Biodiversity, Ecosystem Func3oning, & Conserva3on 

Shahid Naeem Department of Ecology, Evolu3on, and 

Environmental Biology Columbia University in the City of New York 

Or… Why plants, animals, and microorganisms are integral to sustainable 

development. 

Shahid Naeem Department of Ecology, Evolu3on, and 

Environmental Biology Columbia University in the City of New York 

Sustainable Development: Entering its third decade. 

Impact? 

Joseph Priestly (1733‐1804) 

http://www.vobs.at/bio/botanik/b-photo-01.jpg

Priestly’s Bell Jar (modified) 

Joseph Priestly 

•  it is: "highly probable, that the injury which is continually done to the atmosphere by the respiration of such a number of animals, and the putrefaction of such masses of both vegetable and animal matter, is, in part at least, repaired by the vegetable creation

Gorham, E.  1991.  Biogeochemistry 

Joseph Priestly 

•  “… it seems to be extremely probable that the putrid effluvium [i.e., whatever it is that extinguishes candles and mice] is in some measure extracted from the air, by means of the leaves of plants, and therefore that they render the remainder more fit for respiration"

Gorham, E.  1991.  Biogeochemistry 

Benjamin Franklin to Priestly 

"That the vegetable creation should restore the air which is spoiled by the animal part of it, looks like a rational system. . . ."

Gorham, E.  1991.  Biogeochemistry 

0 10 20 30 40 50 60Time (seconds)

280

290

300

310

320

330

340

350

CO2 in box

241286421

Plant spp.

Nature, 443: 989-992 (2006)

“…our finding that key aspects of ecosystem functioning decline consistently with the average species loss suggests that a precautionary approach to preserving as much biodiversity as possible is warranted.”

Worm et al., Science 314, 787 (2006) 

(Ecosystem services include fisheries, flood control, nursery habitat, water filtra3on, and waste detoxifica3on.) 

Worm et al. Science 314, 787 (2006) 

“Positive relationships between diversity and ecosystem functions and services were found using experimental and correlative approaches along trajectories of diversity loss and recovery.

Our data highlight the societal consequences of an ongoing erosion of diversity that appears to be accelerating on a global scale.

This trend is of serious concern because it projects the global collapse of all taxa currently fished by the mid–21st century (based on the extrapolation of regression in Fig. 3A to 100% in the year 2048).”

Solan et al. 2004 Quantifying Biogenic Mixing Depth: Sediment Profile Imaging

Margaretta Leverets

Biogenic Mixing Depth

Solan, M., B. J. Cardinale, A. L. Downing, K. A. M. Engelhardt, J. L. Ruesink, and D. S. Srivastava. 2004. Ex3nc3on and ecosystem func3on in the marine benthos. Science 306:1177‐1180.  

Bunker, D. E., F. DeClerck, J. C. Bradford, R. K. Colwell, I. Perfecto, O. L. Phillips, M. Sankaran, and S. Naeem. 2005. Species Loss and Aboveground Carbon Storage in a Tropical Forest. Science 310:1029‐1031.  

McIntyre, P. B., L. E. Jones, A. S. Flecker, and M. J. Vanni. 2007. Fish ex3nc3ons alter nutrient recycling in tropical freshwaters. PNAS 104:4461‐4466.  

Duraiappah and Naeem (co‐chairs) 2005 Millennium Ecosystem Assessment:  Biodiversity Synthesis Report.  Island Press 

Sheep  Humans 

Leaching 

Uptake  Fixa3on 

Vegeta3on Harvest 

Ammendment (Fer3lizer, manure) 

Export 

Export 

Livestock Harvest 

Livestock consump3on 

V Pests 

Water‐breeding Pests 

L Pests 

Ox 

Goat  Caile 

Weeds  Crops 

Trees  Wild 

Worm  Fungi 

Bact.  Nem 

ATMOSPHERE 

Fish  Phyto 

Zoo  Bact 

H Parasites 

Humans 

Leaching 

Uptake  Fixa3on 

Vegeta3on Harvest 

Amendment (Fer3lizer, manure) 

Export 

Export  Livestock Harvest 

Livestock consump3on 

Osama 

Mosquitoes, 

Tse tse,  

Beans Maize 

Agroforestry  Weeds 

Worms  Fungi 

Bact.  Nem 

ATMOSPHERE 

Fish Phyto 

Zoo  Bact 

H Parasites 

KENYA, SAURI 

Caile Sheep and Goats Poultry 

Others 

Holdren (2008) Three core responsibili3es 

of society 

“1. Economic condi3ons and processes, such as produc3on, employment, income, wealth, markets, trade, and the technologies that facilitate all of these; 

2. Sociopoli3cal condi3ons and processes, such as na3onal and personal security, liberty, jus3ce, the rule of law, educa3on, health care, the pursuit of science and the arts, and other aspects of civil society and culture; and 

3. Environmental condi4ons and processes, including our planet’s air, water, soils, mineral resources, biota, and climate, and all of the natural and anthropogenic processes that affect them.” 

Holdren (2008)  Shorpalls “Persistent shorpalls in the pursuit of sustainable well‐being are 

evident across a range of dimensions of the human condi3on, including: 

•Poverty •Preventable disease •Impoverishment of the environment, meaning progressive erosion of 

the environmental underpinnings of well‐being in the quali3es of air, water, soil, biota, and climate 

•Pervasiveness of organized violence •Oppression of human rights •Wastage of human poten3al, resul3ng from all of the foregoing and 

the despair and apathy that accompany them, from shorpalls in educa3on, and from the loss of cultural diversity.” 

Holdren (2008)  Solu3ons 

“What is needed from S&T in rela3on to the intensifying compe33on for land, water, and biota? 

We need, for reasons both purely scien3fic and as a basis for sensible ecosystem management, a large increase in ecological research focused on the rela3ons linking biodiversity and other aspects of ecosystem condi3on with ecosystem func3on and services; and we need a beier understanding of what those services do and could deliver in support of human well‐being, as well as beier ways to quan3fy their value for incorpora3on into the market and nonmarket processes shaping the future of ecosystems.” 

643 m sediment My‐1 

33.6% EP 23.8% NPP 605 gCm‐2y‐1 

Human Alloca3on to Forms of Capital 

24 m sediment My‐1 

66.4% EP 76.2% NPP 229 gCm‐2y‐1 

Manmade Capital and Natural Capital are Complementary, not Subs3tutable 

Take home messages 

•  Human wellbeing is the inextricably 3ed to the balance between resource and energy alloca3ons to natural, manmade, and human capital 

•  Sustainable development is not sustainable if it does not include the natural world 

•  The science of ecology (biology + physics + chemistry) is the founda3on for sustainable development 

•  Conserva3on = insurance •  Economics based on ecosystem services provides the means for effec3ve integra3ve sustainable development policy, planning, and management