Bio 171 Lecture notes

37 Pages
Unlock Document

University of Michigan - Ann Arbor
Josephine Kurdziel

Bio 171 Lecture Notes 01/08/2014 Lecture 1: Living entity: Composed of one or more cells Predominantly carbon and water­based (cellular) Acquires energy and material from its surroundings Contains heritable genetic info Can respond to environmental stimuli (process info) Can reproduce Populations of this entity evolve over many generations (not necessarily natural selection) The purpose of science is to learn about our universe Scientific claims can be tested by peer review and replication is important to validate the experiment Biologists Ask questions Propose hypotheses (potential explanations) Test & evaluate these hypotheses using evidence collected from the natural world through: observational  studies, experiments, and computer simulations/mathematical models In an experiment, a variable is manipulated to test a hypothesis Redi’s and Pasteur’s separate experiments testing the spontaneous generation hypothesis: Hypothesis= possible explanation for a natural phenomenon Hypotheses must be falsifiable (must make specific predictions that can be critically tested by experiments  or observational studies) Confirming a prediction supports that hypothesis; negating a prediction suggests it may be wrong Redi’s experiment: do maggots come from flies? Pasteur’s experiment: do cells arise spontaneously or from other cells? Spontaneous generation hypothesis­ cells arise spontaneously from nonliving materials All­cells­from­cells hypothesis­ cells are produced only when preexisting cells grow and divide Swan­neck flask experiment Experimental treatment manipulated only one variable: Exposure of broth to colonizing cells is determined by shape of flask; all other variables were identical Published his findings that supported the cells from cells hypothesis Publishing: making your work available for peer evaluation is critical in science Other scientists independently confirm results (replication) Peer review and reproducibility are key elements in science Lecture 2: Types of scientific knowledge: Fact­ an observation that has been repeatedly confirmed Theory­ an explanation for broad pattern(s) in nature that has been tested many times and is well­ substantiated Law­ a description or generalization about how some aspect of the natural world behaves under stated  conditions Hypothesis­ a possible explanation for some natural phenomenon (for tightly focused questions) ALL types of scientific knowledge are subject to change Diversity of Life: Biological knowledge has changed over time Science is self­correcting: over time, our understanding of the natural world improves Theories Central to scientific thinking Theories are overarching explanations that explain broad patterns in nature, are based on evidence, have  been tested in many ways, are well­supported and allow scientists to make valid predictions (i.e. theory of  biological evolution and cell theory) Theories are supported, modified, or replaced as new evidence appears Scientific Theories All scientific theories, even the most accepted, are open to revision in light of new discoveries Unlike a mathematical proof, a scientific theory is always open to falsification if new evidence is  presented . The word “proof” should not be used for scientific theories Scientists should never claim absolute knowledge Good Experimental Design Control group(s) Experimental conditions must as be constant as possible Replication is key & large sample sizes are better Ecology The scientific study of how organisms interact with their environment Ecologists strive to understand the factors that determine the distribution and abundance of organisms Abiotic factors: physical and chemical factors Biotic factors: the other species that live in the same habitat Why are the tropics warm and the poles cold? Regions of Earth at or near the equator receive more sunlight per unit area than regions that are closer to  the poles Why are the tropics wet? Differential heating causes global air circulation cells (=Hadley cells) These giant air circulation cells profoundly influence regional precipitation patterns What causes seasonality? Seasons­ regular annual fluctuations in temperature and precipitation patterns result primarily from the tilt of  the earth on its axis Major climatic forces Sunlight/unit area (varies with latitude) Hadley Cells (alternating wet/dry areas) Tilt of the earth on its axis (seasonality) All contribute to generating major terrestrial biomes Biomes Major types of terrestrial ecosystems Characterized by specific temperature and precipitation patterns (average annual temperature and average  precipitation as well as variation in these 2 factors) Climate determines the vegetation types present Vegetation type and primary productivity influences the other species that will be found in a given habitat Lecture 3 Community Ecology & Species Interactions: Competition Tropical Rain Forest Very low variation around the average temperature, very high average temp Primary productivity is the measure of the photosynthetic activity; high Biomass: very high Location: near the equator Diversity: high Desert High average temperature Moderate variation among temperatures