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Striking gold in Costa Rica In 1964, Golden toads were discovered in Monteverde, Costa Rica The mountainous cloud forest has a perfect climate for amphibians They became extinct within 25 years Climate change’s drying effect on the forest A lethal fungus

Striking gold in Costa Rica - Bainbridge Island School

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Striking gold in Costa Rica• In 1964, Golden toads were discovered in Monteverde, Costa Rica

• The mountainous cloud forest has a perfect climate for amphibians

• They became extinct within 25                                        

years 

• Climate change’s drying effect                                               

on the forest

• A lethal fungus

Evolution generates biodiversity• Species = a population or group of populations 

­Whose members share characteristics 

­They can breed with one another and produce fertile offspring

• Population = a group of individuals of a species that live in the same area

• Evolution = means change over time

­Biological evolution: genetic change in populations over time

­Genetic changes lead to changes in appearance, functioning or  behavior over generations

Natural selection• Evolution may be random 

­Or directed by natural selection

• Natural Selection = traits that enhance survival and reproduction 

­Are passed on more frequently to future generations 

­Than those that do not

Evolution by natural selection• It is one of the best­supported and most illuminating concepts in all science

­It is the standpoint of modern biology

• We must understand it to appreciate environmental science

­Knowing ecology and learning the history of life

• Evolutionary processes influence pesticide resistance, agriculture, medicine, health, etc.

• In 1858, both Darwin and Wallace proposed natural selection as the mechanism of evolution

Natural selection shapes organisms• Premises of natural selection:

­Organisms struggle to survive and reproduce

­Organisms produce more offspring than can survive

­Individuals of a species vary in their characteristics due to genes and the environment 

­Some individuals are better suited to their environment and reproduce more effectively

• Natural selection acts on genetic variation

Genetic variation• Adaptation = the process where, over time, characteristics (traits) that lead to better reproductive success

­Become more prevalent in the population

• Adaptive trait (adaptation) = a trait that promotes reproductive success

• Mutations = accidental changes in DNA that may be passed on to the next generation

­Non­lethal mutations provide the genetic variation on which natural selection acts

• Sexual reproduction also leads to variation

Natural selection acts on genetic variation• Natural selection changes characteristics through:

• Directional selection = drives a feature in one direction

• Stabilizing selection = favors intermediate traits

­Preserving the status quo

• Disruptive selection = traits diverge in two or more directions

Environmental conditions affect selection• Environmental conditions determine the pressures natural selection exerts

­These pressures affect who survives and reproduces

­Traits evolve that allow success in that environment

• But traits that promote success at one time or place may not do so at another

• Natural selection weeds out unfit individuals

­It also elaborates and diversifies traits that may produce new species

https://www.youtube.com/watch?v=d39oZ_TYImY

Selective pressures influence adaptation• Divergent evolution = Related species in different environments 

­Experience different pressures

­Evolve different traits

• Convergent evolution = unrelated species may evolve similar traits 

­Because they live in similar environments

Evidence of natural selection is everywhere• It is evident in every adaptation of every organism

• Artificial Selection = the process of selection conducted under human direction

­Producing the great variety of dog breeds and food  crops

Evolution generates biological diversity• Biological diversity (biodiversity) = the variety of life across all levels of biological organization

­Species

­Genes

­Populations

­Communities

• Scientists have described 1.8 million species

­Up to 100 million species may exist

­Tropical rainforests are rich in biodiversity

Speciation produces new types of organisms• The process of generating new species from a single species

• Allopatric speciation: species formation due to physical separation of populations

­The main mode of speciation

­Populations can be separated by glaciers, rivers, mountains

­Each population gets its own set of mutations 

Tamiasciurus douglasii 

Orcas Island Photos 

Richard Lovison 

Tamiasciurus hudsonicus 

Cyanocitta stelleri

audubon.org

Cyanocitta cristata

allaboutbirds.org

Another type of speciation• Sympatric speciation = species form from populations that become reproductively isolated within the same area

­Feed in different areas

­Mate in different seasons

­Hybridization between two species

­Mutations 

Speciation results in diverse life forms• How do major groups diverge over time?

• Phylogenetic trees (cladograms) = show relationships among species, groups, genes, etc.

