Log in to StudySoup
Get Full Access to UCR - Study Guide - Final
Join StudySoup for FREE
Get Full Access to UCR - Study Guide - Final

Already have an account? Login here
Reset your password

UCR / Biology / BIOL 5C / What is the difference between ecology and environmentalism?

What is the difference between ecology and environmentalism?

What is the difference between ecology and environmentalism?



What is the difference between ecology and environmentalism?

 biosphere: global sum of all ecosystems

 ecosystem: large community of all the abiotic and biotic factors in a specific area

 community: group/association of a population (usually 2 or more species) that occupy the same area  population: group of individuals of a single species living in the same area

 individual: a single, separate organism


 ecology  environmentalism

 ecology:

o quantifying the movement of nutrients and energy within and among ecosystems

o investigating the factors that influence the distribution and abundance of organisms

Where is the temperate broadleaf forest?

o science

 environmentalism:

o concern about and action aimed at protecting the environment

o set of ideals

o filing a petition to protect tropical rainforests from logging

o starting an organic farm in order to grow wholesome food without pesticides


 limiting factors: Don't forget about the age old question of Why are genetic diseases not removed from the population via natural selection?

o dispersal: movement of individuals away from centers of high population density or from their area or origin o species transplants: organisms that are intentionally or accidentally relocated outside their original distribution  can disrupt the communities/ecosystem to which they have been introduced

How many aquatic biomes are there?

o non­native invasive species: introduction causes economic or environmental harm or harm to human health o interactions with other species: predation, parasitism, competition, mutualism, herbivory (biotic factors) o abiotic factors: temperature, water, oxygen, salinity, sunlight, rocks, soil

 determining factors: 

o ecological factors

o evolutionary history


 a major type of biological assemblage determined on land (by temperature and rainfall) and in water (by temperature, depth  and salinity)

 two key aspects:

o primary productivity: rate of plant production of biomass (amount of plant growth in a given area over a given time) o biodiversity: number of species If you want to learn more check out What is the main point of federalist 51?

 eight terrestrial biomes: 

o largely determined by climate

o average precipitation and temperature and seasonal pattern of variation are important

o disturbance: an event such as a storm, fire, or human activity that changes a community

 in many biomes, dominant plants depend on periodic disturbances

1. tropical forest: 

a. equatorial and subequatorial regions

b. tropical rain forest: relatively constant rainfall

c. tropical dry forest: highly seasonal precipitation Don't forget about the age old question of How are grams converted to moles?

d. high primary productivity

e. high biodiversity

2. temperate broadleaf forest: Don't forget about the age old question of What was the plan authored that served as a proposal on how to deal with american indians?

a. mid­latitudes in northern hemisphere

b. heavy precipitation all seasons

c. cool winters; hot and humid summers

d. moderate primary productivity

e. moderate biodiversity

3. northern coniferous forest: 

a. northern North America and Eurasia

b. largest terrestrial biome If you want to learn more check out What is the endocrine system in animals?

c. precipitation varies; some have periodic droughts; near coasts, wet

d. cold winters; hot summers

e. low primary productivity

f. low biodiversity

g. some species depend on periodic fires to regenerate

4. chaparral:

a. mid­latitude and coastal regions

b. low precipitation and is highly seasonal (rainy winters; dry summers)

c. hot summers; cool winters

d. low, but variable biodiversity

e. low primary productivity

f. many plants are adapted to fire and drought

5. savanna:

a. equatorial and subequatorial regions

b. seasonal precipitation with a prolonged dry season

c. moderate primary productivity

d. moderate biodiversity

e. spread of trees constrained by periodic fires

6. temperate grassland: 

a. central North America (prairie) and Asia (steppes)

b. low and seasonal precipitation, mainly in summer

c. cold winters; hot summers

d. moderate primary productivity

e. moderate biodiversity

f. dominant plants are adapted to droughts and fire

7. desert: If you want to learn more check out What is democratic theory of peace?

a. 30 N & S of equator and in interiors of continents

b. may be hot or cold

c. low and highly variable precipitation

d. low primary productivity

e. low, but variable biodiversity

8. tundra:

a. artic; alpine tundra exists on high mountaintops

b. low precipitation in artic tundra; higher in alpine tundra

c. cold winters; cool summers

d. permafrost: permanently frozen layer of soil, prevents water infiltration

e. low primary productivity

f. low biodiversity

 eight aquatic biomes 

o intertidal zones

o coral reefs

o oceans (pelagic and benthic)

o wetlands

o lakes

o estuaries

o rivers and streams


 weather: daily conditions of the atmosphere in terms of temperature, atmospheric pressure, wind, and moisture  climate: long­term prevailing weather conditions in an area

o global climate is influenced by seasonality and latitudinal variation

 sun drives everything

o seasonal due to tilt of Earth

o air circulation patterns and ocean currents

 earth spins faster near equator, bending wind

 Hadley cells determine air circulation

o regional characteristics: 

 topography: mountains create orographic effects (change in elevation)

 bodies of water: 

 water has a high specific heat

 oceans warm up more slowly in summer and cool off more slowly in winter

o climate change: 

 greenhouse effect: trapping the sun’s warmth in the earth’s atmosphere

 CO2 and other gases trap heat, keeping Earth warm

 causes: greenhouse gases, rising temperatures, loss of glaciers, loss of polar sea ice, sea level rise, more  severe storms, ocean acidification, depletion of atmospheric ozone


 habitat loss

 introduced species

 overharvesting

 global change = climate change + all of the above


 food webs are more complex than food chains

 food chains link the trophic levels of an ecosystem (producer  consumers)

 decomposers: break down organic matter from all trophic levels

 trophic pyramid: graphical representation showing the flow of energy at each trophic level in an ecosystem  trophic regulation:

o top­down control: organisms in different trophic levels are influenced from above by predation o bottom­up control: organisms in different trophic levels are influenced from below by production  trophic cascade: when predators suppress their prey and in turn releases the nest lower trophic level from  predation/herbivory


 describe the flux of atoms and molecules between biotic and abiotic reservoirs

o reservoir: place where type of atoms/molecules accumulate or are held for a relatively long period of time  lithosphere, hydrosphere, atmosphere, organisms

o flux: rate of movement between reservoirs

1. water 

a. reservoirs: oceans (97%); glaciers and polar ice caps (2%); lakes, rivers and groundwater (1%)

b. water moves by evaporation, transpiration, condensation, precipitation, and movement through surface and ground  water

