فصل چهارم: اکولوژی (بوم شناسی): گونه‌ها، جوامع، زیست بوم ها

مقدمه

اکوسیستم­ها جهت تامین فرآیندهای زیستی و جبران انرژی های هدر رفته از طریق گرما به تامین مداوم منابع انرژی نیاز دارند. دسترسی مداوم به کربن و سایر عناصر شیمیایی در اکوسیستم ها به چرخه های انرژی وابسته است. بقای موجودات زنده از جمله انسان در آینده به جوامع زیست محیطی پایدار بستگی دارد .غلظت گازها در جو تأثیر قابل توجهی بر آب و هوای تجربه شده در سطح زمین دارد

۴.۱. گونه ها، جوامع،  زیست بوم ها

مفاهیم

  • گرو­هی از موجودات زنده که به طور بالقوه می‌توانند با هم آمیزش کرده و فرزندان باروری تولید کنند، گونه[1] نام دارد.
  • اعضای یک گونه ممکن است از نظر تولیدمثلی در جمعیت­های جداگانه­ای قرار بگیرند.
  • گونه‌ها برای تأمین موادمغذی خود از روش خودپروردگی(اتوتروفی[2]) یا دگرپروردگی(هتروتروفی[3]) استفاده می­کنند. (تعدادی از گونه‌ها از هر دو روش استفاده می‌کنند.)
  • گونه­های مصرف کننده[4]، جانداران هتروتروفی هستند که از سایر موجودات زنده تغذیه می‌کنند.
  • پوده­خوارها (دتریتیورها[5])، هتروتروف­هایی هستند که با هضم داخل سلولی، پسماند و نخاله­های زیستی را تجزیه می­کنند و مواد مغذی آلی مورد نیاز خود را به دست می­آورند.
  • گندروی­ها (ساپروتروف­ها[6])، هتروتروف­هایی هستند که با هضم خارج سلولی اجساد موجودات، مواد مغذی آلی مورد نیاز خود را به دست می‌آورند.
  • اجتماع در اثر زندگی و تعامل جمعیتی از گونه­های مختلفی با هم شکل می‌گیرد.
  • یک جامعه با تعاملات خود با محیط غیر زنده یک اکوسیستم را تشکیل می دهد.
  • اتوتروف‌ها و هتروتروف‌ها مواد مغذی غیر آلی (معدنی) را از محیط غیر زنده دریافت می‌کنند.
  • مواد مغذی معدنی از طریق چرخه­های مواد مغذی تأمین می­شوند.
  • زیست­بوم­ها توانایی ماندگاری طولانی مدت را دارند.

 

مهارت آموزی

  • اساس طبقه­­بندی گونه‌ها به اتوتروف­ها، مصرف کنندگان، دتریتیورها و ساپروتروف­ها، براساس روش آن­ها برای تأمین موادغذایی مورد نیاز خود است.
  • بررسی ارتباط بین دو گونه با داده­های به دست آمده از نمونه گیری با روش کوادرات[7] و با استفاده از آزمون مربع کای[8].
  • فهم و تفسیر معناداری آماری.
  • تنظیم مزوکوزوم[9]های مهروموم شده جهت ایجاد پایداری. (تمرین عملی شماره 5)

ماهیت علم

  • جستجو در الگوها، روندها و تناقض­ها: گیاهان و جلبک‌ها عمدتاً اتوتروف هستند اما استثناهایی نیز دارند.

گونه

گروهی از موجودات زنده که به طور بالقوه می‌توانند با هم آمیزش کرده و فرزندان باروری تولید کنند، گونه[10] نام دارند.

مرغ بهشت، چهل و یک نوع مختلف دارد که هر کدام از آن­ها معمولاً فقط با همنوع خود جفت­گیری می‌کنند و بین انواع مختلف به ندرت نوع هیبرید تولید می‌شود. به همین دلیل، هر یک از چهل و یک نوع مرغ بهشتی به خاطر داشتن ویژگی­های متفاوت از یکدیگر جدا می­مانند. زیست­ شناسان هر کدام از این جمعیت‌ها را یک گونه می‌نامند. از نظر رفتارهای جفت­یابی، گونه­های کمی از موجودات مانند  مرغ بهشتی حرکات و رفتارهای جفت­یابی مخصوصی دارند، البته اکثر گونه­ها برای اطمینان از جفت­گیری و تولید مثل با اعضای گونه خود، از روش­های مشخصی استفاده می­کنند.مرغ بهشت[11] در پاپوآ گینه نو[12] و سایر جزایر استرالیا زندگی می‌کند. در فصل تولید مثل، پرندگان نر حرکات و رقص­های خاصی از خود نشان می­دهند و بارها از یک سری حرکات برای نمایش پرهای عجیب و غریب خود استفاده می­کنند. یکی از دلایل انجام این حرکات، جلب توجه پرندگان ماده برای جفت یابی است. آن­ها با این حرکات قصد دارند تا به پرندگان ماده نشان دهند که هر دو با هم یکسان و از یک گونه هستند.

شکل شماره 1- مرغ بهشتی در پاپوآ گینه نو

وقتی دو عضو از یک گونه­ با یکدیگر جفت­گیری می­کنند در واقع آن­ها با یکدیگر آمیخته (هیبرید)[13] شده­اند. گاهی اوقات اعضای گونه­های مختلف نیز با هم تولید مثل می‌کنند که به این نوع تولیدمثل دورگه­گیری[14] گفته می‌شود. این اتفاق گاهی در مرغان بهشتی نیز دیده می­شود. با این حال، فرزندان حاصل از جفت­گیری هیبریدی تقریباً همیشه نابارور هستند و این امر از مخلوط شدن ژن­های دو گونه جلوگیری می‌کند.

