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6.1: Einführung in die Biodiversität - Biologie

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Die Erde beherbergt eine beeindruckende Vielfalt an Lebensformen. Einige Organismen bestehen aus nur einer einzigen Zelle und werden daher als bezeichnet einzellig. Organismen, die mehr als eine Zelle enthalten, werden als bezeichnet mehrzellig. Trotz des breiten Spektrums an Organismen gibt es nur zwei grundlegende Zellpläne: prokaryontisch und eukaryontisch. Wenn Sie also die Zellen eines beliebigen Organismus auf der Erde mikroskopisch analysieren würden, würden Sie je nach Art des Organismus entweder prokaryontische oder eukaryontische Zellen finden.

Biologen benennen, gruppieren und klassifizieren Organismen basierend auf Ähnlichkeiten in Genetik und Morphologie. Dieser Zweig der biologischen Wissenschaft ist bekannt als Taxonomie. Taxonomen gruppieren Organismen in Kategorien, die von sehr breit bis sehr spezifisch reichen (Abbildung (PageIndex{1})). Die breiteste Kategorie heißt Domain und das spezifischste ist Spezies (beachte die Ähnlichkeiten zwischen den Wörtern Spezifisch und Spezies). Derzeit erkennen Taxonomen drei Domänen: Bakterien, Archaea und Eukarya. Alle Lebensformen werden in diese drei Domänen eingeteilt.

Domänenbakterien

Domänenbakterien umfasst prokaryontische, einzellige Organismen (Abbildung (PageIndex{2})). Sie sind unglaublich häufig und in fast jedem erdenklichen Lebensraum zu finden, einschließlich Ihres Körpers. Während viele Menschen Bakterien nur als krankheitserregende Organismen betrachten, sind die meisten Arten tatsächlich entweder gutartig oder nützlich für den Menschen. Es stimmt zwar, dass einige Bakterien beim Menschen Krankheiten verursachen können, aber dies ist eher die Ausnahme als die Regel.

Bakterien sind bekannt für ihre metabolische Vielfalt. Stoffwechsel ist ein allgemeiner Begriff, der die komplexe Biochemie beschreibt, die im Inneren von Zellen abläuft. Viele Bakterienarten sind Autotrophe, was bedeutet, dass sie ihre eigene Nahrungsquelle schaffen können, ohne andere Organismen essen zu müssen. Die meisten autotrophen Bakterien tun dies mithilfe von Photosynthese, einem Prozess, der Lichtenergie in chemische Energie umwandelt, die von Zellen genutzt werden kann. Eine bekannte und ökologisch wichtige Gruppe photosynthetischer Bakterien ist Cyanobakterien. Diese werden manchmal als Blaualgen bezeichnet, aber dieser Name ist nicht angemessen, da Algen, wie Sie gleich sehen werden, Organismen sind, die zur Domäne Eukarya gehören. Cyanobakterien spielen eine wichtige Rolle in Nahrungsnetzen aquatischer Systeme, wie beispielsweise Seen.

Andere Bakterienarten sind heterotrophe, was bedeutet, dass sie ihre Nahrung durch den Verzehr anderer Organismen aufnehmen müssen. Diese Klassifizierung umfasst die Bakterien, die beim Menschen Krankheiten verursachen (während einer Infektion fressen dich die Bakterien). Die meisten heterotrophen Bakterien sind jedoch für den Menschen harmlos. Tatsächlich leben auf Ihrer Haut und in Ihrem Dickdarm Hunderte von Bakterienarten, die Ihnen keinen Schaden zufügen. Außerhalb Ihres Körpers spielen heterotrophe Bakterien eine wichtige Rolle in Ökosystemen, insbesondere im Boden lebende Bakterien, die lebendes Material abbauen und den Pflanzen Nährstoffe zur Verfügung stellen.

Domain Archaeen

Wie Bakterien, Organismen in Domain Archaia sind prokaryotisch und einzellig. Oberflächlich gesehen sehen sie Bakterien sehr ähnlich, und viele Biologen haben sie bis vor einigen Jahrzehnten als Bakterien verwechselt. Aber in ihren Genen versteckt sich eine Geschichte, die moderne DNA-Analysen kürzlich enthüllt haben: Archaeen sind genetisch so unterschiedlich, dass sie in ihre eigene Domäne gehören.

Viele archaische Arten kommen in einigen der unwirtlichsten Umgebungen vor, in Gebieten mit immensem Druck (Grund des Ozeans), Salzgehalt (wie dem Großen Salzsee) oder Hitze (geothermische Quellen). Organismen, die solche Bedingungen tolerieren und sogar gedeihen können, sind bekannt als Extremophile. (Zu beachten ist, dass viele Bakterien auch Extremophile sind). Zusammen mit genetischen Beweisen deutet die Tatsache, dass ein großer Prozentsatz der Archaeen Extremophile sind, darauf hin, dass sie möglicherweise Nachkommen einiger der ältesten Lebensformen der Erde sind; Leben, das auf einem jungen Planeten entstand, der nach heutigen Maßstäben unwirtlich war.

Archaeen kommen im menschlichen Körper aus welchen Gründen auch immer nicht so häufig vor wie Bakterien und verursachen wesentlich weniger Krankheiten. Die Archäerforschung bringt weiterhin Licht in diese interessante und etwas mysteriöse Domäne.

Domain Eukarya

Diese Domäne ist am bekanntesten, da sie Menschen und andere Tiere sowie Pflanzen, Pilze und eine weniger bekannte Gruppe, die Protisten, umfasst. Im Gegensatz zu den anderen Domänen, Domain Eukaryaenthält neben einzelligen Arten auch mehrzellige Organismen. Die Domäne ist durch das Vorhandensein eukaryontischer Zellen gekennzeichnet. Für diese Domäne werden Ihnen mehrere ihrer Königreiche vorgestellt. Königreich ist die taxonomische Gruppierung unmittelbar unterhalb der Domäne (siehe Abbildung (PageIndex{1})).