­Scientists can trace how certain traits evolved

The fossil record• Fossil: an imprint in stone of a dead organism

• Fossil record: the cumulative body of fossils worldwide

• The fossil record shows:

­Life has existed on Earth for at least 3.5 billion years

­Earlier types of organisms evolved into later ones

­The number of species has increased over time

­Most species have gone extinct

­There have been several mass extinctions in the past

Extinction• Extinction = the disappearance of a species from Earth

­Species last 1­10 million years

• Biological diversity is now being lost at an astounding rate

­This loss of species is irreversible

Number of species = speciation ­ extinction

Extinction is a natural process, but …

• Humans profoundly affect rates of extinction

• Biodiversity loss affects people directly

­Food, fiber, medicine, ecosystem services

Some species are more vulnerable to extinction• Extinction occurs when the environment changes rapidly

­Natural selection can not keep up

• Many factors cause extinction:

­Severe weather, climate change, changing sea levels

­New species, small populations

­Specialized species

Many U.S. amphibian species are vulnerable• Many U.S. amphibians have very small ranges

­They are vulnerable to extinction

­The Yosemite toad, Houston toad, Florida bog frog

• 40 salamander species are restricted to areas the size of a typical county

Some U.S. salamander species live on top of single mountains

• Endemic species = a species only exists in a certain, specialized area

­Very susceptible to extinction

­These species usually have small populations

­The Olympic Torrent Salamander 

Endemic species

Earth has had several mass extinctions• Background extinction rate = extinction usually occurs one species at a time

• Mass extinction events = killed off massive numbers of species at once

­Occurred five times in Earth’s history 

­50­95% of all species went extinct at one time

• Cretaceous­Tertiary (K­T) event: 65 million years ago

­Dinosaurs went extinct

• End­Permian event: 250 million years ago

­75­95% of all species went extinct

The sixth mass extinction is upon us• Humans are causing the sixth mass extinction event

­Resource depletion, population growth, development

­Destruction of natural habitats

­Hunting and harvesting of species

­Introduction of non­native species

• It is 100­1,000 times higher than the background rate and rising

• Amphibians are disappearing the fastest

• 170 species have already vanished

• It will take millions of years for life to recover

Ecology is studied at several levels• Ecology and evolution are tightly intertwined

• Biosphere = the total living things on Earth 

­And the areas they inhabit

• Community = interacting species living in the same area

• Ecosystem = communities and the nonliving material and forces they interact with

Levels of ecological studies• Population ecology = investigates the dynamics of population change

­The factors affecting the distribution and abundance of members of a population

­Why some populations increase and others decrease

• Community ecology = focuses on patterns of species diversity and interactions

• Ecosystem ecology = studies living and nonliving components of systems to reveal patterns

­Nutrient and energy flows

Each organism has habitat needs• Habitat = the environment where an organism lives 

­It includes living and nonliving elements

• Habitat use = each organism thrives in certain habitats, but not in others

­Results in nonrandom patterns of use

• Habitat selection = the process by which organisms actively select habitats in which to live

­Availability and quality of habitat are crucial to an organism’s well­being

• Human developments conflict with this process

Habitats vary• Habitats vary with the body size and needs of species

­A soil mite vs. an elephant

• Species have different habitat needs at different times

­Migratory birds use different habitats during migration, summer and winter

• Species use different criteria to select habitat

­Soil, topography, vegetation, other species

­Water temperature, salinity, prey

• Species survival depends on having suitable habitat

Organismal ecology: niche• Niche = an organism’s use of resources 

­Along with its functional role in a community

­Habitat use, food selection, role in energy and nutrient flow, interactions with other individuals

• Specialists = have narrow niches and specific needs

­Extremely good at what they do

­But vulnerable when conditions change

• Generalists = species with broad niches 

­They use a wide array of habitats and resources

­They can live in many different places 

A specialized frog• Epiphytes grow on trees for support

­Obtaining water from the air

­They collect pools of rainwater and pockets of leaf litter

­Frogs lay their eggs in these rainwater pools

https://www.youtube.com/watch?v=4SispCYjUTE

Population characteristics• All populations show characteristics that help scientists predict their future dynamics

• Population size = the number of individual organisms present at a given time

­Numbers can increase, decrease, cycle or remain the same

Population characteristics• Population density = the number of individuals in a population per unit area

• Large organisms usually have low densities

­They need many resources and a large area to survive

• High densities make it easier to find mates

­But increase competition and vulnerability to predation

­Increased transmission of diseases

• Low densities make it harder to find mates

­But individuals enjoy plentiful resources and space

Population characteristics• Population distribution (dispersion) = spatial arrangement of organisms

• Random = haphazardly located individuals, with no pattern

• Uniform = individuals are evenly spaced 

­Territoriality, competition

• Clumped = arranged according to availability of resources

­Most common in nature

• Sex ratio = proportion of males to females

­In monogamous species, a 1:1 sex ratio maximizes population growth

• Age distribution (structure) = the relative numbers of organisms of each age in a population

­Age structure diagrams (pyramids) = show the age structure of populations

• In species that continue growing as they age

­Older individuals reproduce more (i.e. a tree)

