Ökologie und Stoffwechselphysiologie PDF

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Einführung Ökologie Jahrgang 12,2 ...

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1. Q2 Ökologie und Stoffwechselphysiologie A Bestandteile eines Ökosystems Grundbegriffe der Ökologie: Ökologie: „Teilgebiet der Biologie, das sich mit den Wechselbeziehungen zwischen Organismen und ohrer Umwelt beschäftigt.“ Ökologische Betrachtungsebenen: Biosphäre: Gesamtheit aller Ökosysteme Ökosystem: Biotope u. Biozönose Biozönose: Lebensgemeinschaft mit anderen Biotop: Lebensraum des Lebewesens Population: Einzelne zB. Maus ist Teil der Population Organismus: Einzelnes Lebewesen (zB. Maus)

 Biosphärenforschung  Ökosystemforschung  Synökologie*  „  Demoskopie*  Autoökologie*

*Synökologie: Gesamtheit der in einem bestimmten abgegrenzten Lebensraum vorkommenden Organismen bildet eine Lebensgemeinschaft, die Biozönose. Die Beziehung zwischen den versch. Beziehungen einer Biozönose, wie auch die Wechselwirkung zw. Biozönose u. Umwelt sind Forschungsgegenstand der Synökologie *Demoskopie: Unter der Population versteht man eine Gruppe artgleicher Individuen, die in einem bestimmten Lebensraum vorkommen und sich untereinander fortpflanzen. Die Demökologie untersucht beispielsweise, von welchen Faktoren das Wachstum einer Population abhängt. *Autoökologie: Der einzelne Organismus und die Wechselwirkung zw. ihm u. der Umwelt stehen hier im Mittelpunkt der Betrachtung. Auf Organismen wirken unterschiedliche Umweltfaktoren ein. Diese teilt man in 2 Kategorien ein: abiotische Faktoren & biotische Faktoren. Umweltbereiche u. ihre Beziehungen zueinander: Atmosphäre: umgibt als Lufthülle die Erde, fließende Grenze zum Weltraum Pedosphäre: von Lebewesen besiedelter Bereich des Bodens Litosphäre: „Gesteinsphäre“, äußerste mächtige Schale der Erde Hydrosphäre: Wasserhülle, über 70% der Erde ist Wasser Biosphäre/Ökosphäre: Gesamtheit aller Ökosysteme ! Umweltbereiche überschneiden sich und sind wechselseitig voneinander abhängig

Strukturierung von Ökosystemen: Toleranzkurve: Abiotische Umweltfaktoren beeinflussen die Aktivität von Lebewesen in charakteristischer Weise.

Variiert man experimentell einen Faktor u. misst die sich ergebende Lebensaktivität, so erhält man eine typische Toleranzkurve.

Aufbau Toleranzkurve: Minimum/Maximu Begrenzung der Kurve; Unter bzw. über diesem Wert ist kein Leben möglich m Pessimum In diesem Randbereich, kann ein Organismus überleben, sich aber nicht fortpflanzen Toleranzbereich Gesamtbereich in dem Organismen einer Art existieren können Toleranzbreite/Reaktionsfähigkeit einer Art ist genetisch festgelegt:  Stenopotente Arten: verfügen über einen engen Toleranzbereich  Eurypotente Arten: haben einen weiten Toleranzbereich hinsichtlich eines Faktors Präferenzbereich Bereich des Umweltfaktors, den die Organismen bei freier Wahl vorziehen Optimum Wert des Umweltfaktors mit der höchsten Vitalität der Organismen Unterschied der Toleranzkurve bei wechselwarmen u. gleichwarmen Tieren: Wechselwarme Tiere: • Poikilotherm/ektotherm; Körpertemperatur gleicht sich Umgebungstemperatur an  Säugetiere, Vögel

Gleichwarme Tiere: • Homoiotherm/endotherm; innerlich gleichwarme Tiere  Reptilien, Insekten, Amphibien, Fische (alle Wirbellosen)

(Information endotherm, ektotherm in Bezug auf Temperatur: siehe unten) Wechselwarm Vorteile Nachteile Bei Kälte kaum Bei niedrigen Gefahr des Temperaturen erfrieren Verhungerns o. Kältestarre  Stoffwechsel auf „Sparflamme“ Kurzer Präferenzbereich + Optimum

