EKOLOGIA dla BIOTECHNOLOGII. RóŜnorodność biologiczna

Transkrypt

1 EKOLOGIA dla BIOTECHNOLOGII RóŜnorodność biologiczna

2 Górska łąka w Beskidzie Sądeckim, czerwiec 2000

3

4 Mata bakteryjna (Baja California)

5 OFICJALNA DEFINICJA BIORÓŻNORODNO NORODNOŚCI RóŜnorodność biologiczna jest to zmienność wszystkich form Ŝycia, gdziekolwiek ono występuje, włączywszy m.in. ekosystemy lądowe, morskie i słodkowodne, oraz układy ekologiczne, których są częścią; pojęcie to obejmuje zmienność wewnątrzgatunkową, międzygatunkową i róŝnorodność ekosystemów Art. 2 Konwencji o BioróŜnorodności ONZ (Rio de Janeiro, 1992)

6

7 RóŜne pojęcia róŝnorodności biologicznej: ZróŜnicowanie genetyczne osobników RóŜnorodność strategii Ŝyciowych organizmów Bogactwo gatunkowe RóŜnorodność strukturalna biocenoz Rozmaitość biomów

8 Funkcja ekosystemu: cykl redox CO 2 Redukcja (produkcja) Utlenianie (oddychanie) (CH 2 O) n

9 Heterotrof jeden gatunek pełni funkcję ekosystemu Substrat zredukowany Ciepło Substrat utleniony Potomstwo

10 Ekosystem złoŝony z dwóch gatunków Substrat utleniony Energia Ciepło REDUCENT (PRODUCENT) DESTRUENT (KONSUMENT) Substrat zredukowany

11 Ekosystem złoŝony z wielu gatunków Energia Ciepło konkurencja drapieŝnictwo pasoŝytnictwo mutualizm

12 Bogactwo gatunkowe biosfery Jakie jest duŝe (ile jest gatunków?) Od czego zaleŝy (skąd się bierze?) Jak się zmieniało w historii Ŝycia na Ziemi? Jak się rozkłada w przestrzeni? Jakie ma znaczenie dla funkcjonowania biosfery? Czy jest zagroŝone? Jakie ma znaczenie praktyczne dla ludzi?

13 Liczba nowo opisywanych rodzajów i gatunków orzęsków wciąŝ rośnie wykładniczo

14

15 wstawić przyrost l. gat. ptaków (jak w podręczniku) odkrywane ostatnio gatunki (liczby, przykłady, antylopa z Wietnamu, ośmiornice głębinowe Wollemia nobilis Anonymus 1999 (Araukariaceae); odkryta w Australii : 1994

16 Okapi (Okapia johnstoni) Giraffidae odkryty w Kongo w r. 1900

17 Pseudoryx nghetinhensis 1992

18

19 T.L.Erwin

20 OSZACOWANIE LICZBY GATUNKÓW PRZEZ ERWINA Fumigowano 19 drzew Luehea seemani (Panama) zebrano gatunków chrząszczy ZałoŜenie 1: Średnia specyficzność chrząszczy 13.5% zatem: l. gat specyficznych ZałoŜenie 2: L. gat drzew w lesie równikowym 50000, na kaŝdym wyspecjalizowane chrząszcze zatem: łączna l. gat. wyspecjalizowanych ZałoŜenie 3: Chrząszcze stanowią 40% gat. stawonogów zatem: l. gat. stawonogów ZałoŜenie 4: W koronach drzew 2 x więcej gat. niŝ na dnie lasu zatem: całkowita l. gat w lesie równikowym.. 30 mln

21 Liczba gatunków owadów GB: Liczba gatunków motyli dziennych GB: 67 Liczba gatunków motyli dziennych świata: tys. Szacowana liczba gatunków owadów świata: (22000/67) x ( ) = 4.9 do 6.6 mln

22 Nieznana róŝnorodność gatunkowa mikroorganizmów Grupa Liczba gatunków znanych szacowana % znanych gatunków Algae Bacteria Fungi ? 5? Virales Protista RAZEM ? 8?