جدایی تولیدمثلی بین گونه‌ها به این دلیل است که هر گونه با ویژگی­های مخصوص به خود قابل تمایز از سایر گونه­های نزدیک به خود است. به طور خلاصه، یک گونه، به گروهی از موجودات گفته می­شود که برای تولید فرزندان بارور با یکدیگر آمیزش می‌کنند.

جمعیت

اعضای یک گونه ممکن است از نظر تولیدمثلی در جمعیت­های جداگانه­ای قرار بگیرند.

به تمام اعضای یک گونه که همزمان، در یک منطقه با هم زندگی می‌کنند، جمعیت، گفته می­شود. اگر دو جمعیت در مناطق مختلف زندگی کنند، بعید است که با یکدیگر آمیخته شوند اما به این معنی نیست که آن­ها گونه­های مختلفی هستند. اگر آن­ها به طور بالقوه بتوانند با یکدیگر آمیخته شوند می­توان گفت هنوز اعضای یک گونه یکسان هستند.

اگر دو جمعیت از یک گونه هرگز با هم آمیزشی نداشته باشند به تدریج ممکن است ویژگی­های متمایزی کسب کنند.  با این وجود حتی اگر تفاوت­های قابل تشخیصی هم وجود داشته باشد تا زمانی که بتوانند با هم آمیزش داشته باشه و فرزندان باروری تولید کنند همان گونه محسوب می­شوند. تشخیص اینکه آیا دو جمعیت به این نقطه رسیده­اند یا نه بسیار دشوار است و گاهی زیست شناسان در مورد یکسان یا متفاوت بودن جمعیت­ها، اختلاف نظر دارند.

 

تغذیه اتوتروفی و هتروتروفی

گونه‌ها برای تأمین موادغذایی خود از روش اتوتروفی (خودپروردگی) یا هتروتروفی (دگرپروردگی) استفاده می­کنند. (تعدادی از گونه‌ها از هر دو روش استفاده می‌کنند.)

همه موجودات به مواد آلی مانند گلوکز و اسیدهای آمینه، برای رشد و تولید مثل نیاز دارند. روش­های کسب مواد آلی یا ترکیبات کربنی را می‌توان به دو نوع تقسیم کرد:

  • برخی موجودات ترکیبات کربنی خود را با استفاده از دی اکسید کربن و سایر مواد می­سازند که به این موجودات اتوتروف (به معنی خود تغذیه کننده) می‌گویند.

  • برخی موجودات ترکیبات کربنی خود را از موجودات دیگر به دست می‌آورند که به آنها هتروتروف (به معنی تغذیه کننده از دیگران) می‌گویند.

برخی از موجودات تک سلولی از هر دو روش استفاده می‌کنند. مثلاً اوگلنا[15]  نوعی جاندار تک سلولی است که هم کلروپلاست دارد و در صورت وجود نور کافی فتوسنتز انجام می‌دهد و هم با اندوسیتوز از پسماند‌ها یا موجودات کوچکتر تغذیه می­کند. موجوداتی که منحصراً اتوتروف یا هتروتروف نیستند، میکسوتروف[16] (آمیزه پروردگی) هستند.

شکل شماره2- لاک پشت گالاپاگوس
شکل شماره3- آرابیدوپسیس تالیانا– موجود اتوتروفی است که زیست شناسان مولکولی از آن به عنوان یک مدل آزمایشگاهی گیاهی استفاده می‌کنند.
شکل شماره4- مرغ مگس-خوار هتروتروف است، اما گیاهانی که از شهد آن¬ها تغذیه می¬کند، اتوتروف هستند.
شکل شماره5- اوگلنا به دو شکل اتوتروفیک و هتروتروفیک تغذیه می¬کند.

 

 

نوع کسب موادمغذی در­ گیاهان و جلبک­ها

جستجو در الگوها، روندها و اختلافات: گیاهان و جلبک‌ها عمدتاً اتوتروف هستند اما استثناهایی نیز دارند.

تقریباً همه گیاهان و جلبک‌ها اتوتروف هستند. آن­ها ترکیبات آلی پیچیده خود را با استفاده از دی اکسید کربن و سایر ترکیبات می‌سازند. گیاهان و جلبک‌ها برای انجام این کار انرژی مورد نیاز خود را با جذب نور خورشید به دست می‌آورند. بنابراین اکثر موجودات اتوتروف فتوسنتزکننده هستند و این فرآیند را در کلروپلاست‌ انجام می‌دهند.

فتوسنتز برای تولید ترکیبات کربنی مورد نیاز در اکثر گونه­های گیاهی و جلبک­ها انجام می­شود. با این حال تعداد کمی از گونه­های گیاهی یا جلبک­ها به علت اینکه کلروپلاست ندارند و فتوسنتز انجام نمی­دهند جزو موجودات اتوتروف طبقه بندی نمی­شوند.  این گونه‌ها روی گیاهان دیگر رشد می‌کنند و ترکیبات کربنی مورد نیاز خود را از شیره آلی این گیاهان به دست آورده و به آن­ها آسیب می­رسانند. به این نوع موجودات، گیاهان انگلی[17] گفته می­شود.

برای پاسخ به اینکه، گیاهان انگلی نظریه اتوتروف بودن گیاهان و جلبک­ها را نقض می‌کنند یا فقط تفاوت­های جزئی و ناچیزی با گونه­های گیاهی و جلبک­ها دارند، باید تعداد گونه‌ها و چگونگی تکامل آن­ها بررسی شود.

  • تعداد گیاهان انگلی و جلبک‌ها نسبتاً کم بوده و فقط حدود 1٪ از کل گونه­های گیاهی و جلبکی را تشکیل می­دهند.
  • تقریباً مشخص است که جد مشترک گیاهان و جلبک­ها، اتوتروف بوده و گونه­های انگلی از آن­ها تکامل یافته­اند. کلروپلاست‌ها به راحتی از سلول حذف می‌شوند، اما به راحتی قابل تولید نیستند. همچنین، گونه­های انگلی متنوع هستند و در خانواده­های مختلفی دیده می‌شوند. این الگو نشان می‌دهد که گیاهان انگلی به طور مکرر از گونه­های فتوسنتز کننده تکامل یافته­اند.

