5.3: Важливість біорізноманіття

Криза біорізноманіття

Біологи підрахували, що вимирання видів в даний час в 500—1000 разів перевищує нормальний або фоновий рівень, який спостерігався раніше в історії Землі. Нинішні високі темпи спричинить стрімке зниження біорізноманіття планети в найближчі століття або два. Втрата біорізноманіття включатиме багато видів, які ми знаємо сьогодні. Хоча іноді важко передбачити, які види вимернуть, багато хто занесений до списку зникаючих (з великим ризиком зникнення). Однак багато вимирання вплинуть на види, які біолог ще не виявив. Більшість цих «невидимих» видів, які вимернуть, в даний час живуть у тропічних лісах, таких як басейни Амазонки. Ці тропічні ліси є найрізноманітнішими екосистемами на планеті і швидко знищуються вирубкою лісів. У період з 1970 по 2011 рік майже 20 відсотків тропічних лісів Амазонки було втрачено.

Малюнок\(\PageIndex{1}\). Цей тропічний низинний тропічний ліс на Мадагаскарі є прикладом середовища існування з високим біорізноманіттям. Це конкретне місце захищене в межах національного лісу, але залишається лише 10 відсотків початкового прибережних рівнинних лісів, і дослідження показують, що половина початкового біорізноманіття була втрачена. (кредит: Френк Вассен)

Біорізноманіття - це широкий термін для біологічного різноманіття, і його можна виміряти на ряді організаційних рівнів. Традиційно екологи вимірювали біорізноманіття, враховуючи як кількість видів, так і кількість особин кожного виду (відоме як відносна чисельність). Однак біологи використовують різні заходи біорізноманіття, включаючи генетичне різноманіття, щоб допомогти зосередити зусилля на збереженні біологічно та технологічно важливих елементів біорізноманіття.

Втрата біорізноманіття стосується скорочення біорізноманіття через витіснення або вимирання видів. Втрата конкретного окремого виду може здатися деяким неважливою, особливо якщо це не харизматичний вид, як бенгальський тигр або афаленозний дельфін. Однак нинішня прискорена швидкість вимирання означає втрату десятків тисяч видів протягом нашого життя. Значна частина цих втрат відбувається в тропічних лісах, як показано на малюнку\(\PageIndex{1}\), які дуже багато біорізноманіття, але очищаються для деревини та сільського господарства. Це, ймовірно, матиме драматичний вплив на добробут людини через крах екосистем.

Біологи визнають, що людські популяції вбудовані в екосистеми і залежать від них, як і будь-який інший вид на планеті. Сільське господарство почалося після того, як ранні товариства мисливців-збирачів вперше оселилися в одному місці і сильно змінили своє найближче оточення. Цей культурний перехід ускладнив людям розпізнавання своєї залежності від живих істот, крім сільськогосподарських культур та одомашнених тварин на планеті. Сьогодні наша технологія згладжує суворість існування і дозволяє багатьом з нас жити довше, комфортніше життя, але в кінцевому підсумку людський вид не може існувати без навколишніх екосистем. Наші екосистеми забезпечують нас їжею, ліками, чистим повітрям і водою, відпочинком, духовним та естетичним натхненням.

Види біорізноманіття

Загальним значенням біорізноманіття є просто кількість видів в місці або на Землі; наприклад, Американський Союз орнітологів перераховує 2078 видів птахів у Північній та Центральній Америці. Це одна міра біорізноманіття птахів на континенті. Більш складні заходи різноманітності враховують відносну велику кількість видів. Наприклад, ліс з 10 однаково поширеними породами дерев більш різноманітний, ніж ліс, який налічує 10 видів дерев, де лише один з цих видів становить 95 відсотків дерев. Біологи також визначили альтернативні заходи біорізноманіття, деякі з яких важливі при плануванні збереження біорізноманіття.

Генетичне різноманіття - це одне альтернативне поняття біорізноманіття. Генетичне різноманіття є сировиною для еволюційної адаптації у виду і представлено різноманітністю генів, присутніх у популяції. Потенціал виду адаптуватися до мінливих середовищ або нових захворювань залежить від цього генетичного різноманіття.