2. carbon 

a. photosynthetic organisms convert CO2 to organic molecules that are consumed by heterotrophs

b. reservoirs: fossil fuels, soils and sediments, biomass, atmosphere and sedimentary rocks

c. CO2 is taken up and released (photosynthesis and respiration)

d. Volcanoes and burning of fossil fuels contribute CO2 to atmosphere

3. nitrogen 

a. component of amino acids, proteins and nucleic acids

b. reservoir: atmosphere (N2)

c. atmospheric N2 must be converted to NH4+ or NO3­ for uptake by plants by nitrogen fixation by bacteria d. causes of increased nitrogen:

i. application of N fertilizers

ii. combustion of fossil fuels

iii. large­scale cultivation of legumes

e. consequences of nitrogen pollution: 

i. increased global concentrations of nitrous oxide and nitric oxide

ii. N saturation of soils: leaching of cations, acidification, eutrophication

iii. toxic concentrations in drinking water

iv. loss of biodiversity: low N­soils especially affected

4. phosphorus 

a. component of nucleic acids, phospholipids and ATP

b. phosphate (PO43­): most important inorganic form of phosphorus

c. reservoirs: sedimentary rocks of marine origin, soil, oceans and organisms

d. weathering of rocks releases phosphate into soil and reaches aquatic systems through leaching

 nutrient limitation: relatively scarce, naturally occurring element

 rate of decomposition is controlled by temperature, moisture, oxygen and nutrient availability

 mutualistic relationships:

o mutualism: both benefit

o commensalism: one benefits; other is neither helped nor harmed

o parasitism: one benefits; other loses


 size: N > total number of individuals in the population

 density: number of individuals per unit area or volume

 dispersion: distribution of individuals in the population over space or volume

 rate of change in size over time

 properties are influenced by:

o ecological needs of species

o distribution and abundance of resources

o interactions among individuals in the population:

 attraction: mating, parenting, herding, schooling

 repulsion: territoriality, competition for resources


 random: every point in space has an equal and independent probability of containing an individual  clumped: individuals are more aggregated than in random distribution

o individuals are more likely to be found in close proximity to other individuals

 uniform: individuals are more evenly spaced than in random distribution

o individuals less likely to be found in close proximity to other individuals


 schedule of an organism’s life

 factors that influence life history traits

o age/size at reproductive maturity

o allocation of energy to reproduction

o number and size of offspring

o number of reproductive events

o life span

 trade­offs:

o reproductive strategy (central trade­off)

o size vs number

o variation in number of reproductive events


 changes in population size = births + immigrants entering population – deaths – emigrants leaving population  population growth rate:∆N 

∆ t=B−D ∆N 

∆ t=R  R = rtN

o N = change in population size

o t = time interval

o B = number of births

o D = number of deaths

o R = net productive rate; difference between number of births (B) and the number of deaths (D) that occur in the time interval

 change in population size: R = rtN ΔN

Δt=r ∆tN

o rt = per capita (per individual) change in population size

 population growth: dN 



dt = small changes in population size over short (instantaneous) time intervals 

o r = intrinsic rate of increase, per capita rate at which an exponentially growing population increases in size at each  instant in time

 net reproductive rate: 

o geometric growth: R0 < 1 : population is decreasing

geometric growth: R0 = 1 : population is stable

geometric growth: R0 > 1 : population is increasing

 intrinsic growth rate or intrinsic rate of increase 

o exponential growth: r < 0 : population is decreasing

exponential growth: r = 0 : population is stable

exponential growth: r > 0 : population is increasing

 exponential vs logistic growth:

 predicting number of individuals at a particular point in time: Nt = N0ert 


 carrying capacity (K): maximum population size the environment can support

o food availability

o water supply

o living psace

o environmental conditions

 logistic growth model: per capita rate of population growth approaches zero as the population size nears carrying capacity (K) dt=rN(K−N)



o when N is small compared to K, (K−N)

K is close to 1 & the per capita rate of population growth will be close  

to r

o when N is large compared to K, (K−N)

K is close to 0 & the per capita rate of population growth is small 

o when N = K, population stops growing

 density­independent populations: birth rate and death rate do not change with population density o exponential growth

 density­dependent populations: birth and death rates are directly/indirectly regulated by population density o logistic growth

o only density­dependent factors can regulate population size (disease, competition, predation)

 mechanisms of density­dependent population regulation: 

o competition for resources:  population density,  competition for resources,  birth rate

o disease:  density,  pathogens

o predation:  prey population, predators may feed on that species

o territoriality: can limit population density when individuals compete for limited space

o intrinsic factors: intrinsic (physiological) factors regulate population size

o toxic wastes:  toxic wastes, can contribute to density­dependent regulation


1) antagonism (­/­) or (+/­)

a) competition (­/­): species compete for a resource that limits survival and reproduction

 resources must be in short supply

 exploitative: individuals deplete resources by consuming or using them

 interference: aggressive encounters among individuals shape resource access

 strong competition can lead to competitive exclusion (local elimination of a competing species)

 two species competing for the same limiting resources cannot coexist permanently in the same place  character displacement: tendency for characteristics to be more divergent in sympatric populations of two species than in allopatric populations of the same two species

 sympatric populations: ranges overlap (co­occur)

 allopatric populations: ranges do not overlap

 results:

 competitive exclusion of one species by another

 coexistence of species through resource partitioning

 coexistence of species through character displacement

b) predation (+/­): one species (predator) kills and eats the other (prey)

 predators: kill live animals

 scavengers: consume dead carcasses

 predators and prey have specialized adaptations

 behavioral, morphological, physiological, chemical, mechanical





sensory adaptations for detecting prey

sensory adaptations for detecting predators

adaptations for handling prey

adaptations for escaping capture

 startle response: eyespots

ex) butterflies and moths

 misdirection: false heads

 mimicry: close resemblance of an organism (mimic) to some different organism (model) such that the mimic  benefits from the mistaken identity