با در نظرگرفتن این شواهد و وجود تعداد کمی از گونه­های خاص که انگلی هستند، بوم شناسان گیاهان و جلبک­ها را اتوتروف می‌دانند.

طرح سوال مبتنی بر داده: رژیم­های غذایی غیرمتعارف

اگرچه ما معمولاً انتظار داریم گیاهان اتوتروف و حیوانات مصرف کننده باشند، با این حال موجودات زنده بسیار متنوع هستند و همیشه مطابق انتظار ما نیستند. در شکل­های شماره 6 تا 9 چهار موجود زنده با رژیم­های غذایی غیر غیرمتعارف نشان داده شده است.

  • کدام یک از موجودات اتوتروف است؟ [4]
  • کدام یک از موجودات هتروتروف است؟ [4]
  • بین موجوداتی که هتروتروف هستند، مشخص کنید کدام یک مصرف­کننده، دتریتیورو کدامیک ساپروتروف است. [4]
شکل شماره 6- ونوس مگس خوار: این گیاهان در مرداب-ها، با برگ¬های سبز خود فتوسنتز انجام می‌دهند و در عین حال با به دام اندختن حشرات و تجزیه آن¬ها نیتروژن مورد نیاز خود را فراهم می‌کنند.
شکل شماره 7- ارکیده شبح: زیر زمین در جنگل رشد می‌کند، از مواد آلی مرده تغذیه می‌کند و گاهی یک ساقه دارای گل بالاتر از زمین تشکیل می‌دهد
شکل شماره 8- اوگلنا تک سلولی¬ای است که در تالاب و برکه¬ها زندگی می‌کند و از کلروپلاست¬های خود برای فتوسنتز استفاده می‌کند. همچنین مواد آلی مرده را با استفاده از اندوسیتوز می¬بلعد.

 

شکل شماره 9- سِس یک گیاه انگلی است که روی بوته¬های گیاه اولکس رشد می‌کند و با استفاده از ساختارهای کوچک ریشه مانند، قندها، اسیدهای آمینه و سایر مواد مورد نیاز خود را به دست می‌آورد.

 

 

 

ارگانیسم­های مصرف­کننده

ارگانیسم­های مصرف کننده، هتروتروف­هایی هستند که از موجودات زنده تغذیه می‌کنند.

بوم­شناسان موجودات هتروتروف را با توجه به منبع مولکول­های آلی که استفاده می‌کنند و روش جذب آن­ها به گروه­های مختلفی تقسیم می­کنند. یک گروه از هتروتروف‌ها “مصرف کننده” نامیده می‌شوند.

مصرف کنندگان از موجوداتی تغذیه می‌کنند که زنده هستند یا مدت زمان نسبتاً کوتاهی از مرگ آن­ها گذشته است. پشه­ای که خون حیوان بزرگتر از خود را می‌مکد، مصرف­ کننده­ای است که از موجود زنده­ تغذیه می‌کند و شیری که آهوی تازه کشته شده را می­خورد نیز یک مصرف کننده است.

مصرف کنندگان غذای خود را هضم می­کنند. این بدین معنی است که آن­ها مواد هضم نشده را از موجودات دیگر می‌گیرند، آن را هضم می‌کنند و سپس محصولات هضم شده را جذب می‌کنند. مصرف کنندگان تک سلولی مانند پارامسی[18] مواد غذایی را با استفاده از اندوسیتوز دریافت کرده و داخل واکوئل‌ها هضم می‌کنند. مصرف کنندگان چند سلولی نیز مانند شیرها غذا را بلعیده و وارد دستگاه گوارش خود می‌کنند.

مصرف کنندگان با توجه به موجوداتی که از آن­ها تغذیه می­کنند، به گروه­های تغذیه­ای متفاوتی تقسیم می‌شوند. مصرف کنندگان اولیه از موجودات اتوتروف تغذیه می‌کنند و مصرف کنندگان ثانویه از مصرف کنندگان اولیه و سایر موجودات تغذیه می‌کنند. اکثر مصرف کنندگان بطور انحصاری در هیچ کدام از این گروه‌ها قرار نمی­گیرند زیرا رژیم غذایی آن­ها دربردارنده­ی مواد مختلفی از گروه­های تغذیه­ای متفاوت است.

شکل شماره 10- کورکورحنایی (Milvus milvus) مصرف کننده¬ای است که از طعمه¬های زنده و همچنین از بقایای حیوانات مرده (لاشه) تغذیه می‌کند.
شکل شماره 11- موش گردن زرد (Apodemus flavicollis) مصرف کننده¬ای است که بیشتر از مواد زنده گیاهی، به ویژه دانه¬ها و همچنین از بی¬مهرگان زنده تغذیه می‌کند.

دتریتیور ها

پوده­خوارها (دتریتیورها)، هتروتروف­هایی هستند که با گوارش درون سلولی، پسماند و نخاله­های زیستی را تجزیه می­کنند و مواد مغذی آلی مورد نیاز خود را به دست می­آورند.

مقدار زیادی ماده آلی توسط ارگانیسم­ها دور ریخته­ می­شود، به عنوان مثال:

  • برگ­های مرده و سایر قسمت­های گیاهان.
  • پر، مو و سایر قسمت­های مرده بدن جانوران.
  • مدفوع جانوران.

مواد آلی غیرزنده به ندرت در اکوسیستم‌ها انباشته می‌شوند چرا که توسط دو گروه از موجودات هتروتروف، دتریتیورها و ساپروتروف‌ها به عنوان منبع انرژی استفاده می‌شود.

