Leeben IM Erdsystem - Mauser PDF

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2. LEBEN IM ERDSYSTEM Lebende Materie besteht aus Individuen:  Abgrenzbare Funktionseinheiten auf der Basis von organischen Molekülen (Kohlenhydrate, Lipide, Proteine, Nukleinsäuren)  Ähnliche Individuen bilden eine Art

Leben ist Selbstorganisation von Materie und Energie mit folgenden Charakteristika der Individuen: 

Metabolismus: gezielte Aufnahme, Umwandlung und Abgabe von chemischen Substanzen zur Erhaltung der Individuen



Reproduktion: Erhaltung der Erbinformation (Plan zur Selbstorganisation) über die Lebensdauer des Individuums hinaus.



Evolution: Entwicklung der Erbinformationen durch Anpassung an Umweltbedingungen in Konkurrenz unterschiedlicher Arten von Individuen.

Weder Kristalle noch Moleküle können das! Die Biologie ist die Wissenschaft vom Leben, ergänzt inzwischen die Medizin, Agrar- und Forstwissenschaften, Umweltwissenschaften (Geographie und Ökologie)

Das Leben ist bedeutend vielfältiger als die unbelebte Materie! Das liegt:  



An den eingeschränkten und vorbestimmten Möglichkeiten, aus Ionen- und Kovalenzbindungen Kristalle und Moleküle zu machen An den vielfältigen Möglichkeiten, die die Biochemie in der Kombination von Kohlenstoff-, Wasserstoff-, Sauerstoff- und Stickstoff-, Phosphor., Schwefel- etc. Atomen zum Zusammenbau großer und Komplexer Moleküle hat An Stoffwechsel, Reproduktion und Evolution, die immer neue funktionsfähige Einheiten auf ihre Konkurrenzfähigkeit hin testen

Nachteil der Kohlenstoff-Biochemie sind eingeschränkte Umweltbedingungen:    

Basierend auf Wasser: kein Wasser, kein Leben Temperaturen über Gefrierpunkt oder umständliche Gefrierspunkterniedrigung: kein flüssiges Wasser – kein Leben Eingeschränkte Temperaturen, bei denen biochemische Moleküle stabil bleiben: 0 … max 60°C, optimal 37°C Vorhandensein einer Atmosphäre: Gase als Nahrung

2.1 ÖKOLOGIE Alle Organismen auf der Erde stehen in Interaktion mit ihrer Umwelt und sind über die Stoffkreisläufe (C, N, P, S…) miteinander verbunden.     

Teildisziplinen: (Biologie + Geographie) Ökologie Biogeographie (Phytogeographie, Zoogeographie) Bioökologie Geobotanik Vegetationsgeographie

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Die regionalen und globalen Unterschiede der Vegetation hat Alexander von Humboldt auf seinen Reisen beobachtet, versucht zu beschreiben und dabei erkannt, dass die Verteilung der Vegetation von vielen Faktoren am Standort abhängt



Die Standortfaktoren spielen in der Ökologie eine zentrale Rolle, da sie die abiotischen bzw. biotischen Bestandteile eines Ökosystem und der von ihnen ausgehenden Wirkung auf die Lebewesen beschreiben



Unter dem menschlichen Einfluss können Standortfaktoren sich in sehr kurzer Zeit räumlich und zeitlich verändern



Bei der Beobachtung der Wirkung der Standortfaktoren spielen die Energie- und Stoffflüsse eine wichtige Rolle

Prokaryoten:  haben keinen Zellkern  immer Einzeller Eukaryoten:  haben einen Zellkern  meist mehrzellig Was sind pflanzen?

Autotroph:  ernähren sind selbstständig

Heterotroph:  müssen andere fressen Sexuell  männliche und weibliche Individuen sind an Fortpflanzung beteiligt

Hierarchische Klassifikation des Lebens     

Stämme sind die Gruppen eines Reiches Klassen sind die Gruppen eines Stammes Ordnungen sind die Kategorien einer Klasse Familien sind die Kategorien einer Ordnung Gattungen sind die Unterteilung einer Familie

2.1 DIE PFLANZENWELT Gemeint sind Landpflanzen seit min. 450 Mio Jahren  Mehrzellige Eukaryoten  Stellen Nahrung selbstständig durch Photosynthese her  Zellwände bestehen hauptsächlich aus Cellulose