(a) has evolved in predators to enable them to approach prey

(b) avoiding predators = reduced growth rates

(c) batesian: an unprotected species (mimic) evolves to look like a protected species (model)

(d) müllerian: chemically protected species (mimetic 1) evolves to look like another protected species (mimetic 2)  aposematic coloration: anti­predator adaptations where a warning signal is associated with the unprofitability of a  prey to potential predators

 effects: 

 population dynamics of predator and prey

 characteristics of predator and prey

 growth rates of prey decrease because predator avoidance has a cost

c) herbivory (+/­): herbivore eats parts of a plant or alga

 plant adaptations: structural, chemical

 herbivore adaptations: physiological and morphological

d) parasitism (+/­): one organism (parasite) derives nourishment from another organism (host), which is harmed in the process  ectoparasite: external; on surface of host

 endoparasite: internal; live inside host

 parasitoids: always kills host

 adult stage is free­living

 lays eggs inside host

ex) ant­decapitating phorid flies

2) mutualism (+/+): common interaction that benefits both species

a)     obligate: necessary for survival and reproduction of one or both species

 sometimes symbiotic

b)     facultative: not necessary for survival of either species

c) mutualism is reciprocal exploitation

 both species incur costs, but the benefits to each partner exceed the costs)

 plant­pollinator mutualisms = service­resource mutualisms

o pollinator provides the service of pollination (pollen transfer)

o flower provides the resource of nectar

o flowers exploit pollinators by restricted access, visible light, ultraviolet light, and deception

o pollinators exploit flowers by nectar robbing

 extracting resource without providing service

3) commensalism (+/0): one species benefits and the other is neither harmed nor helped

 can be mutualistic at times

species A

species B




predation, herbivory, parasitism











 differentiation of ecological niches, enabling similar species to coexist

 spatial: this is my space with my resources

     temporal: day vs night feeding


 sum of an organism’s use of abiotic and biotic resources

 ecological role

 ecologically similar species can coexist in a community if there are one or more significant differences in their niches      fundamental: the niche potentially occupied by that species

     realized: the niche actually occupied by that species

o fundamental > realized (due to competition)


a) the variety of organism that make up a community

b)     species richness: number of different species in a community

c)     relative abundance: proportion each species represents of all individuals in a community

o two communities can have the same species richness, but a different relative abundance

d) area and latitude determine species diversity of communities

o area 

 species­area curve quantifies the idea that a larger geographic area has more species

 S = cAz

o S: number of species

o c: constant

o A: area

o z: how many more species should be found as area increases

 islands contain fewer species than a nearby mainland

 small islands contain fewer species than large islands

 islands closer to the mainland contain more species than do similar sized islands located at a greater  distance from the mainland

 Island Equilibrium Model: species richness on islands represents a balance between immigration of new  species and extinction of established species

 immigration and extinction are affected by island size and distance from the mainland

  number of species on an island,  immigration,  extinction

 small island:  immigration,  extinction

 mainland island:  immigration,  extinction

 equilibrium: rate of immigration = rate of extinction

o latitude 

 species richness is especially great in the tropics and generally declines in a gradient toward the poles  key factors affecting latitudinal gradients of species richness: evolutionary history and climate

 evolutionary history:

o tropical environments may have greater species richness because there has been more 

time for speciation to occur

 “tropics as cradle” model ()

o Temperate and polar communities have “started over” repeatedly following glaciations

 “tropics as museums” model ()

 climate: sunlight and precipitation

o sunlight and precipitation shape the rate of evapotranspiration (the evaporation of water 

from soil + transpiration of water from plants)

o species richness is correlated with (potential) evapotranspiration, which tends to be 

greater in the tropics

 Shannon Diversity Index (H): H = ­ (pAln(pA) + pBln(pB) + pCln(pC) + … )

o A, B, C, … : species

o p: relative abundance of each species

o ln: natural logarithm 

 diverse communities: 

o more productive and more stable in their productivity

o better able to withstand and recover from environmental stresses

o more resistant to invasive species

 species diversity = species richness + relative abundances

 more diverse communities = more stable

 species­area curves: larger area = more species

 island equilibrium model = area + distance from source + rates of immigration and extinction

 latitudinal diversity gradient = evolutionary history + climate


 key events: 

1. earliest concrete evidence of life 

a. stromatolites: oldest known fossils

b. rocklike structures composed of many layers of bacteria and sediment

c. cyanobacteria: photosynthetic bacteria that are still common in marine and freshwater habitats worldwide d. dates back to 3.5 billion years ago

2. atmospheric oxygenation 

a. most atmospheric oxygen is of biological origin, initially due to the photosynthesis of cyanobacteria b. changed atmosphere caused the extinction of many prokaryotic groups

c. dates back to 2.5 billion years ago

3. the first eukaryotes 

a. dates back to 2.1 billion years ago

b. eukaryotic cells: nuclear envelope, mitochondria, endoplasmic reticulum, cytoskeleton

c. endosymbiont theory: mitochondria and chloroplasts were small prokaryotes living within larger host cells i. mitochondria and chloroplasts have their own DNA and prokaryote­like ribosomes

4. Cambrian Explosion 

a. over the next 1.5 BY, eukaryotes spread and diversify from single cells to multicellular organisms  b. wave of diversification occurred after complex body plans began to appear around 640 million years ago,  setting up the Cambrian Explosion about 100 million years later

