VL 2: Biozönosen Flashcards
Biotop
- bestimmter Lebensraum mit gleichen Umweltbedingungen
- beherbergt lokale Populationen verschiedener Arten
Biozönose
- Lebensgemeinschaft
- Gesamtheit aller Organismen in einem Biotop
- Individuen stehen miteinander direkt oder indirekt in Wechselwirkung
- setzt sich aus einer
- Phytozönose (Pflanzengesellschaft)
- Zoozönose (Tiergemeinschaft)
- Mikroorganismengemeinschaft (Bakterien und Pilze)
Zootaxozönosen
- bei Zoozönosen Arterfassung kaum möglich
- Charakterisierung anhand ausgewählter Tiergruppen (Taxa)
- z.B. Gemeinschaft der Vögel, der Laufkäfer => Käferzönose
Synusien
- abgrenzbare Teillebensgemeinschaften
- an Kleinstandorten innerhalb des Biotops
- aus Artengruppen des gleichen Lebensformtyps
- z.B. Baumstumpf mit typischer Moosgesellschaft => Moossynusium
Funktionelle Gruppe / ökologische Gilde
- Arten mit einheitlichem Lebensform- oder Ernährungstypus
- Lebensform: Suukulenten, Helophyten (Sumpfpflanzen)
- Ernährung: Saftsauger, Blattminierer, Blütenbesucher, Räuber
Konzepte zur Biozönose
- Superorganismuskonzept (Clements & Thienemann)
- Holistisches Konzept (Clements)
- Individualistisches Konzept (Gleason)
- Darwinistisches Konzept (Harper 1967)
Superorganismuskonzept - Clements & Thienemann
- Biozönase als Organismus höherer ORdnung
- “Das Ganze ist mehr als die Summe der Einzelindividuen”
- in Gegenwart und durch gemeinsame evolutionäre Geschichte eng verbunden
- ähnlicher Selektionsdruck –> Anpassung an die gleiche abiotische Umwelt
Individuen, Populationen und Lebensgemeinschaften vergleichbar zu:
- Zelle ⇔ Individuum
- Organe ⇔ Population
- Organismus ⇔ Lebensgemeinschaft
- Vorkommen von Eigenschaften, die nur durch Zusammenwirken erklärt werden können ⇔ Superorganismus
Holistisches Konzept von Clements
- Kollektive Eigenschaften
- ähnlich bei allen Gruppen der Biozönose
- Artendiversität (Wald ⇔ Wiese), Biomasse (Regenwald ⇔ Wüste)
- emergierende Eigenschaften
- wirken nach außen durch die Organismen
- Konstanz des Energieflusses durch Selbstregulation
- Tätigkeit der Organismen prägt physikalische und chemische Verhältnisse innerhalb der Biozönose
Problem holistisches Konzept
- Lebensgemeinschaften besitzen kein zentralisiertes Genom
- sind als Ganzes nicht der Selektion unterworfen
- unterliegen keinen evolutionären Anpassungsprozess
- dies gilt nur für einzelne Arten
Kollektive Eigenschaften - Beispiel Phytozönosen
Höhere Pflanzendiversität (kollektive Eigenschaft) bewirkt:
- höhere Gesamtdiversität
- bessere Nährstoffnutzung
- höhere Nettoprimärproduktion
Individualistisches Konzept von Gleason
Kontinuum-Konzept: Jede Phytozönose spiegelt lokale floristische und standörtliche Faktoren wider und ist mit anderen Zönosen nicht in Typen zusammenzufassen
- Ähnlichkeit benachbarter Arteb ergibt sich aus ähnlichen Ansprüchen und nicht aufgrund starker Wechselwirkungen oder gemeinsamer Entwicklungsgeschichte
- Lebensgemeinschaften sind Arten, welche unter gegebenen Bedingungen existieren können
- Artgemeinschaften zufälliig
- Umweltfaktoren (Habitat) bestimmen Ähnlichkeiten
Darwinistisches Konzept (Harper 1967)
heute gültiges Konzept für Biozönose
- holistisches und individualistisches Konzept zusammengefasst
- unterliegen als Ganzen keiner Selektion und Evolution selektiver Eigenschaften
- Organismen sind füreinander Umwelt, modifizieren Umwelt
- Interaktionen zwichen Populationen –> wichtigste Selektionsfaktoren für die evolutionäre Adaptation der einzelnen biologischen Komponenten an die Lebensgemeinschaft
- keine Superorganismen
