Ecology and environment

Applied Ecology: Using ecological principles to maintain conditions necessary for the continuation of present day life on earth. Industrial Ecology: The design of the industrial infrastructure such that it consists of a series of interlocking "technological ecosystems" interfacing with global natural ecosystems. Industrial ecology takes the pattern and processes of natural ecosystems as a design for sustainability. It represents a shift in paradigm from conquering nature to becoming nature. Ecological Engineering: Unlike industrial ecology, the focus of Ecological Engineering is on the manipulation of natural ecosystems by humans for our purposes, using small amounts of supplemental energy to control systems in which the main energy drives are still coming from non‐human sources. It is the design of new ecosystems for human purposes, using the self‐organizing principles of natural ecosystems. [Note: The popular definition of ecological engineering is "the design of human society with its natural environment for the benefit of both.". What is the logical flaw in this definition?] Ecological Economics: Integrating ecology and economics in such a way that economic and environmental policies are reinforcing rather than mutually destructive. Urban ecology: For ecologists, urban ecology is the study of ecology in urban areas, specifically the relationships, interactions, types and numbers of species found in urban habitats. Also, the design of sustainable cities, urban design programs that incorporate political, infrastructure and economic considerations. Conservartion Biology: The application of diverse fields and disciplines to the conservation of biological diversity. Restoration Biology: Appllication of ecosystem ecology to the restoration of deteriorated landscapes in an attempt to bring it back to its original state as much as possible. Example, prarie grass. Landscape Ecology: “Landscape ecology is concerned with spatial patterns in the landscape and how they develop, with an emphasis on the role of disturbance, including human impacts” (Smith and Smith). It is a relatively new branch of ecology, that employs Global Information Systems. The goal is to predict the responses of different organisms to changes in landscape, to ultimately facilitate ecosystem management.

What is a Population?• A population is one species living in a specific area.

• For example, all foxes living in an area form a population.

• Another example, all dandelions growing in an area form another population. 

What is a Community?• A community is formed from all living populations found in an area.  

• All the foxes, dandelions, grasshoppers, snakes, hawks, deer, and skunks living in one area each form their individual populations, but together make up a community.

Autotrophs• Autotrophs  (=self‐nourishing) are called primary producers.

• Photoautotrophs fix energy from the sun and  store it in complex organic compounds

• (= green plants, algae, some bacteria)

photoautotrophssimpleinorganiccompounds

complexorganic compounds

light

• Chemoautotrophs (chemosynthesizers) are bacteria that oxidize reduced inorganic substances (typically sulfur and ammonia compounds) and produce complex organic compounds.

chemoautotrophsreducedinorganiccompounds

complexorganic compounds

oxygen

Other chemoautotrophs:  

Nitrifying bacteria in the soil under our feet!

Energy transfers among trophic levels

• How much energy is passed from one trophic level to the next?

• How efficient are such transfers?

• Biomass‐‐the dry mass of organic material in the organism(s).

• (the mass of water is not usually included, since water content is variable and contains no usable energy)

• Standing crop‐‐the amount of biomass present at any point in time.

Primary productivity

• Primary productivity is the rate of energy capture by producers.

• = the amount of new biomass of producers, per unit time and space

• Gross primary production (GPP)• = total amount of energy captured

• Net primary production (NPP)• = GPP ‐ respiration

• Net primary production is thus the amount of energy stored by the producers and potentially available to consumers and decomposers.

• Secondary productivity is the rate of production of new biomass by consumers, i.e., the rate at which consumers convert organic material into new biomass of consumers.

• Note that secondary production simply involves the repackaging of energy previously captured by producers‐‐no additional energy is introduced into the food chain.

• And, since there are multiple levels of consumers and no new energy is being captured and introduced into the system, the modifiers gross and net are not very appropriate and are not usually used.

Ecological pyramids• The standing crop, productivity, number of 

organisms, etc. of an ecosystem can be conveniently depicted using “pyramids”, where the size of each compartment represents the amount of the item in each trophic level of a food chain.

• Note that the complexities of the interactions in a food web are not shown in a pyramid; but, pyramids are often useful conceptual devices‐‐they give one a sense of the overall form of the trophic structure of an ecosystem.

producersherbivorescarnivores

Pyramid of energy• A pyramid of energy depicts the energy flow, or productivity, of each trophic level.  

• Due to the Laws of Thermodynamics, each higher level must be smaller than lower levels, due to loss of some energy as heat (via respiration) within each level.

producersherbivorescarnivores

Energy flow in :

Pyramid of numbers• A pyramid of numbers indicates the number of individuals in each trophic level.

•• Since the size of individuals may vary widely and may 

not indicate the productivity of that individual, pyramids of numbers say little or nothing about the amount of energy moving through the ecosystem.

# of producers# of herbivores# of carnivores

Pyramid of standing crop

• A pyramid of standing crop indicates how much biomass is present in each trophic level at any one time.  

• As for pyramids of numbers, a pyramid of standing crop may not well reflect the flow of energy through the system, due to different sizes and growth rates of organisms.

biomass of producersbiomass of herbivoresbiomass of carnivores

(at one point in time)

Inverted pyramids• A pyramid of standing crop (or of numbers) may be inverted, i.e., a higher trophic level may have a larger standing crop than a lower trophic level.  