Königreich Animalia besteht aus vielzelligen, heterotrophen Organismen. Dieses Königreich umfasst Menschen und andere Primaten, Insekten, Fische, Reptilien und viele andere Tierarten. Königreich Plantae umfasst mehrzellige, autotrophe Organismen. Abgesehen von einigen wenigen Arten, die Parasiten sind, nutzen Pflanzen die Photosynthese, um ihren Energiebedarf zu decken.

Königreich Pilze umfasst mehrzellige und einzellige, heterotrophe Pilze. Pilze werden häufig mit Pflanzen verwechselt, da einige Pilzarten im Boden wachsen. Pilze unterscheiden sich grundlegend von Pflanzen dadurch, dass sie keine Photosynthese betreiben und sich stattdessen von der lebenden Materie anderer ernähren. Ein weiteres Missverständnis ist, dass alle Pilze Pilze sind. Ein Pilz ist eine temporäre Fortpflanzungsstruktur, die von einigen Pilzarten verwendet wird, aber nicht allen. Einige Pilze haben die Form von Schimmelpilzen und Mehltau, die häufig auf verrottenden Lebensmitteln zu sehen sind. Zuletzt, Hefe sind einzellige Pilze. Viele Hefearten sind für den Menschen wichtig, insbesondere die Bäcker- und Bierhefe. Durch ihren Stoffwechsel produzieren diese Hefen CO2-Gas und Alkohol. Ersteres lässt Brot aufgehen und letzteres ist die Quelle für alle alkoholischen Getränke.

Protisten beziehen sich auf eine sehr unterschiedliche Gruppe, die früher ein eigenes Königreich war, bis kürzliche genetische Analysen ergaben, dass sie in viele Königreiche aufgeteilt werden sollte (Abbildung (PageIndex{4})). Als Gruppe sind Protisten sehr vielfältig und umfassen einzellige, mehrzellige, heterotrophe und autotrophe Organismen. Der Begriff „Protist“ wurde als Sammelbegriff für jeden Eukaryoten verwendet, der weder Tier, Pflanze noch Pilz war. Beispiele für Protisten sind Makroalgen wie Seetang und Algen, Mikroalgen wie Kieselalgen und Dinoflagellaten und wichtige krankheitserregende Mikroben wie Plasmodium, der Parasit, der Malaria verursacht. Leider sterben jedes Jahr Hunderttausende von Menschen an Malaria.

Mit diesem kursorischen und grundlegenden Verständnis der biologischen Vielfalt sind Sie jetzt besser gerüstet, um die Rolle der Biodiversität in der Biosphäre und in der menschlichen Wirtschaft, Gesundheit und Kultur zu untersuchen. Jede Lebensform, selbst die kleinste Mikrobe, ist eine faszinierende und komplexe lebende Maschine. Diese Komplexität bedeutet, dass wir wahrscheinlich nie jeden Organismus und die unzähligen Arten, wie er miteinander, mit uns und mit seiner Umwelt interagiert, vollständig verstehen werden. Daher ist es ratsam, die Biodiversität zu schätzen und Maßnahmen zu ihrer Erhaltung zu ergreifen.


5.1 Einführung in die Biodiversität

Die Erde beherbergt eine beeindruckende Vielfalt an Lebensformen. Von einzelligen Organismen bis hin zu Lebewesen aus vielen Billionen Zellen hat das Leben viele wunderbare Formen angenommen und unzählige Überlebensstrategien entwickelt. Denken Sie daran, dass die Zelltheorie vorschreibt, dass alle Lebewesen aus einer oder mehreren Zellen bestehen. Einige Organismen bestehen nur aus einer einzigen Zelle und werden daher als bezeichnet einzellig. Organismen, die mehr als eine Zelle enthalten, werden als bezeichnet mehrzellig. Trotz des breiten Spektrums an Organismen gibt es nur zwei grundlegende Zellpläne: prokaryontisch und eukaryontisch. Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Zellplänen besteht darin, dass eukaryotische Zellen interne, membrangebundene Strukturen haben, die Organellen genannt werden (siehe Kap. 2.3). Wenn Sie also die Zellen eines beliebigen Organismus auf der Erde mikroskopisch analysieren würden, würden Sie je nach Art des Organismus entweder prokaryontische oder eukaryontische Zellen finden.

Biologen benennen, gruppieren und klassifizieren Organismen basierend auf Ähnlichkeiten in Genetik und Morphologie. Dieser Zweig der biologischen Wissenschaft ist bekannt als Taxonomie. Taxonomen gruppieren Organismen in Kategorien, die von sehr breit bis sehr spezifisch reichen (Abbildung 1). Die breiteste Kategorie heißt Domain und die spezifischsten sind Spezies und Unterart (beachten Sie die Ähnlichkeiten zwischen den Wörtern Spezifisch und Spezies). Derzeit erkennen Taxonomen drei Domänen: Bakterien, Archaea und Eukarya. Alle Lebensformen werden in diese drei Domänen eingeteilt.

Abbildung 1. Diese Abbildung zeigt die taxonomischen Gruppen der Reihe nach mit Beispielen. Diese Illustration von OpenStax ist lizenziert unter CC BY 4.0


21.1 Bedeutung der Biodiversität

Biodiversität ist ein weit gefasster Begriff für biologische Vielfalt und kann auf mehreren Organisationsebenen gemessen werden. Traditionell haben Ökologen die Biodiversität gemessen, indem sie sowohl die Anzahl der Arten als auch die Anzahl der Individuen jeder dieser Arten berücksichtigten. Biologen verwenden jedoch Messungen der Biodiversität auf verschiedenen Ebenen der biologischen Organisation (einschließlich Genen, Populationen und Ökosystemen), um die Bemühungen zum Erhalt der biologisch und technologisch wichtigen Elemente der Biodiversität zu fokussieren.