23 SZACOWANA RÓśNORODNOŚĆ FORM PROCARYA Solanka ŹRÓDŁO DNA Gleba leśna Gleba pastwiska Gleba orna Osady mor skie Osady morskiej hodowli ryb LICZEBNOŚĆ KOMÓREK 4.8 x x x x x x 10 7 SZACOWANA LICZBA GENOMÓW Torsvik et al

24 Liczba znanych gatunków współczesnych organizmów: ok. 1,4 mln Liczba hipotetyczna: ok. 30 mln

25 WSZYSTKIE ZNANE ORGANIZMY (ok. 1.4 mln gatunków) Paprot Mszak niki i Jednol iścien ne Inne 1000 Dwuliś cienne e mięczaki inne stawonogi inne bezkrgowc Pluskwiaki Muchówki zwierzęta pierwotn. rośliny grzyby bakterie wirusy Inne kręgowce owady Chrząszcze ZWIERZĘTA OWADY ROŚLINY Błonkówki Motyle

26 RÓśNORODNOŚĆ GATUNKOWA W POLSCE (ŁĄCZNIE ZNANYCH OK GATUNKÓW) 59% 2% 2% 10% 3% 16% 2% 6% Bakterie Grzyby Porosty Rośliny Pierwotniaki Inne bezkręgowce Stawonogi Kręgowce

28 ?

30 Liczba rodzin planktonowych Foraminifera (Sepkoski 1993)

31 Zmiany róŝnorodności gatunkowej radiolarii (a) i roślin lądowych (b) w okresie fanerozoiku

32 Zmiany róŝnorodności (liczba rodzin) owadów i kręgowców czworonogów w okresie fanerozoiku

33 Zmiany róŝnorodności form Ŝyciowych w biosferze w ciągu fanerozoiku wszystkie organizmy organizmy lądowe organizmy morskie (Benton, 1995)

34 ZMIANY RÓśNORODNOŚCI BIOLOGICZNEJ BIOSFERY W FANEROZOIKU (OSZACOWANA LICZBA RODZIN WSZYSTKICH TAKSONÓW) wg Bentona, 1995

35 Liczba rodzin Planktonowych Foraminifera (Sepkoski 1993) WIELKIE WYMIERANIA

36 ZAGINIONY ŚWIAT PERMU

37 Liczba rodzin Planktonowych Foraminifera (Sepkoski 1993) WIELKIE WYMIERANIA

38 DINOZAURY WYGINĘŁY W KATASTROFIE NA PRZEŁOMIE KREDY I TRZECIORZĘDU 65 MLN LAT TEMU

39 Jezioro Manicouagan w pn. Quebec, Kanada, 70 km średnicy KRATERY IMPAKTOWE Krater meteorytu Barringer w Arizonie, średnica 1.5 km

40 KRATER METEORYTOWY CHICXULUB

41 Ślad krawędzi krateru Chicxulub widoczny na przetworzonym zdjęciu satelitarnym

42

43 Trapy Dekanu Pozostałość gigantycznej aktywności wulkanicznej

45 Alfred Russel Wallace ( )

46

47 Bogactwo rodzajów termitów w zaleŝności od szerokości geograficznej

48 GRADIENT GEOGRAFICZNY BOGACTWA RODZIN Rośliny kwiatowe Płazy Liczba rodzin Gady Ssaki Strefa szerokości geograficznej Gaston et al

49 Gradient geograficzny róŝnorodności gatunków (a) i rodzajów (b) morskich małŝy (wg Flessa & Jablonski 1995) Liczba gatunków Liczba rodzajów Szerokość geograficzna Szerokość geograficzna

50 Gradient geograficzny róŝnorodności rodzajów współczesnych koralowców (Fraser & Currie 1996)

51 Gradient geograficzny róŝnorodności gatunków fosylnych otwornic (wg Stehli et al. 1969) % znanych gatunków Szerokość geograficzna