5. mass extinctions 

a. number of species = balance between speciation (creating new species) and extinction of existing species b. fossil record shows that most species that have ever lived are now extinct

i. extinction caused by changes to a species’ environment, and typically occurs at some baseline rate ii. average duration of a species: 1­15 million years (depending on type of organism)

iii. mass extinction = rate of extinction dramatically above the background rate 

1. result of disruptive global environmental change (affect the atmosphere and climate)

c. in each of the 5 mass extinctions, >50% of Earth’s species went extinct

d. Permian Extinction: boundary between the Paleozoic and Mesozoic eras 251 million years ago i. took <5 million years

ii. 96% of marine animal species

iii. 70% of land vertebrates going extinct

iv. most severe event

v. uncertain cause: extreme volcanism

e. “dinosaur” extinction: separates Mesozoic and Cenozoic eras

i. occurred 65.5 million years ago

ii. about 75% of all species became extinct, including all the non­avian dinosaurs

iii. mammals and birds emerged as dominant land vertebrates in Cenozoic era

iv. cause: massive asteroid impact

1. evidence: distinctive layer of clay worldwide with high levels of iridium (rare on earth, 

common in asteroids)

2. crater: 180 km wide Chicxulub crater in Gulf of Mexico

f. possible sixth mass extinction

i. current rate of extinction = 1000x typical background rate

ii. humans are capable of radically altering the environment (mining, farming, deforestation) and the  scientific consensus is that humans are the principle cause of global warming

6. adaptive radiations 

a. extinctions radically restructure communities, resources, and competition

i. survivors have opportunity to fill novel ecological niches

b. mammals had an adaptive radiation (flourishing and diversifying after the disappearance of the dinosaurs) i. don’t require extinction, invasion of a new habitat can also lead to new and diverse species evolving  the fossil record: 

o documents the history of life

o organisms buried in sedimentary rock layers (strata) can be fossilized (preservation through impression or  mineralization of an organism)

o fossil record is not complete!

o indicator (index) fossils: similar fossils found in the same strata in different locations

o determine age of strata via radiometric dating 

 carbon 

 in an organism: C12 and radioactive C14 

 when organism dies, it stops accumulating C and C14  N14 

 half­life of C14  N14: 5,730 years

 ratio of C14:C12 in atmosphere = 1.5:1012

 uranium 

 lead dating of rocks

 radioactive Uranium­238 decays to Lead­206 with a half­life of 4.6 billion years

 magnetism 

 during formation of volcanic/sedimentary rock, iron particles align themselves with the Earth’s 

magnetic field at the time

 rock hardens and orientation is frozen in time

 history of Earth’s magnetic reversals of the poles leave their record on rocks throughout the world


 researchers 

o Aristotle: species are fixed and unchanging

 all species were individually designed by God and were therefore perfect

 scala naturae: life organized based on increasing complexity

o Linnaeus

o Cuvier: paleontology (study of fossils)

 species extinctions must have been a common event

o Hutton: principle of gradualism (changes in Earth’s surface can result from slow continuous actions still operating today) o Lyell: principles of geology

o Lamarck: adaptive evolution hypothesis (evolve adaptations through use and disuse of body parts followed by the inheritance of these acquired characteristics)

 information from external environment can cause genetic changes that are adaptive in that environment  phenotypic plasticity: varied developmental responses to different environments

 his hypothesis is wrong! mutation is random with respect to the environment

 belief in adaptive evolution is corrected, but proposed mechanism is wrong

o Wallace: sends Darwin his hypothesis of natural selection just prior to the publication

 Origin of Species 

 published November 24, 1859

 current species are the (gradually) “modified” descendants of ancestral species

 descent with modification (evolution) explains biological diversity

 natural selection: major mechanism for evolutionary process

 Darwin’s evidence 

o fossil record: Lyell, Cuvier (extinction, variation, novelty)

o endemic species radiations on the Galapagos Islands (single common ancestors)

o artificial selection in animals

 human intervention with breeding

o artificial selection in plants

o Malthus (1798): populations will grow exponentially if unconstrained; however, resources are always constrained resulting in competition

o artificial selection + unrealized growth potential of populations = natural selection = driving force of adaptive evolution  observed in fossil record and nature

 natural selection: differential survival and reproduction in nature of organisms having different heritable characteristics,  resulting in perpetuation of those characteristics that best adapt the organisms to a specific environment  assumptions:

(a) more individuals born than will survive and reproduce

(b) variation among individuals

(c) individual with certain characteristics have a better chance of surviving and reproducing (higher fitness) than  others

(d) at least some of the favored characteristics are heritable

(e) time for change to occur

ex) rapid evolution of antibiotic resistance in Staphylococcus aureus (MRSA)

ex) seed thickness of food source can result in evolution by natural selection for a change in beak size  theory of evolution: same footing in the scientific community as the theory of gravity

 homologous features: organs or skeletal elements of animals and organisms that suggest their connection to a common ancestor o do not have to look exactly the same or have the same function

 vestigial structures: anatomical feature or behavior that no longer seems to have a purpose in the current form of an organism of  the given species

o feature that performed an important function in the organism at one point in the past

 descent with modification: all organisms are related through descent from an ancestor that lived in the remote past o history of life is like a tree with branches representing life’s diversity


 blending: the genetic material of two parents blends together, resulting in a rapid loss of genetic variation ex) red + white = pink

 particulate inheritance: phenotypic traits can be passed from generation to generation through genes o quantitative phenotypic traits were ignored

 weight, height, IQ, blood pressure

o qualitative trait: flower color, skin color, blood type

 dominant: capital letter

 recessive: lowercase letter

 co­dominance: both alleles are expressed 

 genome: complete complement of an organism’s genetic material

 gene: a region of DNA (or RNA) that produces a single product capable of influencing the phenotype o structural gene: produces a protein

o regulatory gene: regulates other genes

 locus: the site on the chromosome where a particular gene is located (plural: loci)

 alleles: various forms of a gene, differ slightly in their DNA/RNA sequence

 genotype: the set of alleles defining some or all of the genetic constitution of an individual

 phenotype: the result of the interaction of an organism’s genotype with its other genes and the environment  karyotype: chromosome complement of an individual (metaphase)