­Experience makes older individuals better breeders

Population characteristics

Birth and death rates

• Type I: more deaths at older ages

• Type II: equal number of deaths at all ages

• Type III: more deaths at young ages

Survivorship curves = the likelihood of death varies with age 

Reproductive strategies vary among species• Biotic potential = an organism’s capacity to produce offspring

• K­selected species = species with long gestation periods and few offspring 

­Have a low biotic potential

­Stabilize at or near carrying capacity

­Good competitors

• r­selected species = species which reproduce quickly

­Have a high biotic potential

­Often little parental care, populations fluctuate greatly

Four factors of population change• Natality = births within the population 

• Mortality = deaths within the population

• Immigration = arrival of individuals from outside the population 

• Emigration = departure of individuals from the population

So....Births and immigration add individuals

Deaths and emigration remove individuals

Population growth rate• Natural rate of population growth =

(Crude birth rate) – (crude death rate)

­Population change due to internal factors

• Population growth rate = 

(Crude birth rate + immigration rate) – (Crude death rate + emigration rate)

­Net changes in a population’s size/1000/year

• Growth rate as a percent =

­Population growth rate X 100%

­Populations of different sizes can be compared

Exponential population growth• Exponential growth

­A population increases by a fixed percent

­Graphed as a J­shaped curve

• Exponential growth cannot 

be sustained indefinitely

• It occurs in nature with a:

­Small population

­Low competition

­Ideal conditions

Limiting factors restrain population growth• Limiting factors = physical, chemical and biological attributes of the environment

­They restrain population growth

Environmental resistance = all limiting factors taken together

­Stabilizes the population size

­Space, food, water, mates, shelter, suitable breeding sites, temperature, disease, predators

­Aquatic systems: salinity, sunlight, temperature, etc.

Carrying capacity• Carrying capacity = the maximum population size of a species that its environment can sustain

• Limiting factors slow and stop exponential growth

­An S­shaped logistic growth curve

Many factors contribute to environmental resistance and influence a population’s growth rate and carrying capacity

Perfect logistic curves aren’t often found

Population density impacts limiting factors• Density­dependent factors = limiting factors whose influence is affected by population density

­Increased density increases the risk of predation and competition for mates

­Results in the logistic growth curve

­Larger populations have stronger environmental resistance

• Density­independent factors = limiting factors whose influence is not affected by population density 

­Events such as floods, fires, and landslides

Carrying capacities can change• Environments are complex and ever­changing

­Changing carrying capacities

• Humans lower environmental resistance for themselves

­Increasing our carrying capacity

­Technologies overcome limiting factors

• By increasing carrying capacity for humans

­We have reduced the carrying capacity for countless other organisms

­Calling into question our own long­term survival

Population changes affect communities• As the population of one species declines, other species may appear

• Human development displaces other species and threatens biodiversity

• As Monteverde dried out, species disappeared

­Golden toads, harlequin frogs and more had been pushed from their cloud­forest habitat into extinction

­20 of 50 frog species, 2 lizard species went extinct

• Species from lower, drier habitats appeared

­15 species tolerant of drier conditions had moved in

Conserving biodiversity• Human development, resource extraction and population pressure are speeding changes

­In populations and communities

• Impacts threatening biodiversity have complex social, economic and political roots

­We must understand these factors to solve problems

Costa Rica and its environment• Past economic and social forces still threaten Costa Rica’s species and ecological communities

­Lush forests are seen as obstacles to agriculture and for timber

­The country’s population grew to 3.34 million

­Pasture land increased from 12% to 33%

­Forests decreased from 80% to 25%

­Species were declining and becoming endangered

Costa Rica’s species were in danger• Few people saw the need to conserve biological resources

­Until it became clear they were being rapidly lost

Costa Rica is protecting its environment• The privately managed 10,500 ha (26,000 acre) Monteverde Cloud Forest Reserve was founded in 1972

­To protect the forest, its plants and animals

• Costa Rica created the country’s first national parks and protected areas in 1970

­Centered on areas of spectacular scenery

­Protecting valuable tropical dry forests, turtle nesting beaches, coral reef systems

­Government support remains strong

­Over 25% of its land is under some type of protection

Costa Rico’s protection is paying off• Ecotourism: tourists visit protected areas

­Providing thousands of jobs and billions of dollars to local economies

• But parks are still under­protected and underfunded

­Restoration is a step beyond preservation

Conclusion• The fundamentals of evolution and population ecology are integral to environmental science

• Natural selection, speciation and extinction help determine earth’s biodiversity

• Understanding how ecological processes function at the population level is crucial to protecting biodiversity