Экожуйелердің биоәртүрлілігі мен тұрақтылығы: өзгерулер мен қауіптер
Ecological effects of biodiversity
Экологиялық әртүрлілік, биокөптемелік, климат өзгеруі және жоғалу туралы мақала. Экожуйелердің тұрақтылығы мен өнімділігіне әртүрліліктің әсері зерттеледі.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Экологиялық қоғамдастықтардағы түрлер мен гендердің әртүрлілігі осы қоғамдастықтардың қызмет етуіне әсер етеді. Биологиялық әртүрліліктің осы экологиялық әсерлері, өз кезегінде, парниктік газдардың, аэрозольдердің артуы және жер жабынының төмендеуі арқылы климаттың өзгеруімен және биологиялық әртүрліліктің өзімен байланысты. Бұл биологиялық әртүрліліктің жылдам жоғалуына және түрлер мен жергілікті популяциялардың жойылуына алып келеді. Қазіргі жойылу қарқыны кейде жаппай жойылу деп есептеледі, өйткені қазіргі түрлердің жойылу деңгейі бұрынғыдан 100-1000 есе жоғары. Биологиялық әртүрліліктің экожүйелік функцияларға әсерін зерттеген екі негізгі сала – әртүрлілік пен өнімділік арасындағы және әртүрлілік пен қоғамдастықтың тұрақтылығы арасындағы байланыс. Биологиялық әртүрлілігі жоғары қоғамдастықтар биомасса өндірісі тұрғысынан қарағанда өнімдірек болып көрінеді, сондай-ақ, сыртқы факторларға төтеп беруде тұрақтырақ болып көрінеді. Аймақты мекендейтін жануарлар да климаттық факторларға ұқсас жағдайлар арқылы тіршілік ету ортасын өзгерте алады.
The diversity of species and genes in ecological communities affects the functioning of these communities. These ecological effects of biodiversity in turn are affected by both climate change through enhanced greenhouse gases, aerosols and loss of land cover, and biological diversity, causing a rapid loss of biodiversity and extinctions of species and local populations. The current rate of extinction is sometimes considered a mass extinction, with current species extinction rates on the order of 100 to 1000 times as high as in the past. The two main areas where the effect of biodiversity on ecosystem function have been studied are the relationship between diversity and productivity, and the relationship between diversity and community stability. More biologically diverse communities appear to be more productive (in terms of biomass production) than are less diverse communities, and they appear to be more stable in the face of perturbations. Also animals that inhabit an area may alter the surviving conditions by factors assimilated by climate.
Анықтамалар
Биологиялық әртүрліліктегі өзгерістердің экожүйелердің жұмыс істеуіне тигізер әсерін түсіну үшін, кейбір терминдерді анықтау маңызды. Биологиялық әртүрлілікті анықтау оңай емес, бірақ оны белгілі бір аймақтағы гендердің, түрлердің және экожүйелердің саны және/немесе теңдігі деп қарастыруға болады. Бұл анықтамаға генетикалық әртүрлілік, яғни бір түр ішіндегі гендердің әртүрлілігі, түрлердің әртүрлілігі, яғни тіршілік ортасы немесе аймақ ішіндегі түрлердің әртүрлілігі, және экожүйелердің әртүрлілігі, яғни аймақ ішіндегі тіршілік орталарының әртүрлілігі кіреді. Әртүрліліктің өзгеруіне қатысты ең көп өлшенетін екі нәрсе – өнімділік және тұрақтылық. Өнімділік – экожүйе жұмысының көрсеткіші. Ол әдетте белгілі бір аумақтағы барлық өсімдіктердің жер үсті биомассасын өлшеу арқылы анықталады. Көптеген адамдар оны экожүйе функциясының жалпы көрсеткіші ретінде пайдалануға болады деп санайды, сондай-ақ жалпы ресурстарды қолдану және экожүйе функциясының басқа да көрсеткіштері өнімділікпен байланысты. Тұрақтылықты анықтау әлдеқайда қиын, бірақ оны екі тұрғыдан қарастыруға болады. Бір түрдегі тұрақтылық – бұл популяцияның жойылу қаупі аз болғанда тұрақтылығы жоғары болады деген пікірге негізделген өлшем. Осы тұрғыдан тұрақтылықты жалпы биомасса сияқты қоғамдық қасиеттердің уақыт өте қалай өзгеретінін өлшеу арқылы бағалауға болады. Тұрақтылықтың екінші анықтамасы – төзімділік және қарсылық деңгейін өлшеу, яғни бұзылғаннан кейін тез қалпына келіп, тепе-теңдікке оралатын немесе жаңа түрлердің енуіне қарсы тұра алатын экожүйе, оған қарсы тұра алмайтындарға қарағанда тұрақтырақ деп есептеледі.