Wenn man sich den Verlust der biologischen Vielfalt durch Aussterben als den Verlust der Wandertaube, des Dodo oder sogar des Wollhaarmammuts vorstellt, scheint es keinen Grund zu geben, sich darum zu kümmern, da diese Ereignisse vor langer Zeit geschehen sind. Wie wichtig ist der Verlust praktisch für das Wohlergehen der menschlichen Spezies? Hätten diese Spezies unser Leben besser gemacht? Aus evolutions- und ökologischer Sicht mag der Verlust einer bestimmten Einzelart bis auf wenige Ausnahmen unwichtig erscheinen, aber die aktuell beschleunigte Aussterberate bedeutet den Verlust von Zehntausenden Arten innerhalb unseres Lebens. Ein Großteil dieses Verlustes tritt in tropischen Regenwäldern auf, wie in Abbildung 21.2 dargestellt, die besonders artenreiche Ökosysteme sind, die für Holz und Landwirtschaft gerodet werden. Dies wird wahrscheinlich dramatische Auswirkungen auf das menschliche Wohlergehen haben, da Ökosysteme zusammenbrechen und zusätzliche Kosten für die Aufrechterhaltung der Nahrungsmittelproduktion, saubere Luft und Wasser sowie die Verbesserung der menschlichen Gesundheit entstehen.

Biologen erkennen an, dass die menschliche Bevölkerung in Ökosysteme eingebettet und von ihnen abhängig ist, genau wie jede andere Spezies auf dem Planeten. Die Landwirtschaft begann, nachdem sich frühe Jäger-Sammler-Gesellschaften an einem Ort niedergelassen und ihre unmittelbare Umgebung stark verändert hatten: das Ökosystem, in dem sie existierten. Dieser kulturelle Wandel hat es den Menschen schwer gemacht, ihre Abhängigkeit von anderen Lebewesen als Nutzpflanzen und domestizierten Tieren auf dem Planeten zu erkennen. Heute glättet unsere Technologie die Extreme der Existenz und ermöglicht vielen von uns ein längeres, komfortableres Leben, aber letztendlich kann die menschliche Spezies ohne ihre umgebenden Ökosysteme nicht existieren. Unsere Ökosysteme liefern unsere Nahrung. Dazu gehören lebende Pflanzen, die in Bodenökosystemen wachsen, und die Tiere, die diese Pflanzen (oder andere Tiere) fressen, sowie photosynthetische Organismen in den Ozeanen und die anderen Organismen, die sie fressen. Unsere Ökosysteme haben viele der Medikamente zur Verfügung gestellt, die unsere Gesundheit erhalten und die üblicherweise aus Verbindungen hergestellt werden, die in lebenden Organismen vorkommen. Ökosysteme liefern unser sauberes Wasser, das in Seen- und Flussökosystemen gespeichert ist oder auf seinem Weg ins Grundwasser terrestrische Ökosysteme durchdringt.

Arten der Biodiversität

Eine gängige Bedeutung von Biodiversität ist einfach die Anzahl der Arten an einem Ort oder auf der Erde, zum Beispiel listet die American Ornithologists’ Union 2078 Vogelarten in Nord- und Mittelamerika auf. Dies ist ein Maß für die Artenvielfalt der Vögel auf dem Kontinent. Anspruchsvollere Diversitätsmessungen berücksichtigen die relativen Häufigkeiten der Arten. Zum Beispiel ist ein Wald mit 10 gleich häufigen Baumarten vielfältiger als ein Wald mit 10 Baumarten, bei dem nur eine dieser Arten 95 Prozent der Bäume ausmacht und nicht gleich verteilt. Biologen haben auch alternative Messgrößen der Biodiversität identifiziert, von denen einige für die Planung des Erhalts der Biodiversität wichtig sind.

Genetische und chemische Biodiversität

Genetische Vielfalt ist ein alternatives Konzept der Biodiversität. Genetische Vielfalt (oder Variation) ist der Rohstoff für die Anpassung einer Art. Das zukünftige Anpassungspotenzial einer Art hängt von der genetischen Vielfalt ab, die in den Genomen der Individuen in Populationen vorhanden ist, aus denen die Art besteht. Das gleiche gilt für höhere taxonomische Kategorien. Eine Gattung mit sehr unterschiedlichen Arten wird eine größere genetische Vielfalt aufweisen als eine Gattung mit Arten, die gleich aussehen und ähnliche Ökologien aufweisen. Die Gattung mit dem größten Potenzial für eine spätere Evolution ist die genetisch vielfältigste.

Die meisten Gene kodieren für Proteine, die ihrerseits die Stoffwechselprozesse ausführen, die Organismen am Leben erhalten und sich fortpflanzen. Genetische Diversität kann auch als chemische Diversität verstanden werden, indem Arten mit unterschiedlicher genetischer Ausstattung in ihren Zellen unterschiedliche Chemikaliensortimente produzieren (Proteine ​​sowie die Produkte und Nebenprodukte des Stoffwechsels). Diese chemische Vielfalt ist für den Menschen aufgrund der möglichen Verwendungen dieser Chemikalien, wie beispielsweise Medikamente, wichtig. Zum Beispiel wird das Medikament Eptifibatid aus Klapperschlangengift gewonnen und wird verwendet, um Herzinfarkte bei Personen mit bestimmten Herzerkrankungen zu verhindern.

