، النظام البيئي في الأربعينيات (الشكل 46.5). أنتج المنتجون الأوليون 20819 كيلو كالوري / م 2 / سنة (كيلو كالوري لكل متر مربع سنويًا) ، أنتج المستهلكون الأساسيون 3368 كيلو كالوري / م 2 / عام ، بينما أنتج المستهلكون الثانويون 383 كيلو كالوري / م 2 / عام ، بينما أنتج المستهلكون من الدرجة الثالثة فقط 21 كيلو كالوري / م 2 / سنة. وبالتالي ، هناك القليل من الطاقة المتبقية لمستوى آخر من المستهلكين في هذا النظام البيئي.

هناك مشكلة واحدة عند استخدام سلاسل الغذاء لوصف معظم النظم البيئية بدقة. حتى عندما يتم تجميع جميع الكائنات الحية في مستويات غذائية مناسبة ، يمكن لبعض هذه الكائنات أن تتغذى على أنواع من أكثر من مستوى غذائي واحد وبالمثل ، يمكن أن تأكل بعض هذه الكائنات من قبل الأنواع من مستويات غذائية متعددة. وبعبارة أخرى ، فإن النموذج الخطي للنظم البيئية ، السلسلة الغذائية ، ليس وصفيًا تمامًا لهيكل النظام البيئي. يعد النموذج الشامل - الذي يفسر جميع التفاعلات بين الأنواع المختلفة وعلاقاتها المعقدة والمترابطة مع بعضها البعض ومع البيئة - نموذجًا أكثر دقة ووصفًا للأنظمة البيئية. الشبكة الغذائية هي تمثيل رسومي لشبكة غير خطية شاملة من المنتجين الأساسيين والمستهلكين الأساسيين والمستهلكين رفيعي المستوى المستخدمة لوصف هيكل النظام البيئي وديناميكياته (الشكل 46.6).

تُظهر المقارنة بين نوعي نماذج النظم البيئية الهيكلية قوة في كليهما. تعد سلاسل الغذاء أكثر مرونة للنمذجة التحليلية ، ويسهل متابعتها ، ويسهل تجربتها ، بينما تمثل نماذج الويب الغذائية بشكل أكثر دقة بنية النظام الإيكولوجي وديناميكياته ، ويمكن استخدام البيانات مباشرة كمدخلات لنمذجة المحاكاة.

ارتباط بالتعلم

توجه إلى هذا المحاكي التفاعلي عبر الإنترنت لاستكشاف وظيفة شبكة الغذاء. في ال مختبرات تفاعلية مربع تحت الشبكة الغذائية، انقر الخطوة 1. اقرأ التعليمات أولاً ، ثم انقر فوق الخطوة 2 للحصول على تعليمات إضافية. عندما تكون جاهزًا لإنشاء محاكاة ، في الزاوية العلوية اليمنى من ملف مختبرات تفاعلية مربع ، انقر فوق فتح محاكاة.

غالبًا ما يتم عرض نوعين عامين من شبكات الغذاء يتفاعلان داخل نظام بيئي واحد. تحتوي شبكة الغذاء الرعوية (مثل شبكة الغذاء في بحيرة أونتاريو في الشكل 46.6) على نباتات أو كائنات حية ضوئية أخرى في قاعدتها ، تليها الحيوانات العاشبة ومختلف الحيوانات آكلة اللحوم. تتكون شبكة الغذاء الفتات من قاعدة من الكائنات الحية التي تتغذى على المواد العضوية المتحللة (الكائنات الميتة) ، والتي تسمى المُحلِّلات أو المواد الحارقة. عادة ما تكون هذه الكائنات عبارة عن بكتيريا أو فطريات تقوم بإعادة تدوير المواد العضوية إلى الجزء الحيوي من النظام البيئي حيث يتم استهلاكها من قبل الكائنات الحية الأخرى. نظرًا لأن جميع النظم البيئية تتطلب طريقة لإعادة تدوير المواد من الكائنات الحية الميتة ، فإن معظم شبكات الغذاء الرعوية لها شبكة غذائية حطامية مرتبطة. على سبيل المثال ، في النظام الإيكولوجي للمروج ، قد تدعم النباتات شبكة طعام رعي من كائنات مختلفة ، ومستويات أولية ومستويات أخرى من المستهلكين ، بينما تدعم في نفس الوقت شبكة غذائية من البكتيريا والفطريات واللافقاريات الآكلة للنباتات التي تتغذى على النباتات والحيوانات الميتة. .