Hauptkategorien  

Gefäßpflanzen: haben Transportsystem aus hochorganisierten, effizienten Zellen von Röhren bilden, indem Wasser und Nährstoffe durch Pflanzen transportiert werden Gefäßlose Pflanzen: haben das nicht

Weitere Einteilung in Stämme:    

Moose (gefäßlose Pflanzen) (z.B Lebermoose, Hornmoose, Laubmoose Farne (Gefäßporenpflanzen) Nacktsamer (z.B. Nadelbäume mit exponierten Samen) Bedecktsamer (Blütenpflanzen, deren Samen in Früchte eingeschlossen sind) (Orchidee, Korbblütler, Platterbse, Zucchiniblüte) o 90% der Pflanzenarten sind Bedecktsamer

Generationswechsel bei Bedecktsamer

 Bestäuber (Biene, Ameise, Fledermaus) tragen Poren von einer Pflanze zur anderen

Merkmale einer Pflanze

Pflanzen stehen in zwei Welten: 1. Welt: Atmosphäre und Sonnen- Energie, gasförmige Nährstoffe 2. Welt: Boden Wasser, gelöste Nährstoffe Pflanzen haben mehrere Probleme 1. Sie dürfen nicht umfallen 2. Sie müssen gegen Konkurrenz möglichst viel Licht bekommen 3. Sie müssen Substanzen der 1. Und 2. Welt miteinander verbinden  Blätter nehmen CO2 auf und setzten O2 frei.  Wurzeln nehmen O2 auf uns setzten CO2 frei

2.2.1 PFLANZENZELLEN

Pflanzen brauchen verschiedene Arten von Zellen, um Probleme zu lösen Die Zellen des Wurzelsystems Sie nehmen Wasser und Nährstoffe aus dem Boden auf. Man unterscheidet:  Pfahlwurzeln  Faserwurzel Wie sieht eine Wurzel aus? Man unterscheidet:  Wurzelkörper  Wurzelhaare  Seitenwurzeln  Mucigelhülle Die Zellen des Leitungssystems Sie bringen Wasser und gelöste Nährstoffe von den Wurzeln zu den Zellen und gehören entweder zum  Abschlussgewebe: o Besteht aus der Schützenden äußeren Schicht des Gewebes  Grundgewebe o Füllt gewöhnlich den Raum zwischen Abschlussgewebe und Leitgewebe  Leitgewebe o Das Leitgewebe besteht aus Geweben, die Wasser, Mineralien und Assimilate leiten  Jedes System erstreckt sich durchgängig über alle Pflanzenteile

Die Zellen des Fortpflanzungssystems Sie bilden die männlichen und weiblichen Träger der Erbinformationen aus.

 

Staubbeutel Samen o Reifen und werden nach dem Tod der Pflanze an die Umwelt abgegeben. Dort gibt es mehrere Transportwege (Wasser, Tiere, Wind), um die Samen an andere Orte zu transportieren. Dort wird nach Keimung probiert, ob die Umwelt - Bedingungen für die Pflanze gut sind.

Die Zellen des Blattsystems Sie sammeln Licht und nehmen gasförmige Nährstoffe auf. Das Blattsystem weist unterschiedliche Strukturen auf.

Zellen  

der Cuticula produzieren Wachs und schützen vor Wasserverlust, des Palisadenparenchyms sammeln Licht und wandeln CO2 in Zucker um  des Schwammparenchyms nehmen CO2 auf,  der Epidermis schließen das Blatt ab,  der Stromata bilden die Öffnungen durch die CO2 in das Blatt eindringt und Wasserdampf austritt (Gasaustausch)  Pflanzen können Stomata zur Regulierung des Gasaustausches öffnen und schließen

2.2.2 PFLANZENWACHSTUM UND STANDORTFAKTOREN Faktoren die das Pflanzenwachstum beeinflussen:    

Klima: Temperatur, Strahlung, Niederschlag, Wind, Luftfeuchtigkeit, CO2… Boden: pflanzenverfügbares Wasser, Nährstoffe, Mächtigkeit, pH, Salzgehalt… Topographie: Hangneigung Verfügbarkeit und Menge an Nährstoffen, Energie und Wasser