Корисно також визначити екосистемне різноманіття: кількість різних екосистем на Землі або в географічному районі. Втрата екосистеми означає втрату взаємодії між видами та втрату біологічної продуктивності, яку здатна створити екосистема. Прикладом значною мірою вимерлої екосистеми в Північній Америці є екосистема прерій (рис.\(\PageIndex{2}\)). Прерії колись охоплювали центральну Північну Америку від бореального лісу на півночі Канади вниз до Мексики. Зараз вони все, крім зникли, замінені полями врожаю, пасовищами та розростанням приміських територій. Багато видів виживають, але надзвичайно продуктивна екосистема, яка відповідала за створення наших найбільш продуктивних сільськогосподарських ґрунтів, зараз зникла. Як наслідок, їх ґрунти зараз виснажуються, якщо вони не підтримуються штучно з великими витратами. Зниження продуктивності ґрунту відбувається через те, що взаємодії в початковій екосистемі були втрачені.

Малюнок\(\PageIndex{2}\). Різноманітність екосистем на Землі - від коралових рифів до прерій - дозволяє існувати велику різноманітність видів. (Кредит «кораловий риф»: модифікація роботи Джима Марагоса, USFWS; кредит: «прерія»: модифікація роботи Джима Міннерата, USFWS)

Сучасне видове різноманіття

Незважаючи на значні зусилля, знання про види, що населяють планету, обмежені. Нещодавня оцінка свідчить про те, що лише 13% видів еукаріотів були названі (табл. 1). Оцінки чисельності видів прокаріотів багато в чому здогадуються, але біологи сходяться на думці, що наука тільки почала каталогізувати їх різноманітність. З огляду на, що Земля втрачає види прискореними темпами, наука мало знає про те, що втрачається.

Таблиця 1. Ця таблиця показує орієнтовну кількість видів за таксономічною групою, включаючи як описані (названі та вивчені), так і прогнозовані (ще не названі) види.

Орієнтовна кількість описаних та прогнозованих видів
	Джерело: Мора та ін. 2011		Джерело: Чепмен 2009		Джерело: Грумбрідж і Дженкінс 2002
	Описано	Передбачений	Описано	Передбачений	Описано	Передбачений
Тварини	1 124 516	9 920 000	1 424 153	6 836 330	1 225 500	10 820 000
Фотосинтетичні протести	17 892	34 900	25 044	200 500	—	—
Гриби	44 368	616 320	98 998	1 500 000	72 000	1 500 000
Рослини	224 244	314 600	310 129	390 800	270 000	320 000
Нефотосинтетичні протести	16 236	72 800	28 871	1 000 000	80 000	600 000
Прокаріоти	—	—	10 307	1 000 000	10 175	—
Всього	1 438 769	10 960 000	1 897 502	10 897 630	1 657 675	13 240 000

Існують різні ініціативи щодо каталогізації описаних видів доступними та більш організованими способами, і Інтернет сприяє цим зусиллям. Тим не менш, при нинішньому темпі опису видів, який, згідно зі звітами про стан спостережуваних видів ¹, становить 17 000—20 000 нових видів на рік, знадобиться близько 500 років, щоб описати всі існуючі в даний час види. Завдання, однак, стає все більш неможливим з часом, оскільки вимирання видаляє види з Землі швидше, ніж їх можна описати.

Назви та підрахунок видів можуть здатися неважливим прагненням, враховуючи інші потреби людства, але це не просто бухгалтерський облік. Опис видів - це складний процес, за допомогою якого біологи визначають унікальні характеристики організму та чи належить цей організм до будь-якого іншого описаного виду. Це дозволяє біологам знаходити та розпізнавати вид після первинного відкриття, щоб стежити за питаннями щодо його біології. Це подальше дослідження призведе до відкриття, які роблять вид цінним для людини та наших екосистем. Без назви та опису вид не може бути вивчений глибоко та скоординовано багатьма вченими.

