Biologia szkoła ponadgimnazjalna/Biosfera a różnorodność biologiczna

Biosfera a różnorodność biologiczna

Zagadnienie z podstawy programowej

„uczeń: opisuje różnorodność biologiczną na poziomie genetycznym, gatunkowym i ekosystemowym; wskazuje przyczyny spadku różnorodności genetycznej, wymierania gatunków, zanikania siedlisk i ekosystemów; ”

Jedność świata przyrody

Informacja genetyczna zapisana jest u wszystkich organizmów w taki sam sposób. Kod genetyczny jest uniwersalny. Badania nad podobieństwem genetycznym poszczególnych grup organizmów doprowadziły do powstania hipotezy uniwersalnego przodka, czyli formy życia od której pochodzą wszystkie istniejące na Ziemi organizmy. Organizmy, od których rozpoczęła się ewolucja prawdopodobnie były organizmami jednokomórkowymi o budowie zbliżonej do współcześnie występujących bakterii. Trudno dokładnie ustalić kiedy pierwsze komórki pojawiły się na Ziemi, istnieją dowody wskazujące na istnienie komórek już 3,8 mld lat temu. Od tego momentu w wyniku ciągłych zmian powstawały kolejne gatunki. Wiele z gatunków wymarło, a o ich istnieniu dowiadujemy się tylko z pozostałych skamieniałości i skamielin. Szacuje się, że współcześnie na Ziemi istnieje od kilku do kilkudziesięciu milionów gatunków.

Źródła różnorodności

W wyniku mutacji powstają kwiaty o różnych kolorach. Portulaka wielkokwiatowa o żółtych i pomarańczowych kwiatach.

Każdy z genów obecnych w komórce może ulec mutacji. W efekcie powstaje informacja genetyczna, która wcześniej nie istniała. Przez miliardy lat, w wyniku ewolucji, ze stosunkowo prostych organizmów jednokomórkowych mogły powstać złożone organizmy tkankowe takie jak człowieka. Aby do tego doszło konieczne było zajście licznych mutacji. Większość z nich nie przynosi korzystnego dla organizmu efektu. Tylko nieliczne prowadzą do powstania cechy, która zwiększa szanse organizmu na przeżycie i pozostawienie po sobie potomstwa. Powstawanie nowych cech w wyniku mutacji to zmienność mutacyjna. Nowa cecha może zostać przekazana potomstwu. Jeśli nowa wersja genu będzie dawała organizmom go posiadającym wyraźną przewagę, potomstwo tych osobników będzie uzyskiwało co raz większy udział w ogólnej liczbie osobników populacji. Nie oznacza to, że po jakimś czasie większość lub wszystkie osobniki populacji będą posiadały taki sam zestaw genów jak osobnik, u którego zaszła mutacja i który zapoczątkował występowanie nowej cechy. Posiadanie jednej przydatnej cechy nie przesądza o sukcesie. Zestaw genów posiadanych przez organizmy może być bardzo podobny w przypadku gdy organizm rozmnaża się bezpłciowo. Nowe cechy mogą pojawiać się tylko w efekcie mutacji. W przyrodzie rozpowszechnione jest rozmnażanie płciowe, prowadzące do wymieszania alleli pochodzących od osobników, które przystępują do rozmnażania. W efekcie w każdym kolejnym pokoleniu rodzą się osobniki z całkiem nowym zestawem genów, z nowym, niepowtarzalnym zestawem cech. Zmienność wynikająca z mieszania alleli pochodzących od osobników rodzicielskich to zmienność rekombinacyjna. W efekcie tej zmienności szanse na przeżycie i pozostawienie potomstwa będzie miał nie tylko osobnik z nową korzystną cechą, lecz osobnik o wyjątkowo korzystnym zestawie cech zapisanych w materiale genetycznym.

Dobór naturalny

Zięby Darwina to grupa gatunków ptaków występujących na Wyspach Galapagos. Pochodzą od wspólnego przodka, jednak każdy z gatunków przystosował się do innej niszy ekologicznej.

