Vorlesung 3 Flashcards
Stellung der Ökologie in der Biologie
Kantsche Viereckschema zur Verdeutlichung der Stellung
!Anatomie systematik! (statisch)
!Physiologie Ökologie ! (dynamisch)
(allgemein (speziell
Nomo- idiographisch)
thetisch)
Idiographisch: Analyse zeitlich / räumlich einzigartiger Gegestände
Nomothetik: Erarbeitung allgemeiner gültiger, also von Zeit und Raum unabhängiger Gesetze
Was ist Ökologie
- Definition nach Haeckel
Krebs
Begon
unter Oecologie verstehen wir die gesamte Wisschenschaft von den Beziehungen des Organismus zur umgebenden Außenwelt, wohin wir im weiteren Sinne alle Existenz- Bedingungen rechnen können
ergänzt genauen Gegenstand der Ökologie
Ökologie ist wissenschaftliche Studium der Interaktionen, die Verbreitung und Häufigkeit von Organismen bestimmen
Die Umwelt von Organismen umfasst alle Standortfaktoren außerhalb des Organismus, die ihn beeinflussen unabhängig ob es sich um physikalische oder chemische (abiotische) oder um andere Organismen (Biotische Faktoren) handelt
Standortfaktoren
Biotische Faktoren
Abiotische Faktoren
Infektion
Herbivore
Konkurrenz
Temp. H2O Strahlung Chemische Belastung Mechanische Belastung
Globales ökologisches Beziehungsgefüge
Ökosphere beinhaltet:
Abiotische –> Lithosphäre(Relief,Gestein), Atmosphäre(Klima), Hydrosphäre (Wasserhaushalt), Pedosphäre (Boden)
und
Biotische –> Mensch, Tierwelt, Pflanzendecke
Faktoren
was bestimmt geographische Ausbreitung von Pflanzenspezies
Umweltfaktoren
Ökosphere
ökologische Wechselwirkung zwischen Biosphäre und anorganischer Umwelt in ihrer Verflechtung durch Energieflüsse, Stoffkreisläufe, und Interaktionen ökologischer Systeme, ergeben die Ökosphere
Innerhalb der Organismengemeinschaft eines Ökosystems d. h. in einem best. räumlichen und funktionellen Bereich der Ökosphere (Waldgebiet, Grasland…) bestehen vielfältige Abhängigkeiten und Wechselwirkungen (z.B. tropische Beziehungen)
Räumlicher Bereich= ÖKOTOP funktionaler Bereich(Wechselwirkung)= ÖKOSYSTEM
Beziehung zwischen einzelnen Organismen und ihrem Ökosystem (Biozönose und Biotop)
Beziehung Beobachtungsebene
Ökosphere Synökologie
Ökosystem Synökologie
Lebensgemeinschaft Synökologie
Population Populationsökol.
Individuum (Organismus) Autoökologie
Organ Autoökologie
Gewebe Autoökologie
Organen Autoökologie
Molekül Autoökologie
Ökologie: Wechselwirkung zw. Organismus/Umwelt
Organismus--> Population--> Biotop+ Biozönose--> Ökosystem--> Biosphäre
Aussagekraft nimmt von Organismus zu Biosphäre zu
Reproduzierbarkeit nimmt ab
Ökosystem funktionale Betrachtungsebene
offener, dynamischer Komplex von Gemeinschaften aus Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen (Biozönose = Lebensgemeinschaft) sowie deren nicht lebenden Umwelt (Biotop= Lebensraum), die als funtionelle Wechselwirkung stehen und sich so verändern (–> Sukzession und Evolution)
Nährstoffkreislauf + Energiefluss (mit Verlust )
Kreislauf : Produzent! Konsument 1. Ordnung (herbivor) , Konsument höherer Ordnung (carnivore,omnivore) , destruieren, Produzenten … aber auch Produzenten zu destruieren
Projizierter Impakt von Klimaveränderung auf: Essen, Wasser, Ecosystem, extreme Wetterbedingungen,
Wasser
kleine Gletscher verschwinden bei nur 1°C Erwärmung
Signifikanter Wasserverlust 2-4 °C
Seespiegel steigt 5°C
Potentielle Stressfaktoren
exogener Stress:
biotische Stressoren