Derzeit ist es viel billiger, von einem Organismus hergestellte Verbindungen zu entdecken, als sich diese vorzustellen und dann im Labor zu synthetisieren. Die chemische Vielfalt ist eine Möglichkeit, Vielfalt zu messen, die für die menschliche Gesundheit und das Wohlergehen von Bedeutung ist. Durch selektive Züchtung hat der Mensch Tiere, Pflanzen und Pilze domestiziert, aber auch diese Vielfalt leidet aufgrund der Marktkräfte und des zunehmenden Globalismus in der menschlichen Landwirtschaft und Migration. Beispielsweise produzieren internationale Saatgutunternehmen nur sehr wenige Sorten einer bestimmten Kulturpflanze und bieten Landwirten weltweit Anreize, diese wenigen Sorten zu kaufen, während sie ihre traditionellen Sorten aufgeben, die weitaus vielfältiger sind. Die menschliche Bevölkerung hängt direkt von der Pflanzenvielfalt als stabile Nahrungsquelle ab, und ihr Rückgang ist für Biologen und Agrarwissenschaftler beunruhigend.

Vielfalt der Ökosysteme

Es ist auch nützlich, die Vielfalt der Ökosysteme zu definieren: die Anzahl der verschiedenen Ökosysteme auf der Erde oder in einem geografischen Gebiet. Ganze Ökosysteme können verschwinden, selbst wenn einige der Arten überleben könnten, indem sie sich an andere Ökosysteme anpassen. Der Verlust eines Ökosystems bedeutet den Verlust der Interaktionen zwischen den Arten, den Verlust einzigartiger Merkmale der Koadaptation und den Verlust der biologischen Produktivität, die ein Ökosystem erzeugen kann. Ein Beispiel für ein weitgehend ausgestorbenes Ökosystem in Nordamerika ist das Prärie-Ökosystem (Abbildung 21.3). Prärien erstreckten sich einst über das zentrale Nordamerika vom borealen Wald im Norden Kanadas bis hinunter nach Mexiko. Sie sind jetzt so gut wie verschwunden, ersetzt durch Ackerfelder, Weideland und Zersiedelung der Vorstädte. Viele der Arten überleben, aber das enorm produktive Ökosystem, das für die Schaffung unserer produktivsten landwirtschaftlichen Böden verantwortlich war, ist jetzt verschwunden. Als Konsequenz werden ihre Böden jetzt ausgelaugt, wenn sie nicht mit größerem Aufwand künstlich gepflegt werden. Der Rückgang der Bodenproduktivität erfolgt, weil die Interaktionen im ursprünglichen Ökosystem verloren gegangen sind. Dies war ein weitaus wichtigerer Verlust als die relativ wenigen Arten, die durch die Zerstörung des Prärie-Ökosystems ausgestorben waren.

Aktuelle Artenvielfalt

Trotz erheblicher Anstrengungen ist das Wissen über die Arten, die den Planeten bewohnen, begrenzt. Eine aktuelle Schätzung legt nahe, dass die eukaryotischen Arten, für die die Wissenschaft Namen hat, etwa 1,5 Millionen Arten, weniger als 20 Prozent der Gesamtzahl der auf dem Planeten vorkommenden eukaryotischen Arten ausmachen (8,7 Millionen Arten nach einer Schätzung). Schätzungen der Anzahl prokaryotischer Arten sind weitgehend Vermutungen, aber Biologen sind sich einig, dass die Wissenschaft gerade erst begonnen hat, ihre Vielfalt zu katalogisieren. Selbst mit dem, was bekannt ist, gibt es keine zentrale Sammlung von Namen oder Proben der beschriebenen Arten, daher gibt es keine Möglichkeit, sicher zu sein, dass die 1,5 Millionen Beschreibungen eine genaue Zahl sind. Es ist eine beste Schätzung, die auf den Meinungen von Experten zu verschiedenen taxonomischen Gruppen basiert. Angesichts der Tatsache, dass die Erde immer schneller Arten verliert, weiß die Wissenschaft wenig darüber, was verloren geht. Tabelle 21.1 zeigt aktuelle Schätzungen der Biodiversität in verschiedenen Gruppen.

Quelle: Mora et al. 2011 Quelle: Chapman 2009 Quelle: Groombridge und Jenkins 2002
Beschrieben Vorhergesagt Beschrieben Vorhergesagt Beschrieben Vorhergesagt
Tiere 1,124,516 9,920,000 1,424,153 6,836,330 1,225,500 10,820,000
Photosynthetische Protisten 17,892 34,900 25,044 200,500
Pilze 44,368 616,320 98,998 1,500,000 72,000 1,500,000
Pflanzen 224,244 314,600 310,129 390,800 270,000 320,000
Nicht-photosynthetische Protisten 16,236 72,800 28,871 1,000,000 80,000 600,000
Prokaryoten 10,307 1,000,000 10,175
Gesamt 1,438,769 10,960,000 1,897,502 10,897,630 1,657,675 13,240,000

Es gibt verschiedene Initiativen, um beschriebene Arten auf zugängliche und besser organisierte Weise zu katalogisieren, und das Internet erleichtert diese Bemühungen. Dennoch würde es bei der gegenwärtigen Artbeschreibungsrate, die laut den Berichten des State of Observed Species 1 17.000-20.000 neue Arten pro Jahr umfasst, fast 500 Jahre dauern, um alle derzeit existierenden Arten zu beschreiben. Die Aufgabe wird jedoch im Laufe der Zeit immer unmöglicher, da das Aussterben Arten schneller von der Erde entfernt, als sie beschrieben werden können.

Das Benennen und Zählen von Arten mag angesichts der anderen Bedürfnisse der Menschheit als unwichtig erscheinen, aber es ist nicht nur eine Abrechnung. Die Beschreibung von Arten ist ein komplexer Prozess, bei dem Biologen die einzigartigen Eigenschaften eines Organismus bestimmen und ob dieser Organismus zu einer anderen beschriebenen Art gehört oder nicht. Es ermöglicht Biologen, die Art nach der ersten Entdeckung zu finden und zu erkennen, um Fragen zu ihrer Biologie nachzugehen. Diese anschließende Forschung wird die Entdeckungen hervorbringen, die die Art für den Menschen und unsere Ökosysteme wertvoll machen. Ohne Namen und Beschreibung kann eine Art nicht eingehend und koordiniert von mehreren Wissenschaftlern untersucht werden.