Podstawowym kryterium określania, czy cecha jest korzystna jest jej przydatność w środowisku życia organizmu. Jeśli cecha lub zestaw cech są przydatne to szanse na przeżycie i liczne potomstwo wzrastają. Mechanizm określany jako dobór naturalny decyduje o utrwaleniu cechy i zestawów cech lub zaniku w okresie życia kilku pokoleń. Korzystność cechy jest względna. Duże poroże zwiększa szanse jelenie na wygranie walki o samicę, jednocześnie utrudnia mu ucieczkę przed drapieżnikiem. O korzystności cechy decydują okoliczności. Dla istnienia całej populacji korzystne jest posiadanie różnych cech, czyli różnych alleli jednego genu. Związane jest to z możliwością przystosowania się całej grupy organizmów do zmieniającego się środowiska. Białe zające mają większe szanse ukryć się przed drapieżnikami, gdy zalega śnieg, jeśli klimat się ociepli i opady śniegu nie będą występowały inna barwa sierści stanie się lepszym przystosowaniem. Środowisko może zmieniać się wielokrotnie, dla populacji korzystne może być posiadanie alleli odpowiedzialnych za cechę niekorzystną obecnie, lecz dających szanse na przeżycie i posiadanie potomstwa po zmianie środowiska. Cecha niekorzystna w danym środowisku może też być szansą na zasiedlenie nowego terenu. Rozmnażanie płciowe prowadzi do zwiększenia różnorodności poprzez tworzenie wielu nowych kombinacji istniejących alleli. Ewolucyjny sukces gatunków rozmnażających się płciowo jest dowodem na pozytywne znaczenie różnorodności.

Środowiskiem organizmów są również inne żyjące obok gatunki. Ewolucja prowadzi do zmian zarówno ofiar, jak i drapieżników. Różnorodność pozwala osobnikom jednej populacji odpowiednio szybko odpowiedzieć na zmiany zachodzące w populacji, od której ich przetrwanie zależy. Szanse na przetrwanie zajęcy zależą od szybkości z jaką uciekają przed drapieżnikiem i możliwości ukrycia się. Jeśli w wyniku ewolucji lisy znacznie poprawiłyby szybkość i zwinność dobry kamuflaż ofiary spowoduje, że nowa cecha nie będzie przydatna. Jeśli w efekcie ewolucji poprawi się wzrok drapieżników, kamuflaż nie zapewni przetrwania, przydadzą się za to długie nogi.

Zróżnicowanie alleli w obrębie gatunków nazywane jest różnorodnością genetyczną. Zmienność genetyczna zapewnia możliwość przetrawiana populacji w zmieniającym się środowisku.

Wymieranie gatunków

Jeleń olbrzymi posiadał poroże szerokie na 3 metry. Gatunek wymarł około 7 tys. lat temu. Ogromne poroże dawało przewagę w pojedynku o samice jednak mogło utrudniać ucieczkę przed drapieżnikiem.

Dinozaury wymarły prawdopodobnie po nagłej zmianie warunków środowiska po uderzeniu meteorytu

Badania paleontologów dostarczyły dowodów, że wiele gatunków istniało przez określony okres czasu. Gatunki wymierają, jednak nie skutkuje to wcale pozostawianiem kolejnych połaci planety bez życia. Wymieranie gatunków jest efektem zmian środowiska. Gatunki które bardzo dobrze przystosowały się do stałego środowiska nie radzą sobie, gdy zaczyna się ono zmieniać. To właśnie gwałtowne zmiany środowiska wydają się najbardziej prawdopodobną przyczyna szybkiego ubywania gatunków w przyszłości i obecnie.

W ekosystemach jeśli jeden z gatunków zaniknie, jego siedlisko i rola mogą być przejęte przez inne gatunki. Wyginięcie wszystkich leszczyn w ekosystemie leśnym nie doprowadzi do śmierci głodowej wiewiórek. Będą one mogły żywić się nasionami innych roślin, a istnienie gatunków pozostających w zależnościach pokarmowych nie zostanie zagrożone. Bogactwo gatunków w obrębie ekosystemów nazywane jest różnorodnością gatunkową. Różnorodność gatunkowa gwarantuje ciągłe istnienie ekosystemów pomimo zmian w składzie gatunkowym, dzięki spełnianiu podobnej roli przez inne gatunki.