اتصال التطور

ثلاثة شوكة Stickleback

ثبت جيدًا من خلال نظرية الانتقاء الطبيعي أن التغيرات في البيئة تلعب دورًا رئيسيًا في تطور الأنواع داخل النظام البيئي. ومع ذلك ، لا يُعرف الكثير عن كيف يمكن لتطور الأنواع داخل النظام البيئي أن يغير بيئة النظام البيئي. في عام 2009 ، نشر الدكتور لوك هارمون ، من جامعة أيداهو ، ورقة أظهرت لأول مرة أن تطور الكائنات الحية إلى سلالات يمكن أن يكون له تأثيرات مباشرة على بيئتها البيئية. 1

أبو شوكة ثلاثي الأشواك (Gasterosteus aculeatus) هي أسماك المياه العذبة التي تطورت من أسماك المياه المالحة لتعيش في بحيرات المياه العذبة منذ حوالي 10000 عام ، والتي تعتبر تطورًا حديثًا في زمن التطور (الشكل 46.7). على مدى 10000 عام الماضية ، أصبحت أسماك المياه العذبة هذه معزولة عن بعضها البعض في بحيرات مختلفة. اعتمادًا على مجموعة البحيرات التي تمت دراستها ، أظهرت النتائج أن هذه الشجيرات إما بقيت كنوع واحد أو تطورت إلى نوعين. أصبح تباين الأنواع ممكنًا من خلال استخدام مناطق مختلفة من البركة لتغذية تسمى المنافذ الصغيرة.

ابتكر الدكتور هارمون وفريقه عوالم مصغرة من الأحواض الاصطناعية في خزانات سعة 250 جالونًا ، وأضافوا الطين من أحواض المياه العذبة كمصدر للعوالق الحيوانية واللافقاريات الأخرى للحفاظ على الأسماك. في خزانات تجريبية مختلفة ، أدخلوا نوعًا واحدًا من أبو شوكة إما من بحيرة من نوع واحد أو نوع مزدوج.

بمرور الوقت ، لاحظ الفريق أن بعض الدبابات قد ازدهرت بالطحالب بينما لم تتفتح أخرى. حير هذا العلماء ، وقرروا قياس الكربون العضوي المذاب في الماء (DOC) ، والذي يتكون في الغالب من جزيئات كبيرة من المواد العضوية المتحللة التي تعطي مياه البركة لونها البني قليلاً. اتضح أن المياه من الأحواض التي تحتوي على نوعين من الأسماك تحتوي على جزيئات أكبر من الكربون العضوي القابل للتحلل (وبالتالي المياه الأكثر قتامة) من المياه التي تحتوي على نوع واحد من الأسماك. أدت هذه الزيادة في الكربون العضوي القابل للتحلل إلى حجب ضوء الشمس ومنع تكاثر الطحالب. على العكس من ذلك ، احتوت المياه من الخزان أحادي النوع على جزيئات DOC أصغر ، مما يسمح بتغلغل المزيد من ضوء الشمس لتغذية تكاثر الطحالب.

من المحتمل أن يكون لهذا التغيير في البيئة ، والذي يرجع إلى عادات التغذية المختلفة لأنواع أبو شوكة في كل نوع بحيرة ، تأثير كبير على بقاء الأنواع الأخرى في هذه النظم البيئية ، وخاصة الكائنات الحية الأخرى التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي. وهكذا ، تُظهر الدراسة أنه ، على الأقل في هذه النظم البيئية ، يكون للبيئة وتطور السكان تأثيرات متبادلة يمكن الآن إدراجها في نماذج المحاكاة.