 homozygote: an individual with two copies of a single allele at a locus (RR, rr)

 heterozygote: an individual with two different alleles at a locus (Rr)

 haploid: only one complement of genes

 diploid: two copies of most genes, a maternal and a paternal

 monohybrid: individuals that are heterozygous for one character

o monohybrid cross: cross between such heterozygotes

 dihybrid: heterozygous for both characters

o dihybrid cross: cross between F1 dihybrids

 pea plants: 

o normally self­fertilize

o fast generations

o large number of offspring

 Law of Segregation: random separation of alleles during gamete formation; random joining of gametes to make zygotes o derived by following a single character (monohybrids)

o alternative versions of genes (different alleles) account for variations in inherited characters

o for each character, an organism inherits 2 alleles, one from each parent

o if the two alleles differ, then the dominant allele is fully expressed in the organism’s phenotype while the recessive  allele has no noticeable effect on the phenotype

o the two alleles for each character segregate during gamete production such that, within any given parent, 50% of  gametes receive one allele and 50% receive the other

o alleles then randomly reform pairs during the fusion of gametes to make zygotes

 Law of Independent Assortment:

o derived by following two characters (dihybrids)

o during gamete formation, segregation of alleles for one locus is independent of the segregation of alleles for another  locus

 only holds when gene loci for the two characters are on different pairs of homologous chromosomes or  “unlinked”

 Rules of Probability:

1. Multiplication Rule: probability that both of two independent events will occur is the product of their separate  probabilities of occurrence

2. Addition Rule: probability of an event that can occur in two or more mutually exclusive ways is the sum of the separate  individual probabilities

3. if samples are drawn at random, the probability of a given item being included in the sample equals the relative  frequency of that item in the source population

 Punnett Square: tool that can be sued to predict the results of a genetic cross between individuals of known genotype

o each small box in the Punnett square represents an equally probable product of fertilization between male and  female gametes

o testcross: determine the genotype of an individual with the dominant phenotype

 breed mystery individual with a homozygous recessive individual

 if any offspring display the recessive phenotype, the mystery parent must be heterozygous

 polymorphic locus: may have multiple segregating alleles (ex: ABO blood types)

o polygenic inheritance: an additive effect of two or more genes on single phenotypic character

o epistasis: the phenotypic expression of a gene at one locus alters that of a gene at a second locus

 T.H Morgan and sex­linked inheritance: 

o introduced the fruit fly (Drosophila melanogaster) as a useful “model organism” for genetic studies o one of the first mutations he found for eye color was on the sex chromosome (sex linked)

 sex chromosomes: one chromosome is similar to an autosome having many functional genes (human X chromosome),  but the second is reduced or absent (human Y chromosome)

 homogametic sex: two of the same kind of sex chromosomes (XX)

 heterogametic sex: two different kind of sex chromosomes (XY)

 sex­linked genes: 

o eggs: 50% carry one X, 50% carry the other X chromosome

o sperm: 50% carry an X, 50% carry a Y

o offspring sex ration should be 50% male and 50% female

 chromosome: continuous threads of DNA in a cell or nucleus

 eukaryotes: 

o chromosomal DNA in membrane bound nucleus

o numerous membrane­bound organelles

o additional genomes housed in organelles derived from endosymbiotic events (mitochondria)

 prokaryotes: 

o DNA packed into nucleoid structure

o rigid plasma membrane, many with cell walls, some with two membranes

o true organelles absent or rare

 different sex determination 

o X ­ Y system: humans (44+ XX f; 44+ XY m)

o X ­ 0 system: grasshoppers (22+ XX f; 22+ X m)

o Z ­ W system: chickens (76+ ZW f; 76+ ZZ m)

o Haplo­diploid system: (32 diploid f; 16 haploid m)

 whole genome shotgun sequencing: 

1. isolate and break DNA into fragments

2. sequence beginning of each fragment

3. match overlapping sequences together

4. form contiguous sequences

5. close gaps­genome sequence complete

­ good computer assembly algorithms are absolutely critical ­ gigabytes of sequence date are analyzed simultaneously  translating 4 nucleotide bases into 20 amino acids

o codon: 3 base pairs, correspond to amino acids

o 64 possible codons (4^3= 64)

o coding region: exons

o noncoding region: introns (removed by RNA splicing)

 genomes: 

o living cells contain 100s to 10s of thousands of genes

o in bacteria, archaea, and viruses, genes account for about 80%­99% of the genome

o in most eukaryotes, genes account for 1%­2% of the genome

o gene content and genome size are positively correlated in bacterial and archaeal genomes

 1kb = 1 gene

o large genomes have lots of repeats

o c­value paradox: the amount of DNA (measured in g or # of bp) does not correlate with organismal/morphological  complexity


 point mutations: 

1) single nucleotide polymorphisms (SNPs):

o small nucleotide changes caused by:

 mismatches during replication (1 in 10^7 nt)

 mutagens: alter base, results in mispairing during next replication

 cytosine deamination to uracil (CG  AT)

 failure of proofreading enzymes (1 in 10^10­10^11 nt)

o easy to screen by PCR, microarray, NextGen

o frequently used to study human populations

o transitions: substitutions between two pyrimidines (T  C) or between the two purines (A  G) o transversions: substitutions between a pyrimidine and a purine (T or C  A or G)