Biosfera

Obecny stan wiedzy pozwala dostrzec zależności pomiędzy wszystkimi istniejącymi na Ziemi organizmami. Ogół organizmów i środowisko, w którym żyją został nazwany biosferą. Nie ulega wątpliwościom, że nawet osobniki żyjące w różnych ekosystemach na różnych kontynentach lub w różnych ocenach są zależne od siebie. Najłatwiej zrozumieć wzajemną zależność ogółu organizmów przez analizę podstawowych procesów pozyskiwania energii. Fotoautotrofy mogą uzyskiwać energię niezbędną do życia w wyniku fotosyntezy przeprowadzanej dzięki energii słonecznej. Heterotrofy uzyskują energię, utleniając związki organiczne wytworzone przez inne organizmy. Chemoautotrofy energię niezbędną do życia pozyskują utleniając związki nieorganiczne. Równowaga między ilością związków organicznych i tlenu dostarczanego przez fotoautotrofy dotyczy całej planety. Tlen wytwarzany w ekosystemach lasów równikowych trafia do atmosfery i może być wykorzystany przez zwierzęta żyjące w dowolnej strefie klimatycznej.

Wokół kominów hydrotermalnych na dnie oceanów istnieją całe ekosystemu rozwijające się bez światła. Jednak zwierzęta w nich występujące potrzebują tlenu.

Ekosystemami wyjątkowo izolowanymi od pozostałej części biosfery są zbiorowiska życia powstałe na dnie oceanów wokół kominów hydrotermalnych, czyli podwodnych wulkanów. Do dna oceanów nie dociera światło słoneczne, a ilość związków organicznych opadających z powierzchni jest znikoma. Pomimo to, wokół podmorskich wulkanów rozwinęło się bujne życie. Związki organiczne wytwarzane są przez bakterie chemosyntetyzujące, utleniające związki siarki wydobywające się wraz z gorącą woda z podwodnych wulkanów. Biomasa wytworzona przez bakterie pozwala przetrwać wielu zwierzętom. Ekosystem taki jest niezależny od światła słonecznego jednak jest zależny od istnienia innych ekosystemów na Ziemi. Zwierzęta żyjące wokół kominów hydrotermalnych korzystają z tlenu, który jest wytwarzany przez glony i rośliny w innych ekosystemach. Różnorodność ekosystemów powoduje zależności pomiędzy nimi. Naruszenie równowagi w jednym z ziemskich ekosystemów może poprzez zmiany klimatyczne, zmiany w ilości pary wodnej, tlenu i dwutlenku węgla w atmosferze wpływać na istnienie pozostałych ekosystemów.

W różnych częściach planety istnieją różne ekosystemy. Pomimo ich dużej autonomii pozostają w relacji wzajemnej zależności. Różnorodność ekosystemowa zapewnia utrzymanie na względnie stałym poziomie warunków klimatycznych. Istnienie jednych ekosystemów jest uzależnione od istnienia pozostałych.

Pamiętaj

1. Różnorodność biologiczna to zróżnicowanie życia na każdym z jego poziomów organizacji, różnorodność całości życia na Ziemi.
2. Poziomy różnorodności biologicznej to: poziom genetyczny, poziom gatunkowy, poziom ekosystemowy.
3. Różnorodność genetyczna zapewnie istnie gatunku w zmieniającym się środowisku.
4. Różnorodność gatunkowa zapewnia istnienie ekosystemów pomimo wymierania gatunków.
5. Dobór naturalny to podstawowy mechanizm ewolucji. W zmieniającym się środowisku różnorodność biologiczna zapewnia najlepsze rozwiązania w zależności od potrzeb.

Zadania

1. Jaki poziom różnorodności biologicznej opisują poniższe zdania?

U ludzi mogą występować 4 podstawowe grupy krwi: 0, A, B i AB. Na obszarze Polski występują lasy, łąki, jeziora i pola. Na terenie Polski stwierdzono występowanie 26 tys. gatunków zwierząt.

1. U gatunku ludzkiego, jedną z cech zapewniających przystosowanie do środowiska jest barwa skóry. Wyjaśnij dlaczego osoba o białej skórze będzie gorzej przystosowana do środowiska Afryki i dlaczego osoba o czarnej skórze może mieć problemy ze zdrowiem po zamieszkaniu w Europie.
2. Czy warto dbać o przetrwanie chwastów rosnących na polach? Wyraź swoją opinię uwzględniając wiedzę zdobyta na lekcji.