Muster der Biodiversität

Die Biodiversität ist auf dem Planeten nicht gleichmäßig verteilt. Der Viktoriasee enthielt fast 500 Arten von Buntbarschen (nur eine Fischfamilie im See vorhanden), bevor die Einführung einer exotischen Art in den 1980er und 1990er Jahren ein Massensterben verursachte. Alle diese Arten wurden nur im Viktoriasee gefunden, das heißt, sie waren endemisch. Endemische Arten kommen nur an einem Ort vor. Zum Beispiel ist der Blauhäher in Nordamerika endemisch, während der Barton Springs Salamander in der Mündung einer Quelle in Austin, Texas, endemisch ist. Endemiten mit stark eingeschränkter Verbreitung, wie der Barton Springs Salamander, sind besonders vom Aussterben bedroht. Höhere taxonomische Ebenen, wie Gattungen und Familien, können ebenfalls endemisch sein.

Der Lake Huron enthält etwa 79 Fischarten, die alle in vielen anderen Seen in Nordamerika vorkommen. Was erklärt den Unterschied in der Vielfalt zwischen Lake Victoria und Lake Huron? Der Viktoriasee ist ein tropischer See, während der Huronsee ein gemäßigter See ist. Der Huronsee in seiner heutigen Form ist nur etwa 7.000 Jahre alt, während der Viktoriasee in seiner heutigen Form etwa 15.000 Jahre alt ist. Diese beiden Faktoren, Breitengrad und Alter, sind zwei von mehreren Hypothesen, die Biogeographen vorgeschlagen haben, um die Biodiversitätsmuster auf der Erde zu erklären.

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Biogeographie

Biogeographie ist die Erforschung der Verbreitung der weltweiten Arten sowohl in der Vergangenheit als auch in der Gegenwart. Die Arbeit von Biogeographen ist entscheidend, um unsere physische Umwelt zu verstehen, wie sich die Umwelt auf Arten auswirkt und wie sich Umweltveränderungen auf die Verbreitung einer Art auswirken.

Unter dem Begriff Biogeographie gibt es drei Hauptstudienrichtungen: ökologische Biogeographie, historische Biogeographie (sog. Paläobiogeographie) und Naturschutzbiogeographie. Die ökologische Biogeographie untersucht die aktuellen Faktoren, die die Verbreitung von Pflanzen und Tieren beeinflussen. Die historische Biogeographie untersucht, wie der Name schon sagt, die vergangene Artenverteilung. Die Erhaltungsbiogeographie hingegen konzentriert sich auf den Schutz und die Wiederherstellung von Arten basierend auf den bekannten historischen und aktuellen ökologischen Informationen. Jedes dieser Gebiete betrachtet sowohl die Zoogeographie als auch die Phytogeographie – die frühere und gegenwärtige Verbreitung von Tieren und Pflanzen.

Eines der ältesten beobachteten Muster in der Ökologie ist, dass die Biodiversität in fast jeder taxonomischen Gruppe von Organismen mit abnehmender Breite zunimmt. Mit anderen Worten nimmt die Biodiversität näher am Äquator zu (Abbildung 21.4).

Es ist noch nicht klar, warum die Biodiversität näher am Äquator zunimmt, aber Hypothesen beinhalten das höhere Alter der Ökosysteme in den Tropen gegenüber gemäßigten Regionen, die während der letzten Eiszeit weitgehend menschenleer oder drastisch verarmt waren. Das höhere Alter bietet mehr Zeit für die Artbildung. Eine andere mögliche Erklärung ist die größere Energie, die die Tropen von der Sonne erhalten, gegenüber dem geringeren Energieeintrag in gemäßigten und polaren Regionen. Wissenschaftler konnten jedoch nicht erklären, wie eine größere Energiezufuhr zu mehr Arten führen könnte. Die Komplexität tropischer Ökosysteme kann die Artbildung fördern, indem sie die Heterogenität der Lebensräume oder die Anzahl ökologischer Nischen in den Tropen relativ zu höheren Breiten erhöht. Die größere Heterogenität bietet mehr Möglichkeiten für Koevolution, Spezialisierung und möglicherweise einen größeren Selektionsdruck, der zu einer Differenzierung der Population führt. Diese Hypothese leidet jedoch unter einer gewissen Zirkularität – Ökosysteme mit mehr Arten fördern die Artbildung, aber wie haben sie überhaupt mehr Arten erhalten? Die Tropen gelten als stabiler als gemäßigte Regionen, die ein ausgeprägtes Klima und eine tagesabhängige Saisonalität aufweisen. Die Tropen haben ihre eigenen Formen der Saisonalität, wie zum Beispiel Niederschläge, aber es wird allgemein angenommen, dass sie stabilere Umgebungen sind, und diese Stabilität könnte die Artbildung fördern.

Unabhängig von den Mechanismen ist es sicher richtig, dass die Artenvielfalt in den Tropen am größten ist. In den Tropen ist die Zahl der endemischen Arten höher. In den Tropen gibt es auch mehr Biodiversitäts-Hotspots. Gleichzeitig ist unser Wissen über die in den Tropen lebenden Arten am niedrigsten und aufgrund der jüngsten, starken menschlichen Aktivitäten ist das Potenzial für den Verlust der biologischen Vielfalt am größten.

Bedeutung der Biodiversität

Der Verlust der Biodiversität bedroht schließlich andere Arten, die wir aufgrund ihrer Vernetzung nicht direkt betreffen, da Arten aus einem Ökosystem verschwinden, andere Arten werden durch die Veränderungen der verfügbaren Ressourcen bedroht. Die biologische Vielfalt ist wichtig für das Überleben und das Wohlergehen der menschlichen Bevölkerung, da sie Auswirkungen auf unsere Gesundheit und unsere Fähigkeit hat, uns durch die Landwirtschaft und die Ernte von Wildtierpopulationen zu ernähren.