2) small indels (insertions/deletions): 

o replication slippage by DNA polymerase is most evident mechanism

 template and copy shift relative positions, leading to a section being skipped or copied twice

 concentrated in sequences composed of single nucleotides or short repeats

 deletion or insertion of repeated short sequence or single base

 basis for high levels of polymorphism in microsatellite locus strengths

o effect of a point mutation depends on its location

 spread of genomic repeats: 

o genomic repeats 

 repeats spread within and between genomes

 many are unique to their hosts (plants vs. people)

 majority are autonomously replicating elements or transposons 

 class I (RNA intermediate) 

o LTRs, LINEs, and SINEs represent degraded retroviruses

o can have dramatic +/­ benefits (tumors or novel promoters)

o can be used to date species divergences

 class II (DNA intermediate) 

o dominant transposable element in bacteria but also in eukaryotes

o can move in the DNA of an organism via a single or double­stranded DNA intermediate

 chromosome rearrangements: 

o eukaryotic genomes experience large­scale rearrangements and deletions

o linear chromosomes can fuse

o chromosomes can exchange fragments

o one chromosome in one species may be parts of multiple chromosomes in another species

o found in some closely related species

 gene duplication & copy number variation: 

o duplicated segments of DNA can make paralogous genes

o one globin gene was duplicated 450­500 million years ago into an  &  ancestral genes

o through mutations, both diverged but still work cooperatively to bind O2, further duplications lead to paralogs (large family of duplicated genes)

o some have nonsense (codon is changed to a terminating codon) or frameshift mutations (caused by deletion or  insertion), making them pseudogenes

o critical for body plan organization in multicellular animals ­ homeobox containing genes (Hox)

o CNVs: loci where some individuals have one or multiple copies of a particular gene or genetic region rather than the standard two copies (one on each homolog)

o genomic novelty: instances of large and unique duplicated or deleted regions

 horizontal gene transfer (HGT): 

o horizontal: 1 or more genes transferred across species within the same generation

o vertical: genes within a species transferred from one generation to the next

o very common in free­living bacteria and archaea

o bacteria within same species can have vastly different gene contents

o strain specific genes involved in:

 virulence/avirulence

 antibiotic resistance

 unknown

o HGT not common in multicellular eukaryotes, does occur in single cell eukaryotes


 gene pool: all copies of every type allele at every locus for all members of a population

o an allele is fixed if every member is homozygous for the same allele (no polymorphisms at the locus)  population: group of individuals of same species that live in the same area, interbreed, and have fertile offspring o members of a population are more related to one another than to members of other populations o population genetics: study of how populations change genetically over time

 Mendelian genetics + Darwinian theory of evolution by natural selection

o unit of evolution

 Hardy­Weinberg:

o p + q = 1

o p2 + 2pq + q2 = 1

o p = frequency of dominant allele

o q = frequency of recessive allele

 if no differential selection, then these allele frequencies will be the same in the adults

o required conditions/assumptions:

1. no new mutations

2. random mating

3. no natural selection

4. extremely large population size

5. no gene flow

 gene flow leads to the exchange of alleles between different populations

o conclusions:

 gene frequencies stay constant regardless of dominance

 ratios provide an important link between gene and genotype frequencies

 provides the basic for a NULL population genetic theory

o applications: 

 loci with multiple alleles can be analyzed

 forensic “genetic fingerprinting”, which uses microsatellite loci

 test disease risk

 test HW via chi­squared test

o x2=∑(obs−exp)2 


 non­random mating [(2) random mating]: 

o effect of non­random mating on genotype frequencies:

 inbreeding: increases the frequency of homozygotes at all loci

 positive assortative mating: increases the frequency of homozygotes at the loci determining the target  phenotype

o inbreeding depression: increased probability of mating between relatives

 inbred families have a higher frequency of homozygotes than outbred ones in the same population  offspring are more likely to be homozygous for a recessive deleterious allele

 selfing: self­fertilization can occur in organisms with both male and female reproductive organs (pea  plants)

 guarantees fertilization, but at a cost of some inbreeding depression

 more likely in isolated populations of organisms or during bottlenecks

 if population survives, genetic diversity will gradually be restored

o positive assortative mating: non­random choice of mate based on a similarity of a heritable phenotype that will lead  to an increase in homozygotes at the loci determining the phenotypes

 tall with tall, short with short

 aposematic (warning) coloration

o sexual selection: 

 intrasexual selection: competition among individuals of one sex (usually males) for mates of the opposite  sex

 usually results in sexual dimorphism for traits favored in competition (size, horns, teeth, etc)

 intersexual selection (mate choice): occurs when individuals of one sex (usually females) are choosy in  selecting their mates

 results in sexual dimorphism

 lek mating: males gather so the females can compare males and choose a male to mate with

 no paternal care

 female preference is likely to evolve if it identifies males with “good genes” (males that will produce high  fitness offspring)

 could result in runaway process

o may be limited by opposing components of selection (predation) or reduced heritability

 attracting pollinators: 

 problem of constancy: pollen needs to be transferred to another individual of the same species  generalist: attracting a wide range of pollinators

 specialist: attracting on a single pollinator

 trade­off: specialist maximizes the chance that a pollinator takes the pollen from one individual  plant to another of the same species, but minimizes the chance of getting visited

 selection [(3) no natural selection]: 

o phenotypic selection: any consistent difference in fitness among different phenotypes

o natural selection: process by which genotypes with high fitness leave, on average, more offspring than do less fit  genotypes

o fitness: ability of an organism to survive and reproduce in a particular environment

o relative fitness: w, where we usually define the fittest genotype as w = 1 so that we can define the fitness of other  genotypes by w = 1 – s where s = selection coefficient

o directional selection: conditions favor individuals exhibiting one extreme of a phenotypic range

 cline: directional change with distance

 often associated with some environmental gradient

o stabilizing selection: conditions favor individuals with an intermediate phenotype

o disruptive selection: conditions favor individuals at both extremes of a phenotypic range over individuals with an  intermediate phenotype

o genotypic selection:

 both directional and stabilizing natural selection:

 subject to positive selection, favoring new beneficial alleles, or negative/purifying selection,  favoring existing alleles over less fit/deleterious new alleles

 reduce genetic variation: fix certain traits/alleles (p = 1, q = 0)

 disruptive, frequency dependent and heterozygote advantage natural selection:

 subject to balancing selection that maintains  2 alleles in a population

 maintain genetic variation (p  0, q  0)

o balancing selection: maintaining two or more phenotypic forms in a population

 frequency­dependent selection: fitness of a phenotype depends on how common it is in the population  negative: fitness of a phenotype/genotype decreases as it becomes more common