Gleichwarm Vorteile Nachteile Können auch bei Bei niedrigen niedrigen Temperaturen viel Temperaturen aktiv Nahrung nötig sein Großer Präferenzbereich + Optimum

Schneller Tod, kein Pessimum Gleichbleibender Stoffwechsel, somit Gefahr des Verhungerns

Unterscheidung der Tiere in Bezug auf die Temperatur auch noch mit: Stenotherm: Organismen, die nur Biotope mit gerungen Temperaturschwankungen besiedeln können Eurytherm: Tiere die großen Temperaturschwankungen ertragen können

Ökologische Potenz u. Physiologische Potenz: Ökologische Potenz: • Fähigkeit einer Art, in einer Lebensgemeinschaft mit anderen Organismen, also unter den Bedingungen natürlicher Konkurrenz, die Schwankungen des untersuchten Umweltfaktors zu ertragen. Die ökologische Potenz beinhaltet also das Reaktionsvermögen einer Art auf eine Kombination von abiotischen (zB. Temperatur) u. biotische Faktoren (zB. interspezifische Konkurrenz) • Eigentlicher Lebensraum; Toleranzbereich durch Konkurrenz zw. Arten hier eingeschränkt  Ökologische Potenz ist also in der Regel deutlich geringer als die physiologische Potenz Physiologische Potenz; • Genetisch festgelegte Fähigkeit in einer Reinkultur, also ohne Konkurrenz durch andere Organismen, Schwankungen des untersuchten Umweltfaktors zu ertragen. • Sehr theoretischer, unter Laborbedingungen ermittelter Wert, da eine Reinkultur ohne jede Konkurrenz durch andere in der Natur nicht vorkommt.

Übersicht über abiotische Faktoren: Temperatur: Sämtliche Lebensvorgänge sind temperaturabhängig, da ihnen temperaturabhängige chemische Reaktionen zugrunde liegen. Die individuellen Ansprüche an eine bestimmte Temperatur differieren. Nach der Regulation der Körpertemperatur unterscheidet man zwei Typen wechselwarme und gleichwarme Organismen. Merkmale wechselwarme (ektotherme, poikilotherme) Organismen: • Nur geringe Wärmeproduktion durch eigenen Stoffwechsel • Körpertemperatur gleicht sich der Umgebungstemperatur an • Im Bereich zw. Minimum u. Optimum werden die Lebensprozesse bei einer Temperaturerhöhung um 10°C um das Zwei-bis Dreifache beschleunigt (RGT-Regel) RGT-Regel: (nur bei wechselwarmen Tieren)  Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel Bei einer Temperaturerhöhung von ca. 10°C erhöht sich die Reaktionsgeschwindigkeit um das zwei-, dreifache  Steigende Stoffwechselreaktivität  Wichtig für wechselwarme Lebewesen, da die Außentemperatur die Körpertemperatur bestimmt  keine aktive Regulation im Körper möglich  Geringe aktive Phasen, somit geringe Stoffwechselaktivität  geringer Nahrungsbedarf (zur Not: Winterstarre) (gleichwarme Lebewesen sind unabhängig von der RGT-Regel, bei ihnen findet die Regulation der Körpertemperatur über den Regelkreis im Körper statt) • • • • • • • •

Unterhalb sowie oberhalb bestimmter Temperaturgrenzen keine aktiven Lebensäußerungen (Kälte-, Wärmestarre) Keine bzw. kaum Kühlungsmechanismen (zB. kein Schwitzen) Energie-und damit auch Nahrungsbedarf geringer als bei gleichwarmen Tieren ähnlicher Größe Im Winter: Winterstarre Begrenzender Umweltfaktor ist hier die Temperatur Vorteile: geringerer Nahrungsbedarf als bei gleichwarmen Tieren, im Winter keine Nahrungszufuhr nötig Nachteile: es können nur Regionen mit hinreichenden Temperaturen besiedelt werden (Ausnahme: Sonderanpassung zB. bei arktischen Fischen) Tiergruppen: Wirbellose, Fische, Amphibien, Reptilien