52 Bogactwo gatunkowe ptaków w Ameryce Północnej (Brown & Gibson, 1983; Currie, 1991) Szerokość geograficzna

53 Bogactwo gatunkowe ptaków wróblowatych w Argentynie (Rabinowich & Rapoport 1975)

54 Bogactwo gatunkowe płazów w Ameryce Północnej (Currie, 1991)

55 Bogactwo gatunkowe ssaków w Ameryce Północnej (Currie, 1991) Szerokość geograficzna

56 Gradient bogactwa gatunkowego ssaków Ameryki Pn. i Środkowej (Rozenzweig, 1995) Średnia liczba gatunków Szerokość geograficzna

57 Bogactwo gatunkowe gadów w Ameryce Północnej (Currie, 1991) Szerokość geograficzna

58 Przykład odwróconego gradientu róŝnorodności gatunkowej: błonkówki z rodziny pilarzowatych Liczba gatunków na 1000 km 2 Szerokość geograficzna

59 Bogactwo gatunkowe drzew w Ameryce Północnej (Currie, 1991)

60 PRODUKTYWNOŚĆ BIOSFERY (ZAWARTOŚĆ CHLOROFILU) SeaWiFS Global Biosphere

61 ZALEśNOŚĆ BOGACTWA GATUNKOWEGO OD PRODUKTYWNOŚCI EKOSYSTEMÓW Ssaki mięsoŝerne w Teksasie Drzewa Azji Wsch. i Ameryki Liczba gatunków Liczba gatunków Produktywność (g x m -2 x rok -1 ) Produktywność (t x ha -2 x rok -1 )

62 Liczba gatunków planktonowych otwornic (Foraminifera): Paradoks Hutchinsona

63 Nature 400: ) Mapa róŝnorodności gatunków współczesnych otwornic planktonowych (Rutheford et al. 1999)

64 PRODUKTYWNOŚĆ OCEANÓW

65 HOMAGE TO SANTA ROSALIA HUTCHINSON 1959 (PALERMO, SYCYLIA)

66 Hipoteza Hutchinsona Homage to Santa Rosalia Wysoka produktywność ==> duŝo osobników [ale dlaczego duŝo gatunków???] Konkurencja ==> separacja nisz Minimalna liczebnośćŝywotnej populacji ==> skończona liczba gatunków, proporcjonalna do produktywności Daniel Simberloff: Santa Rosalia was a goat

67 ZALEśNOŚĆ LICZBY GATUNKÓW OD SUMY OPADÓW (Gaston and Spicer) Drzewa w Afryce Pd. Płazy w Australii Liczba gatunków Suma opadów rocznych (mm)

68 ZaleŜność liczby rodzajów koralowców współczesnych od temperatury powierzchni morza (Fraser & Currie 1996)Wpływ temperatury (Liczba rodzajów koralowców) ½ Średnia temperatura powierzchni morza (⁰C)

69 Bogactwo gatunkowe drzew Ameryki Północnej w zaleŝności od czynników klimatycznych (Currie, 1991) Bogactwo gatunków drzew Szerokość geograficzna ºN Opady, mm x rok -1

70 BOGACTWO GATUNKÓW KRĘGOWCÓW LĄDOWYCH W ZALEśNOŚCI OD POTENCJALNEJ EWAPOTRANSPIRACJI (Currie 1991) Bogactwo gatunków Potencjalna ewapotranspiracja, mm x rok -1

71 WPŁYW NASŁONECZNIENIA NA BOGACTWO GATUNKÓW MOTYLI DZIENNYCH I NOCNYCH W WIELKIEJ BRYTANII

72 WPŁYW SZEROKOŚCI GEOGRAFICZNEJ NA EKONOMIĘ Szerokość geograficzna Mineralne zasoby energetyczne Rolnictwo (% dochodu) Dochód narodowy na głowę

