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46.1C: Studium der Ökosystemdynamik - Biologie

46.1C: Studium der Ökosystemdynamik - Biologie


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Zur Untersuchung der Ökosystemdynamik werden viele verschiedene Modelle verwendet, darunter ganzheitliche, experimentelle, konzeptionelle, analytische und Simulationsmodelle.

Lernziele

  • Unterscheiden Sie zwischen konzeptionellen, analytischen und Simulationsmodellen der Ökosystemdynamik sowie Mesokosmos- und Mikrokosmos-Forschungsstudien

Wichtige Punkte

  • Ein ganzheitliches Ökosystemmodell quantifiziert die Dynamik eines gesamten Ökosystems.
  • Wissenschaftler können mit experimentellen Systemen wie Mikrokosmen oder Mesokosmen Ökosysteme unter kontrollierten Laborbedingungen untersuchen.
  • Ein konzeptionelles Modell verwendet Flussdiagramme, um die Interaktionen zwischen lebenden und nicht lebenden Komponenten des Ökosystems darzustellen.
  • Ein analytisches Modell verwendet einfache mathematische Formeln, um die Auswirkungen von Umweltstörungen auf die Struktur und Dynamik eines Ökosystems vorherzusagen.
  • Ein Simulationsmodell sagt die Auswirkungen von Umweltstörungen mithilfe komplexer Computeralgorithmen voraus; sie sind normalerweise ziemlich zuverlässige Prädiktoren.

Schlüsselbegriffe

  • Mesokosmos: ein kleiner Teil der natürlichen Umwelt, der zu Versuchszwecken unter kontrollierte Bedingungen gebracht wird
  • Mikrokosmos: ein künstliches, vereinfachtes Ökosystem, das verwendet wird, um das Verhalten natürlicher Ökosysteme unter kontrollierten Bedingungen zu simulieren und vorherzusagen

Erforschung der Ökosystemdynamik: Ökosystemexperimente und -modellierung

Ökosystemdynamik ist die Untersuchung der Veränderungen der Ökosystemstruktur, die durch Umweltstörungen oder innere Kräfte verursacht werden. Verschiedene Forschungsmethoden messen die Ökosystemdynamik. Einige Ökologen untersuchen Ökosysteme mit kontrollierten experimentellen Systemen, während andere ganze Ökosysteme in ihrem natürlichen Zustand untersuchen; andere verwenden beide Ansätze.

Ganzheitliches Ökosystemmodell

Ein ganzheitliches Ökosystemmodell versucht, die Zusammensetzung, Interaktion und Dynamik ganzer Ökosysteme zu quantifizieren. Ein Nahrungsnetz ist ein Beispiel für ein ganzheitliches Ökosystemmodell, das das Ökosystem in seinem natürlichen Zustand am repräsentativsten darstellt. Diese Art von Studien ist jedoch durch Zeit und Kosten sowie durch die begrenzte Durchführbarkeit von Experimenten an großen natürlichen Ökosystemen begrenzt.

Experimentelle Systeme

Aus diesen Gründen untersuchen Wissenschaftler Ökosysteme unter kontrollierteren Bedingungen. Experimentelle Systeme beinhalten normalerweise entweder die Aufteilung eines Teils eines natürlichen Ökosystems, das für Experimente verwendet werden kann, als Mesokosmos bezeichnet, oder indem ein Ökosystem vollständig in einer Innen- oder Außenlaborumgebung neu geschaffen wird, was als Mikrokosmos bezeichnet wird. Eine wesentliche Einschränkung dieser Ansätze besteht darin, dass das Entfernen einzelner Organismen aus ihrem natürlichen Ökosystem oder die Veränderung eines natürlichen Ökosystems durch Aufteilung die Dynamik des Ökosystems verändern kann. Diese Veränderungen sind häufig auf Unterschiede in der Artenzahl und Diversität zurückzuführen, aber auch auf Umweltveränderungen durch Teilung (Mesokosmos) oder Neubildung (Mikrokosmos) des natürlichen Lebensraums. Daher sind diese Arten von Experimenten nicht vollständig vorhersagbar für Veränderungen, die in dem Ökosystem auftreten würden, aus dem sie gesammelt wurden.

Da beide Ansätze ihre Grenzen haben, schlagen einige Ökologen vor, die Ergebnisse dieser experimentellen Systeme nur in Verbindung mit ganzheitlichen Ökosystemstudien zu verwenden, um die repräsentativsten Daten über die Struktur, Funktion und Dynamik von Ökosystemen zu erhalten.

Ökosystemmodelle

Wissenschaftler verwenden die durch diese experimentellen Studien generierten Daten, um Ökosystemmodelle zu entwickeln, die die Struktur und Dynamik von Ökosystemen demonstrieren. Drei grundlegende Arten der Ökosystemmodellierung werden in der Forschung und im Ökosystemmanagement routinemäßig verwendet: konzeptionelle Modelle, analytische Modelle und Simulationsmodelle.