- Systeme innerhalb derer sich die Evolution der Populationen vollzieht
Zusammenfassung Konzepte der Biozönose
Superorganismustheorie
- holistischer Ansatz
- Lebensgemeinschaften als sich selbst organisierendes System
Individualistisches Konzept
- Artengemeinschaft zufällig
- Ähnlichkeiten nur aufgrund ähnlicher Ansprüche
Darwinistisches Konzept
- Biozönosen sind räumlich abgrenzbare funktionelle Einheiten
- organismische Interaktionen wichtig für Selektion und Adaptation
Energie und Kohlenstoffquellen in Biozönosen
Chemotrophe Zönosen: Tiefsee
- C-Quelle: CO2
- Chemotroph
- kaum Licht zum Meeresboden
- Niederschlag organischen Materials aus Oberflächenwasser stellt Basis der Nahrungskette
- chemolithotrophe Bakterien an Hydrothermalquellen gewinnen Energie aus oidierbaren chemischen Verbindungen
Black Smoker/Hydrothermalquellen
- entstehen an Hydrothermalquellen
- eigene Biozönose
- Metalle fallen durch große Temperaturschied aus (charakteristische Rauchfahne)
- Hydrothermalquellen liefern nur anorganische Ressourcen
- Basis der Nahrungskette stellen chemolithotrophe Bakterien und Archaeen
- chemosynthetisch aktiv
- auf schwefelwasserstoff als Energielieferanf angewiesen
- chemolithotroph
- freilebende Organismen sind alle heterotroph
Lebensgemeinschaft der Hydrothermalquellen
- Mikroorganismen und Wirbellose
- Schnecken
- Muscheln
- Röhrenwürmer
- Krebse
- Krabben
- Anemonen
- Fauna häufig mit Reduktion des Darmtrakts
- Symbiosen mit Mikroorganismen (CH4 oder Sulfide als Energiequelle)
- nur dank Symbiose mit Bakterien sind Tiere hier überlebensfähig
Symbiosen der Hydrothermalquellen
- v.a. Endosymbiosen
- Endosymbionten sind chemoautotrophe Organismen
- Wirte sind wirbellose
- höchste Diversität an Endosymbionten
- Beispiele
- Krebse - in den Kiemen
- Olavius - unter der Haut
- Rifita (Riesenröhrenwurm) - im Trophosom
- Nematode - auf der Kutikula (Episymbiose)
Walkadaver - heterotrophe Tiefseebiozönose
- chemoheterotrophe Gemeinschaft
- mikrobielle Zersetzung des Walkadavers
- Anlockung von Destruenten
- Druckwelle - Haie und Raubfische
- chemische Duftspur - Schleimaale und Krabben
- mehr org. Material als Sinkstoffe von tausenden Jahren
Knochen als langlebige Ressource
Chemoautotrophe Gemeinschaft
- Kohlenwasserstoffe (Fette) aus Knochen > Sulfatreduktion, Methanproduktion
- Schleimblume, Polychaet: Osedax (knochenfressend) kann Knochen abbauen
Phytozönosen: Lichtverteilung und Nutzung
- Sonnenlicht als Energie
- CO2 aus Atmosphäre als C-Quelle
*
Absorption und Refelktion der Solarstrahlung
- unterschiedliche Abschwächung der Globalstrahlung je nach Pflanzenzönose
- Mischwald
- Reflektion 10% Strahlung an Oberfläche der Baumkronenschicht
- Baumkronenschicht absorbiert am meisten Licht
- 9% an Kraut- und Strauchschicht
- 2% am Boden
- Wiese
- 20% Strahlung reflektiret
- mittlere und untere Schicht (Phytomasse dichter) Großteil der Strahlung
- 5% photosynthetisch nutzbare Strahlung Bodenoberfläche
- Mischwald
- PhAR - photosynthetically active radiation
PhAR im Jahrenlauf eines Laubwaldes
- Sommer
- 4500 mol/Tag
- starke Strahlungsintensität
- Blätter fangen größten Teil ab
- 2% Strahlung Boden
- Frühling
- 2500 mol/Tag
- größte Werte am Boden –> 20% - 50%, Blattaustrieb noch nicht erfolgt
- Winter
- 1500 mol/Tag
- kaum Licht an Boden
- niedriger Sonnenstand
- kurze Tageszeit
Photosynthetische Aktivität in Abhängigkeit der verfügbaren Strahlung
- PSRate steigt mit steigender Lichtintenistät
- Lichtsättigungspunkt:
- maximale Photosyntheserate
- Höchstwert