دتریتیورهامواد آلی غیرزنده را می­بلعند و سپس با گوارش درون سلولی آن را هضم و جذب می‌کنند. دتریتیور چند سلولی بزرگ مانند کرم­های خاکی، مواد مرده را در روده هضم می‌کنند. دتریتیورهای تک سلولی، مواد آلی را به واکوئل­های غذایی خود منتقل می‌کنند. لاروهای سوسک­ سرگین[19] از مدفوع­هایی که والدینشان آن­ها را به شکل گلوله درآورده­اند، تغذیه می‌کنند.

ساپروتروف­ها

گندروی­ها (ساپروتروف­ها)، هتروتروف­هایی هستند که با گوارش خارج سلولیِ اجساد موجودات، مواد مغذی آلی مورد نیاز خود را به دست می‌آورند.

ساپروتروف‌ها با ترشح آنزیم­های هضم کننده داخل مواد آلی غیرزنده با گوارش خارج سلولی، آن­ها را هضم و جذب می‌کنند. بسیاری از انواع باکتری‌ها و قارچ‌ها، ساپروتروف هستند. آن­ها همچنین به عنوان تجزیه­کننده[20] شناخته می‌شوند؛ زیرا ترکیبات کربنی موجود در مواد آلی غیرزنده را تجزیه می‌کنند و عناصری مانند نیتروژن وارد اکوسیستم می‌کنند تا دوباره توسط موجودات دیگر استفاده شود.

شکل شماره12- قارچ­های ساپروتروف روی سطح برگ­های مرده رشد می‌کنند و با ترشح آنزیم­های گوارشی آن­ها را تجزیه می‌کنند.

 

 

نظریه علم

سیستم­های طبقه­بندی که استفاده می­شوند چه محدودیت­هایی ایجاد می­کنند؟

روش­های بسیاری برای طبقه­بندی مشاهدات وجود دارد. موجودات به روش­های مختلفی توسط دانشمندان طبقه بندی می­شوند: ریخت­شناسی (شباهت فیزیکی با موجودات دیگر)، فیلوژنی (تاریخچه تکامل) و محیط زندگی (نقش اکولوژیکی). روزانه ما موجودات را به دسته­های اهلی یا وحشی، خطرناک یا بیخطر و خوراکی یا سمی طبقه بندی می‌کنیم.

 


اساس طبقه بندی گونه‌ها به اتوتروف­ها، مصرف کنندگان، دتریتیور‌ها و ساپروتروف­ها، براساس روش آن­ها برای تأمین موادمغذی است.
شناسایی موجودات براساس روش تأمین موادمغذی

با پاسخ دادن به یک سری  سوال ساده در مورد نحوه تغذیه موجودات، معمولاً می‌توان نتیجه گرفت که هر جانداری در کدام گروه تغذیه­ای قرار دارد. این سوالات به صورت کلید دو بخشی نشان داده شده­اند که هرکدام شامل یک جفت سوال است. این کلید برای موجودات تک سلولی و چند سلولی استفاده می­شود اما برای موجودات انگلی مانند کرم­های نواری یا قارچ­هایی که باعث بیماری در گیاهان می‌شوند، کارایی ندارد. همه اتوتروف­های چند سلولی فتوسنتزکننده و دارای کلروپلاست­های حاوی کلروفیل هستند.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

اجتماع

اجتماع از جمعیت گونه­های مختلفی که با هم زندگی می‌کنند و با یکدیگر تعامل دارند، شکل می‌گیرد.

فعالیت

قطع کامل درختان(clearcutting)

شکل شماره14

مقاله­ای در سال 1972 توسط فیلیپ اندرسون، فیزیکدان آمریکایی منتشر شد. او در این مقاله چنین بیان کرد که: توانایی در برگرداندن هرچیزی به ساختار اولیه­ش، حاکی از  نیست که می­توان به ابتدای جهان بازگشت و تمام چیزها را بازسازی کرد. در هر سطح از پیچیدگی، خصوصیات کاملاً جدیدی ظاهر می‌شود.

قطع کامل درختان، رایج ترین و سودآورترین نوع قطع درختان است که به معنای قطع تمام انواع درختان در یک منطقه است به طوری که هیچ درختی باقی نماند. با توجه به مفهوم گفته شده به نظر شما چرا جامعه اکولوژیکی اغلب پس از قطع کامل، بهبود پیدا نمی­کند؟

 

بخش مهمی از تحقیقات اکولوژیکی، مطالعه در مورد روابط موجودات است. این روابط، پیچیده و متنوع هستند. در بعضی موارد تعامل بین دو گونه برای یک گونه مفید است و به گونه دیگر آسیب می‌رساند، مانند رابطه بین انگل و میزبانش. در موارد دیگر، هر دو گونه سود می‌برند، مانند زمانی که مرغ مگس­خوار از شهد گل استفاده می‌کند و با گرده افشانی به گیاه کمک می‌کند.

شکل شماره 13- صخره­های مرجانی اجتماع­های پیچیده­ای هستند که تعاملات زیادی بین جمعیت‌­های آن­ها وجود دارد. جلبک­های تک­سلولی فتوسنتزکننده­ای به نام زوکسانتل­‌ها (zooxanthellae) داخل سلول­های اکثر مرجان­ها زندگی می‌کنند.

همه گونه­‌ها برای بقای طولانی مدت خود به رابطه با گونه­های دیگر وابسته هستند. به همین دلیل جمعیت یک گونه هرگز نمی­تواند جداگانه و دور از جوامع دیگر زندگی کند. گروه­هایی از جمعیت با هم زندگی می­کنند. جمعیت­‌هایی كه در یك منطقه با هم زندگی می­‌كنند و با هم تعامل دارند، در بوم­شناسی به عنوان یك جامعه شناخته می­شوند. جوامع معمولی از صدها یا حتی هزاران گونه که در یک منطقه با هم زندگی می­کنند، تشکیل می­شوند.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

کار میدانی – ارتباط بین گونه‌ها

بررسی ارتباط بین دو گونه با داده­های به دست آمده از نمونه گیری به وسیله کوادرات و با استفاده از آزمون مربع کای.