Menschliche Gesundheit

Viele Medikamente werden aus natürlichen Chemikalien gewonnen, die von verschiedenen Organismengruppen hergestellt werden. Zum Beispiel produzieren viele Pflanzen sekundäre Pflanzenstoffe, die Toxine sind, die verwendet werden, um die Pflanze vor Insekten und anderen Tieren, die sie fressen, zu schützen. Einige dieser sekundären Pflanzenstoffe wirken auch als Humanmedizin. Zeitgenössische Gesellschaften, die in der Nähe des Landes leben, verfügen oft über ein breites Wissen über die medizinische Verwendung von Pflanzen, die in ihrem Gebiet wachsen. Jahrhundertelang wurde in Europa älteres Wissen über die medizinische Verwendung von Pflanzen in Kräuterbüchern zusammengestellt – Büchern, die die Pflanzen und ihre Verwendungen identifizierten. Der Mensch ist nicht das einzige Tier, das Pflanzen aus medizinischen Gründen verwendet. Die anderen Menschenaffen, Orang-Utans, Schimpansen, Bonobos und Gorillas wurden alle bei der Selbstmedikation mit Pflanzen beobachtet.

Auch die moderne pharmazeutische Wissenschaft erkennt die Bedeutung dieser Pflanzenstoffe an. Beispiele bedeutender Arzneimittel, die aus Pflanzenstoffen gewonnen werden, sind Aspirin, Codein, Digoxin, Atropin und Vincristin (Abbildung 21.5). Viele Medikamente wurden früher aus Pflanzenextrakten gewonnen, werden aber heute synthetisiert. Es wird geschätzt, dass 25 Prozent der modernen Medikamente einst mindestens einen Pflanzenextrakt enthielten. Diese Zahl ist wahrscheinlich auf etwa 10 Prozent gesunken, da natürliche Pflanzeninhaltsstoffe durch synthetische Versionen der Pflanzenstoffe ersetzt werden. Antibiotika, die in den Industrieländern für außergewöhnliche Verbesserungen der Gesundheit und der Lebensdauer verantwortlich sind, sind Verbindungen, die größtenteils aus Pilzen und Bakterien gewonnen werden.

In den letzten Jahren haben Tiergifte und Gifte intensive Forschungen zu ihrem medizinischen Potenzial angeregt. Bis 2007 hatte die FDA fünf auf tierischen Toxinen basierende Medikamente zur Behandlung von Krankheiten wie Bluthochdruck, chronischen Schmerzen und Diabetes zugelassen. Weitere fünf Medikamente befinden sich in klinischen Studien und mindestens sechs Medikamente werden in anderen Ländern eingesetzt. Andere untersuchte Toxine stammen von Säugetieren, Schlangen, Eidechsen, verschiedenen Amphibien, Fischen, Schnecken, Kraken und Skorpionen.

Abgesehen von Gewinnen in Milliardenhöhe verbessern diese Medikamente das Leben der Menschen. Pharmaunternehmen suchen aktiv nach neuen natürlichen Verbindungen, die als Medikamente wirken können. Es wird geschätzt, dass ein Drittel der pharmazeutischen Forschung und Entwicklung für Naturstoffe ausgegeben wird und dass etwa 35 Prozent der zwischen 1981 und 2002 auf den Markt gebrachten neuen Medikamente aus Naturstoffen stammen.

Schließlich wurde argumentiert, dass Menschen psychologisch davon profitieren, in einer artenreichen Welt zu leben. Der Hauptvertreter dieser Idee ist der Entomologe E. O. Wilson. Er argumentiert, dass die menschliche Evolutionsgeschichte uns an das Leben in einer natürlichen Umgebung angepasst hat und dass gebaute Umgebungen Stress erzeugen, der sich auf die menschliche Gesundheit und das Wohlbefinden auswirkt. Es gibt umfangreiche Forschungen zu den psychologisch regenerativen Vorteilen von Naturlandschaften, die darauf hindeuten, dass die Hypothese einiges an Wahrheit enthalten könnte.

Landwirtschaftlich

Seit Beginn der menschlichen Landwirtschaft vor mehr als 10.000 Jahren züchten und selektieren menschliche Gruppen Nutzpflanzensorten. Diese Pflanzenvielfalt entsprach der kulturellen Vielfalt stark unterteilter Menschenpopulationen. Zum Beispiel wurden Kartoffeln seit etwa 7.000 Jahren in den zentralen Anden Perus und Boliviens domestiziert. Die Menschen in dieser Region lebten traditionell in relativ isolierten Siedlungen, die durch Berge getrennt waren. Die in dieser Region angebauten Kartoffeln gehören zu sieben Arten und die Zahl der Sorten geht wahrscheinlich in die Tausende. Jede Sorte wurde gezüchtet, um in bestimmten Höhenlagen und Boden- und Klimabedingungen zu gedeihen. Die Vielfalt wird durch die unterschiedlichen Anforderungen der dramatischen Höhenunterschiede, die begrenzte Bewegung von Menschen und die Anforderungen, die durch die Fruchtfolge für verschiedene Sorten entstehen, die in verschiedenen Bereichen gut funktionieren, getrieben.

Kartoffeln sind nur ein Beispiel für landwirtschaftliche Vielfalt. Alle Pflanzen, Tiere und Pilze, die vom Menschen kultiviert wurden, wurden aus ursprünglichen wilden Vorfahrenarten in verschiedene Sorten gezüchtet, die sich aus den Anforderungen an Nährwert, Anpassung an die Wachstumsbedingungen und Resistenz gegen Schädlinge ergeben. Die Kartoffel ist ein bekanntes Beispiel für die Risiken einer geringen Kulturpflanzenvielfalt: Während der tragischen Hungersnot in Irland (1845–1852 n. Chr.) wurde die einzelne in Irland angebaute Kartoffelsorte anfällig für eine Kartoffelfäule – die Ernte vernichtete. Der Verlust der Ernte führte zu Hungersnöten, Tod und Massenauswanderung. Die Resistenz gegen Krankheiten ist ein Hauptvorteil für die Erhaltung der Artenvielfalt und die mangelnde Vielfalt heutiger Pflanzenarten birgt ähnliche Risiken. Saatgutunternehmen, die in den Industrieländern die Quelle der meisten Pflanzensorten sind, müssen ständig neue Sorten züchten, um mit der Entwicklung von Schädlingsorganismen Schritt zu halten. Dieselben Saatgutunternehmen haben jedoch am Rückgang der Zahl der verfügbaren Sorten teilgenommen, da sie sich darauf konzentrieren, weniger Sorten in mehr Regionen der Welt zu verkaufen und traditionelle lokale Sorten zu ersetzen.