• This can occur if the lower trophic level has a high rate of turnover of small individuals (and high rate of productivity), such that the First and Second Laws of Thermodynamics are not violated.

biomass of producersbiomass of herbivoresbiomass of carnivores

(at one point in time)

Pyramid of yearly biomass production

• If the biomass produced by a trophic level is summed over a year (or the appropriate complete cycle period), then the pyramid of  total biomass produced must resemble the pyramid of energy flow, since biomass can be equated to energy.

producersherbivorescarnivores

Yearly biomass production(or energy flow) of:

• Note that pyramids of energy and yearly biomass production can never be inverted, since this would violate the laws of thermodynamics.

• Pyramids of standing crop and numbers can be inverted, since the amount of organisms at any one time does not indicate the amount of energy flowing through the system.

• E.g., consider the amount of food you eat in a year compared to the amount on hand in your pantry.

Trophic Levels and Food Chains

• Food Chain:

– set of food (energy) transfer from trophic level to trophic level

Figure 19.21

Carnivore

Carnivore

Carnivore

Herbivore

Plant

A terrestrial food chain

Quaternary consumers

Tertiary consumers

Secondary consumers

Primary consumers

Producers

Carnivore

Carnivore

Carnivore

Zooplankton

Phytoplankton

A marine food chain

• Herbivores: eat plants, algae, or autotrophic bacteria, are the primary consumers of an ecosystem

• Carnivores, which eat the consumers from the levels below

– Secondary consumers include many small mammals, such as rodents, and small fishes that eat zooplankton

– Tertiary consumers, such as snakes, eat mice and other secondary consumers

– Quaternary consumers include hawks and killer whales.

• Decomposers:

– What is a decomposer and what do they do? What trophic level would you put them at?

– Derive their energy from the dead material left by all trophic levels

– Are often left off of most food chain diagrams

Figure 19.22

• When energy flows as organic matter through the trophic levels of an ecosystem, much of it is lost at each link in a food chain.  Why?

• When you burn energy to run down the mile in gym what happens to most of the energy you are using?

Energy Pyramids

Figure 19.25

Plant material eaten by caterpillar

100 kilocalories (kcal)

50 kcalFeces

15 kcal

Growth

35 kcalCellular respiration

Does all the energy this caterpillar eats get passed to the bird who eats him?

• Energy pyramid

– Is a diagram that represents the cumulative loss of energy from a food chain

Figure 19.26

Tertiary consumers

Secondary consumers

Primary consumers

Producers

10 kcal

100 kcal

1,000 kcal

10,000 kcal

What happens to energy as you go up trophic levels? Why?

• Ecosystems

CHEMICAL CYCLING IN ECOSYSTEMS

– Depend on a recycling of chemical elements

– What gets recycled in our ecosystem?

• Energy?? NOOO

• Water

• Carbon

• Phosphorus

• Generalized scheme for biogeochemical cycles

Figure 19.28

Consumers

Producers

Detritivores

Nutrients available to producers

Abiotic reservoir

Geologic processes

Figure 19.29a

CO2 in atmosphere

Burning

Wood and fossil fuels

Cellular respiration

Higher‐level consumers

Decomposition

Detritivores

Photosynthesis

Producers

Primary consumers

Detritus

(a) The carbon cycle

• The carbon cycle

What do we eat that has carbon?

Carbon Cycle• Producers: Plants take in CO2 and make sugar by photosynthesis.

• Consumers: Animals eat plants to get energy (respiration) from sugar and make proteins from the carbon. – Breath out CO2 as a waste product of respiration.

• Animals die and dentritus (decomposers) break down the carbon and other elements back into the soil and air for plants to use again.

Figure 19.29b

Denitrifying bacteria Assimilation by 

plants

Nitrogen (N2) in atmosphere

Amino acids and 

proteins in plants and animals

Detritus

Detritivores

Nitrogen‐fixing bacteria in root nodules of legumes

Decomposition

Nitrogen fixation Nitrogen‐

fixing bacteriain soilAmmonium 

(NH4+ )Nitrifying 

bacteria

Nitrates (NO3

– )

• The nitrogen cycle

(b) The nitrogen cycle

Nitrogen Fixation by bacteria

• Plants need nitrogen but cannot take it in from the air.

• Bacteria in the soil on the roots of plants take in nitrogen (N2) and make ammonia (NH4) which plants can then use to get nitrogen.

Figure 19.29c

• The phosphorous cycle Uplifting 

of rockPhosphates in 

rock

Weathering of rock

Phosphatesin organic compounds

Consumers

Producers

Rock

Precipitated (solid) 

phosphatesPhosphates in 

solution

Phosphatesin soil 

(inorganic)

Detritus

Detritivores in soil

(c) The phosphorus cycle

What part of you has phosphate?

• The water cycle

Figure 19.29d

Precipitation over the sea (283)

Solar heat

Water vapor over the sea

Oceans

Net movement of water vapor by wind (36)

Evaporation from the sea (319)

Evaporation and transpiration (59)

Water vapor over the land

Precipitation over the land (95)

Surfacewater and 

groundwater

Flow of water from land to sea (36)

(d) The water cycle

...there is no "original" state in nature, no nature‐in‐itself in the sense that a fixed set of characteristics holds true, like the law of gravity, always and everywhere. Nature resembles less a law than a story. And the story is not over. Thus to inquire of nature is to inquire of time, of circumstance and of contingency. What was natural three billion years ago‐‐an empire of anaerobic bacteria‐‐would strike most of us as decidedly unnatural today. Edwin Dobb“Cultivating Nature” The Sciences Jan/Feb 1992 p. 45