کوآدرات یک قاب چهارگوش است که با آن مى‌توان منطقه‌اى را با مساحت مشخص محدود و آن را اندازه‌گيرى کرد. این نمونه برداری شامل قرار دادن کوادرات به صورت تصادفی در یک زیستگاه و ثبت تعداد موجودات داخل کوادرات است.

روش معمول استفاده از کوادرات بدین شکل است که:

  • با استفاده از نوار اندازه گیری، مرز زیستگاه مشخص می­شود.
  • با استفاده از جدول یا مولد اعداد تصادفی روی ماشین حساب، اعداد تصادفی به دست می­آیند.
  • اولین عدد تصادفی برای تعیین فاصله در امتداد نوار اندازه گیری استفاده می‌شود. تمام فواصل در امتداد نوار، باید تقریباً مساوی باشند.
  • از عدد تصادفی دوم برای تعیین فاصله خارج از زیستگاه در سمت راست نوار استفاده می‌شود. تمام فواصل در طول زیستگاه باید تقریباً مساوی باشند.

شکل شماره 15- نمونه برداری کوادرات از جمعیت جلبک­های دریایی در یک ساحل سنگی
  • کوادرات دقیقاً در فاصله­ای که توسط دو عدد تصادفی تعیین شده­است، قرار می‌گیرد.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

اگر این روش به درستی دنبال شود، با تعداد تکرار مناسب، تخمین­های قابل اعتمادی از اندازه جمعیت به دست می‌آید. این روش فقط برای گیاهان و موجوداتی که تحرک ندارند، مناسب است. نمونه برداری کوادرات برای اکثر حیوانات مناسب نیست.

اگر در هنگام نمونه برداری با کوادرات، در یک زیستگاه وجود بیش از یک گونه ثبت شود، می‌توان ارتباط بین گونه‌ها را بررسی کرد. جمعیت‌ها اغلب به طور ناهمگون توزیع می‌شوند زیرا برخی از مناطق برای انواع خاصی از گونه­ها مناسب­تر هستند. اگر دو گونه در منطقه یکسانی از یک زیستگاه دیده شوند، می‌توان آن­ها را در یک کوادرات یافت که این پدیده به عنوان یک ارتباط مثبت شناخته می‌شود. توزیع این دوگونه می‌تواند با یکدیگر ارتباط مثبت یا منفی داشته باشد، یا به صورت مستقل انجام شود.

دو فرضیه وجود دارد:

H0: دو گونه به طور مستقل توزیع می‌شوند (فرضیه صفر).

H1: دو گونه با هم در ارتباط هستند (در صورت ارتباط مثبت، آن­ها تمایل دارند با یکدیگر ارتباط داشته باشند و درصورت ارتباط منفی در تلاش برای جدا شدن از یکدیگر هستند.)

این فرضیه‌ها را با استفاده از یک روش آماری به نام آزمون مربع کای می­توان آزمایش کرد.

آزمون مربع کای فقط درصورتی معتبر است که تکرارهای مورد انتظار 5 یا بیشتر از 5 مورد باشند و نمونه به طور تصادفی از جمعیت انتخاب شده باشد.

روش آزمون مربع کای

  • جدولی از تکرارهای مشاهده شده از کوادرات­های حاوی یا فاقد دو گونه تهیه کنید. مجموع تعداد گونه­ها را در هر سطر و ستون محاسبه کنید. مجموع کلی اجتماع سطر و ستون باید با هم برابر باشد که در گوشه پایین سمت راست نوشته می‌شود.
 

مجموع ردیف

 

 

گونه A غایب

 

 

گونه A حاضر

 

 

گروه B حاضر

 

 

گروه B غایب

 

مجموع ستون

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  • تمام احتمالات موجود با فرض توزیع مستقل، برای هر چهار ترکیب گونه را محاسبه کنید. هر تکرار مورد انتظار با استفاده از این معادله با مقادیر جدول تصادفی بالا محاسبه می‌شود:
  • با استفاده از این معادله مقدار درجه آزادی را محاسبه کنید.

که در آن m و n به ترتیب تعداد ردیف‌ها و تعداد ستون­های جدول تصادفی است.

  • با استفاده از درجه آزادی و سطح معناداری(p) 05/0 (5٪)، نقطه بحرانی مربع کای را از جدول مقادیر مربع کای پیدا کنید. مربع کایِ نقطه بحرانی بزرگتر از مقادیر داخل جدول است.
  • مقدار مربع کای را با استفاده از این معادله محاسبه کنید:

F0: فراوانی مشاهده شده

Fe: فراوانی مورد انتظار

∑: جمع حاصل

  • مقدار محاسبه شده مربع کای را با ناحیه بحرانی مقایسه کنید.
  • اگر مقدار محاسبه شده در ناحیه بحرانی باشد، شواهدی در سطح معناداری 5٪ برای ارتباط بین این دو گونه وجود دارد و می­توان فرضیه H0 را رد کرد.
  • اگر مقدار محاسبه شده در ناحیه بحرانی نباشد، چون برابر یا کمتر از مقداری است که از جدول مقادیر مربع کای به دست آمده است، H0 رد نمی­شود. هیچ مدرکی در سطح 5٪ برای ارتباط بین این دو گونه وجود ندارد.

