Η βιοποικιλότητα στο χρόνο. Miller Chapter 5 Powerpoint Adapted from:

Transcript

1 Η βιοποικιλότητα στο χρόνο Miller Chapter 5 Powerpoint Adapted from:

2 Ερωτήματα Πως η γη είναι τόσο ιδανική για τη ζωή; Τι είναι εξέλιξη; Πως οδήγησε στην ποικιλότητα που υπάρχει σήμερα; Τι είναι μία οικοθέση ; Πως σχετίζεται με την προσαρμογή; Πως ισορροπεί η εξαφάνιση ειδών με την ειδογέννεση και πως αυτό επηρεάζει τη βιοποικιλότητα;

3 Γη: ο ιδανικός πλανήτης Θερμοκρασία Απόσταση από τον ήλιο Γεωθερμική ενέργεια από τον πυρήνα Η θερμοκρασία κυμαίνεται 10-20oC για 3.7 δισεκατομμύρια έτη, παρά την άυξηση της ηλιακής ακτινοβολίας κατά 30-40% Νερό σε 3 καταστάσεις Μέγεθος που συγκρατεί ατμόσφαιρα Σταθερό και προσαρμόσιμο περιβάλλον Κάθε είδος εκπροσωπεί μία μακρά αλυσίδα εξέλιξης και ταυτόχρονα έχει συγκεκριμένο ρόλο σε ένα οικοσύστημα

4 Μία ιστορία δισεκατομυρίων χρόνων Χημικές αναλύσεις και μετρήσεις ραδιενεργών στοιχείων σε πρωτόγονα πετρώματα και απολιθώματα. Δύο φάσεις ανάπτυξης ζωής: Χημική εξέλιξη (περίπου 1 δις χρόνια) Οργανικά μόρια, πρωτείνες, πολυμερή, χημικές αντιδράσεις σε πρωτο-κύτταρα Βιολογική εξέλιξη (3.7 δις χρόνια) Από απλά μονοκύτταρα βακτήρια σε ευκαρυωτικούς πολυκπύτταρους οργανισμούς και διαφοροποίηση των ειδών

5 Η εξέλιξη της ζωής σύνοψη Chemical Evolution (1 billion years) Formation of the earth s early crust and atmosphere Small organic molecules form in the seas Large organic molecules (biopolymers) form in the seas First protocells form in the seas Biological Evolution (3.7 billion years) Single-cell prokaryotes form in the seas Single-cell eukaryotes form in the seas Variety of multicellular organisms form, first in the seas and later on land

6 Biological Evolution Modern humans (Homo sapiens) appear about 2 seconds before midnight Age of reptiles Insects and amphibians invade the land Plants invade the land Age of mammals Recorded human history begins 1/4 second before midnight Origin of life ( billion years ago) Fossils become abundant Fossils present but rare Evolution and expansion of life

7

8

9 4 βασικοί μηχανισμοί εξέλιξης: Φυσική Επιλογή Μετάλλαξη Ροή Γονιδίων Γενετική Εκτροπή

10 Διαρκής εξέλιξη: ισχύει για όλα τα είδη

11 Φύση: σύνολο βιοτικών και αβιοτικών παραγόντων που επιδρούν πάνω σε έναν οργανισμό

12 Περιοριστικός παράγοντας Βιοτικός ή αβιοτικός παράγοντας που ρυθμίζει την ευημερία ενός οργανισμού Ασθένειες, συναγωνισμός, θήρευση, περιβαλλοντικές αλλαγές, κ.α.