In order to understand the effects that changes in biodiversity will have on ecosystem functioning, it is important to define some terms. Biodiversity is not easily defined, but may be thought of as the number and/or evenness of genes, species, and ecosystems in a region. This definition includes genetic diversity, or the diversity of genes within a species, species diversity, or the diversity of species within a habitat or region, and ecosystem diversity, or the diversity of habitats within a region. Two things commonly measured in relation to changes in diversity are productivity and stability. Productivity is a measure of ecosystem function. It is generally measured by taking the total aboveground biomass of all plants in an area. Many assume that it can be used as a general indicator of ecosystem function and that total resource use and other indicators of ecosystem function are correlated with productivity. Stability is much more difficult to define, but can be generally thought of in two ways. General stability of a population is a measure that assumes stability is higher if there is less of a chance of extinction. This kind of stability is generally measured by measuring the variability of aggregate community properties, like total biomass, over time. The other definition of stability is a measure of resilience and resistance, where an ecosystem that returns quickly to an equilibrium after a perturbation or resists invasion is thought of as more stable than one that does not.
Өнімділік пен тұрақтылық - экожүйенің денсаулығының көрсеткіштері
Қоғамдық экологиядағы тұрақтылықтың маңызы айқын. Тұрақсыз экожүйе түрлерді жоғалтуға бейім болады. Сондықтан, егер әртүрлілік пен тұрақтылық арасында байланыс болса, әртүрліліктің жоғалуы өзіне-өзі кері байланысқа түсіп, түрлердің одан да көп жоғалуына себеп болуы мүмкін. Ал өнімділіктің қоғамдық экологиядағы маңызы осылай анық емес. Егістік жерлер сияқты басқарылатын аумақтарда, сондай-ақ жануарлар өсірілетін немесе ауланатын жерлерде өнімділікті арттыру, аймақтың экономикалық сәттілігін арттырады және аймақтың тиімдірек болғанын көрсетеді, бұл ұзақ мерзімді ресурстардың сақталуына мүмкіндік береді. Табиғи экожүйелерде өнімділіктің маңыздылығын анықтау қиын. Биоәртүрліліктің экожүйе процестерін реттеу және тұрақтандырудағы құндылығынан өзге, белгілі бір экожүйелерде және жалпы әлемде әртүрліліктің жоғалуының тікелей экономикалық салдары бар. Түрлерді жоғалту – потенциалды азық-түлік, дәрі-дәрмек, өнеркәсіптік өнімдер және туризмді жоғалту дегеніміз, олардың барлығы адамдардың өміріне тікелей экономикалық әсер етеді.
The importance of stability in community ecology is clear. An unstable ecosystem will be more likely to lose species. Thus, if there is indeed a link between diversity and stability, it is likely that losses of diversity could feedback on themselves, causing even more losses of species. Productivity, on the other hand, has a less clear importance in community ecology. In managed areas like cropland, and in areas where animals are grown or caught, increasing productivity increases the economic success of the area and implies that the area has become more efficient, leading to possible long term resource sustainability. It is more difficult to find the importance of productivity in natural ecosystems. Beyond the value biodiversity has in regulating and stabilizing ecosystem processes, there are direct economic consequences of losing diversity in certain ecosystems and in the world as a whole. Losing species means losing potential foods, medicines, industrial products, and tourism, all of which have a direct economic effect on peoples lives.