Location: 30 degrees north and south Productivity: very low because of lack of water Diversity: very low Temperate Grassland and Savanna (prairie or steppe) Average temp: moderate Temperature variation: moderate Location: mid­latitudes (North America, Europe, Asia) Productivity: moderate Dominant vegetation: grasses, not enough water for trees Diversity: moderate Precipitation: low, moderate variation Deciduous Temperate Forest Location: mid­latitudes Average temp: moderate Temperature variation: moderate Productivity: moderate Precipitation: moderate, low variation Dominant vegetation: deciduous trees Diversity: moderate Taiga (Boreal Forest) Location: found in the UP, Alaska, Northern Russia, Europe, and China Low avg. temp & very high variation Productivity: low Dominant Vegetation: conifers (pine trees, spruce trees, etc) Diversity: low Precipitation: low, low variation Arctic & Alpine Tundra Low avg. temp & high variation Location: 60 degree latitudes and higher, and on mountain tops Productivity: very low Dominant vegetation: small shrubs & various herbs (low to the ground), has a small growing season Diversity: low Precipitation: very low average, low variation Species Distributions The distributions of species depends in large part on climate  Evolutionary history determines who is in the region and the traits they possess Dispersal ability of each species influences its geographic range Biotic interactions with other species influence who gets to stay in the community Local Abiotic Factors also Limit Species Distributions Climate determines distribution of major terrestrial biomes; local abiotic factors can also influence species  distributions Evolutionary history and dispersal abilities of a species often limit its distribution (ancestors of polar bears  evolved in the north pole and that’s why they don’t also live in Antarctica)  Biotic Factors often Limit Species Distributions Interactions with competitors, consumers, mutualists, producers, etc Community: a group of species that live and interact within a given geographic area Community ecology seeks to explain the nature and consequences of the interactions among species in a  community Competition: a ­/­ interaction that occurs when two species compete for the same resources that are in  limited supply Competition for seeds reduces the amount of seeds available to each species, thus reducing growth,  survival, and/or reproduction (fitness) Fitness: the ability of an organism to produce fertile offspring in a given environment; more offspring=higher  fitness Intraspecific vs. Interspecific Published studies suggest that intraspecific competition is stronger than interspecific competition about  75% of the time As a result, species will therefor tend to inhibit their own population growth before they get so abundant that  they cause the extinction of other species­ this facilitates species coexistence Interspecific competition Is waged between species. It can be fierce, if the competing species have similar requirements When interspecific competition is stronger than intraspecific competition, it is usually asymmetric One species has dramatic influence on a second species, but there is a weak reciprocal effect This can lead to competitive exclusion and local extinction of the weaker competitor Ecological niche: the unique set of environmental requirements (abiotic and biotic) of a species Ecologists often visualize niches by plotting required resources along a series of axes… food eaten,  suitable temperatures, etc Consequences of Competition Competitive exclusion principle: two species witidentical niches cannot  coexist Gause’s lab experiments with pond­dwelling protest:  Paramecium  thrived when reared individually but when reared together one species was always  eliminated If competition is asymmetric and niches overlap completely, competitive exclusion occurs In nature, niches typically overlap partially, not completely If niches do not overlap completely, weaker competitors use non­overlapping resources Over generations, competition is reduced Natural selection favors individuals that do not compete Fundamental vs. realized niches Fundamental niche­ the resources used in the absence of competitors Realized niche­ the resources used or conditions tolerated when competitors are present Joe Connell’s experiment Classic field experiment on factors controlling distribution of two barnacle species on rocky shores of  Atlantic coast Looked at barnacle species that were distributed in distinct zones Chthalamus  in upper intertidal zone, the smaller species Semibalanus  in lower intertidal zone, the larger species Barnacles are suspension feeders­ they can only feed when submerged. The higher up the shore a  barnacle is, the less it can feed and grow Connell’s Key Field Experiment: testing biotic factor (competition fSemibalanus ) and abiotic factor Hypothesis 1: adultCthalamus  are competitively excluded from lower intertidalSemibalanus Hypothesis 2: adultCthalamus  do not thrive in the physical conditions of the lower intertidal Prediction of H1:Cthalamus  will survive better in the absenceSemibalanus Prediction of H2:Cthalamus  survival in lower intertidal will be low regardless of the presence of  Semibalanus Conclusion: Semibalanus  is competitively excludinCthalamus  from the lower intertidal zone Where both species can grow Semibalanus is the stronger competitor. Semibalanus can affect Cthalamus  in 3 ways: literally overgrow it, crush it, or lift it off the rock. These are all direct interactions  Lecture 4: Species Interactions: Predation & Herbivory Interactions among species have 2 main outcomes: They affect the distribution and abundance of the interacting species They are agents of natural selection and thus affect the evolution of the interacting species Species in a community interact almost constantly, so the fate of a particular population may be tightly  linked to the other species that share its habitat The nature of interactions between species frequently changes over time Long­term consequences of competition: Niche differentiation= resource partitioning: evolutionary change in resource use by coexisting species Species are able to coexist, by using different resources, or using those resources in different ways Character displacement: evolutionary change  in species traits which allows co­occurring species to use  different resources Ex: Galapagos finches that are on the same island have beak sizes that don’t overlap Results from natural selection driven by competition Competition Mutualism­ no affect on either species Predation herbivory­ consumer benefits, species that is consumed is negatively impacted Competition­ lose­lose situation Consumption is a +/­ interaction that occurs when one individual consumes another individual or consumes  tissues of another individual In all cases of consumption, the consumer’s growth, survival, or fitness increases and the prey’s decreases Four major types of consumption: Predation­ the consumption of most or all of another individual (prey) by a predator Herbivory­ the consumption of plant tissues by herbivores Parasitism­ the consumption of small amounts of tissues from another organism (host) by a parasite Parasitoidism­ occurs when the parasitoid lays eggs in/on the host and  her offspring  consume the host Predators are an important factor in the ecology & evolution of prey populations BIDE: predators can influence birth & death rates, as well as emigration, immigration, and behavior of prey B= birth rates I= immigration rates D= death rates E= emigration rates When prey behavior is affected all vital rates (BIDE) may change E: prey may leave habitats with high predator abundance I: prey may immigrate to habitats with fewer predators, but these may be suboptimal habitats D: individual growth rates of prey could decline if suboptimal habitats have lower quality food sources B: birth rates may drop due to lower feeding rates Predators can directly affect death rates by killing prey Predators can also influence species diversity in communities Keystone species Have a profound influence on the species diversity in a community They impact species composition and community dynamics The effects of keystone species are disproportionately high in comparison to their abundance (or biomass) Herbivory Herbivores play an important role in the ecology of any area, influencing plant communities and plant  population growth. Insects are by fare the most important terrestrial herbivores Herbivores can also influence plant populations and plant community structure Evolution Predation and herbivory are important to evolution of predators/herbivores and prey There is selection on prey for traits which deter predators/herbivores Predators/herbivores are under selection to be effective predators/herbivores Evolutionary consequences of predation Constitutive defenses are prey defenses that are always present, always “on” Are large investments of resources by prey How do plants defend themselves? Constitutive defenses­ plants have both mechanical and chemical constitutive defenses Prey defense: mimicry Cryptic coloration (same color as background) Aposematic coloration (poison dart frog) Batesian mimicry: a harmless species mimics a harmful one Mullerian mimicry: two unpalatable species mimic each other Lecture 5 Species Interactions: Parasitism & Mutualism Evolved defenses of prey Inducible defenses­ produced only (or in greater amounts) when prey are exposed to predator or herbivore  or cue from predator or herbivore Predator­prey interactions influence & select defenses in prey species and counter­measures in predators Inducible defenses are energetically efficient, but it takes longer to produce them (are not immediately  available when predators arrive) Types of Symbioses: “Living Together” Commensalism: +/0 interaction Parasitism: +/­ interaction Mutualism: +/+ interaction Parasitism Parasite benefits by consuming host nutrients or tissues; parasite may also obtain a permanent habitat from  host; host is harmed­ decreased growth, survival, and/or reproduction Parasites usually: Are much smaller than host Do not kill their host Live inor on the host for a long time Are host specific (some parasites use only one host individual during their entire life cycle) Many parasites have one main host species but several dispersal stages that may use 1 (or more) different  host species at different stages of life cycle Parasites have a wide variety of impacts on host organisms