البحث في ديناميات النظام البيئي: تجربة النظم البيئية والنمذجة

تسمى دراسة التغييرات في بنية النظام البيئي الناتجة عن التغيرات في البيئة (الاضطرابات) أو عن طريق القوى الداخلية ديناميكيات النظام البيئي. تتميز النظم البيئية باستخدام مجموعة متنوعة من منهجيات البحث. يدرس بعض علماء البيئة النظم البيئية باستخدام أنظمة تجريبية خاضعة للرقابة ، بينما يدرس البعض النظم البيئية بأكملها في حالتها الطبيعية ، ويستخدم آخرون كلا النهجين.

يحاول نموذج النظام البيئي الشامل تحديد التكوين والتفاعل وديناميكيات النظم البيئية بأكملها وهو الأكثر تمثيلاً للنظام البيئي في حالته الطبيعية. شبكة الغذاء هي مثال على نموذج النظام البيئي الشامل. ومع ذلك ، فإن هذا النوع من الدراسة محدود بالوقت والنفقات ، فضلاً عن حقيقة أنه ليس من المجدي ولا الأخلاقي إجراء تجارب على النظم البيئية الطبيعية الكبيرة. من الصعب تحديد كمية جميع الأنواع المختلفة في النظام البيئي والديناميكيات في بيئتها ، خاصة عند دراسة الموائل الكبيرة مثل غابات الأمازون المطيرة.

لهذه الأسباب ، يدرس العلماء النظم البيئية في ظل ظروف أكثر تحكمًا. عادةً ما تتضمن الأنظمة التجريبية إما تقسيم جزء من نظام بيئي طبيعي يمكن استخدامه لإجراء التجارب ، يُطلق عليه اسم عالم متوسط ​​، أو عن طريق إعادة إنشاء نظام بيئي بالكامل في بيئة معملية داخلية أو خارجية ، والتي يشار إليها باسم صورة مصغرة. يتمثل أحد القيود الرئيسية لهذه الأساليب في أن إزالة الكائنات الحية الفردية من نظامها البيئي الطبيعي أو تغيير النظام البيئي الطبيعي من خلال التقسيم قد يغير ديناميكيات النظام البيئي. غالبًا ما تكون هذه التغييرات ناتجة عن الاختلافات في أعداد الأنواع وتنوعها وأيضًا إلى التغيرات البيئية الناتجة عن تقسيم (العالم المتوسط) أو إعادة إنشاء (العالم المصغر) الموائل الطبيعية. وبالتالي ، فإن هذه الأنواع من التجارب لا تنبئ تمامًا بالتغيرات التي قد تحدث في النظام البيئي الذي تم جمعها منه.

نظرًا لأن كلا النهجين لهما حدود ، يقترح بعض علماء البيئة أنه يجب استخدام نتائج هذه الأنظمة التجريبية فقط بالاقتران مع دراسات النظام البيئي الشاملة للحصول على البيانات الأكثر تمثيلا حول بنية النظام البيئي ووظيفته وديناميكياته.

