Transcript Umwelt der Organismen

Ökologie
Wolfgang Nentwig
Spektrum Verlag
(Heidelberg)
2007
25 € / 41 CHF
Seitenangaben
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(Leistungseinheiten)
Gliederung
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Einführung
Organismen (Autökologie)
Populationen (Populationsökologie)
Wechselwirkungen zwischen Arten (Synökologie)
Lebensgemeinschaft (Synökologie)
Einführung (Wiederholung)
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Definition Ökologie
ökologische Nische als zentraler Begriff
effizientes Verhalten von Organismen
physiologisches Optimum
Überlappung von Nischen / Konkurrenz
Nischenbreite / Einnischung
8
fundamentale vs. realisierte Nische
39
Einnischung ist…
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•
Spezialisierung / adaptive Radiation
Prozess in der Zeit (Evolution)
fördert Artbildung
schöne Beispiele: Blütenökologie,
Kleidervögel Hawaii,
Darwinfinken Galapagos
• führt zu Konvergenz
40-43
Einnischung und Artenzahl
Lebensraum
Gemässigte Zone
Tropenwald
Alter (Jahre)
10.000
> 100.000
Pflanzenarten regional
einige 100
einige 1000
global
einige 10.000
einige 100.000
regional
einige 1000
einige 100.000
global
einige 100.000
10 Millionen
10.000
> 100.000
Tierarten
Alter (Jahre)
Einnischung in unterschiedlich alten Lebensräumen
Einnischung an Pflanzen potenziert Artenzahl
Faustregel “pro Pflanzenart 10 Tierarten”
4-7
1.2 Umwelt der Organismen
Faktor
euryök – breites Optimum
stenök – enges Optimum
passiv
Anpassung
Vermeidung
Regulation
Strategien
Organismus
aktiv
8
•
•
•
•
Temperatur: wichtigster Faktor (1. Jahr)
homoiotherm: Regelung der Temperatur
poikilotherm: keine Regelung / Toleranz
weitere wichtige Faktoren
– Licht – Strahlung (phot)
– Feuer (pyrrho)
– Wasser (hydr, osmotisch)
– biogene Elemente / Luft
– Boden
– usw.
8
1.2.2 Einstrahlung und Photosynthese
Spektrale Zusammensetzung
• Einstrahlung
• Abstrahlung / Reflexion
• Transmission
• Absorption
• Albedo
R
E
A
A
T
9
Strahlungsqualität
• nimmt in Vegetation ab (dunkle Wälder)
– Licht- und Schattenarten
– Licht- und Schattenblätter
• nimmt mit Wassertiefe ab
– 10 m absorbieren 90 % 600-700 nm ROT
– 60 m absorbieren 90 % 500 nm GRÜN
• in 50 – 150 m Wassertiefe weder
Farbsehen noch Photosynthese
10
Ökosystemare Konsequenzen
pflanzliche Primärproduktion PPP
• global sehr unterschiedlich
• Energieeffizienz gering
• 1-2 % (10-20 % Photovoltaik)
218
217
Eingestrahlte Energie bestimmt
•
•
•
•
•
Wasserhaushalt
Pflanzengesellschaft
Variationsmuster
globale Dimension
→ Biodiversität (Makroökologie, Kap.4)
Tiere und Licht?