13

14 Δαρβίνεια φυσική επιλογή Τρεις βασικές αρχές για να ισχύει: Φυσική ποικιλότητα για ένα χαρακτηριστικό σε έναν πληθυσμό Το χαρακτηριστικό είναι κληρονομούμενο Το χαρακτηριστικό οδηγεί σε αναπαραγωγική διαφοροποίηση Ένα κληρονομούμενο χαρακτηριστικό που επιτρέπει σε έναν οργανισμό και να επιβιώνει και να αναπαράγεται ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗ

15 Επιλογή ενάντια σε ακραίους φαινότυπους Σταθεροποίηση Ευνοούνται οι ενδιάμεσες μορφές Αλληλόμορφα ακραίων μορφών εξαφανόζονται από τον πληθυσμό

16 Light snails eliminated Dark snails eliminated Natural selection Number of individuals Number of individuals Stabilizing Selection Snails with extreme coloration are eliminated Coloration of snails Coloration of snails Average remains the same Number of individuals with intermediate coloration increases Eliminates Fringe Individuals

17 Επιλογή υπέρ ακραίων φαινοτύπων Διασπαστική επιλογή Ακραίες μορφές ευνούνται Ενδιάμεσες μορφές εξαφανίζονται

18 Κατευθυντήρια επιλογή στο εύρος της ποικιλότητας Κατευθυντήρια επιλογή Αλλαγή στις συχνότητες των αλληλομόρφων Η εξέλιξη ακολουθεί τις αλλαγές του περιβάλλοντος Τα είδη προσαρμόζονται

19

20 Μπορούν οι πνεύμονές μας να συνηθίσουν να αναπνέουν καυσαέρια; Όρια στην προσαρμογή: Μία περιβαλλοντική αλλαγή επιλέγει για χαρακτηριστικά που ήδη υπάρχουν στο γένωμα Ο τρόπος αναπαραγωγής επηρεάζει την ταχύτητα προσαρμογής Η γρήγορη αναπαραγωγή (έντομα, βακτήρια) προκαλεί προσαρμογή πληθυσμών σε μικρό χρόνο Η αργή αναπαραγωγή (ελέφαντες, τίγρεις, κοράλια) οδηγεί σε προσαρμογή σε χιλιάδες ή εκατομμύρια χρόνια. Τα περισσότερα άτομα που υπολείπονται των άλλων σε ένα χαρακτηριστικό πρέπει να πεθάνουν προκειμένου το χαρακτηριστικό αυτό να αλλάξει στο μέλλον

21 Μετάλλαξη! Αλλαγές στη δομή του DNA Προσθέτει αλληλόμορφα Αυξάνει την ποικιλότητα Μπορεί να είναι προσαρμοστική ή όχι Εξαρτάται από το περιβάλλον!

22 Οπότε τι είναι εξέλιξη; Η αλλαγή στη γενετική σύσταση ενός πληθυσμού (γονιδιακή δεξαμενή) στο χρόνο (με την πάροδο των γενεών) Οι πληθυσμοί αλλάζουν, προσαρμόζονται και επιβιώνουν και αναπαράγονται Μικροεξέλιξη Μικρές γενετικές αλλαγές σε έναν πληθυσμό όπως η εξάπλωση μιας μετάλλαξης ή η αλλαγή της συχνότητας ενός αλληλομόρφου λόγω φυσικής επιλογής. Προαπαιτεί γενετική ποικιλότητα Μακροεξέλιξη Μακροπρόθεσμη, ευρεία εξελικτική πορεία όπου προκύπτουν νέα είδη ενώ άλλα εξαφανίζονται.

23 Μικροεξέλιξη Τέσσερις διαδικασίες την προκαλούν Μετάλλαξη (τυχαίες αλλαγές του DNA πηγή αλληλομόρφων) Λόγω τύχης ή μεταλλαξογόνων Τυχαίες, σπάνιες και απρόβλεπτες Φυσική επιλογή (πιο fit = περισσότεροι απόγονοι) Ροή γονιδίων (μετακίνηση γονιδίων μεταξύ πληθυσμών) Γενετική εκτροπή (αλλαγή στη γονιδιακή δεξαμενή λόγω τυχαίων γεγονότων)

24 Fig. 18.5, p. 287

25 Ροή γονιδίων και γενετική εκτροπή Ροή γονιδίων Ροή αλληλομόρφων Μετανάστευση ατόμων και γαμετών (π.χ. γύρη) Γενετική εκτροπή Τυχαία αλλαγή της συχνότητας των αλληλομόρφων από γενιά σε γενιά Όταν λείπουν άλλες δυνάμεις, η εκτροπή οδηγεί σε απώλεια γενετικής ποικιλότητας Θαλάσσιοι ελέφαντες, γατόπαρδοι

26 Γενετική εκτροπή Η εκτροπή είναι πιο έντονη σε μικρούς πληθυσμούς

27 Ειδογέννεση Northern population Early fox population Spreads northward and southward and separates Arctic Fox Different environmental conditions lead to different selective pressures and evolution into two different species. Southern population Gray Fox Adapted to cold through heavier fur, short ears, short legs, short nose. White fur matches snow for camouflage. Adapted to heat through lightweight fur and long ears, legs, and nose, which give off more heat.