Ein konzeptionelles Modell besteht aus Flussdiagrammen, um die Interaktionen verschiedener Kompartimente der lebenden und nicht lebenden Komponenten des Ökosystems aufzuzeigen. Ein konzeptionelles Modell beschreibt die Struktur und Dynamik von Ökosystemen und zeigt, wie sich Umweltstörungen auf das Ökosystem auswirken, obwohl seine Fähigkeit, die Auswirkungen dieser Störungen vorherzusagen, begrenzt ist.

Analyse- und Simulationsmodelle sind mathematische Methoden zur Beschreibung von Ökosystemen, die in der Lage sind, die Auswirkungen potenzieller Umweltveränderungen ohne direkte Experimente vorherzusagen, wenn auch mit Einschränkungen in der Genauigkeit. Mithilfe einfacher mathematischer Formeln wird ein analytisches Modell erstellt, um die Auswirkungen von Umweltstörungen auf die Ökosystemstruktur und -dynamik vorherzusagen.

Mithilfe komplexer Computeralgorithmen wird ein Simulationsmodell erstellt, um Ökosysteme ganzheitlich zu modellieren und die Auswirkungen von Umweltstörungen auf die Ökosystemstruktur und -dynamik vorherzusagen. Im Idealfall sind diese Modelle genau genug, um zu bestimmen, welche Komponenten des Ökosystems besonders empfindlich auf Störungen reagieren. Sie können Ökosystemmanagern (wie Naturschutzökologen oder Fischereibiologen) als Leitfaden für die praktische Erhaltung der Ökosystemgesundheit dienen.


Modellierungsansätze zur Untersuchung des Mikrobioms

Fortschritte bei der Metagenom-Sequenzierung des menschlichen Mikrobioms haben eine Fülle neuer Erkenntnisse geliefert und eine enge Verbindung dieses komplexen Ökosystems mit einer Reihe von menschlichen Krankheiten aufgezeigt. Es gibt jedoch wenig Wissen darüber, wie die verschiedenen Mitglieder der mikrobiellen Gemeinschaft miteinander und mit dem Wirt interagieren, und es fehlt uns ein grundlegendes mechanistisches Verständnis dieser Wechselwirkungen im Zusammenhang mit Gesundheit und Krankheit. Die mathematische Modellierung hat sich als sehr vorteilhaft erwiesen, um Einblicke in die Dynamik und Interaktionen komplexer Systeme zu gewinnen, und in den letzten Jahren wurden mehrere Modellierungsansätze vorgeschlagen, um unser Verständnis des Mikrobioms zu verbessern. Hier überprüfen wir die neuesten Entwicklungen und aktuellen Ansätze und zeigen auf, wie verschiedene Modellierungsstrategien angewendet wurden, um die hochdynamische Natur des menschlichen Mikrobioms zu enträtseln. Darüber hinaus diskutieren wir die derzeitigen Grenzen verschiedener Modellierungsstrategien und geben eine Perspektive, wie Modellierung das Verständnis verbessern und neue Behandlungswege bieten kann, um die menschliche Gesundheit zu beeinflussen.


Georgia Institute of Technology School of Biological Sciences | Georgia Institute of Technology | Atlanta, GA | Georgia Institute of Technology | Atlanta, GA


Die Eröffnungsklasse der Graduate Research Assistant (GRA)-Stipendiaten des Brook Byers Institute for Sustainable Systems (BBISS) wurde kürzlich für ein zweijähriges Programm zum Arbeiten, Lernen und Training als interdisziplinäres Nachhaltigkeitsforschungsteam ausgewählt.


Alberto Stolfi arbeitet mit Shu Jia zusammen, um neuartige biologische Entdeckungen mit transformativer Bildgebungstechnologie zu verbinden. Liang Han und Costas Arvanitis werden Klang-, Vibrations- und Zellmembranproteine ​​erforschen, um nichtinvasive neurowissenschaftliche Werkzeuge zu entwickeln.


Untersuchungen des New Georgia Tech haben ergeben, dass Elefanten ihre Nasenlöcher erweitern, um mehr Platz in ihrem Rüssel zu schaffen, sodass sie bis zu 5,5 Liter Wasser speichern können. Sie können auch drei Liter pro Sekunde aufsaugen – eine Geschwindigkeit, die 30-mal schneller ist als die eines Menschen.


Synthetische Biologie: Entwickelte stabile Ökosysteme

Die Co-Kultur von Bakterienzellen, die mit Quorum-Sensing- und Selbstlyse-Schaltkreisen entwickelt wurden, ermöglicht eine gekoppelte oszillatorische Dynamik und stabile Zustände, was den Weg zu manipulierten mikrobiellen Ökosystemen mit gezielter Dynamik öffnet und Genkreisläufe auf die Ökosystemebene ausdehnt.