طرح سوال مبتنی بر داده: تست مربع کای

شکل شماره 16،  قله­ی کائیر کارادوک[21]، واقع  در شروپ­شر[22] انگلستان را نشان می‌دهد. این منطقه در تابستان منطقه چرای گوسفندان است و کوهنوردان از مسیر این علفزار عبور می‌کنند. علفزار[23]های وسیعی که در آنها علف جاروب[24] رشد می‌کند. بررسی این منطقه نشان داد که خزه بهاری چمن[25]، گونه­ای از خزه­های در حال رشد در این منطقه است که با علف جاروب ارتباط دارد. وجود یا عدم وجود علف جاروب و خزه در یک نمونه 100 کوادراتی، به صورت تصادفی بررسی شده است.

نتایج

گونه­ها فراوانی
فقط علف جاروب 9
فقط خزه 7
هر دو گونه 57
هیچ کدام از گونه­ها 27

 

 

 

 

سوالات

  • جدول احتمالی مقادیر مشاهده شده را بکشید. [4]
  • مقادیر مورد انتظار را با این فرض که هیچ ارتباطی بین گونه‌ها وجود ندارد، محاسبه کنید. [4]
  • مقدار درجه آزادی را محاسبه کنید. [2]
  • نقطه بحرانی مربع کای را در سطح معنی داری 5٪ پیدا کنید. [2]
  • مربع کای را محاسبه کنید. [4]
  • دو فرضیه جایگزین H0 و H1 را بیان کرده و آن­ها را با استفاده از مقدار محاسبه شده برای مربع کای ارزیابی کنید. [4]
  • دلایل اکولوژیکی برای ارتباط بین گونه­های علف جاروب و خزه را پیشنهاد دهید. [4]
  • چه روش­هایی باید برای موقعیت‌یابی کوادرات به طور تصادفی در منطقه مورد مطالعه، استفاده شود؟

توضیح دهید. [3]

 

 

شکل شماره 16- قله کائیر کارادوک در شروپ­شر

 

 

 

 

 

معناداری آماری

فهم و تفسیر معناداری آماری.

معمولاً هنگام بحث در مورد نتایج یک آزمایش، زیست شناسان از عبارت ” ازلحاظ آماری معنادار[26]” استفاده می‌کنند. این عبارت به نتیجه آزمون فرض آماری[27] اشاره دارد. دو نوع فرضیه وجود دارد:

  • H0 (فرضیه صفر) این فرضیه می‌گوید که هیچ رابطه­ای بین متغیر‌ها وجود ندارد، به عنوان مثال هردو معنی برابر دارند یا اینکه هیچ ارتباط و همبستگی بین دو متغیر وجود ندارد.
  • H1 (فرضیه جایگزین) این فرضیه وجود رابطه را نشان می‌دهد، به عنوان مثال هر دو معنی متفاوت دارند یا ارتباطی بین دو متغیر وجود دارد.

روش معمول برای آزمایش فرضیه صفر، با تصور نادرست بودن آن نشان داده می‌شود. آمار با استفاده از نتایج تحقیق محاسبه می‌شود و با داده­هایی که از نظر امکان بروز در یک طیفی از مقادیر ممکن به نام نقطه بحرانی قرار دارند، مقایسه می شود. اگر آمار محاسبه شده از نقطه بحرانی فراتر رود، فرضیه صفر نادرست در نظر گرفته می‌شود و بنابراین رد می‌شود، هرچند نمی‌توان گفت که این موضوع با قطعیت ثابت شده است.

وقتی یک زیست شناس ادعا می­کند که نتایج از نظر آماری معنادار است، به این معنی است که اگر فرضیه صفر (H0) درست باشد، احتمال گرفتن نتیجه­ای بیشتر از نتایج مشاهده شده، بسیار ناچیز است. در مورد اینکه این احتمال چقدر می­تواند با نتایج مشاهده شده فاصله داشته باشد، باید تصمیم­گیری شود. این به عنوان سطح معناداری شناخته می‌شود. سطح معناداریِ حد مجاز[28] برای رد فرضیه صفر است مقداری­ست که در آن شواهد نشان­دهنده درست بودن فرضیه است و این مقدار  اغلب  5٪ انتخاب می‌شود، بنابراین نشان دهنده احتمال کمتر از یک بیستم است. این مقدار فرض در محاسبات حداقل سطح معناداری قابل قبول در تحقیقات منتشر شده است.

  • اگر در یک آزمایش بین میانگین نتایج برای دو تیمار، اختلاف وجود داشته باشد؛ تست آماری نشان می‌دهد که آیا تفاوت در سطح 5٪ معنی دار است یا خیر. درصورت معنی دار بودنِ کمتر از 5٪ احتمال دارد که اختلاف بسیار زیادی بین میانگین نمونه­هایی که به طور تصادفی بدست آمده، وجود داشته باشد، حتی اگر میانگین جمعیت برابر باشد. در اینجا گفته می­شود که شواهد معناداری وجود دارد که نشان می‌دهد، جمعیت متفاوت است.
  • در مثال بررسی ارتباط بین دو گونه که در صفحات قبلی شرح داده شد، آزمون مربع کای نشان می‌دهد که احتمال تفاوت بین نتایج مشاهده شده و نتیجه قابل انتظار، تا زمانی که هیچ گونه­ای به طور مثبت یا منفی با یکدیگر ارتباطی نداشته باشند(یا بدون ارتباط مثبت یا منفی گونه­ها)، کمتر از 5٪ است.

هنگامی که نتایج تحقیقات زیست شناسی روی نمودار ستونی نمایش داده می‌شود، اغلب از حروف برای نشان دادن اهمیت آماری آن­ها استفاده می‌شود. دو حرف متفاوت، معمولاً a و b، نتایج میانگین را با اختلاف آماری معنی دار نشان می‌دهند. دو حرف یکسان مانند a و a نشان می‌دهد که هیچ تفاوت معنی داری از نظر آماری وجود ندارد.

زیست بوم

یک جامعه با تعاملات خود با محیط غیر زنده یک اکوسیستم را تشکیل می دهد.