28 Ειδογέννεση Δύο είδη από ένα... Απαιτείται αναπαραγωγική απομόνωση Αλλοπατρική Γεωγραφική Χρονική: π.χ. άνθηση σε διαφορετικούς χρόνους Συμπεριφορική: π.χ. φωνές πουλιών / διαδικασίες ζευγαρώματος Ανατομική: Ασυμβατότητα Γενετική ασυμβατότητα: π.χ. μουλάρια Δύο ή περισσότεροι πληθυσμοί ενός είδους διαχωρίζονται γεωγραφικά Οι συχνότητες αλληλομόρφων αλλάζουν Δεν γίνεται πλέον διασταύρωση (ακόμα και αν έρθουν πάλι κοντά) Συμπατρική Πληθυσμοί εξελίσσονται ενώ συνυπάρχουν Συμπεριφορικοί φραγμοί ή πολυπλοειδία

29 ΣΥΝΕΞΕΛΙΞΗ: βιοποικιλότητα που αλληλεπιδρά Τα είδη είναι στενά συνδεδεμένα και η εξελικτική ιστορία τους είναι αλληλοεξαρτούμενη π.χ. Μυρμήγκια αγρότες στον Αμαζόνιο

30 Συνεξέλιξη Αλληλεπίδραση μεταξύ ειδών προκαλεί μικροεξέλιξη Εναλλαγή προσαρμογών μεταξύ των δύο ειδών Αλλαγές στη γονιδιακή δεξαμενή του ενός είδους προκαλεί πιθανές αλλαγές στη δεξαμενή του άλλου Συναγωνισμός και αλληλεξάρτηση Συμβιωτική συνεξέλιξη Αγγειόσπερμα και έντομα (επικονιαστές) Κοράλια και φύκη zooxanthellae Rhizobium βακτήρια που δεσμευουν άζωτο και ψυχανθή

31 Οικοθέσεις Ο λειτουργικός ρόλος ενός είδους σε ένα οικοσύστημα Περιλαμβάνει ότι σχετίζεται με επιβίωση και αναπαραγωγή το εύρος αντοχής σε όλους τους αβιωτικούς παράγοντες Τροφικά χαρακτηριστικά Αλληλεπίδραση με βιωτικούς και αβιωτικούς παράγοντες Ρόλος στη ροή ενέργειας και ανακύκλωσης υλικών Θεμελιώδης οικοθέση Πλήρες δυνητικό εύρος των φυσικών, χημικών και βιολογικών συνθηκών και πόρων που θεωρητικά μπορεί να αξιοποιήσει ένα είδος χωρίς ανταγωνισμό Πραγματική οικοθέση Το μέρος της θεμελιώδους οικοθέσης που πραγματικά καταλαμβάνεται από ένα είδος Γενικευτής ή εξειδικευμένος; Μπορεί και ζει σε πολλά διαφορετικά μέρη, τρώει μεγάλη γκάμα τροφών, αντέχει σε μεγάλη γκάμα συνθηκών (γενικευτής) Ποια στρατηγική είναι καλύτερη σε ένα σταθερό ή ένα ασταθές περιβάλλον;

32 Number of individuals Niche Overlap Niche separation Generalist species with a narrow niche Niche breadth Region of niche overlap Resource use Generalist species with a broad niche

33 Ο ανταγωνισμός μειώνει τις οικοθέσεις

34 Competition and Community Diversity Τα είδη εξελίσσονται μειώνοντας τον ανταγωνισμό Τελικά έχουμε ένα μωσαϊκό διαφορετικών ειδών σε μία κοινότητα