- Lichtkompensationspunkt:
- CO2 Aufnahme gleicht Atmungsverlus aus
- Netto-Photosyntheserate 0
C3-Stoffwechselweg
- Lichtreaktion
- photochemische Reaktion
- Chlorophyll nimmt E auf
- Dunkelreaktion (Calvin-Benson-Zyklus)
- Einbau von CO2 in ein einfaches Zuckermolekül
- Schlüsselenzym RubisCO (Ribulose-1,5-biphosphat-Carboxylase)
CO2 + RuBP → 2 x 3-PGS → Hexose
Ökologische Anpassung an Lichtverfügbarkeit
Schattenpflanzen
- niedrige Lichtkompensationspunkte
- niedrige Lichtsättigungspunkte
- Gewinn aus CO2-Assimilation durch PS bei sehr geringen Lichteinstrahlungen
Sonnenpflanzen
- doppelt so hohe Nettoprimärproduktion
- schnelles Wachstum
- Gehalt an RubisCo niedriger
Sonnenpflanzen
- Bau und Stoffwechsel angepasst an starke Sonnenstrahlung
- Schutz vor übermäßiger UV-Strahlung und Wasserverlust
- Blätter derb, klein mit Haaren oder Wachs
- besserer Gasaustausch
- mehr Spaltöffnungen
- Beispiele
- Heidekraut
- Silberdistel
- Thymian
Schattenpflanzen
- benötigen nur Teilmenge Licht für pos. Nettoprimärproduktion
- feuchtigkeitsliebend
- besitzen große, dünne Blätter
- Beispiele
- Sauerklee
- Springkraut
- kommen mit 1% Sonnenlicht aus
Sonnenblätter und Schatteblätter
- können innerhalb eines Individuums festgestelt werden
- Sonnenblätter
- kleiner
- schmäler
- dicer
- an höheren Temp. angepasst
- Palisadenparenchym (hohe PS aktivität)
- Schattennblätter
- Oberfläche vergrößert
- um mehr Solarstrahlung aufnehmen zu können
Wassertransport und Transpiration
NettoPSRate und Wasserpotential
- NettoPSRate abhängig von Lichtverhältnissen und Wasserpotential
- Transpiration muss reduziert werden je geriner Wassergehalt des Bodens ist
- CO2 und Wasser-Sparstrategien
- Anpassung an Photosynthese (C4 und CAM Pflanzen)
C4-Stoffwechsel
- 2 Kompartimente - Mesophyllzellen und Bündelschneidenzellen
- CO2 reagiert mit Phosphoenolpyruvat (PEP zu Oxalacetat (OAA) => Malat
- Schlüsselenzym PEP-Carboxylase
- Transport Malat in Bündelschneidenzellen
- Umkehrung des Prozesses und CO2-Freisetzung
- weitere Fixierung wie im C3-Stoffwechsel
⇒ räumliche Trennung
⇒ erhöht Effizienz der Photosynthese
⇒ Transpiration reduziert (Stomata zu)
Nettophotosyntheserate - Tagesgang
- Mais C4 Pflanze
- höchste Photosyntheserate bei höchster Strahlung ⇒ Mittagszeit
- kann bei geschlossenen Stomata CO2 aus in den Bündelscheidenzellen gelagerten Malat generieren
- Buche C3 Pflanze
- Sonnenblätter:
- Max. NPSR Vormittag und Nachmittag
- Rückgang Mittagszeit
- Mittags stomata schließen
- CO2 Gaswechsel und PS kommen zum Erliegen
- Schattenblätter
- keine Abnahme PSR
Prozentanteil der C4 Gräser in Nordamerika
Anstieg Temp von nord nach Süd begünstigt das Vorkommen von C4 Pflanzen
CAM Stoffwechselweg
- Crassulaceen–Säurestoffwechsel
- ähnlich C4 Stoffwechsel: erster Schritt ist Malat aus PEP und CO2
- CO2 Fixierung nachts - Stomata auf
- Malat im Mesophyll (Vakuolen) gebunden
- CO2 tagsüber für die weiteren Reaktionen der Photosynthese verwendet - Stomata zu
⇒ zeitliche Trennung (Tag/Nacht)
⇒ Anpassung an Wüsten-Standorte
- langsam und ineffizient
- geringer Wasserverlust tagsüber
CAM-Pflanzen
Anpassung an Temperatur - funktionelle Gruppen
Temperatur Optima der PS-Rate spiegelt Temperatur des Biotops wider
(a) C3: Blaugras Sesleria caerulea nördlicher gemäßigter Zonen
(b) C4: Salz-Schlickgras Spartina anglica nördlicher Breiten
(c) C4: Busch Tidestromia oblongifolia aus den Wüsten Nordamerikas
innerhalb einer Art
- Verschiebung des T-Optimums in Richtung der Aufzuchttemperatur
- jahreszeitliche Schwankungen
Zusammenfassung Anpassungen