یک جامعه متشکل از همه موجودات زنده در یک منطقه است. این موجودات نمی توانند به طور جداگانه زندگی کنند و به محیط غیر زنده، وابسته هستند. اکولوژیست‌ها از هوا، آب، خاک یا سنگ به عنوان محیط غیر زنده یاد می‌کنند.

شکل شماره 17- علف­ها در منطقه­ ی در حال توسعه تپه­ های شنی

در بعضی موارد، محیط غیرزنده تأثیر فراوانی روی موجودات زنده دارد. به عنوان مثال عملکرد موج در یک ساحل صخره­ای یک زیستگاه بسیار تخصصی ایجاد می‌کند که فقط موجودات سازگار شده با آن می‌توانند در آن زنده بمانند. نوع سنگ تشکیل دهنده صخره­ها تعیین می‌کند که بخش­های برآمده­ ایجاد شده روی آن­ها برای لانه­سازی پرندگان مناسب است یا نه. همچنین موارد بسیاری وجود دارد که موجودات زنده روی محیط غیر زنده تأثیر می‌گذارند. تپه­های شنی نمونه­ای از این موارد است. در امتداد سواحلی که شن و ماسه در ساحل بالا می‌آید، گیاهان تخصصی در شن­های سستی که توسط باد بالا آمده­اند، رشد می­کنند. ریشه این گیاهان شن‌ها را تثبیت کرده و برگ­های آن­ها جلوی باد را می­گیرد و باعث ثبات بیشتر شن‌ها می‌شود.

علاوه بر ساز وکارهای پیچیده در جوامع، تعاملات زیادی نیز بین موجودات زنده و محیط غیرزنده وجود دارد. بنابراین می‌توان جامعه­ی موجودات حاضر در یک منطقه و تعاملات بسیار پیچیده آن­ها با محیط غیرزنده را یک سیستم متقابل در نظر گرفت که به عنوان یک اکوسیستم شناخته می‌شود. اکولوژیست‌ها اجزای اکوسیستم‌ها و تعاملات بین آن­ها را مطالعه می‌کنند.

 

مواد مغذی غیر آلی

اتوتروف‌ها و هتروتروف‌ها مواد مغذی غیر آلی (معدنی) را از محیط غیرزنده دریافت می‌کنند.

موجودات زنده به تأمین عناصر شیمیایی نیاز دارند:

  • برای تولید کربوهیدرات­ها، لیپیدها و سایر ترکیبات کربنی که حیات بر پایه آن­ها شکل گرفته است، به عناصر کربن، هیدروژن و اکسیژن نیاز است.
  • برای ساخت بسیاری از این ترکیبات به ازت و فسفر نیز نیاز است.
  • علاوه بر این عناصر، موجودات زنده به تقریباً پانزده عنصر دیگر نیز نیاز دارند. برخی از آن ها فقط در ذرات مولکولی جزئی استفاده می‌شوند، اما با این وجود ضروری هستند.

اتوتروف­ها، تمام عناصر مورد نیاز خود از جمله کربن و نیتروژن را از محیط غیرزنده به دست می‌آورند. از طرف دیگر هتروتروف‌ها دو عنصر کربن و نیتروژن و عناصر دیگر را از غذای خود، به دست می‌آورند. با این حال برخی عناصر مانند سدیم، پتاسیم و کلسیم را به عنوان مواد مغذی معدنی از محیط غیر زنده کسب می­کنند.

چرخه‌­های مواد مغذی

مواد مغذی معدنی از طریق چرخه­های مواد مغذی تأمین می­شوند.

منابع محدودی از عناصر شیمیایی در زمین وجود دارد. اگرچه موجودات زنده در طی سه میلیارد سال از این منابع استفاده کرده اند اما این منابع هنوز تمام نشده­اند. دلیل آن این است که عناصر شیمیایی به طور دائمی بازیافت می‌شوند. موجودات زنده، عناصر مورد نیاز خود را به عنوان مواد مغذی معدنی از محیط غیرزنده جذب می‌کنند، از آن­ها استفاده می‌کنند و سپس به صورت اتم­های بدون تغییر، آن­ها را به محیط باز می‌گردانند.


معمولاً بازیافت عناصر شیمیایی به سادگی آنچه در این نمودار نشان داده شده است انجام نمی‌شود و اغلب یک عنصر برای طی کردن مسیر چرخه­ی خود لازم است از موجودی به موجود دیگر منتقل شود تا دوباره به محیط غیرزنده بازگردانده شود. جزئیات این چرخه با توجه به نوع عناصر متفاوت است. به عنوان مثال بازیافت چرخه کربن با چرخه نیتروژن متفاوت است. اکولوژیست‌ها از این طرح‌ها در مجموع به عنوان چرخه­های مواد مغذی یاد می­کنند. کلمه مواد مغذی در زیست شناسی غالباً معنای مبهمی دارد اما در مباحث اکولوژی؛ مواد مغذی  به معنای عناصری هستند که موجودات به آن­ها نیاز دارند. چرخه کربن به عنوان نمونه­ای از چرخه مواد مغذی در بخش 4.2 و چرخه نیتروژن در قسمت C توصیف شده است.

 

 

 

 

 

 

 

پایداری زیست­­بوم‌­ها

زیست­بوم­ها توانایی ماندگاری طولانی مدت را دارند.

شکل شماره 18- موجودات زنده برای میلیاردها سال در حال بازیافت کردن بوده­ اند.

مفهوم پایداری اخیراً بسیار مورد توجه قرار گرفته است زیرا واضح است که برخی از منابع فعلی مورد استفاده بشر از منابع ناپایداری هستند. به چیزی که بتواند تا بی نهایت ادامه داشته باشد، پایدار گفته می­شود. سوخت­های فسیلی مورد استفاده انسان‌، نمونه­ای از یک منبع ناپایدار است. منابع سوخت­های فسیلی محدود هستند و در حال حاضر تجدید نمی­شوند؛ بنابراین نمی­توانند به مدت نامحدود وجود داشته باشند.