Mikrobielle Ökosysteme zeichnen sich durch kooperative Interaktionen zwischen Arten aus, wobei Veränderungen in der Population einer Art die anderen positiv und negativ beeinflussen können. Eine wichtige Wechselwirkung ist der Wettbewerb um einen gemeinsamen essentiellen Nährstoff, wobei das kompetitive Ausschlussprinzip, auch bekannt als Gause'sches Gesetz, besagt, dass es keinen Koexistenz-Steady-State gibt. Auch mikrobielle Populationen unterliegen diesem Gesetz, was zu Schwierigkeiten bei der Aufrechterhaltung einer stabilen Co-Kultur der gewünschten Stämme führt. Koexistenz kann jedoch auftreten, wenn zusätzliche ökologische Wechselwirkungen zeitliche Oszillationen erzeugen, beispielsweise in der Räuber-Beute-Dynamik 1 . In diesem Fall ist es wünschenswert, zunächst den stationären Zustand einer Kultur zu erreichen, während die Anwesenheit anderer Spezies aufrechterhalten wird. In dieser Ausgabe von Naturmikrobiologie, Scott et al. 2 verwenden Techniken der synthetischen Biologie, um ein orthogonales Populationskontrollsystem ohne unbeabsichtigtes Übersprechen für zwei Stämme von . zu entwickeln Salmonellen, die ein gekoppeltes oszillierendes Verhalten und eine langfristige Co-Kultur von zwei Populationen im Steady-State ermöglicht.


Integration der Bewegungsökologie in die Biodiversitätsforschung – Erforschung neuer Wege zur Bewältigung der raumzeitlichen Biodiversitätsdynamik

Die Bewegung von Organismen ist einer der Schlüsselmechanismen zur Gestaltung der Biodiversität, z.B. die Verteilung von Genen, Individuen und Arten in Raum und Zeit. Jüngste technologische und konzeptionelle Fortschritte haben unsere Fähigkeit verbessert, die Ursachen und Folgen individueller Bewegung zu beurteilen und zur Entstehung des neuen Feldes der „Bewegungsökologie“ geführt. Hier skizzieren wir, wie die Bewegungsökologie zum weiten Feld der Biodiversitätsforschung beitragen kann, dh zur Untersuchung von Prozessen und Lebensmustern zwischen und über verschiedene Skalen, von Genen bis zu Ökosystemen, und schlagen einen konzeptionellen Rahmen vor, der diese bisher weitgehend getrennten Bereiche der Forschung. Unser Framework baut auf dem Konzept der Bewegungsökologie für Individuen auf und zeigt seine Bedeutung für die Verbindung der individuellen Organismenbewegung mit der Biodiversität. Erstens können Organismenbewegungen „mobile Verbindungen“ zwischen Lebensräumen oder Ökosystemen herstellen und dadurch Ressourcen, Gene und Prozesse zwischen ansonsten getrennten Orten verbinden. Das Verständnis dieser mobilen Verbindungen und ihrer Auswirkungen auf die Biodiversität wird durch die Bewegungsökologie erleichtert, da mobile Verbindungen durch verschiedene Bewegungsarten (d. Zweitens können Organismenbewegungen auch Koexistenz in Gemeinschaften vermitteln, durch „ausgleichende“ und „stabilisierende“ Mechanismen. Dieser neuartige integrierte Rahmen bietet einen konzeptionellen Ausgangspunkt für ein besseres Verständnis der Biodiversitätsdynamik im Lichte individueller Bewegungen und des Raumnutzungsverhaltens über raumzeitliche Skalen hinweg. Indem wir diesen Rahmen mit Beispielen illustrieren, argumentieren wir, dass die Integration von Bewegungsökologie und Biodiversitätsforschung auch unsere Fähigkeit verbessern wird, die Vielfalt auf genetischer, Arten- und Ökosystemebene zu erhalten.

Schlüsselwörter: Erhaltung der Biodiversität Dynamik in der Gemeinschaft Individuell basierte Modellierung Landschaftsgenetik Fernbewegung Mobile Verbindungen Koexistenz der Arten.


Ökosystem: Seine Struktur und Funktionen (mit Diagramm)

Ein Organismus befindet sich immer im perfekten Gleichgewicht mit der Umwelt. Die Umgebung bedeutet wörtlich die Umgebung.

Die Umwelt bezieht sich auf die Dinge und Bedingungen um die Organismen herum, die das Leben und die Entwicklung der Organismen und ihrer Populationen direkt oder indirekt beeinflussen.

„Ökosystem ist ein Komplex, in dem Lebensraum, Pflanzen und Tiere als eine interessante Einheit betrachtet werden, die Materialien und Energie des einen gehen in die anderen ein und aus“ – Woodbury.

Organismen und Umwelt sind zwei nicht trennbare Faktoren. Organismen interagieren untereinander und auch mit den physikalischen Bedingungen, die in ihren Lebensräumen vorhanden sind.

“Die Organismen und die physikalischen Eigenschaften des Habitats bilden einen ökologischen Komplex oder, kurz gesagt, ein Ökosystem.” (Clarke, 1954).