Қоғамдық өнімділікке әсері
Өсімдік түрлерінің бір-бірімен бірге өмір сүруі нишаның бөлінуі, яғни түрлер арасындағы ресурстарға қажеттіліктердің айырмашылығының нәтижесі деп есептеледі. Толықтыру арқылы, әртүрлі өсімдік қауымдастығы ресурстарды толыққанды пайдалана алады, демек, өнімділігі жоғары болады. Бұл механизм нишалық дифференциация деп те аталады және ол функционалдық топтық тәсілдің негізгі қағидасы болып табылады, ол түрлердің әртүрлілігін функционалдық компоненттерге жіктеуге мүмкіндік береді. Қолдау көрсету (Фасилитация) Қолдау көрсету – бұл белгілі бір түрлердің қоршаған ортаны өзгерту арқылы басқа түрлердің өсуіне көмектесуі немесе мүмкіндік жасауы, бұл өзгеріс басқа түрлерге қолайлы жағдай тудырады. Өсімдіктер азот, су, температура, кеңістік сияқты делдалдық факторлар арқылы немесе басқаларымен, мысалы, арамшөптермен немесе өсімдіктерді жейтін жануарлармен өзара әрекеттесе алады. Қолдау көрсетудің мысалдары: үлкен шөлдік көпжылдық өсімдіктер аналық өсімдіктер ретінде әрекет етеді, су және температуралық стресті азайту арқылы басқа түрлердің жас өсімдіктерінің орналасуына көмектеседі, сондай-ақ бұршақтар сияқты азотты бекітушілер арқылы қоректік заттармен байытады. Іріктеу эффектісі (The Sampling Effect) Түрліліктің іріктеу эффектісі – әртүрлілігі жоғары учаскеде ең жоғары өнімділікке ие түрдің кездесу ықтималдығының артуы ретінде қарастырылады. Бұл өнімділікке әсер ететін құрамына байланысты эффектіні қамтамасыз етеді, ал түрлілік тікелей себеп болмайды. Дегенмен, іріктеу эффектісі әртүрлі эффектілердің жиынтығы болуы мүмкін. Іріктеу эффектісін 1) белгілі бір жер жағдайларына жақсы бейімделген немесе 2) табиғи өнімділігі жоғары түрді таңдау ықтималдығының артуы ретінде қарастыруға болады. Сонымен қатар, іріктеу эффектісіне 3) бір-бірін толықтыратын түрлер жұбын немесе 4) қоғамдастықтың басқа мүшелеріне үлкен қолдау көрсету эффектісі бар белгілі бір түрді қосу ықтималдығын да қосуға болады.
Complementarity Plant species coexistence is thought to be the result of niche partitioning, or differences in resource requirements among species. By complementarity, a more diverse plant community should be able to use resources more completely, and thus be more productive. Also called niche differentiation, this mechanism is a central principle in the functional group approach, which breaks species diversity down into functional components. Facilitation Facilitation is a mechanism whereby certain species help or allow other species to grow by modifying the environment in a way that is favorable to a co occurring species. Plants can interact through an intermediary like nitrogen, water, temperature, space, or interactions with weeds or herbivores among others. Some examples of facilitation include large desert perennials acting as nurse plants, aiding the establishment of young neighbors of other species by alleviating water and temperature stress, and nutrient enrichment by nitrogen fixers such as legumes. The Sampling Effect The sampling effect of diversity can be thought of as having a greater chance of including a species of greatest inherent productivity in a plot that is more diverse. This provides for a composition effect on productivity, rather than diversity being a direct cause. However, the sampling effect may in fact be a compilation of different effects. The sampling effect can be separated into the greater likelihood of selecting a species that is 1) adapted well to particular site conditions, or 2) of a greater inherent productivity. Additionally, one can add to the sampling effect a greater likelihood of including 3) a pair of species that highly complement each other, or 4) a certain species with a large facilitative effect on other members of the community.
Деректерді қарау
Далалық тәжірибелер әртүрліліктің қоғамдық өнімділікке тигізетін әсерін анықтау мақсатымен жүргізілді, бірақ нәтижелері әртүрлі болды. Алайда, шөптесін экожүйелеріндегі көптеген ұзақ мерзімді зерттеулер әртүрліліктің экожүйелердің өнімділігін арттыратынын көрсетті. Бұл қатынастың куәлігі шөптесін микрокосмостарында да табылды. Зерттеулердің әртүрлі нәтижелеріне себеп, олардың қоршаған ортада кездесетін түрлердің әртүрлілігін емес, тең түрлердің әртүрлілігіне негіделген сынамаларды қолдануы болуы мүмкін. 2006 жылы шөптесін сынамаларында түрлер құрамының нақты айырмашылықтарын пайдаланған тәжірибеде, әртүрліліктің жоғарылауы мен өндірістің өсуі арасындағы оң байланыс анықталды. Басқа зерттеулер бұзылудан кейінгі уақыт және ортаның сыйымдылығы түрлі қатынастарға әкелуі мүмкін екенін көрсетті. Әр экологиялық жағдай әртүрлі қатынасты ғана емес, сонымен қатар әртүрлілік пен құрамға байланысты қатынасқа әртүрлі үлес қосуы керек. Қазіргі ағымдағы пікірге сәйкес, түрлердің белгілі бір комбинациялары қоғамдық өнімділікті арттырады.