Obligate or facultative Important in food webs­ involved in most links in webs & biomass can be comparable to top predators Can impact host physiology, often to aid in life cycle transmission Hosts can be compromised such that their competitive ability can be reduced Directly regulate host populations; usually are not lethal Some parasites can decimate host populations i.e. ebola virus has severely reduced population sizes of gorillas and chimpanzees in parts of Africa i.e. chytrid fungus has caused extinction of some frog species; eliminated populations of many frog species Co­evolution & arms races A co­evolutionary arms race between parasites and hosts begins when a parasite species evolves a trait  that allows it to survive and reproduce in a host In response, natural selection favors host individuals that are able to defend themselves against the  parasite Parasites can also affect the behavior of their hosts to benefit the parasite Lecture 6 Food Webs, Indirect Effects & Trophic Cascades Mutualism +/+ interaction very common in nature among a wide variety of organisms Mutualistic Associations between Rhizobium Bacteria and Land Plants Bacteria live in the nodules on the roots of the plant (a home) and they get sugars from the roots The plant benefits because they can convert atmospheric N2 gas into forms that plants need for growth:  nitrate and ammonium. The plants that form these associations with Rhizobium have a growth advantage A variety of plants, including commercially important legumes form mutualisms with Rhizobium species More than 90% of land plants have associations with mycorrhizal fungi Mucorrhizal fungi increase the absorptive surface area of the plant’s roots, increasing the plant’s ability to  take up mineral ions (nutrients): N, P, K as well as water The plant gets a root extension from the fungus growing on the roots of the plants Associations between mycorrhizal fungi and roots of land plants allow faster plant growth Mychorrhizal fungi help plants take up essential nutrients Plants supply mycorrhizal fungi with carbohydrates (sugars) Mutualism: It’s NOT for the benefit of partner species It is probable that some mutualisms have evolved from parasitism and perhaps vice versa Any species interaction can change as the costs and benefits change­ it’s the same with mutualism. Every  mutualism costs something, and if costs become greater than benefits, then mutualism can turn into  parasitism Species interactions are dynamic and conditional Ant plants Plant species that provide rewards (food, shelter) for ants For example, Acacia trees provide Beltian bodies that are rich in protein, extrafloral nectaries that are rich in  sugar, and hollow thorns in which ants can live Ants protect plants from herbivores and plant competitors Cheating ants Rather than remove all herbivores from plants, some ants will raise some insects like cattle Phloem­feeding insects can provide ants with a source of sugary sap In some cases, the ants’ farming activities can be negative for the plant and the mutualism can become a  parasitism Commensalism +/0 interaction Commensal’s fitness is increased whereas host is unaffected For example: birds catching insects that antelope flushes out of grass, mites hitching ride on a beetle’s  wings, bird builds a next in a tree, etc. Multi­species interactions: food chains Most ecosystems on Earth derive their energy from photoautotrophs that capture solar energy and CO2  and use the carbon to make carbohydrates during photosynthesis Photosynthetic organisms form the base of food chains upon which herbivores and predators rely Plants are the producers in terrestrial ecosystems Marine food chains differ from terrestrial food chains because main producers are phytoplankton Phytoplankton are the base of marine food webs: <1% of planetary photosynthetic biomass but >45% of  plant’s primary productivity Food chains are usually embedded in a food web­ a more complete description of the trophic relationships  among the organisms in a community Arrows represent the flow of energy Food chains generate “indirect effects” in communities Indirect effects: can be defined as the impact of one species on another that is mediated by a third species Example: the effects of species a on species c occurs through the effects on species b Example: kingfishers have an indirect positive impact on Daphnia by reducing stickleback populations Dashed arrows=indirect effects Example: wolves impact elk density and behavior; they indirectly increase the growth of aspen, willow, and  other trees What is a trophic cascade? Energy is transferred in food chains from the producers to next higher trophic level and so on, up the food  chain In contrast, some ecological effects can “cascade down” from the top of the chain to the bottom When a top predator influences the density of species at all trophic levels below them, ecologists describe  this as a “trophic cascade” Trophic cascades & “top down control” of community structure Keystone predators can control prey populations and thus affect community composition and dynamics A switch in the diet of a top predator can have a major effect on community composition and primary  production levels Omnivory Species that feeds at multiple trophic levels