Biogeography, Disturbance, and Disease Ecology

Back to IF3211 Komputasi Domain Spesifik

Biogeography, Disturbance, and Disease Ecology

Questions/Cues

• Apa itu disturbance dan bunyi intermediate disturbance hypothesis?
• Apa beda suksesi primer dan sekunder?
• Mengapa diversitas spesies tertinggi di tropis (latitudinal gradient)?
• Bagaimana species-area curve dan island equilibrium model bekerja?
• Bagaimana patogen dan penyakit zoonosis memengaruhi komunitas?

Reference Points

• IF3211 — Ecological Communities (PPT 11, bagian Disturbance & Succession)
• IF3211 — Ecological Communities (PPT 11, bagian Biogeography & Zoonotic Diseases)

Disturbance dan Intermediate Disturbance Hypothesis

Disturbance (gangguan) — seperti badai, kebakaran, atau aktivitas manusia — adalah peristiwa yang mengubah komunitas dengan menyingkirkan organisme atau mengubah ketersediaan sumber daya. Gangguan membuat banyak komunitas tidak pernah mencapai ekuilibrium dalam diversitas maupun komposisi; inilah nonequilibrium model yang memandang komunitas terus berubah pasca-gangguan.

Tingkat gangguan tinggi biasanya akibat intensitas dan frekuensi tinggi, sedangkan tingkat rendah akibat frekuensi atau intensitas rendah. Intermediate disturbance hypothesis menyatakan bahwa tingkat gangguan moderat mendorong diversitas lebih tinggi daripada gangguan tinggi atau rendah. Gangguan tinggi menyingkirkan spesies yang tumbuh/berkoloni lambat; gangguan rendah membiarkan spesies kompetitor dominan mengeksklusi yang kurang kompetitif. Gangguan moderat menyeimbangkan keduanya.

Suksesi Ekologi

Suksesi ekologi (ecological succession) adalah perubahan komposisi komunitas secara berurutan selama kolonisasi pasca-gangguan besar. Suksesi primer (primary succession) terjadi di area nyaris tanpa kehidupan — seperti pulau vulkanik baru atau puing yang ditinggalkan gletser yang surut — di mana belum ada tanah dan organisme perintis (mis. lichen) harus memulai dari nol. Suksesi sekunder (secondary succession) dimulai di area yang gangguan besarnya telah menyingkirkan sebagian besar—tetapi tidak semua—organisme, sehingga tanah dan benih masih tersisa (mis. lahan pasca-kebakaran hutan). Aktivitas manusia (pertanian, clear-cutting, overgrazing, trawling dasar laut) adalah gangguan terkuat dan umumnya menurunkan diversitas.

Pola Biogeografi: Latitudinal Gradient dan Area Effects

Species richness tertinggi di tropis dan umumnya menurun ke arah kutub — latitudinal diversity gradient. Dua faktor kunci: sejarah evolusi (komunitas tropis lebih tua, lebih lama berakumulasi spesies) dan iklim, khususnya evapotranspirasi (penguapan air dari tanah + transpirasi tumbuhan), proxy energi dan air yang berkorelasi dengan richness.

Species-area curve mengkuantifikasi gagasan bahwa, dengan faktor lain setara, area geografis lebih luas memiliki lebih banyak spesies — karena menawarkan keragaman habitat lebih besar. Pulau ideal untuk mempelajari faktor biogeografi. Island equilibrium model (MacArthur–Wilson) menyatakan jumlah spesies di pulau adalah ekuilibrium dinamis antara laju kolonisasi (lebih tinggi untuk pulau dekat daratan) dan laju kepunahan (lebih tinggi untuk pulau kecil).

Patogen dan Penyakit Zoonosis

Komunitas ekologi secara universal dipengaruhi patogen — mikroorganisme dan virus penyebab penyakit. Patogen dapat berdampak dramatis saat diintroduksi ke habitat baru: terumbu karang dihancurkan white-band disease, dan sudden oak death membunuh lebih dari sejuta pohon ek sehingga menurunkan kelimpahan burung yang bergantung padanya.

Tiga perempat penyakit manusia yang muncul disebabkan patogen zoonosis (zoonotic pathogen) — yang berpindah dari hewan lain ke manusia. Transfer bisa langsung atau melalui spesies perantara yang disebut vektor (sering parasit: caplak, kutu, nyamuk). Aktivitas manusia mengangkut patogen ke seluruh dunia dengan laju tak terkira — contohnya SARS-CoV-2 (COVID-19) yang menyebar global lewat perjalanan manusia, dengan korban tewas global terkonfirmasi lebih dari 5 juta hingga akhir 2021.