Merkmale gleichwarme (endotherme, homoiotherme) Organismen: • Hohe Wärmeproduktion durch eigenen Stoffwechsel • Annährend konstante Körpertemperatur unabhängig von der Umgebungstemperatur • Federn, Haarkleid, Fettschichten usw. unterstützen Wärmeregulation (Isolationseffekt) • Effiziente Temperaturregulation durch körpereigene Regulationsmechanismen: bei sinkenden Außentemperaturen Gegenmaßnamen wie Muskelzittern (Wärmeproduktion), Aufstellen der Haare o. Einrollen; bei steigender Außentemp. Möglichkeit zur Kühlung des Körpers durch Kühlungsmechanismen wie Schwitzen o. Hecheln • Energie- u. Nahrungsbedarf deutlich höher als bei wechselwarmen Tieren ähnlicher Größe • Im Winter: fortlaufend aktiv o. Winterruhe bzw. Winterschlaf • Begrenzender Umweltfaktor ist das Nahrungsangebot • Vorteile: optimale Aktivität möglich, daher Besiedlung annährend aller Lebensräume der Erde möglich • Nachteile: hoher Nahrungsbedarf für Wärmeproduktion bzw. Kühlung • Tiergruppen: Vögel, Säugetiere • Einige Endotherme Lebewesen überbrücken Kälteperioden: Winterruhe (Eichhörnchen, Dachs, Bär): es wird durch eingeschränkte Bewegung an geschützten Orten der Energieverbrauch verringert, Körpertemperatur bleibt gleich Winterschlaf (Igel, Hamster, Fledermäuse): Körpertemperatur wird während dem Schlaf abgesenkt

•

Thermoregulation durch Regelkreis möglich: Regelkreisglied

Aufgabe

Bsp. Temperaturreglung

Führungsglied

Gibt den Sollwert an

Messglied

Registriert den vorliegenden Wert der Regelgröße in der Regelstrecke und gibt ihn als Istwert an das Regelglied weiter Meldung von Istwert und Sollwert werden verglichen Gleicht die Differenz zw. Ist- u. Sollwert aus

Hypothalamus; Angabe der Temperatur zB. 37°C Temperaturrezeptor

Regelglied Stellglied Stellgröße Störgröße Regelgröße Regelstrecke

Körper, bzw. Bereich in welchem die geregelt/gemessen werden muss

Istwert Stellwert Sollwert

(Untergeordnetes Zentrum im ZNS-) Hypophyse Muskeln oder Schweißdrüse, Stoffwechselaktivität Wärme, Schweiß Temperaturveränderungen von außen oder innen Körpertemperatur Hier: die Temperatur Der tatsächliche Temperaturwert Temperaturdifferenz Hier im Körper: ca. 37 Grad

 Bergmann’sche Regel (gleichwarme • • •

Tiere) Kleine Körper kühlen schneller aus als Große  Im Verhältnis zum Volumen haben sie eine größere Oberfläche Große Organismen haben also bei sonst gleichen ökologischen Ansprüchen einen Selektionsvorteil Je niedriger die Außentemperatur, desto größer die Tiere u. umso mehr Volumen Bsp. Bild: Tiere im kalten Klima meist größer als

Verwandte Wichtig: Körpergröße mit Volumen im Verhältnis!

•

Gefrieren der Körperflüssigkeiten führt zum Tod, Spitze Eiskristalle entstehen u. zerreißen Körperzellen

 Allen’sche Regel (gleichwarme Tiere) • •

Nicht nur Wärmespeicherung, sondern auch die Abgabe überschüssiger Wärme kann zu Überlebensfrage werden Manche Tiere nutzen Körperanhänge (zB. Ohrmuscheln) als Temperaturregulator  warme Temp.: große Ohren (Kühlen)  kalte Temp.: kleine Ohren (Wärmespeicher) Bsp. Bild:  Tiere in warmen Klimatan durch Selektion gewöhnlich größere Körperanhänge Polarfüchse: kleine Ohren; Wüstenfüchse: große Ohren