abitoische Stressoren –>
Wasser
CO2
Lichtintensität
Wasser 2025
extrem mehr gestresst
teile Afrikas, Saudi arabien, Jemen, Oman, Iran, Türkei,Pakistan, Indien, teile Chinas (asiatische Bereich), teile Amerikas nähe Denver
–> Post-Apocalyptic Water Wars : USA, Sudan, Indien
Hauptfaktor Verbreitung der Pflanzenspezies
Wasser
–> die meisten Pflanzen überleben vorrübergehenden Wasserstress
Interaktionen im Kontinuum Boden Pflanze Atmosphäre (SPAC)
Baum nimmt H2O und Mineralien auf transport Xylem
nimmt CO2 durch Atmo auf
gibt O2 ab geht u.a. in Boden und wird wieder aufgenommen
nimmt Licht auf
Stressökologie
nach Larcher
liegt nicht in Präferendum sondern an Rand der Toleranzgrenze
eine durch abiotische Faktoren herbeigeführte Abweichung vom normalen Zustand eines Organismus, die zu Funktionsstörungen oder zum Tod des Organismus führt, wenn seine Anpassungsfähigkeit oder Heilungsfähigkeit überschritten wird
Anpassung-Heilungsk. = zeitliche Komponenten
Stress bezeichnet auch
Positiv
Negativ
zum einen durch spezifische äußere Reize (Stressigen) hervorgerufene physische Reaktion bei Lebewesen (z.B. Änderung der Optimumbereiche), die zur Bewältigung besonderer Anforderungen befähigen
die dadruch entstehende körperliche Belastung
Das physikalische Stresskonzept von Levitt
normale Bedingung
elastische Deformation (reversibel)
plastische Deformation (irreversibel)
Schaden durch Stressbelastung
Modellvorstellung der Phasen pfl. Reaktionen auf ein Stressereignis unterschiedlicher Dauer
Eustress - optimale Anpassung
Distress- unterschwellig keine Anpassung
Ablauf molekulare Prozesse nach Einsetzen von Stress in den einzelnen Phasen des biologischen Stresskonzepts
kein stress:
Grundniveau
stress: Alarmphase--> Störung Protein-Strukturen Signalinduktion Aktivierung Transkriptionsfaktoren
Erholungsphase–>
Genexpression
chaperon system
Proteinfaltung
Härtungsphase–>
Proteinsynthese
proteintransport und zuordnung
Resitenzphase–>
funktionelle stabilisierung von proteinen und membranen
Strategien Pflanzenresistens
empfindliche Pflanze:
wiederstandsfähige Pflanzen:
Vermeidung+ Toleranz= Resistenz
strategie: Vermeidung
Maßnahme: Ausweichen/ Anpassen
Methoden: Wiederbelebung survival, kurzfristig physiologische-> effizienz erhöhen, langfristig morphologisch-> Wachstumsänderung, Härtung
Strategie: Vermeidung/ Toleranz
Maßnahmen: Anpassen/Hinnehmen
Methoden: Wiederbelebung survival, kurzfristig physiologische-> effizienz erhöhen, langfristig morphologisch-> Wachstumsänderung, Härtung
Stresskonzept Levitt –> Taktiken der Anpassung
Strategien Vermeidung: 3 Typen der Stressresitenz
Vermiedung des Stresses durch Ausweichen (Escape: Taktik bei der Wachstum und Entwicklung nur in stressfreien Perioden erfolgt)
Vermeidund der Belastung durch Anpassen (Avoidence: aktives konstant halten des inneren Milieus bei äußerer Stresseinwirkung)
Hinnehmen (Tolerance: innere Milieu gibt schließlich dem Stress nach, ist aber gegen Wirkung immun)
Beispiel Ausweichen
Frosttoleranz von Laubbäumen: Abwerfen der Blätter
Anpassen Beispiel Trockenheit:
kurzer Zeitraum
mittlerer Zeitraum
sehr lange Zeitraum
modulativ elastisch, Ökophysiologie, Beispiel:Stoma-Regulation
modifikativ plastisch, ökophysiologie, Anatomie Beispiel: Blattfall
evolutiv genetisch, ökophysi.,Genetik
Beispiel: Bildung von Ökotypen
genotypische Plastizität, evolutionsbi.