يستخدم العلماء البيانات الناتجة عن هذه الدراسات التجريبية لتطوير نماذج النظام البيئي التي توضح بنية وديناميكيات النظم البيئية. يستخدمون ثلاثة أنواع أساسية من نمذجة النظام البيئي في البحث وإدارة النظام البيئي: نموذج مفاهيمي ونموذج تحليلي ونموذج محاكاة. النموذج المفاهيمي هو نموذج للنظام البيئي يتكون من مخططات تدفق لإظهار تفاعلات الأجزاء المختلفة للمكونات الحية وغير الحية للنظام البيئي. يصف النموذج المفاهيمي بنية النظام الإيكولوجي ودينامياته ويوضح كيف تؤثر الاضطرابات البيئية على النظام البيئي ، ومع ذلك ، فإن قدرته على التنبؤ بآثار هذه الاضطرابات محدودة. على النقيض من ذلك ، فإن النماذج التحليلية والمحاكاة هي طرق رياضية لوصف النظم البيئية القادرة بالفعل على التنبؤ بآثار التغيرات البيئية المحتملة دون إجراء تجارب مباشرة ، على الرغم من وجود بعض القيود فيما يتعلق بالدقة. النموذج التحليلي هو نموذج للنظام البيئي يتم إنشاؤه باستخدام معادلات رياضية بسيطة للتنبؤ بآثار الاضطرابات البيئية على بنية النظام البيئي وديناميكياته. نموذج المحاكاة هو نموذج للنظام الإيكولوجي تم إنشاؤه باستخدام خوارزميات الكمبيوتر المعقدة لنمذجة النظم البيئية بشكل شامل وللتنبؤ بآثار الاضطرابات البيئية على بنية النظام البيئي وديناميكياته. Ideally, these models are accurate enough to determine which components of the ecosystem are particularly sensitive to disturbances, and they can serve as a guide to ecosystem managers (such as conservation ecologists or fisheries biologists) in the practical maintenance of ecosystem health.

Conceptual Models

Conceptual models are useful for describing ecosystem structure and dynamics and for demonstrating the relationships between different organisms in a community and their environment. Conceptual models are usually depicted graphically as flow charts. The organisms and their resources are grouped into specific compartments with arrows showing the relationship and transfer of energy or nutrients between them. Thus, these diagrams are sometimes called compartment models.

To model the cycling of mineral nutrients, organic and inorganic nutrients are subdivided into those that are bioavailable (ready to be incorporated into biological macromolecules) and those that are not. For example, in a terrestrial ecosystem near a deposit of coal, carbon will be available to the plants of this ecosystem as carbon dioxide gas in a short-term period, not from the carbon-rich coal itself. However, over a longer period, microorganisms capable of digesting coal will incorporate its carbon or release it as natural gas (methane, CH4), changing this unavailable organic source into an available one. This conversion is greatly accelerated by the combustion of fossil fuels by humans, which releases large amounts of carbon dioxide into the atmosphere. This is thought to be a major factor in the rise of the atmospheric carbon dioxide levels in the industrial age. The carbon dioxide released from burning fossil fuels is produced faster than photosynthetic organisms can use it. This process is intensified by the reduction of photosynthetic trees because of worldwide deforestation. Most scientists agree that high atmospheric carbon dioxide is a major cause of global climate change.

Conceptual models are also used to show the flow of energy through particular ecosystems. Figure 46.8 is based on Howard T. Odum’s classical study of the Silver Springs, Florida, holistic ecosystem in the mid-twentieth century. 2 This study shows the energy content and transfer between various ecosystem compartments.

اتصال مرئي

Why do you think the value for gross productivity of the primary producers is the same as the value for total heat and respiration (20,810 kcal/m 2 /yr)?

Analytical and Simulation Models

The major limitation of conceptual models is their inability to predict the consequences of changes in ecosystem species and/or environment. Ecosystems are dynamic entities and subject to a variety of abiotic and biotic disturbances caused by natural forces and/or human activity. Ecosystems altered from their initial equilibrium state can often recover from such disturbances and return to a state of equilibrium. As most ecosystems are subject to periodic disturbances and are often in a state of change, they are usually either moving toward or away from their equilibrium state. There are many of these equilibrium states among the various components of an ecosystem, which affects the ecosystem overall. Furthermore, as humans have the ability to greatly and rapidly alter the species content and habitat of an ecosystem, the need for predictive models that enable understanding of how ecosystems respond to these changes becomes more crucial.