Umweltfaktor Wasser: Tiere: • Aktives Leben ist an das Vorhandensein von Wasser geknüpft Wassertiere: Der Wasserhaushalt aquatisch lebender Organismen wird durch osmotischen Wert des umgebenden Mediums bestimmt • Isoosmotisch: bei marinen Wirbellosen wir Muscheln und Würmern entspricht die Konzentration osmotisch aktiver Moleküle in der Körperflüssigkeit der des umgebenden Wassers • Hypoosmotisch: Bei marinen Knochenfischen weisen die Flüssigkeiten innerhalb des Körpers eine niedrigere Konzentration als das umgebende Wasser auf. Dies führt zu einem konstanten Wasserverlust. Durch Trinken von Meerwasser u. Ausscheiden der aufgenommenen Salze über die Kiemen gleichen diese Fische den Wasserverlust aus • Hyperosmotisch: Bei Süßwassertieren u. Wirbeltieren des Meeres ist die Konzentration osmotisch aktiver Moleküle in der Körperflüssigkeit höher als im umgebenen Medium. Durch aktive Wasserausscheidung wird dem osmotischen Wassereinstrom entgegengewirkt u. das Ionenmilieu der Tiere konstant gehalten Landtiere: • Auch für terrestrisch lebende Tiere ist ein konstanter osmotischer Wert der Körperflüssigkeit notwendig. Dem Wasserverlust durch Verdunstung u. Ausscheidungsprodukte (Kot, Harn) steht ein Gewinn durch Trinken u. Wasseraufnahme über die Haut entgegen. Trockenlufttiere: um den Wasserverlust gering zu halten, haben Trockenlufttiere unterschiedliche Mechanismen des Verdunstungsschutzes entwickelt: Wachsüberzüge aus Chitin bei Insekten, Horn und Haarbildung bei Säugern, Vögeln u. Reptilien oder Schleimüberzüge bei Schnecken Feuchtlufttiere: können nur in einer Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit leben, da ihnen ein solcher Schutz fehlt (zB. Amphibien u. Nacktschnecken)

Pflanzen: Hydroregulation bei Pflanzen: Wasseraufnahme, -transport, - abgabe Ablauf: Pflanzen nehmen Wasser mithilfe ihrer Wurzeln aus dem Boden auf. Dies geschieht aufgrund des Prinzips der Osmose, da die Salzkonzentration innerhalb der Pflanze höher und die Wasserkonzentration niedriger als in der Umgebung ist:  Wasser gelangt osmotisch vom Boden durch Wurzelhaare in die Wurzelzellen  Anschließend gelangt es durch osmotischen Druck/osmotische Konzentration zum Zentralzylinder u. zum Leitbündel (Xylem)  Der Ständel besteht aus mehreren Leitbündeln) Unterscheidung im Leitbündel: Xylem: hier sind Wasserleitungsbahnen; H2O – Transport von unten nach oben; Phloem: Nährstoffe (Glukose) aus Fotosynthese von oben nach unten  Kapillarkräfte einerseits und der Sog, welcher durch die Transpiration entsteht unterstützen in den Xylemgefäßen den Wasserstrom nach oben  Die Wassersäule im Xylem wird aufwärts gezogen u. läuft nach außen in die Blattadern nach  Der Transpirationssog zieht Wasser aus den Blattadern in die Blattzellen und Interzellularräume  Wasser verdunstet durch die Zellwände der Blattzellen in die Interzellularräume  Wasserdämpfe diffundierten aus den Interzellularräumen durch die Spaltöffnungen und werden abgegeben (Transpiration)  Energie für diesen Vorgang aus Transpiration: Wasser in große höhen zu transportieren kostet Energie die hier durch die Transpiration aufgebracht wird; die zum Übertritt des flüssigen Wassers in die Gasphase notwendige Energie wird der Umweltwärme entnommen Der Transpirationssog ist bei hohem Wasserbedarf sogar so hoch, dass der Stammumfang eines Baumes abnimmt Anpassungen der Pflanzen an besondere Standortbedingungen: • Trockenpflanzen: derbe Cuticula, eingesenkte Spaltöffnungen, Blätter mit toten Haaren, Reduzierung der Blattflächen; besondere Stoffwechselanpassung zB. bei Sukkulenten: öffnen die Spaltöffnungen nur nachts u. schränken so die Transpiration ein. Das nachts fixierte Kohlenstoffdioxid wird am Tag in Zucker umgewandelt • Feuchtpflanzen: Spaltöffnungen sind oft emporgehoben, zarte Blätter mit dünnen Cuticula • Wasserpflanzen: Spaltöffnungen auf der Oberseite (zB. bei Seerosen), Unterwasserblätter haben keine Spaltöffnungen zum Gasaustausch, aber ausgedehnte Lufträume, die für internen Gastransport u. für Antrieb sorgen

Umweltfaktor Licht:

Die Sonnenstrahlung ist nicht nur die entscheidende Wärmequelle des Ökosystems, sie speist auch über die Fotosynthese biochemische nutzbare Energie in die Nahrungskette ein. Außerdem entfaltet Licht als physikalische Grundlage für das Sehen und durch die Tages- u. Jahreszeitenperiodizität eine Fülle von ökologischen Wirkungen. • Einfluss des Lichtes auf Tiere:  Vogelzug: Veränderung der Tageslänge bewirkt Änderungen im Hormonhaushalt der Vögel. Es entsteht die Zugunruhe u. die Bereitschaft zum Vogelzug  Vögeluhr: Ausgelöst durch die morgendliche Helligkeit beginnen die verschiedenen Vogelarten nacheinander mit ihrem Gesang. Auch Verhaltensweisen anderer Tiere (zB. das nächtliche Schwärmen der Mücken) werden durch periodische Änderungen der Lichtintensität ausgelöst. Man spricht hier von Fotoperiodik.  Vitamin-D-Bildung: Bei Säugern ist längerwelliges UV-Licht für die Bildung von Vitamin D erforderlich, Lichtmangel hat eingeschränkte Vitamin-D-Bildung mit Knochenerweichungen zur Folge  Innere Uhr u. circadiane Rhythmik: Tiere u. Menschen verfügen über eine innere Uhr, die biologische Aktivitäten steuert u. beeinflusst. So ist zB. die Ratte nachtaktiv u. ruht am Tag. Diese Aktivitäten zeigen einen 24-Stunden-Wechsel, die circadiane Rhythmik. Unter natürlichen Bedingungen ist das Licht der Taktgeber für die innere Uhr. • Einfluss des Lichtes auf Pflanzen: Bei Pflanzen liefert Licht die Energie für die Fotosynthese und beeinflusst pflanzliche Differenzierung- u. Anpassungserscheinungen  Kurz-u. Langtagpflanzen: Die Ablage der Blüten wird bei vielen Arten durch die Tageslänge bestimmt.  Kurztagpflanzen blühen nur, wenn eine bestimmte kritische Tageslänge nicht überschritten wird zB. Mais  Langtagpflanzen blühen nur, wenn die kritische Tageslänge überschritten wird zB. Zwiebel, Senf  Daneben gibt es auch tagneutrale Pflanzen wie Erbse oder Sonnenblume  Sonnen- u. Schattenblätter: Beide Blatttypen unterscheiden sich in ihrer Morphologie u. ihrer Fotosyntheseleistung:  Sonnenblätter verfügen über ein ausgeprägtes, meist mehrlagiges Blattgewebe mit zahlreichen Chloroplasten.  Schattenblätter besitzen eine zarte Epidermis u. einen hohen Chlorophyllgehalt bei geringer Blattdicke. Schattenblätter zeigen im Vergleich zu Sonnenblättern niedrige Lichtkompensationspunkte u. geringe Lichtsättigungen. Sie erreichen folglich bereits bei niedrigen Lichtintensitäten eine positive Fotosynthesebilanz. Die maximale Syntheserate fällt jedoch im Vergleich zu Sonnenblättern gering aus.  Sonnenpflanzen und Schattenpflanzen: Manche Pflanzen benötigen zur Entwicklung volles Sonnenlicht, andere bevorzugen Schatten-oder Halbschatten. Hinsichtlich ihrer Morphologie u. Fotosyntheseleistung ergeben sich ähnliche Unterschiede wie bei Sonnen- u. Schattenblättern.

Umweltfaktor Boden: • • • •

Vor allem im Landökosystem ist der Boden ein bedeutender Standortfaktor (hierbei sind chemische u. physikalische Eigenschaften des Bodens bedeutend) Bodenart: wird durch Korngröße festgelegt; von dieser hängt die Wasserkapazität zusammen Bodentypen: wird durch Schichtung der jeweils auseinanderfolgenden Bodenhorizonte charakterisiert Lebewesen mit speziellen Ansprüchen verraten als Zeigeorganismen sehr viel über den Boden

Wechselspiel der Umweltfaktoren: • • • •

Einzelne Umweltfaktoren wirken nie alleine, sondern immer im Zusammenspiel mit anderen Es bestimmt immer der im Minimum vorliegende Faktor dir Möglichkeit für das Lebewesen zu leben, zu wachsen u. sich fortzupflanzen (Minimumgesetz) Ein Mangel an Mineralstoffen zB. limitiert das pflanzliche Wachstum, auch wenn die übrigen Faktoren im Optimum liegen Allgemein kann man sagen, dass der Faktor, der am meisten vom Optimum entfernt ist, bestimmt am stärksten das Gedeihen einer Art (Wirkungsgefüge der Umweltfaktoren)...