 positive: fitness of a phenotype/genotype increases as it becomes more common

 results in a stable polymorphism at 50% morph frequency

 heterozygote advantage: heterozygote has a higher fitness than both homozygotes

 defined in genotype, not phenotype

 natural selection acts to maintain a stable polymorphism at that locus

ex) sickle­cell anemia

     genetic drift [(4) extremely large population size]: changes in gene frequency due to random sampling o situation that arises whereby chance events can cause allele frequencies to fluctuate unpredictably from one  generation to the next, especially in small populations

o genetic variation/diversity will be greatly reduced after the event and can affect populations for many subsequent  generations

o founder effect: loss of genetic variation that occurs when a new population is established by a very small number of  individuals from a larger population (relocation)

o bottleneck: natural event that disrupts the population size, resulting in a smaller population than before o neutral alleles: when two alleles give rise to genotypes with the same wild­type fitness

o neutral evolution: evolution resulting from genetic drift

o small populations are affected much more rapidly than large populations since random changes accumulate much  more slowly in large populations


 species: Latin word meaning “kind” or “appearance”

 speciation: origin of new species, at the focal point of evolutionary theory

     evolutionary theory: explains how new species originate and how populations evolve

 microevolution: adaptations that evolve within a population, confined to one gene pool

o cause: gene flow is restricted

 macroevolution: evolutionary change at or above the species level

 cladogenesis: evolutionary process whereby one species splits into two or more species

 Biological Species Concept (BSC): species is a population or group of populations whose members have the potential to  interbreed with one another in nature to produce viable, fertile offspring, but who cannot produce viable, fertile offspring  with members of other such groups

o often cannot observe or set up appropriate matings

o impossible with fossils

o impossible with asexual species

 trade­offs of sexual reproduction

o sexual reproduction produces fewer reproductive offspring than asexual reproduction (reproductive handicap) o sexual reproduction increases production of genetic variation upon which natural selection can act  other species concepts ( 20):

o morphological: physical differences

o paleontological: physical differences of fossils

o ecological: habitat differences

o phylogenetic: genetic differences

 reproductive isolation: existence of biological factors (barriers) that impede two species from producing viable, fertile  hybrids

o prezygotic: 

 habitat isolation: two species encounter each other rarely, or not at all, because they occupy different  habitats, even though not isolated by physical barriers

 temporal isolation: species that breed at different times of the day, different seasons, or different years  cannot mix their gametes

 behavioral isolation: courtship rituals and other behaviors unique to a species


 mechanical isolation: morphological differences can prevent successful mating

 gametic isolation: sperm of one species may not be able to fertilize eggs of another species


o postzygotic: 

 reduced hybrid viability: genes of the different parent species may interact and impair the hybrid’s  development

 reduced hybrid fertility: even if hybrids are vigorous, they may be sterile (mules)

 hybrid breakdown: some first­generation hybrids are fertile, but when they mate with another species or  with either parent species, offspring of the next generation are feeble or sterile


 allopatric speciation: speciation that occurs with geographic separation of populations

o different homeland

o cause of microevolution: restriction of gene flow

 gene flow homogenizes different population of a species

 restriction of gene flow isolates populations

o after geographic separation, one or both populations may undergo change

o polyploidy, sexual selection, and habitat differentiation can promote allopatric speciation

ex) Pangaea

 sympatric speciation: reproductive barriers develop, despite members of nascent species remaining in contact o same homeland

o polyploidy: cell division errors that lead to extra sets of chromosomes

o sexual selection: heritable and divergent mate choices for different traits acts as reproductive barrier o habitat differentiation: subpopulation shifts to new habitat within same environment leading to assortative mating  hybrid zone: region where two closely related species meet

o if hybrids have a fitness disadvantage, then get selection for a greater difference in mating signals at the zone of  overlap

 result: selection can result in reinforcement (strengthening reproductive barriers) of interspecific mating  barriers close to the hybrid zone, leading to a reduction in the rate of hybridization

 if reinforcement occurs, reproductive barriers will be stronger where the species are sympatric compared to  where they are allopatric

o introgression: long­term stability of a hybrid zone can lead to exchange of useful alleles between species  hybridization can elucidate genetic basis of speciation

o genetics and genomics can reveal gene(s) responsible for mechanical incompatibilities (snail shell spiral direction),  chromosomal arrangements leading to new species (sunflower) , color genes determining pollinator choice (monkey  flowers)


 taxonomy: division and naming of organisms

o Linnaeus published a system of taxonomy based on resemblances

 elements of system: binomial names for species and hierarchical classification

 binomial name: genus + species

o taxon: taxonomic unit at any level of hierarchy including sometimes below the species level (subspecies)  do not have absolute criteria, so criteria can differ between clades (groups of lineages sharing a common  ancestor)

 phylogeny: evolutionary history of a species or group of species

o all phylogenies in text books or articles are hypotheses (a best estimate based on available data and methods) o systematics: discipline focused on classifying organisms and determining their phylogeny

 systematists use several methods to infer evolutionary relationships (morphological comparisons,  biochemical comparison, molecular comparisons/molecular clocks)

o traditional: 

 organisms with similar morphologies were grouped with closely related organisms based on homologous characters (shared derived)

 possible errors from analogous structures where similarity is due to convergent evolution (wings of a bird,  bat, insect, color patterns)

o modern: 

 molecular systematics: uses DNA, RNA or protein sequence data to determine evolutionary relationships  PCR: whole genome sequencing and other methods allow recovery of sequence data

 to compare sequences, they must be aligned to correct for indels

o parsimony: computer algorithms used to compare the sequences to possible tree topologies

o limitations: 

 homoplasies: similar nucleotide shared by chance

 can result in polytomies (unresolved nodes)

o simultaneous divergence: all descendants evolved at the same time can also be the cause 

of a polytomy (a biological reason)


 monophyletic, paraphyletic, polyphyletic describe biological groups that are continuously (M) related or  discontinuously (P &P) related to one another