Das Konzept des Ökosystems wurde erstmals von A. G. Tansley (1935) entwickelt. Ökosystem ist die wichtigste ökologische Einheit. Es hat sowohl Struktur als auch Funktionen. Die Struktur hängt mit der Artenvielfalt zusammen. Je komplexer die Struktur ist, desto größer ist die Artenvielfalt im Ökosystem. Die Funktionen des Ökosystems hängen mit dem Energiefluss und dem Stoffkreislauf durch strukturelle Komponenten des Ökosystems zusammen.

Nach Woodbury (1954) ist das Ökosystem ein Komplex, in dem Lebensraum, Pflanzen und Tiere als eine interessante Einheit betrachtet werden, wobei die Materialien und die Energie des einen in die anderen ein- und ausströmen.

Laut E. P. Odum, das Ökosystem, ist die grundlegende Funktionseinheit von Organismen und ihrer Umwelt, die miteinander und mit ihren eigenen Komponenten interagieren. Ein Ökosystem kann in Lebensräumen unterschiedlicher Größe konzipiert und untersucht werden, z. B. ein Quadratmeter Grünland, ein Teich, ein großer See, ein großes Waldstück, ein ausgewogenes Aquarium, ein bestimmter Fluss- und Ozeanbereich.

Alle Ökosysteme der Erde sind miteinander verbunden, z. B. ist das Flussökosystem mit dem Ökosystem des Ozeans verbunden und ein kleines Ökosystem aus toten Baumstämmen ist ein Teil eines großen Ökosystems eines Waldes. Ein vollständig autarkes Ökosystem ist in der Natur selten zu finden, aber es können Situationen auftreten, die sich der Selbstversorgung nähern.

Struktur des Ökosystems:

Die Struktur eines Ökosystems ist im Wesentlichen eine Beschreibung der Organismen und physikalischen Eigenschaften der Umwelt, einschließlich der Menge und Verteilung von Nährstoffen in einem bestimmten Lebensraum. Es gibt auch Informationen über die verschiedenen klimatischen Bedingungen, die in der Region vorherrschen.

Strukturell bestehen alle Ökosysteme aus folgenden Grundkomponenten:

1. Abiotische Komponenten:

Ökologische Beziehungen manifestieren sich in der physikalisch-chemischen Umgebung. Die abiotische Komponente des Ökosystems umfasst grundlegende anorganische Elemente und Verbindungen wie Boden, Wasser, Sauerstoff, Kalziumkarbonate, Phosphate und eine Vielzahl organischer Verbindungen (Nebenprodukte organischer Aktivitäten oder Tod).

Dazu gehören auch physikalische Faktoren und Inhaltsstoffe wie Feuchtigkeit, Windströmungen und Sonneneinstrahlung. Die Strahlungsenergie der Sonne ist die einzige bedeutende Energiequelle für jedes Ökosystem. Die Menge an nicht lebenden Komponenten, wie Kohlenstoff, Phosphor, Stickstoff usw., die zu einem bestimmten Zeitpunkt vorhanden sind, wird als Standzustand oder Standmenge bezeichnet.

2. Biotische Komponenten:

Die biotischen Komponenten umfassen alle lebenden Organismen, die im Umweltsystem vorhanden sind.

Aus ernährungsphysiologischer Sicht lassen sich die biotischen Komponenten in zwei Grundkomponenten einteilen:

(i) autotrophe Komponenten und

(ii) Heterotrophe Komponenten

Zu den autotrophen Bestandteilen zählen alle grünen Pflanzen, die die Strahlungsenergie der Sonne fixieren und aus anorganischen Stoffen Nahrung herstellen. Zu den heterotrophen Komponenten gehören nichtgrüne Pflanzen und alle Tiere, die Nahrung von Autotrophen aufnehmen.

Biotische Komponenten eines Ökosystems lassen sich also unter den folgenden drei Überschriften beschreiben:

1. Hersteller (Autotrophe Komponenten),

3. Zersetzer oder Reduzierer und Transformatoren

Die Menge an Biomasse zu einem bestimmten Zeitpunkt in einem Ökosystem wird als stehende Ernte bezeichnet und wird normalerweise als Frischgewicht, Trockengewicht oder als freie Energie in Kalorien/Meter ausgedrückt.

Hersteller (Autotrophe Elemente):

Die Produzenten sind die autotrophen Elemente – hauptsächlich Grünpflanzen. Sie nutzen die Strahlungsenergie der Sonne in einem photosynthetischen Prozess, bei dem Kohlendioxid assimiliert und die Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt wird. Die chemische Energie ist tatsächlich in den energiereichen Kohlenstoffverbindungen eingeschlossen. Bei der Photosynthese entsteht als Nebenprodukt Sauerstoff.

Dies wird bei der Atmung von allen Lebewesen verwendet. Algen und andere Hydrophyten eines Teiches, Gräser des Feldes, Bäume der Wälder sind Beispiele für Produzenten. Chemosynthetische Bakterien und Carotinoid-haltige Purpurbakterien, die auch CO . assimilieren2 mit der Energie des Sonnenlichts, aber nur in Gegenwart organischer Verbindungen, gehören ebenfalls in diese Kategorie.