закономірності біорізноманіття

Біорізноманіття розподілено на планеті нерівномірно. Озеро Вікторія містило майже 500 видів цихлід (всього одне сімейство риб, які присутні в озері) до того, як інтродукція екзотичного виду в 1980-х і 1990-х роках спричинила масове вимирання. Всі ці види були знайдені тільки в озері Вікторія, тобто вони були ендемічними. Ендемічні види зустрічаються тільки в одному місці. Наприклад, блакитна сойка є ендеміком Північної Америки, тоді як саламандра Бартон-Спрінгс ендемічна в гирлі однієї весни в Остіні, штат Техас. Ендемічні види з дуже обмеженим поширенням, такі як саламандра Бартон-Спрінгс, особливо вразливі до вимирання.

Озеро Гурон містить близько 79 видів риб, всі вони водяться в багатьох інших озерах Північної Америки. Що пояснює різницю в різноманітності між озером Вікторія та озером Гурон? Озеро Вікторія - тропічне озеро, в той час як озеро Гурон - озеро з помірним кліматом. Озеро Гурон в нинішньому вигляді налічує всього близько 7000 років, в той час як озеру Вікторія в нинішньому вигляді близько 15 000 років. Ці два фактори, широта та вік, є двома з кількох гіпотез, які біогеографи запропонували пояснити закономірності біорізноманіття на Землі.

Біогеографія - це вивчення поширення видів світу як в минулому, так і в сьогоденні. Робота біогеографів має вирішальне значення для розуміння нашого фізичного середовища, як навколишнє середовище впливає на види та як зміни в навколишньому середовищі впливають на поширення виду.

Під рубрикою біогеографії є три основні напрямки дослідження: екологічна біогеографія, історична біогеографія (називається палеобіогеографія) та біогеографія збереження. Екологічна біогеографія вивчає сучасні фактори, що впливають на поширення рослин і тварин. Історична біогеографія, як випливає з назви, вивчає минуле поширення видів. Біогеографія збереження, з іншого боку, орієнтована на охорону та відновлення видів на основі відомої історичної та сучасної екологічної інформації.

Малюнок\(\PageIndex{3}\). Ця карта ілюструє кількість видів земноводних по всьому світу і показує тенденцію до більш високого біорізноманіття на нижчих широтах. Подібна закономірність спостерігається для більшості таксономічних груп.

Однією з найстаріших спостережуваних закономірностей в екології є те, що біорізноманіття зазвичай збільшується у міру зниження широти Іншими словами, біорізноманіття збільшується ближче до екватора (рис.\(\PageIndex{3}\)).

Ще не зрозуміло, чому біорізноманіття збільшується ближче до екватора, але гіпотези включають більший вік екосистем у тропіках проти помірних регіонів, які були значною мірою позбавлені життя або різко збідніли під час останнього льодовикового періоду. Більший вік забезпечує більше часу для видоутворення, еволюційний процес створення нових видів. Ще одне можливе пояснення - більшу енергію тропіки отримують від сонця. Але вчені так і не змогли пояснити, як більший витрата енергії може перетворитися на більшу кількість видів. Складність тропічних екосистем може сприяти видоутворенню, збільшуючи складність середовища проживання, забезпечуючи тим самим більше екологічних ніш. Нарешті, тропіки сприймалися як більш стабільні, ніж регіони помірного клімату, які мають виражений клімат та сезонність на добу. Стабільність тропічних екосистем може сприяти видоутворенню. Незалежно від механізмів, безумовно, правда, що біорізноманіття найбільше в тропіках. Існує також велика кількість ендемічних видів.

Важливість біорізноманіття

Втрата біорізноманіття може мати ревербераційні наслідки для екосистем через складні взаємозв'язки між видами. Наприклад, вимирання одного виду може стати причиною вимирання іншого. Біорізноманіття має важливе значення для виживання та добробуту людського населення, оскільки воно впливає на наше здоров'я та нашу здатність прогодувати себе через сільське господарство та збирання популяцій диких тварин.