 monophyletic groups are critical for delimiting taxonomic groups

 paraphyletic and polyphyletic are typically a result of morphological traits that once a molecular phylogeny is produced clarifies the actual relationships

o importance:

 understand disease evolution

 molecular clock: correlating the rate of sequence changes to absolute time based on “fossil” 

evidence (10s to MS of years

o not all genes evolve at the same rate in a genome

o not all taxa have fossils to calibrate the clock

 examine patterns of diversification over both short and long time frames


 16S/18S 

o small subunit rRNAs are ubiquitous in cellular organisms

o shorter than 23S/28S (large subunit)

o single most sequenced gene:

 ribosomal database project

 greengenes

 silva

o gold standard evolutionary maker is conserved yet variable

o genomes have revealed that along with speciation, horizontal gene transfer has played an important role in shaping  organisms

 some scientists argue that instead of a dichotomous tree, evolution should be depicted as a network  mammals 

o  5300 extant species

o named for mammary glands that nourish offspring

o traits: hair, subcutaneous fat layer, kidneys, endothermic, teeth, larger brains, longer periods of parental care, inner  ear bones

 primates (order): 

o originated early in the radiation of mammals, around 55 mya

o shared derived traits: 

 hands and feet adapted for grasping, flat nails, large brains and short jaws, forward looking eyes, well developed parental care, complex social behaviors

o split between New World and Old World anthropoids was about 35­40 mya, well after South America and Africa  had separated

 apes (hominoids): 

o originated about 25 mya

o no tail

o equatorially distributed

 homininae:

 homo sapiens: at least 195,000 years old

 traits that distinguish humans: 

o upright posture and bipedal locomotion, manufacture and use of complex tools, large 

brains (language, symbolic thought), shortened jaw, reduced tooth size

 paleontologists have discovered fossils of about 20 species more closely related to humans than  to chimps­ (Hominins, old term hominids)

o extinct Hominins:

 Lucy: 3.24 million year old skeleton that represents the hominin species

 “crime scene analysis”: footprints more than 3.5 million years old that confirm 

upright posture evolved early

 starting around 125,000 years ago, modern humans start leaving Africa

 pedigree (genealogy): family tree that describes the interrelationships of parents and children across generations o used to trace inheritance patterns of particular traits

o importance: 

 humans are not good subjects for genetic research

 generation time is too long

 parents produce relatively few offspring

 breeding experiments are unacceptable

o application: 

 trait and genetic analyses have led to discovery of genes involved in cancer, Alzheimer’s, blond hair,  longevity, hypertrophic cardiomyopathy

 genomic medicine 

 pedigree­based genetic analyses helped find the first genes linked to diseases

 applied in tumor­based screening, family history­oriented decision support, pharmacogenomics  and diagnostic genome sequencing

 benefits:

o detect disease at an earlier stage

o enable the selection of optimal therapy and reduce trial­and­error prescribing

o reduce adverse drug reactions

o increase patient compliance with therapy

o improve the selection of targets for drug discovery and reduce the time, cost, and failure 

rate of clinical trials

o shift the emphasis in medicine from reaction to prevention

o reduce the overall cost of healthcare


     virus: infectious, obligate intracellular parasites comprising genetic material composed of nucleic acids surrounded by a  protein coat and/or lipid envelope derived from host cell membranes

o two phases:

 virion:  

 genetic material composed of nucleic acids

 protein coat and/or an envelope derived from a host cell membrane

 infected cell: 

 genetic material of virion is delivered to the cell

 cell stops normal activities and turns into a virus factory

o RNA and lipid­based protocells are like simple viruses

 microbial diversity: 

o tool for understanding how a community functions, changes through time, responds to perturbation o microbes:

 have intimate interactions with eukaryotes

 have implications in health and disease (drug resistance)

 unseen majority driving biogeochemical cycles

o methods for examining microbes in the environment 

 16S rRNA, microscopy, cultivation, Pyrotags, iTAgs, DGGE, tRFLPs, ARISA, clone libraries, FISH  16S rRNA is crucial to understanding microbial diversity and evolution

o high throughput 16S rRNA tag­based approaches:

 revolutionized our ability to understand microbes in the environment

1. identify variable region of interest

2. design primers flanking site

3. append sequencing adaptors to ends

4. PCR amplify DNA template

5. run on sequencer

6. generator millions of sequences

7. analyze data

o operational taxonomic units (OTUs): terminal node in phylogenetic analysis (computational approximate of a  species)

 cluster sequences to make OTUs

 threshold approximate empirical estimates for species

 accounts for both biological variation and sequence errors

 compare abundance and distribution of OTUs with ecology statistics

 determine taxonomy based on comparison with full length sequences from characterized/cultivated species o measuring/displaying diversity 

 alpha diversity: species/OTU diversity within a sample

 beta Diversity: species/OTU diversity between samples

 multivariate statistical analyses used to compare measures of alpha or beta diversity

 microbes on humans and mammals: 

o microbial diversity changes during early child development [born sterile]

o humans and vertebrates have diverse communities on every surface of their bodies

o bacterial gut communities are shaped by both genetic and external factors

 mammalian gut communities are shaped predominantly by diet

 human communities are consistent with other omnivorous primates

 herbivorous bears (pandas) have gut communities more like their carnivorous and omnivorous relatives o manipulation of gut communities in germ­free animals are important for untangling complex host­microbe  interactions

o gut microbes are involved in numerous phenotypes and health outcomes

o hosts and their associated microbial communities have congruent phylogenies

 gut microbial compositions have evolved and diverged with hosts, suggesting the importance of vertical  inheritance

o host: microbe interactions can influence tissue structures and immunity

 bacterial colonization stimulates:

 host production of fucosylated carbohydrates

 mucous production, vascularization, tissue differentiation, immune response

 microbes can influence obesity, malnutrition, diet changes, and human behavior

Page Expired
It looks like your free minutes have expired! Lucky for you we have all the content you need, just sign up here