Trophic cascades do not describe adequately systems in which omnivory is common The effect of predator A on prey 2 is not immediately apparent It will depend in part upon the relative impact of predator A and prey 1 on prey 2 Predator A may actually be a indirect mutualist of prey 2, even though it eats it Simplified marsh food web Key concept: simple trophic cascades are not suitable models from omnivory is involved, and indirect  effects make the magnitude and direction of interactions difficult to predict Community structure Research on species interactions usually focuses on just 2 species at a time, but biological communities  contain many thousands of species To understand how communities work, biologists also explore how combinations of many species interact One of the most interesting questions concerns how species diversity is maintained­ how are dominant  players restrained from forming monocultures? Are all species equally important? It may be that the effects of some species are more important than those of others: Three concepts that support this point are: keystone species, dominant (foundation) species, and  ecosystem engineers Dominant (foundation) species In temperate forest biomes, sugar maples are the dominant species They have a dramatic impact on the community because they are extremely abundant (high biomass) They provide shelter and/or food for a diversity of species They exert a powerful effect over the occurrence and distribution of other species Ecosystem engineers Species that have a dramatic impact on the habitat in which other species live They “engineer” the habitat so that the conditions are very different for the species that live there Lecture 7 Population growth & regulation Population ecology The study of how and why the number of individuals in a population changes over time (the dynamics of  population change) A population is a group of individuals from the same species that live in the same area at the same time Used to predict the number of organisms that will occur at some future date or in some particular location,  we should also be concerned with our own rate of population growth Four keys to population change Birth Immigration Death Emigration Population dynamics N1=N0 + B­D + I­E N1= individuals at time 1 N0= individuals at time 0 Nt+1=RNt     R is same as lambda  Lambda Geometric rate of increase/finite rate of increase Is equal to the population size at time t+1 divided by population size at time t Discrete vs. continuous growth Remember that lambda expresses a population’s growth rate over a discrete time interval The analogous measure for a population at any particular instant is time r, which is known as the  instantaneous per capita rate of increase. It is also frequently called the instantaneous per capita growth  rate. We can calculate lambda if we know r and vice versa using: R=log(e)*(lambda) Lambda= e^r Calculating population growth Ecologists often use mathematics to calculate and predict rates of population growth The mathematical equations are called population models and they’re very useful in a wide variety of fields  including forestry, fisheries, conservation biology, and epidemiology A population’s growth rate is the change in the number of individuals in the population (dN) per unit time  (dT) When considering the rate of change over a very very short interval, we use dN/dT Population growth Populations are growing when lambda>1 or r>0 Populations are stable when lambda=1 or r=0 Populations are shrinking when lambda<1 or r<0 Per capita vital rates BIDE are known as vital rates To made any rate a per capita rate, we divide by population size (N) b=B/N, d=D/N, i=I/N, e=E/n r=b+i­d­e Demography is the study of how vital rates vary within and among populations When b is as high as possible and d is as low as possible, r reaches a maximal value called the intrinsic  rate of increase, rmax dN/dT=rmax(N) Exponential Growth Occurs when r does not change over time With exponential growth, r does not depend on the number of individuals in the population When increases in the size of a population do not affect r, growth is density independent and the absolute  number of individuals added (dN) gets larger every year Why doesn’t exponential growth continue indefinitely? Resource limitation Organisms run out of food, space, nutrients, or other critical resources When populations are limited When population density gets very high, b should decrease and d should increase, causing r to decline.  