73 ZASIĘG LASÓW DESZCZOWYCH

74 HOT SPOTS OBSZARY O SZCZEGÓLNIE WYSOKIEJ RÓśNORODNOŚCI GATUNKOWEJ, OBECNIE ZAGROśONE Wilson, 1992

75 HISTORIA BADAŃ NAD GEOGRAFIĄ RÓśNORODNOŚCI GATUNKOWEJ Wallace 1878 Dobzhanski 1950 Hutchinson 1959 MacArthur (i wsp.) 1965, 1969, 1972 Pianka 1966 OSTATNIE PRZEGLĄDY (z nowymi hipotezami) Rosenzweig 1992 Brown 1988 Currie 1991 Rohde 1992 Wright, Currie & Maurer 1993 Turner, Lennon & Greenwood 1996 Fraser & Currie 1996 Rohde 1999 Kaspari et al. 2000

76 KLASYFIKACJA HIPOTEZ nt. CZYNNIKÓW POWODUJĄCYCH GEOGRAFICZNY GRADIENT RÓśNORODNOCI GATUNKOWEJ (Rohde, 1992) Popadające w błędne koło: (ekologiczne czynniki biotyczne) konkurencja mutualizm drapieŝnictwo epidemie mała liczebność populacji wąskie nisze ekologiczne dynamika populacji mozaikowatość obciąŝenie epifitami róŝnorodność Ŝywicieli nieprzyjazność przyjazność Mijające się z faktami: (czynniki abiotyczne i fizjologiczne) stabilność siedlisk produktywność fizyczna róŝnorodność siedlisk kąt wysokości słońca nad horyzontem deficyt wilgoci sezonowość wielkość zasięgów ( reguła Rapoporta )

78 Tendencje zmian zagęszczenia populacji europejskich derkacza (Crex crex) krętogłowa (Jynx torquilla)

79 WYMIERANIA HOLOCEŃSKIE

80

81 ZAREJESTROWANE WYMARCIA GATUNKÓW OD R. 1600

82 LICZBA GATUNKÓW ZAGROśONYCH WYMARCIEM

83

84 OCHRONA GATUNKOWA

85 DYNAMIKA RÓśNORODNOŚCI GATUNKOWEJ RÓśNORODNOŚĆ RÓWNOWAGOWA

86 ZaleŜność liczby gatunków od areału F.H.A. von Humboldt (1807) Essai sur la geographie des plantes Larger areas harbor more species than smaller ones

87 ZALEśNOŚĆ BOGACTWA GATUNKOWEGO OD POLA POWIERZCHNI ZAJMOWANEGO TERENU S = ca z log S = log c + z log A

88 ZALEśNOŚĆ LICZBY GATUNKÓW DRZEW OD POWIERZCHCNI WYSP (AUSTRALIA)

89 LICZBA GATUNKÓW DśDśOWNIC W ZALEśNOŚCI OD WIELKOŚCI OBSZARU (EUROPA)

90 ZALEśNOŚĆ LICZBY GATUNKÓW ROŚLIN OD POWIERZCHNI OBSZARU: CHANNEL ISLANDS I FRANCJA KONTYNENTALNA

91 ZALEśNOŚĆ LICZBY GATUNKÓW MRÓWEK OD POWIERZCHNI OBSZARU W OCEANII WYBRANE OBSZARY NOWEJ GWINEI WYSPY

92

93

94 YELLOWSTONE NATIONAL PARK

95 RÓśNORODNOŚĆ BIOLOGICZNA BIOSFERY CO NAS TO OBCHODZI?

96 ARGUMENTY ZA OCHRONĄ RÓśNORODNOŚCI BIOLOGICZNEJ Ekologiczne ( diversity begets stability ) Utylitarne (pokarm, surowce, leki, biotechnologia, ekoturystyka itd.) Poznawcze ( dla nauki ) Wersja słaba ( Nauka to potęgi klucz ) Wersja mocna ( Ciekawi jesteśmy ) Estetyczno-etyczne Wersja słaba ( Naturalne środowisko człowieka ) Wersja mocna ( Tak nam się podoba )

97 RÓśNORODNOŚĆ ==> STABILNOŚĆ? [ Diversity begets stability ] Matematyczne modele układów dwu (lub niewielu) gatunków są immanentnie niestabilne Nie zawsze. Modele układów wielogatunkowych są jeszcze mniej stabilne Laboratoryjne układy eksperymentalne dwu- lub kilkugatunkowe są niestabilne Owszem, ale układy wielogatunkowe teŝ!