 Pflanzen haben einen großen Einfluss auf den Wasserkreislauf! Die Vegetation Beeinflusst zum einen (indirekt) die Verdunstung von Wasser von der Oberfläche (Evaporation) Zum anderen benötigen Pflanzen (direkt) Wasser für ihren Stoffwechsel (Transpiration)

Zusammenwirkung der Faktoren: Gesetz vom Minimum von Justus von Liebig:  Das Wachstum von Pflanzen wird durch die im Verhältnis knappste Ressource (Nährstoffe, Wasser, Licht, etc) eingeschränkt. Diese Ressource wird auch als Minimumfaktor bezeichnet. Standortfaktoren: die Gesamtheit der abiotischen und biotischen Faktoren, die auf eine Pflanze in einem Definierten Raum wirken. abiotischen

Standortfaktoren

biotischen

Primäre Standortfaktoren: Unmittelbar wirkende Umweltfaktoren

Licht (Strahlung) Mechanische Faktoren (Wind, Schnee, Feuer), Wasser (Feuchtigkeit) Chemische Faktoren (Nährstoffe, Schadstoffe…)

Sekundäre: Mittelbar wirksame Umweltfaktoren

Relief Klima

Boden Konkurrenz

Relief (Hangneigung, Höhe, Exposition) Temperatur (Wärme),

Fauna Parasiten

sonstige

   

Die Standortfaktoren und deren Zusammenhang, bestimmen welche Pflanze wo wachsen und mit welchen weiteren Arten sie sich vergesellschaftet Darauf Ergibt sich die Standorttypische, regionale oder globale Vegetationsverteilung Botaniker und Vegetationsgeographen versuchen diese Vegetationsmuster zu beschreiben, zu unterteilen und klassifizieren Daraus entstehen dann unterschiedliche Klassifikationssysteme

2.3 WIE FUNKTIONIERT LEBEN 

Pflanzen fügen die Ströme aus den beiden Welten Böden: (H20, Stickstoff, Phosphor) und Atmosphäre (CO2) zusammen, um daraus einfache organische „Baustein“-Moleküle aufzubauen, zu synthetisieren. Sie benutzen dazu Licht als Energiequelle (Photosynthese).



Wichtige Bausteine sind primäre Metabolite: Kohlenhydrate, Proteine, Lipide und Nukleinsäuren.



Enzyme: bauen aus den einfachen Baustein-Molekülen der Photosynthese alle komplexen Moleküle aus. Sie wirken als Katalysatoren (Stoffe, deren Anwesenheit alleine eine chemische Reaktion ermöglicht, die ohne sie nicht ablaufen würde). Enzyme sind die Werkzeuge der Selbsttransportation des Lebens, die alle Zellkomponenten, Zellen und Organismen entstehen lassen. Sie sind Proteine



Ein Bauplan: zur Bildung der verschiedenen Molekülarten. Die DANN in den Zellkernen enthält den Bauplan vor allem der Enzyme

2.3.1 BAUSTEINE Kohlenhydrate (Glucose C6H12O6)  C6- Zucker sind die Energiespeicher der  C5-Speicher sind Bestandteile der Nulleinsäuren Polysaccharide (Stärke und Cellulose: zweimal C6H12O6, aber anders:)  Stärke ist primäre Energiequelle der Lebensmittel für die Menschen (Kartoffel)  Cellulose ist das Grundmaterial für die Zellwände von Pflanzen und für Menschen unverdaulich (Nomadismus)  Dazu brauchen wir Energie!

Energietransport in Pflanzen: Elektronen sind die Träger der Energie in den Zellen:  Oxidation = Abgabe von Elektronen durch ein Molekül  Reduktion = Aufnahmen von Elektronen durch ein Molekül Zusammen Redoxreaktionen, bei denen unter Wirkung von Enzymen, Moleküle Elektronen abgeben und andere sie aufnehmen. Das führt zum Umbau! Wichtigstes Energie Transportmolekül: ATP (Adenosin-Trophosphat) und NADH und NADPH Woher kommen die Elektronen?  Photosynthese wandelt Sonnenenergie in chemische Energie um  Photosynthese findet in den Chloroplasten statt  Kraftwerk der Zelle  in den Chloroplasten werden beide Welten (Boden H2O und Atmosphäre CO2) verbunden

2.3.2 PHOTOSYNTHESE UND ZELLATMUNG Der bei der Photosynthese erzeugte Zucker gelangt in die Mitochondrien und wird dort zu ATP veratmet. Das ATP wird von der Zelle als Energiewährung für alle notwendigen Zellprozesse verwendet. Die Elektronen werden durch die Wirkung von Licht von den Chlorophyll-Molekülen freigesetzt. Das Chlorophyll Molekül ist die „Solarzelle“. Die Chlorophyll-Moleküle sind in die Membran des Granums eingebettet. Sie erzeugen aus Licht ein Elektron und geben es an das Innere des Granums weiter.