Der Begriff Produzent ist irreführend, denn im Energiekontext produzieren Produzenten Kohlenhydrate und keine Energie. Da sie die Strahlungsenergie in chemische Form umwandeln oder umwandeln, ist E.J. Kormondy schlägt bessere Alternativbegriffe ‘Wandler’ oder ‘Wandler’ vor. Wegen der weiten Verwendung wird der Begriff Hersteller weiterhin beibehalten.

Diejenigen lebenden Mitglieder des Ökosystems, die die von den Produzenten synthetisierten Lebensmittel konsumieren, werden als Verbraucher bezeichnet. Unter diese Kategorie fallen alle Arten von Tieren, die in einem Ökosystem vorkommen.

Es gibt verschiedene Klassen oder Kategorien von Verbrauchern, wie zum Beispiel:

(a) Verbraucher erster Ordnung oder Erstverbraucher,

(b) Verbraucher zweiter Ordnung oder Nebenverbraucher,

(c) Verbraucher dritter Ordnung oder tertiäre Verbraucher, und

(d) Parasiten, Aasfresser und Saprobes.

Dies sind rein pflanzenfressende Tiere, die für ihre Nahrung von Erzeugern oder Grünpflanzen abhängig sind. Insekten, Nagetiere, Kaninchen, Hirsche, Kühe, Büffel, Ziegen sind einige der häufigsten Pflanzenfresser im terrestrischen Ökosystem und kleine Krebstiere, Weichtiere usw. im aquatischen Lebensraum. Elton (1939) bezeichnete Pflanzenfresser des Ökosystems als “Schlüsseltiere der Industrie”. Die Pflanzenfresser dienen als Hauptnahrungsquelle für Fleischfresser.

(b) Sekundärverbraucher:

Dies sind Fleischfresser und Allesfresser. Fleischfresser sind fleischfressende Tiere und die Allesfresser sind die Tiere, die sowohl Pflanzenfresser als auch Pflanzen als Nahrung zu sich nehmen können. Beispiele für Sekundärkonsumenten sind Spatzen, Krähen, Füchse, Wölfe, Hunde, Katzen, Schlangen usw.

Dies sind die besten Fleischfresser, die andere Fleischfresser, Allesfresser und Pflanzenfresser erbeuten. Löwen, Tiger, Habichte, Geier usw. gelten als Tertiär- oder Spitzenverbraucher.

(d) Zu den Verbrauchern zählen neben verschiedenen Verbraucherklassen auch die Parasiten, Aasfresser und Saprobes. Die parasitären Pflanzen und Tiere nutzen das lebende Gewebe verschiedener Pflanzen und Tiere. Die Aasfresser und Saprobes verwenden tote Überreste von Tieren und Pflanzen als Nahrung.

Zersetzer und Transformatoren:

Zersetzer und Transformatoren sind die lebenden Bestandteile des Ökosystems und sie sind Pilze und Bakterien. Zersetzer greifen die toten Überreste von Produzenten und Verbrauchern an und bauen die komplexen organischen Substanzen zu einfacheren Verbindungen ab. Die einfachen organischen Stoffe werden dann von einer anderen Art von Bakterien angegriffen, den Transformatoren, die diese organischen Verbindungen in anorganische Formen umwandeln, die für die Wiederverwendung durch Produzenten oder Grünpflanzen geeignet sind. Die Zersetzer und Transformatoren spielen eine sehr wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Dynamik von Ökosystemen.

Funktion des Ökosystems:

Ein Ökosystem ist ein eigenständiges strukturelles, funktionales und lebenserhaltendes Umweltsystem. Das Umweltsystem besteht aus biotischen und abiotischen Komponenten in einem Lebensraum. Die biotische Komponente des Ökosystems umfasst die lebenden Organismen Pflanzen, Tiere und Mikroben, während die abiotische Komponente anorganische Stoffe und Energie umfasst.

Abiotische Komponenten bilden die Matrix für die Synthese und den Erhalt organischer Komponenten (Protoplasma). Die Synthese- und Verewigungsprozesse beinhalten einen Energieaustausch und diese Energie kommt von der Sonne in Form von Licht oder Sonnenenergie.

Somit haben wir in jedem Ökosystem die folgenden funktionalen Komponenten:

(i) Anorganische Bestandteile (Luft, Wasser und Mineralsalze)

(ii) Organismen (Pflanzen, Tiere und Mikroben) und

(iii) Energieeintrag, der von außen (der Sonne) eindringt.

Diese drei interagieren und bilden ein Umweltsystem. Anorganische Bestandteile werden von den grünen Pflanzen (Primärproduzenten) durch Photosynthese zu organischen Strukturen synthetisiert und dabei die Sonnenenergie genutzt. Grüne Pflanzen werden zur Energiequelle für Erneuerungen (Herbivoren), die wiederum zur Energiequelle für die fleischfressenden Tiere (Fleischfresser) werden. Tiere aller Art wachsen und fügen ihrem Körpergewicht organisches Material hinzu, und ihre Energiequelle ist eine komplexe organische Verbindung, die als Nahrung aufgenommen wird.