heterotroph, aber 3 wichtige Bereiche:
1. Physiologisch
7-D-hydro-cholesterol
kurzwelliges Licht / Haut
Cholecalciferol (Vitamin D3)
Wirbeltiere: Rachitis, Calciumstoffwechsel
10
2. Orientierung im Raum
• optisch
• Schlupf vieler Wasserinsekten
– weniger optisch jagende Feinde
– höhere Luftfeuchigkeit
(Cuticulaaushärtung)
– reduzierte Transpiration
• Schwarmzusammenhalt
3. Orientierung in der Zeit
•
•
•
•
Chronobiologie
biochemische Prozesse triggern Biorhythmik
Gene / Proteinbiosynthese / Kryptochrome
Schrittmacherzentren (Insekten optische Loben,
Mollusken Retina, Vertebraten Epiphyse)
• circadiane Rhythmik (24 h)
• Licht als Zeitgeber (Tageszeit, Jahreszeit)
10
W
S
• Jahresperiodik (2 Generationen,
Saisondimorphismus)
• Sommerform (Puppe kurzlebig,adult bei
abnehmender Temperatur und Tageslänge,
dunkel gefärbt)
• Winterform (Puppe langlebig, adult bei zunehmender
Temperatur und Tageslänge, hell gefärbt)
• Wahrnehmung Tageslänge Licht + Temperatur
10
1.2.4 Feuer
typische feuergeprägte Lebensräume:
mediterrane Hartlaubvegetation
regelmässige Feuer verhindern dichte waldartige
Vegetation
251
247
Korkeichenwald Korsika
Chaparral Kalifornien
Feuer ebenfalls häufig
• Steppen
• Savannen
• Tundra
• Taiga
• Kiefernwälder
• Eukalyptuswälder
249 ff
15
• natürliche Ursachen (Blitze)
• weltweit verbreitet / in vielen Lebensräumen
• Gradient der Temperatur
- 300 – 700°C im Feuer
- Streuauflage 100°C
- 5 – 10 cm im Boden: kaum Erhöhung
- neben heissen immer kalte Bereiche
- d.h. Schutzmöglichkeit / Überleben
• Mineralisierung toter Biomasse
- ersetzt / beschleunigt biotischen Abbau
15
Anpassungsmöglichkeiten Pflanzen
• Korkeiche Quercus suber: Kork
• Eucalyptus: Rinde
• Pinus banksiana: Zapfen
• Erneuerungsknospen im Boden
(Geophyten)
• Samen in der Erde (Therophyten)
• Regenerationsfähigkeit aus Wurzeln
→ Pyrrhophyten
15/101
Anpassungsmöglichkeiten Tiere
• Vermeiden:
Flucht
Eingraben
• Nutzung frisch gebrannter Flächen:
Melanophila acuminata (Buprestidae)
Schwarze Kiefernprachtkäfer
Infrarotsensoren
15
Problem
• Feuer = Sukzessionsbremse
• Feuerverhinderung
– Anhäufung von Biomasse
– weniger, aber heftigere Feuer
– Schutzgebiete verwalden
• Konflikt mit Mensch
– Waldnutzung
– Siedlungen
• Lösung: kontrolliertes Brennen
(fire management, fire ecology)
1.2.5 Wasser als Ressource
Organismen 70 % Wasser
226
Wasserhaushalt von Organismen
•
•
•
•
•
Verfügbarkeit von Wasser für Organismus
Wasseraufnahme, -transport, -speicher, -abgabe
Pflanzen: Evapotranspiration
Boden speichert elektrostatisch und kapillar
Feldkapazität = max. Füllungsgrad mittlerer
Bodenporen
17, 31
Regulation
• osmotisch wirksame Stoffe
in Zellen
• → osmotischer Druck
• → Osmoregulation
• Kontrolle innen / aussen
• Ionenkanäle / -pumpen
• ATP-Verbrauch, ionenselektiv
• z.T. Art der Ionen unwichtig, Ladungen!
• Gesamtkonzentration wichtig
17
mit Regulation
innen konstant
homoiosmotisch
keine Regulation
tolerant
innen = aussen
poikilosmotisch
19
mg kg-1
Meerwasser
Süsswasser
poikilohydre Organismen
• Blaualgen / Algen
• Pilze, Flechten, zT Moose
• Dauereier von Kleinkrebsen
• aride Lebensräume
homoiohydre Organismen
• Zentralvakuole der Pflanzen
• Cuticula, Spaltöffnungen
• Wurzeln
• kontrollierte Aufnahme, -abgabe
von Wasser
35 ‰ 3 ‰
Blut 9 ‰
18
poikilohydre Flechte
Ramalina maciformis
35
Höhere Pflanzen
- cuticuläre Transpiration
- stömatäre Transpiration
- enge Kopplung mit PS
- Dilemma Verhungern /
Verdursten
- diverse PS-Strategien
21
Unterschiede bezüglich
• Lebensraum
• taxonomische Gruppen
• Physiologie / Morphologie
26
Ökologische Anpassungen
• Epiphyten (Bromelien, Orchideen)
• Xerophyten (aride Lebensräume)
• Sukkulenz (Konvergenz!)
• Hydrophyten (Staunässe)
• Halophyten (Mangroven)
21/22
Tiere
- Integument
- Atmung
Insekten Tracheensystem
Landcrustaceen Kiemen in Körperhöhlen
Sommerschlaf, Nachtaktivität, Eingraben
Wasserrückgewinnungsmechanismen
- Exkretion (Aminosäureabbau!)