Здоров'я людини

Багато ліків отримують з природних хімічних речовин, виготовлених різноманітною групою організмів. Наприклад, багато рослин виробляють сполуки, призначені для захисту рослини від комах та інших тварин, які їх поїдають. Деякі з цих сполук також працюють як ліки для людини. Сучасні товариства, які живуть поруч із землею, часто мають широкі знання про лікарське використання рослин, що ростуть у своїй місцевості. Протягом століть у Європі старі знання про медичне використання рослин були зібрані в травах - книгах, які визначали рослини та їх використання. Люди - не єдині тварини, які використовують рослини з лікарських причин. Інші великі мавпи, орангутанги, шимпанзе, бонобо та горили спостерігали самолікування рослинами.

Сучасна фармацевтична наука також визнає важливість цих рослинних сполук. Приклади значущих лікарських засобів, отриманих з рослинних сполук, включають аспірин, кодеїн, дигоксин, атропін та вінкристин (рис.\(\PageIndex{4}\)). Багато ліків колись були отримані з рослинних екстрактів, але зараз синтезуються. Підраховано, що свого часу 25 відсотків сучасних препаратів містили хоча б один рослинний екстракт. Ця кількість, ймовірно, зменшилася приблизно до 10 відсотків, оскільки натуральні рослинні інгредієнти замінюються синтетичними версіями рослинних сполук. Антибіотики, які відповідають за надзвичайні поліпшення здоров'я та тривалості життя в розвинених країнах, є сполуками, значною мірою отриманими з грибів та бактерій.

Малюнок\(\PageIndex{4}\). Catharanthus roseus, барвінок Мадагаскарський, має різні лікувальні властивості. Серед інших застосувань він є джерелом вінкристину, препарату, що використовується при лікуванні лімфом. (Кредит: Ліс і Кім Старр)

В останні роки отрути та отрути тварин збудили інтенсивні дослідження свого лікарського потенціалу. До 2007 року FDA схвалила п'ять препаратів на основі токсинів тварин для лікування таких захворювань, як гіпертонія, хронічний біль та діабет. Ще п'ять препаратів проходять клінічні випробування і щонайменше шість препаратів використовуються в інших країнах. Інші досліджувані токсини надходять від ссавців, змій, ящірок, різних земноводних, риб, равликів, восьминогів та скорпіонів.

Окрім представлення мільярдів доларів прибутку, ці ліки покращують життя людей. Фармацевтичні компанії активно шукають нові природні сполуки, які можуть функціонувати як лікарські засоби. Підраховано, що третина фармацевтичних досліджень і розробок витрачається на природні сполуки і що близько 35 відсотків нових препаратів, виведених на ринок між 1981 і 2002 роками були з природних сполук.

Нарешті, стверджувалося, що люди отримують користь психологічно від життя в біорізноманітному світі. Головним прихильником цієї ідеї є відомий ентомолог Е.О. Вілсон. Він стверджує, що еволюційна історія людини адаптувала нас до життя в природному середовищі і що побудоване середовище породжує стреси, які впливають на здоров'я та добробут людини. Існує значні дослідження психологічно регенеративних переваг природних ландшафтів, які припускають, що гіпотеза може містити деяку правду.

Сільськогосподарська

З початку людського землеробства понад 10 000 років тому людські групи займалися селекцією та відбором сортів сільськогосподарських культур. Ця різноманітність культур відповідала культурному різноманіттю сильно розділених популяцій людей. Наприклад, картопля була одомашнена, починаючи приблизно 7000 років тому в центральних Андах Перу та Болівії. Люди в цьому регіоні традиційно жили у відносно ізольованих поселеннях, розділених горами. Картопля, вирощена в цьому регіоні, належить до семи видів, а кількість сортів, ймовірно, обчислюється тисячами. Кожен сорт був виведений для процвітання на певних висотах та ґрунтових та кліматичних умовах. Різноманітність обумовлена різноманітними вимогами різких перепадів висот, обмеженим рухом людей та вимогами, створеними сівозміною до різних сортів, які будуть добре працювати на різних порах.