Bsp.: Sexualität vs. apomixis (Jungfernzeugung)
Sandsteinfelsen in der Antarktis Lufttemp. zw 0-60 Grad
Ja- Flechten (lichen)
stress tolerators
leben direkt unter den exponierten Oberflächen des Sandsteins
Taktiken der Anpassung am Beispiel Wasser nach Levitt
Escape: Pflanze wächst nur wenn genug Wasser da ist –> kein Stress
Dürre meidend durch: phänologische Platizität, Pluviotherophyten, Geophyten
passiv
Avoidence: Pflanze vermeidet den Stress durch Anpassung, hält inneres Milieu konstant
Austrocknung verzögernd durch: verbesserte Wasseraufnahme, leistungsfähige Wasserleitung, Transpirationsinschränkung, Wasserspeicherung
aktiv
Tolerance: Pflanze lässt den Stress ins innere vordringen, kann die Austrocknung jedoch ertragen
tolerant durch: protoplasmatische Austrockungstoleranz
Strategien um mit Wassermangel zu leben
Toleranz
Sensitivity
Escape
Avoidence
viele Moose vertragen Austrockung
meisten Gefäßpfl. tolerieren keine Ausdruck.
einige Wüstenpfl. vermeiden Trockenheit–> Trockenperioden überdauern sie als Samen
einige Wüstenpfl. tolerieren trockenheit durch Adaption: tiefe Wurzeln, C4 Photosynthese, Sukkulenz (Wasserspeicherung), kleine Blätter
typische Escape
wenn Wüste blüht
typisch Avoidence
Mammillaria humboldtii
Austrocknungstolerante, austrocknungsmeidende und trockensensitive Pflanzen
austrocknungstolerant:
einige Bryophyten, sehr wenige Gefäßpflanzen
-passen ihr internes Wassernot dem externen Wasserpot an
-tolerieren Austrocknung durch biochemische und strukturelle Anpassung
ZELLULÄRE SCHUTZ UND REPERATURMECHANISMEN
=exponentieller Anstieg
austrocknungsmeidende:
- Xerophyten-> sukkulenten und nicht-sukkulente
- Mesophyten-> innerhalb Spezies brietes Spektrukm an Trockentoleranz geben (austrocknungsmeidende, sensitiv)
-benutzen morphologische und biochemische Strategien, um das zelluläre Wassernot konstant zu halten
ADAPTION/AKLIMATION UM AUSTROCKNUNG ZU VERMEIDEN
=sehr starker Anstieg, dann Sättigung mit leichtem Anstieg
typisch Tolerance
Selaginella lepidophylla (Rose von Jericho) Craterostigma wilmsii
Austrocknungstolerante Pflanzen
-mit welchem Wasserpotential-Wert sind Samen trocken?
-100 MPa
welche Pflanzen sind nahezu austrocknungstolerant?
Bryophyten
Lebermoose
Laubmoose
Hornmoose
evolutionär ursprüngliche Strategie zur Austrocknungstoleranz?
vegetative Austrocknungstoleranz
die meisten Samen und Pollen haben die Austrocknungstoleranz behalten im laufe der Evolution
- verbreitet in Bryophyten
- wenige Gefäßpflanzen (Wiederauferstehungspflanzen) haben sie wiedererlangt
Die meisten Samen sind austrocknungstolerant
Samen die austrocknen und gelagert werden können?
Ausnahme:
Weizen, Mais, Reis, Bohnen (produzieren orthodoxe)
Kakao, Gummisamen, Kokosnuss
–> einige Mangroven, Kakteen und großsamige Pflanzen (Kokosnuss) besitzen rekalzitrante Samen DÜRFEN NICHT AUSTROCKNEN
vivapare Samen keimem am Baum oder in der Frucht
Wiederauferstehungspflanzen
Austrocknungstolerante Pflanzen können dehydrieren und rehydrieren
-Selaginella lepidophylla
wieviel % der Angiospermen sind austrocknungstolerant?
0.2%
Blätter und Zellen rollen sich bei Austrocknung nach innen
Beispiel:
Blätter rollen sich nach innen, Anthocyan-Bildung zur Photoprojektion, Osmolyte (Polin,Zucker) akkumulieren um Zellstabilität zu sichern
Craterostigma pumilum –> Angiosperme Wiederauferstehungspflanze
Selaginella lepidophylla
Zelluläre Antworten auf Austrocknung
Die Zelle muss lebensfähig bleiben, obwohl das Wasser komplett entfernt wird
- Membranen und Zellwände können brechen oder verkleben
- Proteine können aggregieren oder denaturieren
- toxische ROS können akkumulieren
=> Austrocknungstolerante Arten müssen irreversiblen Schaden vermeiden
Was sind LEA Proteine
late embryo abundant, intrinsic ungeordnete Proteine und schützen Zellstrukturen
akkumulieren bei Austrocknung und schützen Zellstrukturen
wurden erstmals in samen charakterisiert, akkumulieren bei Trockenheit auch in vegetativen Geweben
Alle Pflanzen aktivieren Schutzmechanismen bei mildem Wasserdefizit, welche Pflanzen reagieren extrem ?