Field experiments to test the degree to which diversity affects community productivity have had variable results, but many long term studies in grassland ecosystems have found that diversity does indeed enhance the productivity of ecosystems. Additionally, evidence of this relationship has also been found in grassland microcosms. The differing results between studies may partially be attributable to their reliance on samples with equal species diversities rather than species diversities that mirror those observed in the environment. A 2006 experiment utilizing a realistic variation in species composition for its grassland samples found a positive correlation between increased diversity and increased production. others have indicated that the time since disturbance and the habitat's carrying capacity can cause differing relationships. Each ecological context should yield not only a different relationship, but a different contribution to the relationship due to diversity and to composition. The current consensus holds at least that certain combinations of species provide increased community productivity.
Болашақтағы зерттеулер
Әртүрліліктің өнімділікке және басқа да экожүйелік процестерге тигізетін әсерін дұрыс анықтау үшін көптеген жағдайлар орындалуы керек. Біріншіден, ғалымдар бір ғана байланысты іздеуді тоқтатуы қажет. Модельдер, деректер және теориялар көрсеткендей, әртүрліліктің өнімділікке тигізетін жалғыз, басым әсер жоқ. Ғалымдар құрамына байланысты әсер мен әртүрлілік әсері арасындағы айырмашылықты анықтауға тырысуы керек, себебі көптеген тәжірибелер түпкілікті жүзеге асырылған түрлердің әртүрлілігін анықтамайды (тек отырғызылған тұқымдардың санын есептейді) және фасилитаторлардың (құрамына байланысты фактор) үлгі алу әсерін әртүрлілік әсерімен шатастырады. Абсолютті шамадан гөрі салыстырмалы түрде артық өнімділік (басқа түрлермен бірге өсірілгенде өсімдіктің монокультурадағы өсуінен қанша артық болатыны) пайдаланылуы керек, себебі салыстырмалы артық өнімділік әртүрліліктің өнімділікке тигізетін механизм туралы ақпарат бере алады. Бірақ тәжірибелік хаттамалар толық болмаса, тәжірибеде толықтыратын немесе жеңілдететін әсердің бар екенін көрсетуге болады, бірақ оның себебін анықтау мүмкін болмайды. Тәжірибе жүргізушілер өз тәжірибесінің мақсатын – табиғи немесе басқарылатын экожүйелер туралы ақпарат беруге бағытталғандығын білуі керек, себебі үлгі алу әсері тек табиғи экожүйелердегі әртүрліліктің нақты әсері болуы мүмкін (басқарылатын экожүйелер түрлер санына қарамастан, толықтыру мен жеңілдетуді барынша арттыру үшін құрастырылады). Осыны білген соң, олар тәжірибе үшін орындық және уақыттық масштабтарды дұрыс таңдай алады. Сонымен қатар, әртүрліліктің функциясы туралы дауды шешу үшін кеңістіктік және ресурстық гетерогенділік, сондай-ақ уақыт бойынша қоршаған ортаның өзгеруімен тәжірибелер жүргізу ұсынылады, себебі мұндай тәжірибелер әртүрліліктің функциясы арасындағы байланысты анықтауға көмектеседі. Бұл әсер бәсекелестік нәтижесінде туындайды, себебі жоғары бәсекелестікке ұшыраған түрлер теріс корреляцияны көрсетеді. Сақтандыру әсері Экожүйеде түрлер саны көп болса, онда тұрақтандыратын түрлердің артық болу ықтималдығы жоғары болады және әртүрлі бұзылуларға әртүрлі жауап беретін түрлердің саны көп болады. Бұл экожүйенің бұзылуларға төзімділігін арттырады. Инвазияға қарсы тұру Әртүрлі қауымдастықтар толықтыру әсеріне байланысты қарапайым қауымдастықтарға қарағанда ресурстарды толық пайдалана алады. Сондықтан, басқыншылар әртүрлі экожүйелерде сәттілікке жете алмайды немесе басқыншы түр әртүрлі экожүйеге жаңа қасиеттерді немесе процестерді енгізу ықтималдығы төмендейді. Ауруларға төзімділік Бәсекелес өсімдік түрлерінің санының азаюы басқа түрлердің көбеюіне мүмкіндік береді, бұл осы түрлердің ауруларының таралуын жеңілдетеді.