This is density dependent The carrying capacity, K, is the max number of individuals in a population that can be supported in a  particular habitat over a sustained period of time With logistic growth, r decreases with increasing density Factors that change population size Biotic Predation, competition, parasitism, mutualism, disease Abiotic Temperature, disturbance, precipitation, pollution, salinity, pH Only biotic factors can “regulate” a population (attract to equilibrium density) Only those biotic factors that add negative feedback (NOT mutualism) Population regulation The existence of an equilibrium density towards which a population is attracted Regulating factors are those that can generate and maintain such equilibria through negative feedback Competition, predation, parasitism, and disease are regulating factors They can cause “negative density­dependent growth” when population growth rate goes down as  population density goes up Exponential growth= no density dependence Logistic growth= density dependence K= equilibrium determined by competition for resources Lecture 8 Mitosis & Asexual Reproduction All cells come from pre­existing cells A living entity contains heritable genetic information Encoded in DNA sequences of 4 nucleotide bases (GATC) Human genome has ~3 billion nucleotide; contains 20­25 thousand genes, is partitioned into 23 pairs of  chromosomes Chromosomes in eukaryotes=DNA & histone proteins This genetic information must be replicated prior to cell division Cell division 2 main parts: Duplication of integral components Physical separation of the duplication products into 2 daughter cells that usually represent identical copies Eukaryotes have must larger cells with nuclei and other organelles that bacteria and archaea lack Types of cell division Binary fission Produces 2 genetically identical cells Only in bacteria and archaea Can occur every 20 minutes Steps: The circular bacterial DNA molecule is attached by proteins to the inner membrane DNA replication begins at a specific location and proceeds bidirectionally around the circle The newly synthesized DNA molecule is also attached to the inner membrane, near the attachment site of  the initial molecule As replication continues, the cell elongates symmetrically around the midpoint, separating the DNA  attachment sites Cell division begins with the synthesis of new membrane and wall material at the midpoint Continued synthesis completes the constriction and separates the daughter cells DNA in daughter cells are identical to that of the parent Mitosis Produces 2 genetically identical daughter cells Only in eukaryotes & only in somatic (body) cells production Key roles in EUKs: Development & growth Repair/tissue renewal Asexual reproduction Interphase=variable periods of cell growth, when the cell cannot divide Cell cycle Consists of M phase (mitosis) and interphase, which consists of the G1, S, and G2 phases Gap phases allow the cell to grow large enough and synthesize enough organelles to ensure the daughter  cells will be normal in size and function S phase=DNA synthesis Chromosome replication During interphase, genetic info is being accessed by the cell from the chromosomes. DNA molecules are  unspooled and chromosomes are not visible microscopically Before mitosis, each chromosome is replicated in the S phase Each of the DNA copies in a replicated chromosome is called a chromatid Chromatids are joined together along their entire length as well as at a specialized region of the  chromosome called the centromere Chromatids from the same chromosome are referred to as sister chromatids. They are genetically  identical Even though a replicated chromosome consists of 2 sister chromatids, it is still considered a single  chromosome  Prophase Chromosomes condense. Centrosomes radiate microtubules and migrate to opposite poles Prometaphase Microtubules of the mitotic spindle attach to chromosomes Metaphase Chromosomes align in the center of cell Anaphase Sister chromatids separate and travel to opposite poles Telophase Nuclear envelope re­forms and chromosomes decondense Meiosis Produces 4 daughter cells Daughter cells are genetically different Only in eukaryotes; only in germ cells Asexual vs. sexual reproduction Asexual=one parent produces genetically identical offspring Sexual=2 parents combine genetic info and produce genetically different offspring   Thalamus and semibalanus (barnacles) Michigan student took snails infected w/ parasites and those not infected and the ones with the parasites  ate less algae▯ parasites influences biodiversity Reading Notes 01/08/2014 32.2 Defense Against Herbivores As plants diversified, so did herbivores & pressure on plants increased to defend themselves from being  consumed Plants use mechanical and chemical defenses to avoid being eaten Milkweed’s defenses are mechanical Covered in dense hairs Milkweed has a network of extracellular canals filled with a white sticky liquid called latex that runs through  the leaf Latex canals are under pressure in the intact leaf. When the leaf is damaged, latex flows out, sticking to  everything in contact with it and congealing on exposure to air Latex is toxic­ high concentrations of cardenolides, steroid compounds that cause heart arrest in animals Monarch caterpillars and butterflies can eat this, making them highly toxic to most birds and other animals  that would eat them Grasses and some plants have a hard, mineral defense consisting of silica (SiO2) plated within
More Less

Related notes for BIOLOGY 171

Log In


Don't have an account?

Join OneClass

Access over 10 million pages of study
documents for 1.3 million courses.

Sign up

Join to view


By registering, I agree to the Terms and Privacy Policies
Already have an account?
Just a few more details

So we can recommend you notes for your school.

Reset Password

Please enter below the email address you registered with and we will send you a link to reset your password.

Add your courses

Get notes from the top students in your class.