Sie werden als Sekundärproduzenten bezeichnet. Alle lebenden Organismen, ob Pflanzen oder Tiere in einem Ökosystem, haben eine bestimmte Lebensdauer, nach der sie sterben. Die abgestorbenen organischen Überreste von Pflanzen und Tieren bieten Nahrung für saprophytische Mikroben wie Bakterien, Pilze und viele andere Tiere. Die Saprobes zersetzen schließlich die organische Struktur und brechen die komplexen Moleküle auf und setzen die anorganischen Komponenten in ihre Umgebung frei.

Diese Organismen werden als Zersetzer bezeichnet. Bei der Zersetzung organischer Moleküle wird die Energie, die die anorganischen Bestandteile in Form organischer Moleküle zusammengehalten hat, freigesetzt und als Wärmeenergie an die Umgebung abgegeben. So wird in einem Ökosystem Sonnenenergie der Input von Pflanzen fixiert und auf tierische Bestandteile übertragen.

Dem Substrat werden Nährstoffe entzogen, in den Geweben der Pflanzen und Tiere abgelagert, von einer Fressgruppe zur anderen zyklisiert, durch Zersetzung an Boden, Wasser und Luft abgegeben und anschließend recycelt. Die Ökosysteme in verschiedenen Lebensräumen wie Wüsten, Wäldern, Grasland und Meeren sind voneinander abhängig. Die Energie und Nährstoffe eines Ökosystems können ihren Weg in ein anderes finden, so dass letztendlich alle Teile der Erde miteinander verbunden sind, die jeweils einen Teil des Gesamtsystems darstellen, das die Funktionsfähigkeit der Biosphäre aufrechterhält.

Daher sind die wichtigsten Schritte beim Betrieb des Ökosystems wie folgt:

(1) Empfang der Strahlungsenergie der Sonne,

(2) Herstellung organischer Materialien aus anorganischen durch Hersteller,

(3) Konsum von Produzenten durch Konsumenten und Weiterverarbeitung der verbrauchten Materialien und.

(4) Komplexe organische Verbindungen werden nach dem Tod von Erzeugern und Verbrauchern abgebaut und schließlich von Zersetzern und Konvertern in solche Formen umgewandelt, die für eine Wiederverwendung durch die Erzeuger geeignet sind.

Die wichtigsten Schritte beim Betrieb von Ökosystemen umfassen nicht nur die Produktion, das Wachstum und das Absterben von lebenden Komponenten, sondern beeinflussen auch die abiotischen Aspekte des Lebensraums. Es ist jetzt klar, dass sowohl Energie als auch Nährstoffe von den Erzeugern zu den Verbrauchern und schließlich zu den Zersetzern und Transformatoren übertragen werden. Bei dieser Übertragung gibt es eine fortschreitende Abnahme der Energie, aber die Nährstoffkomponente wird nicht verringert und es zeigt sich ein Wechsel von abiotisch zu biotisch und umgekehrt.

Der Energiefluss ist unidirektional. Die beiden ökologischen Prozesse – Energiefluss und Mineralstoffkreislauf, die eine Interaktion zwischen biotischen und abiotischen Komponenten beinhalten, sind das Herzstück der Ökosystemdynamik. Die wichtigsten Schritte und Komponenten des Ökosystems sind in Abb. 3.1 dargestellt.


Populationsgröße und -dichte

Abbildung 1. Australische Säugetiere zeigen eine typische umgekehrte Beziehung zwischen Populationsdichte und Körpergröße. Wie diese Grafik zeigt, nimmt die Bevölkerungsdichte typischerweise mit zunehmender Körpergröße ab. Warum denkst du, ist dies der Fall?

Populationen werden durch ihre Populationsgröße (Gesamtzahl der Individuen) und ihre Populationsdichte (Zahl der Individuen pro Flächeneinheit) charakterisiert. Eine Population kann eine große Anzahl von Individuen haben, die dicht oder spärlich verteilt sind. Es gibt auch Populationen mit kleinen Individuenzahlen, die in einem lokalen Gebiet dicht oder sehr spärlich verteilt sein können. Die Populationsgröße kann das Anpassungspotenzial beeinflussen, da sie die Menge der in der Population vorhandenen genetischen Variation beeinflusst. Die Dichte kann Auswirkungen auf die Interaktionen innerhalb einer Population haben, wie zum Beispiel die Konkurrenz um Nahrung und die Fähigkeit von Individuen, einen Partner zu finden. Kleinere Organismen sind tendenziell dichter verteilt als größere Organismen (Abbildung 1).


Massive Planktonblüten mit sehr unterschiedlichen Auswirkungen auf das Ökosystem

"Das große Rätsel um Plankton ist, was seine Verteilung und Häufigkeit steuert und welche Bedingungen zu großen Planktonblüten führen", sagte Dennis McGillicuddy, Senior Scientist und Department Chair in Applied Ocean Physics and Engineering an der Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI).