Картопля - лише один із прикладів сільськогосподарського різноманіття. Кожна рослина, тварина та гриб, яку культивували люди, були виведені з оригінальних видів диких предків у різноманітні сорти, що виникають внаслідок вимог до харчової цінності, адаптації до умов вирощування та стійкості до шкідників. Картопля демонструє відомий приклад ризиків низької різноманітності врожаю: під час трагічного голоду ірландського картоплі (1845—1852 рр. н.е.) єдиний сорт картоплі, вирощений в Ірландії, став сприйнятливим до картопляного фітофторозу - знищення врожаю. Втрата врожаю призвела до голоду, смерті та масової еміграції. Стійкість до хвороб є головною перевагою для збереження біорізноманіття сільськогосподарських культур, а відсутність різноманітності у сучасних видів сільськогосподарських культур несе подібні ризики. Насіннєві компанії, які є джерелом більшості сортів сільськогосподарських культур у розвинених країнах, повинні постійно виводити нові сорти, щоб не відставати від організмів шкідників, що розвиваються. Ці ж насіннєві компанії, однак, брали участь у зменшенні кількості доступних сортів, оскільки вони зосереджені на продажу меншої кількості сортів у більшій кількості районів світу, замінюючи традиційні місцеві сорти.

Можливість створювати нові сорти врожаю спирається на різноманітність наявних сортів і наявність диких форм, пов'язаних з культурою рослини. Ці дикі форми часто є джерелом нових варіантів генів, які можна виводити з існуючими сортами для створення сортів з новими ознаками. Втрата диких видів, пов'язаних з урожаєм, означатиме втрату потенціалу покращення врожаю. Підтримка генетичного різноманіття диких видів, пов'язаних з одомашненими видами, забезпечує наше постійне постачання їжі.

З 1920-х років урядові відомства сільського господарства підтримували банки насіння сортів культур як спосіб підтримки різноманітності сільськогосподарських культур. Ця система має недоліки, оскільки з часом сорти насіння втрачаються через аварії, і немає можливості їх замінити. У 2008 році Свальбард Global Seed Vault, розташований на острові Шпіцберген, Норвегія, (рис.) почав зберігання насіння з усього світу як резервна система для регіональних насіннєвих банків. Якщо регіональний банк насіння зберігає сорти на Шпіцбергені, втрати можуть бути замінені на Шпіцбергені, якщо щось трапиться з регіональним насінням. Сховище насіння Шпіцбергену знаходиться глибоко в скелі арктичного острова. Умови всередині склепіння підтримуються при ідеальній температурі та вологості для виживання насіння, але глибоке підземне розташування склепіння в арктиці означає, що збій систем склепіння не поставить під загрозу кліматичні умови всередині склепіння.

Малюнок\(\PageIndex{5}\). Світовий насіннєвий сховище Svalbard Global Seed Vault є сховищем для насіння різноманітних культур Землі. (кредит: Марі Терре, Свальбард Глобальний насіннєвий сховище)

Хоча культури в значній мірі знаходяться під нашим контролем, наша здатність вирощувати їх залежить від біорізноманіття екосистем, в яких вони вирощуються. Це біорізноманіття створює умови, за яких культури можуть рости за допомогою так званих екосистемних послуг - цінних умов або процесів, які здійснюються екосистемою. Посіви не вирощуються, здебільшого, в побудованих середовищах. Їх вирощують в грунті. Хоча деякі сільськогосподарські ґрунти стають стерильними за допомогою суперечливих методів обробки пестицидами, більшість містять величезну різноманітність організмів, які підтримують живильні цикли - розщеплюючи органічну речовину на поживні сполуки, які потрібні культурам для росту. Ці організми також підтримують текстуру ґрунту, яка впливає на динаміку води та кисню в ґрунті, необхідних для росту рослин. Замінити роботу цих організмів при формуванні орного грунту практично не представляється можливим. Такі процеси називаються екосистемними послугами. Вони відбуваються в екосистемах, таких як ґрунтові екосистеми, внаслідок різноманітної метаболічної діяльності організмів, що живуть там, але вони забезпечують користь виробництву їжі людини, доступності питної води та дихаючого повітря.