- funktionelle Gruppen: C3, C4, CAM
- unterschiedliche Wege der CO2 Fixierung und Speicherung
- räumliche Trennung bei C4
- zeitliche Trennung bei CAM
- Art: Sonnen- und Schattenpflanzen
- Blattgröße, UV Schutz, Zahl Spaltöffnungen
- Lichtkompensationspunkt, Lichtsättigungspunkt
- Individuen
- Sonnen- und Schattenblätter
- phänotypische Plastizität
Energiehaushalt in Ökosystemen
- sasg
Produktivität von Ökosystemen
Primärproduktion
- Prozess bei dem durch PS organische Verbindungen und damit Biomasse aufgebaut wird
- in Energieeinheiten pro Flächeneinheit und Zeiteinheit
Bruttoprimärproduktion (BPP)
- gesamte organische Substanz, die im Laufe eines Zeitraums (i.d.R. eines Jahres) durch photoautotrophe Pflanzen in einem Ökosystem gebunden wird
Nettoprimärproduktion (NPP)
- Primärproduzenten (Photoautotrophe) verbruachen Energie über die Atmung (Respiration = R)
Bestimmung Produktivität aquatischer Systeme
Hell-Dunkel-Flaschen-Methode
- Bestimmung Bruttoprimärproduktion, Respiration und Nettoprimärproduktion Phytoplankton
- Wasserproben mit Phytoplankton (Primärprooduzenten) jeweils in eine lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Flasache
- Inkubation best. Zeitraum
- helle Flasche
- O2 wird erzeugt
- O2 wird verbraucht
⇒ Zunahme O2 entspricht Nettoprimärproduktion
- dunkle Flasche
- kein Licht, keine PS
- O2 nimmt ab
⇒ O2 Different zwischen beiden Flaschen entspricht photosynthetisch prod. Sauerstoff
Faktoren der Produktivität aquatischer Systeme
- Licht
- BPP und NPP abhängig zur Wassertiefe
- Respiration bleibt konstant
- Kompensationsebene: BPP = Respiration → NPP = 0 ; bei LI unter 1%
- Nährstoffe
- N, Fe, P
- Primärproduktion abhängig c(P)
- Phosphor ist meist der limitiender Faktor
- Temperatur
- bestimmed für Stoffwechselrate in aquatischen Systemen
Primärproduktion der Weltmeere
- Küsten, Flachmeere
- gute Versorgung mit Licht
- geringe Wassertiefe
- ausreichende Nährstoffe aus Sediment nach oben
- Gezeiten bringen Nährstoffe
- Eintrag aus Zuflüssen der Süßgewässer
- offene Ozeane
- geringste Produktion
- Nährstoffwüste
- nur bei nährstoffhaltigen Strömungn (Humboldt-Strom vor Südamerika)
Bestimmung Produktivirät terrestrischer Systeme
Puls-modulierte Chlorophyll-Fluoreszenz-messung
- nicht invasive Methode
- Assendung Strahlungspulse
- Messung Re-Emissionen der Absorbierten Strahlung
- Berechnung Elektronentransferrate
- Ableitung Produktion von Zuckern
Faktoren der Produktivität terrestrischer Systeme
- Temperatur
- Reaktions-Geschwindigkeits-Temperatur-Regel (RGT):
- physiko-chemische Gesetzmäßigkeit ;
- bei 10°C höherer Temp. chem. Reaktion 2-4 x schneller
- Wasser
- PS-Rate staark von H2O-Verfügbarkeit abhängig
- Nährstoffe
- Stickstoff (N) limitierender Faktor
Primärproduktion der Landflächen der Erde
- NPP korreliert mit Temp. und Niederschlag
- höchste Prod. am Äquator
- T u N optimal
- niedrigsten Wetrte in Wüsten
Bestandsbiomasse und NPP in Ökosystemen
- Bestandsbiomasse = gesamte Biomasse v. Populationen, funktionellen Gruppen oder ganzen Ökosystemen zu einem bestimmten Zeitpunkt
- terr. Ökosysteme mit größerer NPP idR mehr Biomasse
- aq. ÖS mit gleicher NPP geringere Biomasse
- hoher Umsatz mariner ÖS
- Zooplankton frisst produzierende Phytoplankton effektiv weg
- kommt daher kaum zur Bildung nennenswerter Bestandsbiomasse
Globale NPP Juni und Dezember
- Messung NPP durch AVHRR
- tägliche Scannung Erde Auflösung 1 km
- grüne Pflanzen besitzen Reflektionmuster
- Juni
- Nordhalbkugel höchste NPP
- sowohl Meer als auch Land
- Dezember
- Südhalbkugel