Framing Komputasional: Model Dinamis Kolonisasi-Kepunahan dan Penyebaran Penyakit

Island equilibrium adalah dynamic model par excellence: titik temu dua kurva laju, di mana dS/dt = (laju kolonisasi) − (laju kepunahan) = 0 menentukan jumlah spesies ekuilibrium S* — analog steady state pada sistem dinamik atau birth–death process. Species-area relationship sering berbentuk hukum pangkat S = c·A^z (linear pada skala log-log), sehingga z dapat diestimasi via regresi linear. Penyebaran penyakit zoonosis dimodelkan dengan compartmental model SIR/SEIR (dS/dt = −βSI, dI/dt = βSI − γI, dR/dt = γI), di mana basic reproduction number R₀ = β/γ menentukan apakah wabah meledak. Karena penularan mengalir melalui kontak inang-vektor, ia juga merupakan proses penyebaran pada graf (network epidemiology) — persis seperti information cascade pada jejaring sosial.

Summary

Disturbance menjaga komunitas tetap dinamis (nonequilibrium model), dan intermediate disturbance hypothesis memprediksi diversitas maksimum pada gangguan moderat. Suksesi primer mulai dari area tanpa kehidupan, suksesi sekunder dari sisa-sisa pasca-gangguan. Latitudinal gradient menempatkan richness tertinggi di tropis (dipengaruhi sejarah evolusi dan evapotranspirasi), sementara species-area curve dan island equilibrium model (MacArthur–Wilson) menjelaskan diversitas sebagai ekuilibrium kolonisasi vs kepunahan. Patogen dan penyakit zoonosis (lewat vektor, mis. SARS-CoV-2) membentuk struktur komunitas dan dimodelkan lewat SIR/SEIR serta network epidemiology. Lihat juga Mutualism, Commensalism, and Species Diversity dan Trophic Structure and Community Organization.

Additional Information

Deeper Dive: Glacier Bay dan Teori MacArthur–Wilson

Suksesi primer terdokumentasi rapi di Glacier Bay, Alaska: setelah gletser surut, urutan kolonisasi berjalan dari lichen/lumut → semak Dryas pengikat nitrogen → alder → pohon spruce yang akhirnya mendominasi. Teori biogeografi pulau MacArthur & Wilson (1967) memprediksi: pulau besar-dekat punya S* tertinggi, pulau kecil-jauh terendah — diuji empiris lewat pengamatan rekolonisasi mangrove dan eksperimen defaunasi. Implikasinya penting untuk desain kawasan konservasi (SLOSS debate: Single Large or Several Small).

CS / Computational Angle

Penyebaran penyakit pada populasi terstruktur paling baik dimodelkan sebagai epidemic on networks: setiap individu adalah node, kontak adalah edge, dan ambang epidemi bergantung pada eigenvalue terbesar matriks adjacency serta heterogenitas degree (jaringan scale-free dengan hub menurunkan ambang wabah drastis). Hal ini menjelaskan strategi vaksinasi tertarget pada super-spreader. Species-area S = c·A^z adalah power law — sama keluarga dengan distribusi degree scale-free — dan estimasi z via regresi log-log adalah latihan dasar curve fitting. Model kolonisasi-kepunahan pulau pun dapat diimplementasikan sebagai Markov birth–death chain.

Proyek Eksplorasi Mandiri

1. Implementasikan model SIR dengan scipy.integrate.odeint; variasikan β dan γ, hitung R₀, dan amati kapan kurva infeksi meledak vs padam.
2. Ambil data jumlah spesies vs luas dari beberapa pulau/petak, lakukan regresi log-log untuk mengestimasi eksponen z pada S = c·A^z.
3. Bangun simulasi SIR di atas graf (NetworkX) — bandingkan dinamika wabah pada jaringan acak (Erdős–Rényi) vs scale-free (Barabási–Albert).

Bacaan Lanjutan

• Campbell Biology in Focus, 3rd ed., Chapter 41 — Ecological Communities.
• MacArthur, R.H. & Wilson, E.O. (1967). The Theory of Island Biogeography.
• Connell, J.H. (1978). “Diversity in tropical rain forests and coral reefs”, Science.