Іншими ключовими екосистемними послугами, пов'язаними з виробництвом продуктів харчування, є запилення рослин та боротьба з шкідниками культур. За оцінками, запилення медоносних бджіл в межах Сполучених Штатів приносить 1,6 мільярда доларів на рік; інші запилювачі вносять до 6,7 мільярда доларів. Понад 150 сільськогосподарських культур у Сполучених Штатах вимагають запилення для виробництва. Багато популяцій медоносних бджіл управляються бджолярами, які здають послуги своїх вуликів фермерам. Популяції медоносних бджіл у Північній Америці зазнають великих втрат, спричинених синдромом, відомим як розлад колапсу колоній, нове явище з незрозумілою причиною. Інші запилювачі включають різноманітний набір інших видів бджіл та різних комах та птахів. Втрата цих видів зробить вирощування культур, які потребують запилення, неможливим, збільшивши залежність від інших культур.

Нарешті, люди змагаються за свою їжу зі шкідниками сільськогосподарських культур, більшість з яких - комахи. Пестициди контролюють цих конкурентів, але вони дорогі і втрачають свою ефективність з часом, оскільки популяції шкідників адаптуються. Вони також призводять до супутньої шкоди, вбиваючи види, що не є шкідниками, а також корисних комах, таких як медоносні бджоли, і ризикуючи здоров'ям сільськогосподарських працівників та споживачів. Більше того, ці пестициди можуть мігрувати з полів, де вони застосовуються, і завдати шкоди іншим екосистемам, таким як струмки, озера і навіть океан. Екологи вважають, що основну частину роботи по виведенню шкідників насправді роблять хижаки і паразити тих шкідників, але вплив недостатньо вивчено. Огляд виявив, що у 74 відсотках досліджень, які шукали вплив складності ландшафту (ліси та поля поблизу сільськогосподарських полів) на природних ворогів шкідників, чим більша складність, тим більший ефект організмів, що пригнічують шкідників. Інше експериментальне дослідження показало, що внесення множинних ворогів горохової попелиці (важливого шкідника люцерни) значно збільшило врожайність люцерни. Це дослідження показує, що різноманітність шкідників ефективніше в боротьбі, ніж один окремий шкідник. Втрата різноманітності у ворогів шкідників неминуче ускладнить і витратніше вирощувати їжу. Зростаюче людське населення світу стикається зі значними проблемами у зростанні витрат та інших труднощів, пов'язаних з виробництвом продуктів харчування.

Джерела дикої їжі

Окрім вирощування сільськогосподарських культур та вирощування харчових тварин, люди отримують харчові ресурси з диких популяцій, насамперед популяції диких риб. Для близько одного мільярда чоловік водні ресурси забезпечують основне джерело тваринного білка. Але з 1990 року виробництво світового рибальства скоротилося. Незважаючи на значні зусилля, мало рибальства на Землі управляється стійкістю.

Вимирання рибальства рідко призводить до повного вимирання зібраного виду, а скоріше до радикальної перебудови морської екосистеми, в якій домінантний вид настільки надмірно заготовлений, що стає незначним гравцем, екологічно. Окрім того, що люди втрачають джерело їжі, ці зміни впливають на багато інших видів способами, які важко або неможливо передбачити. Розпад рибного господарства має драматичні та тривалі наслідки для місцевого населення, яке працює в рибному господарстві. Крім того, втрата недорогого джерела білка для населення, які не можуть дозволити собі замінити його, збільшить вартість життя та обмежить суспільство іншими способами. Загалом, риба, взята з рибного господарства, перейшла на менші види, а більші види переловлюються. Кінцевим результатом може бути, очевидно, втрата водних систем як джерел їжі.

Автори та атрибуція

• Важливість біорізноманіття OpenStax ліцензується відповідно до CC BY 4.0. Модифікований з оригіналу Метью Р. Фішер.