Die Fähigkeit, neue Kulturpflanzensorten zu schaffen, hängt von der Vielfalt der verfügbaren Sorten und der Verfügbarkeit von Wildformen in Bezug auf die Kulturpflanze ab. Diese Wildformen sind oft die Quelle neuer Genvarianten, die mit bestehenden Sorten gezüchtet werden können, um Sorten mit neuen Eigenschaften zu schaffen. Der Verlust von Wildarten, die mit einer Kulturpflanze in Zusammenhang stehen, bedeutet den Verlust des Potenzials zur Verbesserung der Kulturpflanzen. Die Erhaltung der genetischen Vielfalt wildlebender Arten, die mit domestizierten Arten verwandt sind, sichert unsere kontinuierliche Nahrungsversorgung.

Seit den 1920er Jahren unterhalten die Landwirtschaftsabteilungen der Regierung Saatgutbanken für Pflanzensorten, um die Pflanzenvielfalt zu erhalten. Dieses System weist Mängel auf, da im Laufe der Zeit durch Unfälle Saatgutsorten verloren gehen und es keine Möglichkeit gibt, sie zu ersetzen. Im Jahr 2008 begann das Svalbard Global Seed Vault auf der Insel Spitzbergen in Norwegen (Abbildung 21.6) damit, Saatgut aus der ganzen Welt als Backup-System für die regionalen Saatgutbanken zu lagern. Wenn eine regionale Saatgutbank Sorten in Spitzbergen lagert, können Verluste aus Spitzbergen ersetzt werden, falls dem regionalen Saatgut etwas zustoßen sollte. Das Saatgewölbe Spitzbergen liegt tief in den Felsen der arktischen Insel. Die Bedingungen innerhalb des Gewölbes werden für das Überleben der Samen bei idealer Temperatur und Luftfeuchtigkeit gehalten, aber die tiefe unterirdische Lage des Gewölbes in der Arktis bedeutet, dass ein Ausfall der Gewölbesysteme die klimatischen Bedingungen im Gewölbe nicht beeinträchtigt.

Visuelle Verbindung

Das Samengewölbe Spitzbergen befindet sich auf der Insel Spitzbergen in Norwegen, die ein arktisches Klima hat. Warum könnte ein arktisches Klima gut für die Samenlagerung sein?

Obwohl Nutzpflanzen weitgehend unter unserer Kontrolle stehen, hängt unsere Fähigkeit, sie anzubauen, von der Biodiversität der Ökosysteme ab, in denen sie angebaut werden. Diese Biodiversität schafft die Bedingungen, unter denen Nutzpflanzen durch sogenannte Ökosystemleistungen wachsen können – wertvolle Bedingungen oder Prozesse, die von einem Ökosystem durchgeführt werden. Pflanzen werden zum größten Teil nicht in bebauten Umgebungen angebaut. Sie werden in Erde angebaut. Obwohl einige landwirtschaftliche Böden durch umstrittene Pestizidbehandlungen unfruchtbar gemacht werden, enthalten die meisten eine große Vielfalt von Organismen, die Nährstoffkreisläufe aufrechterhalten – sie spalten organisches Material in Nährstoffverbindungen auf, die Pflanzen für das Wachstum benötigen. Diese Organismen erhalten auch die Bodentextur, die die Wasser- und Sauerstoffdynamik im Boden beeinflusst, die für das Pflanzenwachstum notwendig sind. Die Arbeit dieser Organismen bei der Bildung von Ackerböden zu ersetzen, ist praktisch nicht möglich. Solche Prozesse werden Ökosystemleistungen genannt. Sie treten innerhalb von Ökosystemen wie Bodenökosystemen als Folge der vielfältigen Stoffwechselaktivitäten der dort lebenden Organismen auf, bieten jedoch Vorteile für die menschliche Nahrungsmittelproduktion, die Verfügbarkeit von Trinkwasser und die Atemluft.

Andere wichtige Ökosystemleistungen im Zusammenhang mit der Nahrungsmittelproduktion sind die Pflanzenbestäubung und die Schädlingsbekämpfung. Es wird geschätzt, dass die Bestäubung durch Honigbienen in den Vereinigten Staaten 1,6 Milliarden US-Dollar pro Jahr einbringt, andere Bestäuber bis zu 6,7 Milliarden US-Dollar beitragen. Über 150 Nutzpflanzen in den Vereinigten Staaten erfordern Bestäubung, um zu produzieren. Viele Honigbienenpopulationen werden von Imkern verwaltet, die ihre Bienenstöcke an Landwirte vermieten. Honigbienenpopulationen in Nordamerika haben große Verluste erlitten, die durch ein als Koloniekollaps-Störung bekanntes Syndrom verursacht wurden, ein neues Phänomen mit unklarer Ursache. Andere Bestäuber sind eine Vielzahl anderer Bienenarten sowie verschiedene Insekten und Vögel. Der Verlust dieser Arten würde den Anbau von Pflanzen, die eine Bestäubung erfordern, unmöglich machen und die Abhängigkeit von anderen Pflanzen erhöhen.