Analytical models often use simple, linear components of ecosystems, such as food chains, and are known to be complex mathematically therefore, they require a significant amount of mathematical knowledge and expertise. Although analytical models have great potential, their simplification of complex ecosystems is thought to limit their accuracy. Simulation models that use computer programs are better able to deal with the complexities of ecosystem structure.

A recent development in simulation modeling uses supercomputers to create and run individual-based simulations, which accounts for the behavior of individual organisms and their effects on the ecosystem as a whole. These simulations are considered to be the most accurate and predictive of the complex responses of ecosystems to disturbances.

ارتباط بالتعلم

Visit The Darwin Project to view a variety of ecosystem models, including simulations that model predator-prey relationships to learn more.


Trophic dynamics of a simple model ecosystem

We have constructed a model of community dynamics that is simple enough to enumerate all possible food webs, yet complex enough to represent a wide range of ecological processes. We use the transition matrix to predict the outcome of succession and then investigate how the transition probabilities are governed by resource supply and immigration. Low-input regimes lead to simple communities whereas trophically complex communities develop when there is an adequate supply of both resources and immigrants. Our interpretation of trophic dynamics in complex communities hinges on a new principle of mutual replenishment, defined as the reciprocal alternation of state in a pair of communities linked by the invasion and extinction of a shared species. Such neutral couples are the outcome of succession under local dispersal and imply that food webs will often be made up of suites of trophically equivalent species. When immigrants arrive from an external pool of fixed composition a similar principle predicts a dynamic core of webs constituting a neutral interchange network, although communities may express an extensive range of other webs whose membership is only in part predictable. The food web is not in general predictable from whole-community properties such as productivity or stability, although it may profoundly influence these properties.

الكلمات الدالة: community ecology ecological stability food web mutual replenishment neutral theory trophic level.

بيان تضارب المصالح

ليس لدينا مصالح متنافسة.

الأرقام

The basic food web motifs…

The basic food web motifs illustrated by the structure of the ABG web.…

The set of 94 topologically…

The set of 94 topologically distinct webs each comprising two resources, up to…

Frequencies of webs in replicated…

Frequencies of webs in replicated experiments in relation to global immigration and local…


مقدمة

Advanced spatial assessment and monitoring of biodiversity in today’s rapidly changing world is vital for managing future biological resources and a key element of several 2020 targets of the Convention on Biological Diversity [1,2] and the Intergovernmental Platform on Biodiversity and Ecosystem Services [3]. Growing evidence highlights the importance of fine-grain (≤1 km) climatic and environmental variability in driving the spatial distribution and abundance of organisms [4] and the need to correctly capture this variation globally [5,6]. Ecological research at regional to global extents remains reliant on environmental information that lacks important detail and is often interpolated between ground stations over vast distances of highly variable terrain [5,7].

Cloud cover and precipitation are prime examples of important environmental factors that can have significant spatial variability at grains lower than 2 km [8] and are particularly difficult to interpolate [9]. Cloud cover influences processes ranging from reproductive success in reptiles [10] to leaf wetness [11], CO2 uptake [12], and the geographic distribution of plants [13]. Especially in the tropics, seasonal variability of cloud cover is typically more important than day length and solar angle in reducing available solar irradiance, with multi-fold ecological consequences [14]. These effects are difficult to observe in other remotely sensed products including vegetation indices, which for many parts of the world do not show much change throughout the year [15]. For example, [16] reported that persistent cloud cover on Santa Cruz Island (California, United States) reduced annual drought stress in bishop pine (Pinus muricata) by 22%–44% compared to less cloudy areas further inland. In other work, [10] experimentally altered available radiation to simulate increased cloud cover and found it lowered maternal pregnancy success and slowed growth rates of female McCann’s skinks (Oligosoma maccanni). Furthermore, cloud frequency can be a better predictor than interpolated precipitation for species distributions [13]. However, most studies incorporating cloud observations have very limited spatial extents and required either local cloud observations or extensive processing of satellite observations. Fortunately, several decades of satellite data now offer new opportunities to characterize our planet by providing data globally with consistent methodology and, critically, spatially contiguous observations at high spatial resolution.