Zwei neue Veröffentlichungen untersuchen diese Frage und liefern Beispiele für Bedingungen, die zu massiven Planktonblüten mit sehr unterschiedlichen potenziellen Auswirkungen auf das Ökosystem führen, so McGillicuddy, Co-Autor beider Veröffentlichungen. Beide Papiere weisen auch auf die Bedeutung des Einsatzes fortschrittlicher Technologie – einschließlich Videoplanktonrekorder, autonomer Unterwasserfahrzeuge und des Coastal Pioneer Array der Ocean Observatories Initiative – hin, um diese Blüten zu finden und zu überwachen.

In einem Artikel, Diatom Hotspots Driven by Western Boundary Current Instability, veröffentlicht in Geophysikalische Forschungsbriefe (GRL), fanden Wissenschaftler unerwartet produktive unterirdische Hotspot-Blüten von Diatomeen-Phytoplankton.

In dem GRL untersuchten die Forscher die Dynamik, die die Primärproduktivität in einer Region der Mid-Atlantic Bight (MAB) steuert, einem der produktivsten Meeresökosysteme der Welt. Im Jahr 2019 beobachteten sie unerwartete Diatomeen-Hotspots in der Hangregion der euphotischen Zone der Bucht, der Meeresschicht, die genug Licht für die Photosynthese erhält. Phytoplankton sind photosynthetische Mikroorganismen, die die Grundlage des aquatischen Nahrungsnetzes bilden.

Für die Forscher war es überraschend, dass die Hotspots in salzhaltigem Wasser auftraten, das aus dem Golfstrom eindrang. "Während angenommen wurde, dass diese Intrusionen von nährstoffarmem Wasser des Golfstroms möglicherweise die biologische Produktivität verringern, präsentieren wir Beweise für eine unerwartet produktive unterirdische Kieselalgenblüte, die aus dem direkten Eindringen eines Golfstroms in Richtung des Kontinentalschelfs resultiert", stellen die Autoren fest. Sie gehen davon aus, dass die Hotspots nicht durch das Oberflächenwasser des Golfstroms angetrieben wurden, das normalerweise wenig Nährstoffe und Chlorophyll enthält, sondern dass die Hotspots durch Nährstoffe angetrieben wurden, die aus dem tieferen Wasser des Golfstroms in die Sonnenlichtzone aufgetrieben wurden.

Mit der sich ändernden Stabilität des Golfstroms seien Intrusionen aus dem Golfstrom in den letzten Jahrzehnten häufiger geworden, so die Forscher. "Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Änderung der großräumigen Zirkulation Konsequenzen für die regionale Produktivität hat, die von Satelliten aufgrund ihres Vorkommens weit unter der Oberfläche nicht nachweisbar sind", stellen die Autoren fest.

„In diesem speziellen Fall hat der Klimawandel zu einer Steigerung der Produktivität in dieser speziellen Region geführt, aufgrund einer subtilen und etwas unerwarteten Wechselwirkung zwischen der Physik und Biologie des Ozeans. Dieselbe Dynamik muss nicht unbedingt anderswo im Ozean bestehen. und es ist sehr wahrscheinlich, dass andere Bereiche des Ozeans im Laufe der Zeit weniger produktiv werden. Das ist sehr besorgniserregend", sagte McGillicuddy. „Es wird regionale Unterschiede in der Reaktion des Ozeans auf den Klimawandel geben.

Die Forschungsergebnisse zeigten "eine coole, kontraintuitive biologische Wirkung dieser sich ändernden großräumigen Zirkulation", sagte der GRL Hauptautorin des Artikels, Hilde Oliver, Postdoktorandin in Angewandter Ozeanphysik und -technik am WHOI. Sie erinnerte sich daran, wie die Instrumentendaten eingingen. Bei typischen Sommerwerten von etwa 1-1,5 Mikrogramm Chlorophyll pro Liter Meerwasser registrierten die Forscher "unerhörte Konzentrationen für Chlorophyll in dieser Region im Sommer", so hoch wie 12 oder 13 Mikrogramm pro Liter , sagte Oliver.

Oliver, dessen Ph.D. Sie konzentrierte sich auf die Modellierung und sagte, die Kreuzfahrt habe ihr geholfen, Phytoplanktonblüten aus mehr als einem theoretischen Sinne zu betrachten. „In den Ozean zu gehen und zu sehen, wie die Physik des Ozeans diese Blüten in der realen Welt manifestieren kann, hat mir die Augen geöffnet“, sagte sie.

Ein weiterer Artikel, A Regional, Early Spring Bloom of Phaeocystis Pouchetii on the New England Continental Shelf, der im Journal of Geophysical Research: Oceans (JGR: Oceans) veröffentlicht wurde, öffnete ebenfalls die Augen. Forscher, die 2018 die biologische Dynamik des Kontinentalschelfs von Neuengland untersuchten, entdeckten eine riesige Blüte des Haptophyten-Phytoplanktons Phaeocystis Pouchetii.