35 Οικοθέσεις εξέλιξη - βιοποικιλότητα Πως σχετίζονται όλα αυτά; Τρία σημεία κλειδιά. Όσο πιο πολλές οικοθέσεις υπάρχουν σε ένα οικοσύστημα Όσο λιγότερο εξειδικευμένο είναι ένα είδος Όσο περισσότερο εξειδικευμένο είναι ένα είδος

36 Era Period Millions of Cenozoic years ago Quaternary Today Tertiary 65 Bar width represents relative number of living species Species and families experiencing mass extinction Extinction Extinction Mesozoic Cretaceous Jurassic 180 Extinction Triassic 250 Paleozoic 345 Cretaceous: up to 80% of ruling reptiles (dinosaurs); many marine species including many foraminiferans and mollusks. Triassic: 35% of animal families, including many reptiles and marine mollusks. Extinction Permian: 90% of animal families, including over 95% of marine species; many trees, amphibians, most bryozoans and brachiopods, all trilobites. Extinction Devonian: 30% of animal families, Extinction Ordovician: 50% of animal families, Permian Carboniferous Current extinction crisis caused by human activities. Devonian Silurian Ordovician Cambrian 500

37 Εξαφάνιση Τοπική, οικολογική, ψευδής και πραγματική εξαφάνιση Θεωρείται πως είναι ο τελικός προορισμός των ειδών, όπως είναι ο θάνατος για τους οργανισμούς Το 99.9% όλων των ειδών που έχουν υπάρξει, είναι σήμερα εξαφανισμένα Κατά μία έννοια, όλα τα είδη είναι εξαφανισμένα Background (υπόβαθρο) και Mass Extinction (μαζική εξαφάνιση) Εξαφάνιση υπόβαθρου σε χαμηλό ρυθμό, ενώ η μαζική εξαφάνιση περιλαμβάνει 25-90% όλων των ειδών Πέντε μεγάλες μαζικές εξαφανίσεις, οδήγησαν σε κατάληψη των άδειων οικοθέσεων από νέες εξελικτικές γραμμές (π.χ θηλαστικά) Απαιτούνται περίπου 10 εκατομμύρια χρόνια ή και παραπάνω για να αποκατασταθεί η βιοποικιλότητα μετά από μια μαζική καταστροφή Οι εξαφανίσεις οδηγούν σε νέες ευκαιρίες ειδογένεσης και προσαρμοστικής εξάπλωσης, αλλά πρέπει να γίνονται σε σταθερό και χαμηλό ρυθμό!

38 Factors Affecting Extinction Rates Natural Extinctions Climate change Cataclysmic event (volcano, earthquake) Human Activities Habitat Loss/Fragmentation Introduction of exotic/invasive species Pollution Commercial harvesting Accidental killing (tuna nets) Harassing Pet Trade Urbanization Damming/Flooding Agricultural conversion

39 Extinction in the Context of Evolution If the environment changes rapidly and The species living in these environments do not already possess genes which enable survival in the face of such change and Random mutations do not accumulate quickly enough then, All members of the unlucky species may die

40 Biodiversity Speciation Extinction=Biodiversity Humans major force in the premature extinction of species. Extinction rate increased by times the natural background rate. As we grow in population over next 50 years, we are expected to take over more of the earth s surface and productivity. This may cause the premature extinction of up to a QUARTER of the earth s current species and constitute a SIXTH mass extinction Genetic engineering won t solve this problem Only takes existing genes and moves them around Know why this is so important and what we are losing as it disappears.

41 USING EVOLUTION AND GENETICS TO INFORM CONSERVATION EcoRegions Approach Umbrella Species Conservation Identifying biodiversity hotspots and focusing conservation efforts on maintaining those ecosystems Ex. Tropics, Appalachian Mountains, etc. Conserve one sexy, species and you conserve several others because if the interactions they have with one another Keystone species concept Species Survival Plan (SSP) Zoo captive breeding programs Population genetics in wild populations Ex. Cheetahs, Primates, Bears, etc.