To date, the complex processing paths required for extracting fine-grain data from existing cloud products and the coarse spatial resolution of existing climatologies have made it difficult to access and account for cloud dynamics in ecological and biodiversity models. For example, recent work on the ecology of cloud forests [11] required processing over 14,000 daily ungridded satellite images simply to compare cloud frequency at two locations that were 2 km apart. The current alternative to this approach is to rely on available cloud climatologies, which typically have very coarse spatial resolution. A recent systematic review of satellite-derived cloud climatologies [17] and all Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) level three atmosphere products are summarized at 1° (≈110 km) resolution (S1 Table). While this grain may be appropriate for study of global cloud dynamics (and necessary for cross-platform comparison), it is far too coarse to capture fine-grain variability that is important in many ecological questions [11]. Furthermore, cloud dynamics are particularly difficult to adequately parameterize in climate models [18] and, thus, the quality of modeled fine-grain cloud products are questionable. There are a few examples of finer-grain climatologies based on other sensors, such as HIRS (≈20 km) [19], AVHRR PATMOS-x [20] (≈11 km), and GridSAT [21] (≈8 km), but these are eight to 20 times coarser than possible with MODIS observations (S1 Table). There have been several regional–national climatologies assembled at finer (≤1 km) resolution from MODIS data, and these generally perform well in comparison with station observations and other meteorological satellites (e.g., [22]).

To date, there have been two efforts to produce large-domain, high-resolution (≤1 km) cloud climatologies from the MODIS archive. One is based on the MOD35 250 m visible cloud mask [23], but this is spatially bounded to the tropics and incorporates only seven years of data (2000–2006). Additionally, these data were derived from the problematic collection 5 MODIS (MOD35) cloud mask and, thus, contain significant land-cover and processing-path biases in cloud frequency [24]. The other MODIS-derived 1 km cloud climatology [25,26] avoids the problematic MOD35 algorithm through a simple cloud masking procedure based on scaled visible wavelength (RGB) images from the MODIS “Rapid Response” system [27]. Douglas et. آل. developed an algorithm that applies a user-defined threshold to convert RGB “brightness” to “cloudiness.” However, the product is based on a derivative of surface reflectance data rescaled for visual appeal [27], is strongly dependent on the brightness threshold, and is problematic over high-albedo surfaces (such as urban areas or snow). Furthermore, this approach does not exploit more sophisticated tests used in most cloud detection algorithms such as cloud-top infrared temperature [17] and is only available for select regions around the globe.

In this paper, we develop new fine-grain (≈1 km resolution) global cloud climatologies from the 15-year MODIS archive of twice-daily observations. We then validate the new layers using cloud observations collected at a global network of 5,388 weather stations since 1971. To illustrate the utility of the new global fine-grain cloud cover observations, we explore four biodiversity science applications: (1) Biome boundaries are typically characterized by multiple environmental attributes, but cloud-associated variables tend to be either statistically interpolated or not well captured in existing global datasets. We illustrate how the substantial fine-grain variation in cloud cover dynamics can help delineate sharp ecological transitions. (2) Climatic stability is associated with elevated biological endemism [28–30] but is difficult to map globally at high spatial resolution. We suggest that cloud cover is an important yet often overlooked variable and put forward a first map of cloud cover stability. (3) Some ecosystems and the species specialized on them are particularly affected by local cloud conditions. We demonstrate how the newly developed remote sensing products allow a delineation of cloud forest habitats worldwide in unprecedented detail and with the potential for continued monitoring. (4) Species distribution modeling is an important biogeographical tool, but is often reliant on interpolated climatic data. We show that incorporating remotely sensed cloud climatologies in species distribution models can improve predictive accuracy without inflating autocorrelation inherent in commonly used interpolated data.


شاهد الفيديو: Bio1- Water and life (أغسطس 2022).