Im Gegensatz zu den Diatomeen-Hotspots, die in der GRL Papers ist Phaeocystis "für viele verschiedene Organismen ungenießbar und stört das gesamte Nahrungsnetz", sagte Walker Smith, Professor im Ruhestand am Virginia Institute of Marine Science William and Mary, der Hauptautor des JGR: Oceans Papers. Das Phytoplankton bildet gallertartige Kolonien mit einem Durchmesser von Millimetern.

Wenn Phaeocystis blüht, verwendet es Nährstoffe wie jede andere Form von Phytoplankton. Im Gegensatz zu den Kieselalgen, die in der GRL Papier, Phaeocystis wandelt Biomasse in etwas um, das nicht dazu neigt, den Rest der Nahrungskette weiterzugeben, sagte McGillicuddy.

„Das Verständnis der physikalisch-biologischen Wechselwirkungen im Küstensystem bietet eine Grundlage für die Vorhersage dieser Blüten potenziell schädlicher Algen und kann zu einer besseren Vorhersage ihrer Auswirkungen auf Küstensysteme führen“, so die Autoren.

Massive Blüten des Kolonialstadiums dieser und ähnlicher Arten wurden in vielen Systemen in verschiedenen Teilen der Welt berichtet, die Smith untersucht hat. Diese Arten von Blüten treten wahrscheinlich etwa alle drei Jahre auf dem Kontinentalschelf von Neuengland auf und haben wahrscheinlich einen ziemlich starken Einfluss auf die Gewässer, Nahrungsnetze und Fischereien in Neuengland, sagte Smith. Küstenmanager müssen über diese Blüten Bescheid wissen, da sie wirtschaftliche Auswirkungen auf die Aquakultur in Küstengebieten haben können, sagte er.

"Trotz der Tatsache, dass die Mid-Atlantic Bight gut untersucht und ausgiebig beprobt wurde, gibt es Dinge, die passieren, die wir immer noch nicht wirklich schätzen", sagte Smith. "Ein Beispiel sind diese Phaeocystis-Blüten, die tief im Wasser liegen und die Sie nie sehen werden, wenn Sie nicht dort sind, weil Satelliten sie nicht zeigen können. Je mehr wir also suchen, desto mehr finden wir heraus."


Mission und Vision

Vision-Statement

Durchführung ökosystembasierter Forschungen und Bewertungen lebender Meeresressourcen mit Schwerpunkt auf dem Nordost-Schelf, um die Erholung und langfristige Nachhaltigkeit dieser Ressourcen zu fördern und soziale und wirtschaftliche Chancen und Vorteile aus ihrer Nutzung zu generieren.

Missionsziele

Forschung und Überwachung

Veränderungen in marinen Ökosystemen und ihren Teilsystemen mit Auswirkungen auf lebende Meeresressourcen, Fischerei, Lebensräume, Ökosystemzustand, Produktivität, Aquakultur und die Generierung von nationalen Nettonutzen verstehen und vorhersagen.

Wissenschaftliche Beratung

  • Entwicklung und Bereitstellung der wissenschaftlichen Grundlage für Managementprogramme mit einem ökosystembasierten Rahmen.
  • Verbesserung der Fähigkeit der Gesellschaft, auf sich ändernde Ökosystembedingungen zu reagieren und Risiken durch die Entwicklung wissenschaftsbasierter Entscheidungsinstrumente zu bewältigen.

Bildung und Öffentlichkeitsarbeit

Engagieren und interagieren Sie mit Einzelpersonen, Partnern, Schulen, Gemeinden und Industrien, um den Informationsfluss zu erleichtern, die Koordination und Zusammenarbeit sicherzustellen und technische Unterstützung bei der Bewirtschaftung der lebenden Meeresressourcen und ihrer Lebensräume zu leisten.

Jährliches Merkblatt

Unser Direktor gibt jährlich Leitlinien zu den Aktivitäten, die jedes Jahr stattfinden. Laden Sie das aktuelle jährliche Guidance Memo herunter.


Offene Forschung

Die in den dynamischen linearen Modellen verwendeten Daten sind auf begründete Anfrage von den Autoren erhältlich.

Dateiname Beschreibung
fwb13707-sup-0001-FigS1.pdfPDF-Dokument, 9,1 KB Abb. S1
fwb13707-sup-0002-FigS2.pdfPDF-Dokument, 8,1 KB Abb. S2
fwb13707-sup-0003-FigS3.pdfPDF-Dokument, 8,4 KB Abb. S3
fwb13707-sup-0004-FigS4.pdfPDF-Dokument, 8,4 KB Abb. S4
fwb13707-sup-0005-FigS5.pdfPDF-Dokument, 39,5 KB Abb. S5
fwb13707-sup-0006-FigS6.pdfPDF-Dokument, 32,6 KB Abb. S6
fwb13707-sup-0007-FigS7.pdfPDF-Dokument, 32,6 KB Abb. S7
fwb13707-sup-0008-FigS8.pdfPDF-Dokument, 33,4 KB Abb. S8
fwb13707-sup-0009-Supinfo.docxWord-Dokument, 24,3 KB Ergänzungsmaterial

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