In order to correctly identify the consequences of diversity on productivity and other ecosystem processes, many things must happen. First, it is imperative that scientists stop looking for a single relationship. It is obvious now from the models, the data, and the theory that there is no one overarching effect of diversity on productivity. Scientists must try to quantify the differences between composition effect and diversity effects, as many experiments never quantify the final realized species diversity (instead only counting numbers of species of seeds planted) and confound a sampling effect for facilitators (a compositional factor) with diversity effects. Relative amounts of overyielding (or how much more a species grows when grown with other species than it does in monoculture) should be used rather than absolute amounts as relative overyielding can give clues as to the mechanism by which diversity is influencing productivity, however if experimental protocols are incomplete, one may be able to indicate the existence of a complementary or facilitative effect in the experiment, but not be able to recognize its cause. Experimenters should know what the goal of their experiment is, that is, whether it is meant to inform natural or managed ecosystems, as the sampling effect may only be a real effect of diversity in natural ecosystems (managed ecosystems are composed to maximize complementarity and facilitation regardless of species number). By knowing this, they should be able to choose spatial and temporal scales that are appropriate for their experiment. Lastly, to resolve the diversity function debate, it is advisable that experiments be done with large amounts of spatial and resource heterogeneity and environmental fluctuation over time, as these types of experiments should be able to demonstrate the diversity function relationship more easily. This effect is a consequence of competition as highly competitive species will negatively covary. Insurance Effect If an ecosystem contains more species then it will have a greater likelihood of having redundant stabilizing species, and it will have a greater number of species that respond to perturbations in different ways. This will enhance an ecosystem's ability to buffer perturbations. Resistance to Invasion Diverse communities may use resources more completely than simple communities because of a diversity effect for complementarity. Thus invaders may have reduced success in diverse ecosystems, or there may be a reduced likelihood that an invading species will introduce a new property or process to a diverse ecosystem. Resistance to Disease A decreased number of competing plant species may allow the abundances of other species to increase, facilitating the spread of diseases of those species.
Уақытша тұрақтылық деректерін қарау
Модельдер қоғамдық өнімділіктің уақыт бойынша өзгеруі мен түрлердің әртүрлілігі арасындағы эмпирикалық байланыстардың шынайы екенін, тіпті олардың болуы заңды екенін болжады. Кейбір уақытша тұрақтылық туралы деректердің көп бөлігін деректерді тексеру үшін нөлдік модельдерді құру арқылы орташалау әсерімен түсіндіруге болады. Түрлердің әртүрлілігі мен ауру арасындағы байланыс та сенімсіз, бірақ теория мен деректер оны қолдайтын сияқты.
Models have predicted that empirical relationships between temporal variation of community productivity and species diversity are indeed real, and that they almost have to be. Some temporal stability data can be almost completely explained by the averaging effect by constructing null models to test the data against. The correlation between diversity and disease is also tenuous, though theory and data do seem to support it.
Тамақ желілерін зерттеудің теориялық және алдын ала әсерлері
Әртүрліліктің өнімділігі және тұрақтылығы туралы осы уақытқа дейін талқыланған мәселелердің бірі – екеуі де тек бір трофикалық деңгейдегі өзара әрекеттесулерге назар аударады. Яғни, олар тамақ тізбегінің бір деңгейіне ғана, атап айтқанда өсімдіктерге қатысты. Әртүрліліктің әсерін зертпеген басқа зерттеулер экожүйелерге жоғарыдан төменге қарай күшті әсер ететінін көрсетті (негізгі түрлерді қараңыз). Әртүрлі тамақ тізбектерінің әсері туралы нақты деректер өте аз, бірақ теория осы салада көмектеседі. Біріншіден, егер экожүйедегі тамақ тізбегінде түрлер арасында көптеген әлсіз өзара әрекеттесулер болса, онда оның тұрақты популяциясы болады және қоғамдық құрылым тұтастай алғанда тұрақтырақ болады. Соңында, жақында тұтынушылардың өсімдіктерге ғана байланысты биологиялық әртүрліліктің өнімділік және тұрақтылық арақатынастарын күрт өзгерте алатыны көрсетілді. Осылайша, болашақта биологиялық әртүрліліктің әсерін зерттеуде тамақ тізбегі теориясын қосу маңызды болады. Бұған қоса, биологиялық әртүрлілікті басқару жоспарларын жобалау кезінде осы күрделілікті ескеру қажет.
One major problem with both the diversity productivity and diversity stability debates discussed up to this point is that both focus on interactions at just a single trophic level. That is, they are concerned with only one level of the food web, namely plants. Other research, unconcerned with the effects of diversity, has demonstrated strong top down forcing of ecosystems (see keystone species). There is very little actual data available regarding the effects of different food webs, but theory helps us in this area. First, if a food web in an ecosystem has a lot of weak interactions between different species, then it should have more stable populations and the community as a whole should be more stable. Lastly, it has recently been shown that consumers can dramatically change the biodiversity productivity stability relationships that are implied by plants alone. Thus, it will be important in the future to incorporate food web theory into the future study of the effects of biodiversity. In addition this complexity will need to be addressed when designing biodiversity management plans.