AT-Pflanzen
mildes Wasserdefizit (Alle)
Synthese von: Osmolyten LEA Protein Dehydrinen ROS-Entgiftung
starkes Wasserdefizit (AT-Pflanzen)
Cytoplasmatische Verglasung Antioxidative Abwehr Schutz der Photopigmente Fragmentation der Vakuole Blatt: schrumpfen und einrollen
Zusammenfassung: Die Antwort von Pflanzen auf Wassermangel betrifft verschiedene metabolische Prozesse
weniger:
- Photosynthese
- Stomata öffnen
- Sprossmeristem und Blattwachstum
- Wasseraufnahme durch Wurzeln
mehr:
- Akkumulation von löslichen Stoffen (Synthese und Aufnahme)
- Wurzelwachstum
Zusammenfassung Austrocknungstoleranz
- einige Bryophyten und wenige Gefäßpflanzen sind Austrocknungstolerant
- benutzen ähnliche Mechanismen wie nicht austrocknungstolerante Pflanzen–> aber in einem viel stärkeren Ausmaß
was sind Xerophyten ?
Pflanzen, die sich an extrem trockene Standorte angepasst haben
Xerophyten
Phänologisch:
Anatomisch:
Morphologisch:
Biochemisch
Vermeider: überdauern Trockenheit als Samen
Dicke Kutikula, gerollte Blätter, eingesenkte Stomata
Tiefe Wurzeln, hohe Xylemtransportraten, Speichermechanismen und kleine oder fehlende Blätter
Crassulacean acid metabolism (CAM): Stomata in der Nacht offen um Wasserverlust zu vermeiden
Ähnliche Mechanismen haben sich in verschiedensten Familien entwickelt
Cactus, Agave, Euphorbia spp
Anatomie der Xerophyten:
- sukkulente Blätter und Stängel
- dicke Kutikula
- eingesenkte Stomata
Trockenstresstoleranz- komplexes Merkmal
- Erde: Wasserdefizit, osmotischer Stress, Nährstoffmangel
- Wurzel: Erhöhte ABA Synthese
- Schoß: red. H2O-pot.–> Stomataschluss–> Inhibition der Photosynthese–> Reduzierte Synthese von Kohlenhydraten–> red. Zellteilungsrate u. Wachstum
- Generative Organe: red. Körnerzahl und Körnergröße
- Erhöhtes Wurzelwachstum: verbesserte H2O-Aufnahme
- Red. Wachstum: verbesserte H20-nutzungseffizienz, Schutz des Photosyntheseapparats, erhöhte Speicherstoffkapazität, Red. des zellulären osmotischen Potentials, Regulation der Seneszenz
- Ertragsverlust: frühe Blüte, Vorteilhafte Blütenmorphologie, Verbesserte Speicherkapazität, rasche Kornfüllung
Züchtung trockentolerante Pflanze
Reverse Genetics: identifiziert Gene, die für Trockentoleranz verantwortlich sind
Forward Genetics: Züchtung anhand Phänotyp
Züchtung trockentolerante Maispflanzen durch klassische Züchtung
viele ursprüngliche Merkmale sind in den modernen Maisvarietäten nicht mehr vorhanden
diese können aber in Samenbanken gefunden werden
Kandidatengene: 100 von verschiedenen Kandidatengenen werden auf Trockentoleranz getestet
Unterschiedliche Trockentoleranz Merkmale haben unterschiedliche Konsequenzen
Großes Wurzelsystem:
verringerte Stomataöffnunf/ Blattfläche:
Zelluläre Schutzmechanismen:
Frühe Reproduktion:
Vorteile: erhöhte H20-Aufnahme Nachteile:Hauptbiomasse in der Wurzel und nicht im Spross
Vorteile: verringerte Transpiration
Nachteile: Verringerte Photosynthese und Biomasse Akkumulation
Vorteile: verhindert Zelltod bei starker Trockenheit
Nachteile: verringerte Wachstumsrate, Energie wird für Schutzmechanismen benötigt
Vorteile: vermeidet Wasserdefizit
Nachteile: kurze Wachstumsperiode, verringert Biomasse