زیست­بوم­ها برای حفظ پایداری به سه شرط نیازمندند:

  • در دسترس بودن مواد مغذی
  • سم زدایی مواد زائد
  • در دسترس بودن انرژی

مواد مغذی را می‌توان به طور نامحدود بازیافت کرد و اگر این کار انجام شود، کمبودی در عناصر شیمیایی که حیات بر پایه آن­ها شکل گرفته­است، دیده نخواهد شد. مواد زائد یک گونه معمولاً به عنوان منبع غذایی گونه­های دیگر استفاده می­شوند. به عنوان مثال، یون­های آمونیوم آزاد شده توسط تجزیه کننده­ها[29]، توسط باکتری­های نیتروزوموناس[30] در خاک، جذب و به عنوان منبع انرژی استفاده می­شوند. آمونیوم به طور بالقوه سمی است اما عملکرد این باکتری­ها، باعث عدم تجمع آن­ها در خاک می­شود.

شکل شماره 19- نور خورشید انرژی یک اکوسیستم جنگلی را تأمین می‌کند و مواد مغذی بازیافت می‌شوند.

انرژی قابل بازیافت نیست، بنابراین پایداری آن به تداوم تأمین انرژی در اکوسیستم‌ها بستگی دارد. بیشترین انرژی توسط نور خورشید تأمین می‌شود. اهمیت این منبع را با عواقب فوران کوه تامبورا[31] در سال 1815 می­توان نشان داد. به دلیل وجود گرد و غبار در جو برای چند ماه از شدت نور خورشید کاسته شد و این امر باعث از بین رفتن محصولات زراعی در سطح جهان و مرگ و میر ناشی از گرسنگی ‌شد. این پدیده، موقتی بود و تأمین انرژی اکوسیستم‌ها توسط نور خورشید تا میلیاردها سال ادامه خواهد داشت.

فعالیت

اکوسیستم­های غاری

موجودات زنده­ای از جمله ماهی­های بی چشم در غارهای مطلقاً تاریک پیدا شده­اند. در مورد پایدار بودن اکوسیستم در غارهای تاریک بحث کنید.

شکل شماره 20، یک اکوسیستم کوچک با گیاهان فتوسنتز کننده در کنار نور مصنوعی موجود در تنگه چدار[1] که برای بازدید عموم آزاد است، نشان می­دهد. در مورد پایداری این سیستم نسبت به اکوسیستم غارهای تاریک بحث کنید.

 

شکل شماره 20

 

 

 

 

 

 

 

 

مزوکزوم­‌ها

تنظیم مزوکزوم­های مهروموم شده جهت ایجاد پایداری. (تمرین عملی شماره 5)

مزوکزوم­ها نواحی آزمایشی کوچکی هستند که برای بررسی­های اکولوژیکی راه‌اندازی شده‌اند. محفظه­های حصارکشی شده در چمنزارها یا جنگل‌ها می‌توانند به عنوان مزوکزوم­های زمینی استفاده شوند. مخازن مستقر در آزمایشگاه نیز  به عنوان مزوکزوم آبزی استفاده می­شوند. در آزمایشات اکولوژیکی می‌توان با تکرار بررسی روی مزوکزوم­ها از تأثیرات یک یا چند مورد متفاوت آگاه شد. به عنوان مثال، می‌توان مخازنی را در حضور و عدم حضور ماهی راه‌اندازی کرد تا اثرات ماهی­ها را روی اکوسیستم­های آبی بررسی کرد.

یکی دیگر از کاربردهای احتمالی مزوکزوم­ها، آزمایش پایداری انواع اکوسیستم­ها است که در آن با ایجاد شرایط کاملاً بسته در یک ظرف شرایط یک جامعه متشکل از موجودات، همراه با هوا، خاک یا آب را ایجاد می­کنند.

شما باید این سوالات را قبل از تنظیم مزوکزوم­های آبی یا زمینی در نظر بگیرید:

  • شیشه­های بزرگ، شیشه­های ایده آلی هستند اما از ظروف پلاستیکی شفاف نیز می‌توان استفاده کرد. آیا باید کناره­های ظرف، شفاف باشد یا مات؟
  • کدام گروه از موجودات برای تشکیل جامعه­ی پایدار باید حضور داشته باشد؟ اتوتروف­ها، مصرف کنندگان، ساپروتروف‌ها یا دتریتیورها؟
  • چگونه می­توان از اکسیژن رسانی برای تمام موجودات حاضر در مزوکزوم مطمئن شد؟ زیرا به محض مهر و موم شدن ظرف، انتقال اکسیژن امکان پذیر نخواهد بود.
  • چگونه می‌توان از قرارگفتن موجوداتی که در نتیجه قرار گرفتن در مزوکزوم متحمل مشکلات زیادی می‌شوند، جلوگیری کرد؟

[1] Species

[2] autotrophic

[3] heterotrophic

[4] Consumers

[5] Detritivores

[6] Saprotrophs

[7] quadrat

[8] chi-squared test

[9] mesocosm

[10] Species

[11] Birds of paradise

[12] Papua New Guinea

[13] interbreeding

[14] cross-breeding

[15] Euglena gracilis

[16] mixotrophic

[17] parasitic

[18] Paramecium

[19] dung beetles

[20] decomposers

[21] Caer Caradoc

[22] Shropshire

[23] hummocks

[24] Calluna vulgaris

[25] Rhytidiadelphus squarrosus

[26] Statistically significant

[27] statistical hypothesis test

[28] cut-off point

[29] decomposers

[30] Nitrosomonas

[31] Tambora

اشتراک گذاری:

دیدگاهتان را بنویسید