Schließlich konkurrieren Menschen um ihre Nahrung mit Pflanzenschädlingen, von denen die meisten Insekten sind. Pestizide kontrollieren diese Konkurrenten, aber diese sind kostspielig und verlieren mit der Zeit ihre Wirksamkeit, wenn sich die Schädlingspopulationen anpassen. Sie führen auch zu Kollateralschäden, indem sie Nicht-Schädlingsarten sowie nützliche Insekten wie Honigbienen töten und die Gesundheit von Landarbeitern und Verbrauchern gefährden. Darüber hinaus können diese Pestizide von den Feldern, auf denen sie ausgebracht werden, migrieren und andere Ökosysteme wie Bäche, Seen und sogar den Ozean schädigen. Ökologen glauben, dass der Großteil der Arbeit bei der Beseitigung von Schädlingen tatsächlich von Räubern und Parasiten dieser Schädlinge geleistet wird, aber die Auswirkungen wurden nicht gut untersucht. Eine Überprüfung ergab, dass in 74 Prozent der Studien, die nach einem Effekt der Landschaftskomplexität (Wälder und Brachflächen in der Nähe von Ackerfeldern) auf natürliche Feinde von Schädlingen suchten, je größer die Komplexität, desto größer die Wirkung von schädlingsunterdrückenden Organismen. Eine andere experimentelle Studie ergab, dass die Einführung mehrerer Feinde von Erbsenblattläusen (einem wichtigen Luzerneschädling) den Luzerneertrag signifikant erhöhte. Diese Studie zeigt, dass eine Vielzahl von Schädlingen bei der Bekämpfung wirksamer ist als ein einzelner Schädling. Der Verlust der Vielfalt der Schädlingsfeinde wird den Anbau von Nahrungsmitteln unweigerlich erschweren und kostspieliger machen. Die wachsende Weltbevölkerung steht angesichts der steigenden Kosten und anderer Schwierigkeiten im Zusammenhang mit der Nahrungsmittelproduktion vor großen Herausforderungen.

Wilde Nahrungsquellen

Neben dem Anbau von Nutzpflanzen und der Aufzucht von Nahrungstieren bezieht der Mensch Nahrungsressourcen aus Wildpopulationen, vor allem Wildfischpopulationen. Für etwa eine Milliarde Menschen sind aquatische Ressourcen die Hauptquelle für tierisches Eiweiß. Aber seit 1990 ist die Produktion aus der weltweiten Fischerei zurückgegangen. Trotz erheblicher Anstrengungen werden nur wenige Fischereien auf der Erde nachhaltig bewirtschaftet.

Das Aussterben der Fischerei führt selten zum vollständigen Aussterben der befischten Arten, sondern zu einer radikalen Umstrukturierung des marinen Ökosystems, in der eine dominante Art so überfischt wird, dass sie ökologisch eine untergeordnete Rolle spielt. Abgesehen davon, dass der Mensch die Nahrungsquelle verliert, wirken sich diese Veränderungen auf viele andere Arten auf schwer oder unmöglich vorhersehbare Weise aus. Der Zusammenbruch der Fischerei hat dramatische und lang anhaltende Auswirkungen auf die lokale Bevölkerung, die in der Fischerei arbeitet. In addition, the loss of an inexpensive protein source to populations that cannot afford to replace it will increase the cost of living and limit societies in other ways. In general, the fish taken from fisheries have shifted to smaller species and the larger species are overfished. The ultimate outcome could clearly be the loss of aquatic systems as food sources.

Konzepte in Aktion

Visit this website to view a brief video discussing a study of declining fisheries.


6.1: Introduction to Biodiversity - Biology

Biodiversity is defined as the variation of living forms on earth which includes plants, animals, microorganisms, contains genes and form the complex ecosystem.

Biodiversity describes the diversity of life at the following three biological levels:

source:marinebio.org fig: Species diversity

Species diversity:

Species diversity is the component of the biodiversity which is a group of plants or animals that are similar and able to breed and produce viable offspring under natural conditions.

Genetic diversity is the level of biodiversity that refers to the total number of genetic characteristics in the genetic makeup of the species and recessed in all of the individuals that comprise a particular species.

Ecosystem diversity:

source:sites.google.com fig: Ecosystem diversity

Ecosystem diversity is the variation of habitats, community types, and abiotic environments present in a given area. Ecosystem diversity is evaluated through measures of the diversity of the components species.

Benefits of biodiversity

  • By protecting biodiversity, we are able to find a new source of food and drink.
  • A significant proportion of drugs is derived directly or indirectly from biological sources.
  • A wide range of industrial materials i.e. dyes, fibers, resins etc. are derived directly from biological resources.
  • The natural beauty provided by biodiversity inspired composers, artists, and poets.
  • Ecosystem and ecological processes play an important role in the breakdown and absorption of pollutants.
  • Biological diversity helps in the formation and maintenance of soil texture and the preservation of moisture and nutrients.
  • Natural pesticides using biodiversity are in many ways superior to their artificial chemical pesticides.
  • Biodiversity also has great importance as a direct source of income and economic development.

Scope of Biodiversity

The total number of species which are found on the earth surface is called biodiversity. Every species are different from each other. So, the tourist is attracted towards them are willing to know about them in detail which helps to develop tourism in the country. And the increase in tourism means the increase in country's economy.

Scientific research and investigation:

Biodiversity is also important for scientific research and investigation. With the help of biodiversity, the scientist can find out or research scientific things.

Every biodiversity is important in itself. From plants, we can discover various medicines used for various diseases. Medicines which are newly discovered are first observed on animals. So, we can say medicine is also one of the scopes of biodiversity.

Agricultural production:

The food product which we eat daily is obtained from the environment. With variation in these products, we get varieties of food.

Balance of ecosystem:

Biodiversity helps to maintain the ecological balance necessary for survival for not only plants and animals but also humans on earth because they depend on each other directly or indirectly for food.


Schau das Video: DNA-opbygning (Dezember 2022).