Um das Elektron zu erzeugen absorbiert das Chlorophyll-Molekül Licht. Hier ist gezeigt, dass Licht verschiedener Wellenlängen unterschiedlich stark absorbiert wird. Blau und Rot wird stark absorbiert, grün wird reflektiert.  Blätter mit Chlorophyll sehen grün aus.  Blaues und rotes Licht erzeugt Elektronen. Die Elektronen werden von Enzymen benutzt, um Zucker aufzubauen

Pflanzen haben zwei Wege entwickelt, mit CO2 umzugehen: 1.

C3 Prozess: C3- Pflanzen benutzen allein den Calvin Zyklus, um aus CO2 und H2O Glucose zu erzeugen

2.

C4-Prozess: C4-Pflanzen speichern CO2 in den Mesophyll Zellen in Molekülen mit 4 C-Atomen und geben sie dann an den Calvin Zyklus ab. Er findet dort in den sogenannten Bündelscheidenzellen statt. Vorteil: Die C4-Pflanzen sind unabhängiger vom CO2 Gehalt der Atmosphäre

Der Photosynthese Prozess hängt in seiner Geschwindigkeit von Umweltfaktoren ab:  Menge an absorbiertem Licht  Temperatur  CO2 Konzentration

 C4 Pflanzen sind effizienter als C3 Pflanzen.

2.4 WOVON LEBEN WIR?  von Produkten der Photosynthese! C3: Weizen, Gerste, Zuckerrübe, Baumwolle, Reis C4: Mais, Zuckerrohr, Hirse

Die Nutzpflanzen wurden durch Züchtung ständig verbessert:  Mehr Ertrag  Widerstandsfähigkeit gegen Krankheiten  Trockenresistenz  Vielfalt  Künstliche Zuchtwahl hat zu großer Variabilität der Pflanzen geführt Pflanzen entwickelten sich. Die Entwicklung folgt einem genetisch definierten phänologischem Zyklus:  Einjährige Nutzpflanzen (Mais, Getreide, Zuckerrübe…)  Zweijährige Nutzpflanzen (z.B Fingerhut, blüht im zweiten Jahr)  Mehrjährige Nutzpflanzen (Bäume) Die phänologische Entwicklung einer einjährigen Pflanze wird mit dem BBCH-Code festgestellt (0-100) 0-9 Keimung  10-19 Blattentwicklung  20-29 Bestockung  30-39 Schossen  40-49 Ährenschwellen  50-59 Ährenschieben  60-69 Blüte  70-79 Fruchtentwicklung  80-89 Samenreife  90-99 Absterben

2.5 TERRISTISCHE LEBENS- UND NATURRÄUME …auf der gesamten Erde lassen sich aber z.B auch basierend auf Vegetationseinheiten in verschiedenen Ökozonen untergliedern…  Auch die Verteilung der Nutzpflanzen ist von Standortfaktoren abhängig  Allerdings sind diese vom Menschen stark überprägt  Standortfaktoren spielen also eine zentrale Rolle bei der Verteilung der Vegetation, da sie die abiotischen bzw. biotischen Bestandteile eines Ökosystems und die von ihnen ausgehenden Wirkungen auf die Lebewesen bestimmen.   

Unter den menschlichen Einflüssen können sich Standortfaktoren auch in relativ kurzer Zeit räumlich und zeitlich verändern. Besonders die Auswirkungen des Klimawandels können einen starken Einfluss auf die Standortfaktoren haben. Standortfaktoren wie Wasser und Nährstoffe (N, P, C,…) werden unmittelbar durch die beteiligte Stoffkreisläufe gesteuert. Eine Veränderung in den Stoffkreisläufen, hat in der Regel eine Veränderung der Standortfaktoren zur Folge....