98 RÓśNORODNOŚĆ ==> STABILNOŚĆ? Wyspy (ubogie w gatunki) są podatne na inwazje Prawda, ale są teŝ spektakularne przykłady inwazji na kontynenty Monokultury są podatne na inwazje i szkodniki Problem koewolucji, a nie bioróŝnorodności. Uprawy to sztuczne stadia wczesnosukcesyjne. Naturalne monokultury są stabilne. Bogate w gatunki ekosystemy (np.lasy deszczowe) są wolne od gradacji owadów Nie prawda, tam teŝ są ogromne fluktuacje populacji. Za to klimat jest stabilny

99 ZNACZENIE FUNKCJONALNE RÓśNORODNOŚCI EKSPERYMENTY (lata 80. i 90.) Tilman (preria); 1-24 gatunków, setki powt. wzrost produktywności wzrost niezawodności lepsze wykorzystanie zasobów Lawton ekotron ; gat. 16 powt. wzrost produktywności i respiracji Nee et al.. mikrokosmosy, dziesiątki powt. wzrost niezawodności (powtarzalności)

100 EKSPERYMENT BIODEPTH STANOWISKO W PORTUGALII

101

102

103 GATUNKI ZWORNIKOWE ( KEYSTONE SPECIES )

104 GATUNKI ZWORNIKOWE ( KEYSTONE SPECIES )

105 GATUNKI ZWORNIKOWE ( KEYSTONE SPECIES ) GRZYB PASOśYTNICZY EKSPERYMENT: GRYZONIE Dipodomys

107 ROŚLINY UPRAWNE kilkanaście gatunków, większość zapotrzebowania: pszenica kukurydza ryŝ ziemniaki

108 Zielarze, XVI wiek

109 Nadal większość leków to naturalne związki roślinne albo ich pochodne

111 DLA NAUKI : Poznanie naukowe jest częścią kultury, nie tylko zapleczem techniki

113 Albrecht Duerer, 1505

114 Stanisław Wyspiański ( )

115 Cornflower May 9/10, 1896 In the meantime, excursions to Bielany, to the meadows along Vistula, to draw flowers and to stylize them ( ) This is a whole world, shining like a rainbow, weird, I want to integrate myself into it. What a wonder! July 13, 1896

116 Pasque flower Sasanka łąkowa (Pulsatilla pratensis) Fort Bodzów, May 23, 1896 at Twardowski Cave

117 Poppy

118 Bniec biały (Melandrium album) White catchfly Silene pratensis kwiat Ŝółtawo biały/szyjka zielonkawo-biała/ osłonka bladozółto-zielona/na kantach brązowa (przy pączkach/kanty winiowe, przy maleńkich zielone ciemne; włoski białe. słupki Ŝółte ze szczotkami ciemno zółtemi (cała łodyga przy kwiecie obsadzona robaczkami czarnymi maluńkiemi połyskującemi) liście zielone ciemne omszałe /spody oliwkowo zielone Ŝyłki Ŝółte włoski białe na łodyŝce i listku (stąd kontury białe listków a wyrost blady). w wielkich lisciach u dołu rośliny Ŝyłki białe rózowe od końca a liść prawie czarny zielony. 15. ipca 1896, za Wisłą

119 Prunella grandiflora Głowienka wielkokwiatowa (Prunella grandiflora) July 14 (1896), swamps at Vistula Kostrze meadows, July11, 2002

120 Ponad wrzosem Szczygieł z kosem Powadzili się o to, kto z nich lepiej śpiewa. Koło drzewa... Ignacy Krasicki Szczygieł i Kos

121 Uciekła mi przepióreczka w proso...

122 The Tragedy of the Commons ; Garrett Hardin, Science, 162(1968):

123