Ammoniak (wasserlöslich) Wassertiere
Harnstoff (weniger Wasser) Säugetiere
Harnsäure (kristallin) Reptilien, Vögel
- Oxidationswasser (100 g Fett = 107 g H2O)
22/23
1.2.6 Biogene Elemente
H2O und Kohlenstoff, N, P, S
Chlorophyll a
Makronährstoffe Ca, K, Mg, Na, Cl
Mikronährstoffe / Spurenelemente
Photosynthese: Mn, Fe, Cu, Zn, Va, Mg
N-Stoffwechsel: Mn, Fe, Cu, B, Co, Mo
Hämoglobin Fe
Hämocyanin Cu
Thyroxin J
Zähne, Knochen F
spezielle Enzyme mit Ni, Se
Hämoglobin
Thyroxin
23
24
Kohlenstoff / CO2
• Photosynthese (s.o.)
• schwerer als Luft
• für Pflanzen potentiell
limitierend (Gewächshaus!)
• hohe Konzentrationen am
Boden, in Erdlöchern
• Bodenarthropoden sind oft
CO2-tolerant
25
Sauerstoff
• 21 %, meist nicht limitierend
• in grosser Höhe O2-Partialdruck ↓
(40 % 5000 m)
• Wasserkörper: Diffusion
• spezifische Atmungsorgane
• staunasser Boden: Anpassungen
(Rhizophoren)
27
Silicium
• 2. häufigstes Element der
Erdkruste
• wenig benötigt
• 4wertig wie C, reaktionsträge
• wichtig für Kieselalgen
• Poaceae Herbivorenschutz
30
• 23 Elemente plus Strontium plus ….
• etwa 30 von 89 stabilen Elementen biogen
• einige definitiv nicht essentiell
( z.B. Hg, Pb, Cd)
30
1.2.7 Boden als Ressource
Temperatur
Niederschlag
Klima
Gestein
Bodentyp
Vegetation
Verwitterung
30
C Ausgangsgestein
Rohboden: A Mineralhorizont
(Hochgebirge)
Ranker: +h humusangereichert
(Steppenböden Osteuropas)
Braunerde: + Bv verwitterter
Mineralhorizont, häufigster
Boden Mitteleuropas
Parabraunerde: Tonauswaschung
Al → Bt
Pseudogley: S Stauwasser
w-d Wasserstau
Gley: G Grundwasser
o-r oxidierend/reduzierend
31
KAK gering --- mittel -- hoch
- Verwitterung von
Tonmineralien
- verschiedene Bodenstruktur
- Kationenaustauschkapazität
- zu Ende verwitterte tropische
Böden
32
Bodenfruchtbarkeit
• organische Auflage des Bodens: Streu
• Humus: organische Anteile des Bodens
(Pflanzen- und Tierreste)
• C : N Verhältnis wichtig für Abbaubarkeit
• Huminstoffe (stabile Komplexe organischer Stoffe)
• Wie viele / welche Nährstoffe sind im Boden?
• N, P, … entscheidend für Produktivität
32
Verwitterungsintensität
Europa
Tropen
Niederschlag (mm)
Jahrestemperatur (°C)
< 1000
10
mind. 3000
25 – 30
Alter (a)
5.000 – 10.000
> 100.000
Tiefe von A
cm – dm - m
mm – cm
Tiefe von B
0.5 – 1 m
10 – 20 m
chemische Verwitterung
hält an
beendet
KAK
mittel – hoch
niedrig
Nährstoffgehalt
hoch
niedrig
Diversität Flora
niedrig
hoch
Diversität Fauna
niedrig
hoch
typische Böden
Braunerde
Laterosole (Roterde,
Laterite, Fe, Al)
Serpentinböden
•
•
•
•
•
•
Serpentin [Mg,Fe,Ni,Co,Cr]6Si4O10(OH)8
CH: Davos, Zermatt
nur durch Spezialisten besiedelbar
Serpentingrasnelke Armeria maritima serpentini
Galmai-Veilchen Viola calaminaria
Serpentin-Streifenfarne Asplenium
33
Kalkböden
• weit verbreitet (Kalkalpen)
• essentiell für einige
– Arthropoden: Isopoden, Diplopoden
– Mollusken: Gastropoden
• Konsequenzen für Tiergemeinschaft
– Buntsandstein, Granit
– andere Destruentengilden