VL 2: Tiere, Interaktionen und Lebensgemeinschaften PDF

BSc Biologie Tiere, Interaktionen und Lebensgemeinschaften VL2 Abiotik Teil 2: Wasser Anne-Christine Mupepele  Inhalte der Ökologievorlesungen VL 1+2 VL 1 Abiotische Organismus...

BSc Biologie Tiere, Interaktionen und Lebensgemeinschaften VL2 Abiotik Teil 2: Wasser Anne-Christine Mupepele  Inhalte der Ökologievorlesungen VL 1+2 VL 1 Abiotische Organismus Umweltbedingungen VL 7+8 VL 4+5 Interspezifische Intraspezifische Interaktion Interaktion VL 3 Organismen und Population VL 9+10+11 Lebensgemeinschaften VL 12 Ökosysteme + Biome Created by Biorender 2  VL2 Abiotik Teil 2 Organismus und Abiotische Umweltbedingungen § Organismus - Toleranzbereich - Nische - Strategien § Umweltfaktoren - Sonneneinstrahlung - Temperatur - Feuer - Wasser und Salinität - Boden - Biogene Elemente 3  VL2 Abiotik Teil 2 Abiotische Umweltbedingungen § Umweltfaktoren - Sonneneinstrahlung - Temperatur - Feuer - Wasser und Salinität - Boden - Biogene Elemente (teilweise auch als Ressource zu bezeichnen) 4  VL2 Abiotik Teil 2 Umweltfaktor: Wasser Was macht Wasser so besonders? § Molekülstruktur § Siede und Gefrierpunkt unter normalen Bedingungen auf Erde § Dichteanomalie: Höchste Dichte bei 4°C § Sehr hohe spezifische Wärmekapazität (4,18 kJ/kg* K bei 20°C) - d.h. ein guter Wärmespeicher – Wasserkörper mildern Klima - Verdampfungsenthalpie & Kondensationsenthalpie (hoch H2 Brücken) § Relative große Wärmeleitfähigkeit (für Flüssigkeit) § Hohe Oberflächenspannung § Liegt in der Regel immer mit gelösten Salzen vor https://www.msa-berlin.de/chemie/wasser/ Bedeutung für Tiere und Pflanzen? 5  VL2 Abiotik Teil 2 Wasser im Organismus Wasser im Organismus: Lebewesen besteht zu 70-80% aus Wasser § Was spielt Wasser für eine Rolle im Organismus? - In Zellen: Konsitutionswasser (in chemischer Bindung) vor und als Hydratationswasser (Wasser mit gelösten Ionen/Salzen) - Beim Stoffwechsel: Photosynthese und Atmung als Metabolit - Temperaturregulation - Transpiration § Wasseraufnahme über Nahrung und Trinken, bei Mikroorganismen über Diffusion/über Außenmembran Wasserabgabe – Ausscheidung Formen der Stickstoff Ausscheidung Nachteil Ammoniak in viel Wasser gelöst 6  VL2 Abiotik Teil 2 Wasser im Organismus Regulation Wasserhaushalt eines Organismus: § Osmose= Fluss von Teilchen durch semipermeable Membran (z.B. Zellwand) Wasser fließt durch, gelöste Salze nicht § Osmotisch wirksame Stoffe: z.B. Kohlenhydrate, Ionen è Osmotischer Druck: Zelle Osmoregulation (Zelle ist dazu fähig) homoioosmotisch (Ionenkanäle, Wasser durch Membran) https://studyflix.de/biologie/osmose-einfach-erklart-4095 7  VL2 Abiotik Teil 2 Osmoregulation Poikiloosmotisch z.B. Osmoregulation bei verschiedenen Meeresorganismen Asterias rubens (Seestern) By © Hans Hillewaert, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3 64648 Homoioosmotisch: z.B. Conger oceanicus (Aal) By SEFSC Pascagoula Laboratory; Collection of Brandi Noble, NOAA/NMFS/SEFSC - NOAA Photo Library, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=131297 31 8  VL2 Abiotik Teil 2 Umgebungswasser Wasser als Teil des Lebensraums Wenig -> Trockenstress Viel -> Staunässe oder aquatischer Lebensraum www.fotocommunity.de www.bernau-schwarzwald.e 9  VL2 Abiotik Teil 2 Wasser - Aquatischer Lebensraum Anpassungen an Leben im Wasser § Wasser ist dicht (bis 800 mal dichter als Luft) -> Treiben, schwaches oder kein Skelett nötig § Stromlinienförmige Fortbewegung um trotz Viskosität im Wasser schnell zu sein Beispiel: Buckelwal § Anpassung der Körperform – stromlinienförmig § Fett gegen Temperaturverlust trotz höherer Wärmeleitfähigkeit von Wasser als Luft § Atemloch an Rücken – verbunden mit der physiologischen Anpassung (können Lungen doppelt so schnell wie Mensch füllen, trotz © jooinn.com größerem Volumen) § Mund mit Barten und Wasserabfluss § Flossen (Flipper und Fluke) zur Fortbewegung Smithonian Institute https://youtu.be/iq63QW8g7jI 10  VL2 Abiotik Teil 2 Anpassung an Salz und Süßwasser § Umgebungssalzgehalt>Zellulärer Salzgehalt -> Wassereinfluss und Platzen § Umgebungssalzgehalt Wasserverlust und Kollabieren § Anpassungen an Salzwasser: z.B. Fische scheiden wenig Wasser aus https://www.abiweb.de/biologie-oekologie/was-ist-oekologie-grundlegende-regeln-im-haushaltsspiel-der-natur/einfluss-abiotischer-faktoren/einfluss-von-wasser-und- 11 ionenverfuegbarkeit-auf-pflanzen/osmoregulation-meerestiere-suesswassertiere-landtiere.html  VL2 Abiotik Teil 2 Anpassung an Brackwasser § Anpassung an Brackwasser, i.d.R. großer Salinitätstoleranzbereich § Schiffsbohrwurm (Teredo navalis, Bivalva) - Mit Wohnkalkröhre, die während Süßwasserfahrt verschlossen werden kann § Süßwassergarnele, Macrobrachium nipponense - in einem Experiment unter hypertonischen Stress gesetzt (also in Salzwasser) - In Kiemen sind Gene, die and Osmoregulation beteiligt sind, v.a. Ionen Transport viel stärker exprimiert, wenn Salinität steigt (see Jin et al. 2022, Xue et al. ) Von United States Geological Survey - USGS websiteEnglish Wikipedia (uploaded by Hadal), Gemeinfrei, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=385807 user:salamander724 12  VL2 Abiotik Teil 2 Anpassung an temporäre Überflutungen § Lungenfisch (Protopterus annectens) § Austrocknende Seen -> vergräbt sich in Schlamm - Schaum bildet einen Kokon gegen Austrocknung - Lungenatmung - Verdaut Schwanzmuskeln während Überdauerung National Geographic https://www.youtube.com/watch?v=dgXuuMlZRqs 13  VL2 Abiotik Teil 2 Wasser - Trockenstress § Anpassungen and Trockenstress - Reduktion des Wasserverlustes: „trockener“ Urin und Kot - Geringer Wasserbedarf, metabolisches Wasser (z.B. H2O-Gewinnung durch Abbau von Fett) - Ertragen einer gewissen Austrocknung - Pflanzen: Wasseraufnahme auch aus sehr tiefen Bodenschichten durch tiefe Wurzeln 14  VL2 Abiotik Teil 2 Anpassung an Trockenstress Pflanzen poikilohydre Pflanze – wechselfeucht ‘Auferstehungspflanze’ Farrant, J.M. (2000). Plant Ecol., 151, 29 15  VL2 Abiotik Teil 2 Anpassung Trockenstress Pflanzen Photosynthese: § C3 Pflanzen -> CO2 Fixierung ohne räuml. Trennung von Calvin-Zyklus Photorespiration findet vermehrt statt § C4 Pflanzen -> CO2 Fixierung von Calvin-Zyklus räumlich getrennt-> effizientere Energieausbeute § CAM -> CO2 Fixierung von Calvin-Zyklus räumlich und zeitlich getrennt-> Vermeidung von Wasserverlust, da Stomata tagsüber geschlossen bleiben können (nachts geöffnet und CO2 aus Luft fixiert) Nentwig et al. 2017 Ökologie kompakt, S.26 16  Anpassung Trockenstress Pflanzen § C3 Pflanzen, die meisten. Auch Nutzpflanzen wie Weizen § C4 Pflanzen (~2 % aller Pflanzenarten) - vielen Grasartige (Mais, Zuckerrohr, Hirsen) - Keine Bäume § CAM Pflanzen (~3% aller Pflanzenarten) - Crassulaceae (Dickblattgewächse) Bildquellen: Agrarheute.de Darkone CC BY-SA 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=237628 17  VL2 Abiotik Teil 2 Anpassung an Trockenstress bei Tieren § Isolation, Vermeidung, z.B. Schneckenhaus zu mit Kalkdeckelverschluss § Insekten verschließen Stigma ihres Tracheensystems mit einem eigenen Schließmuskel § Kängururatte (Dipodomys sp) – - Metabolisches Wasser –> können von trockenen Pflanzenteilen leben - Ausatemluft wird durch langen Weg gekühlt -> Wasser verbleibt im Körper 18  VL2 Abiotik Teil 2 Einfluss Trockenheit auf Wiederkäuer Bsp Schaf 1. Verhalten: reduziert Bewegung und Fresszeit, nimmt ab 2. Niere: höhere Urinkonzentration 3. Magen: Verdauung wird reduziert 4. Körpertemperatur sinkt – reduziert den Wasserverlust 5. Lunge: Atmung verringert 6. Metabolismus runtergefahren 7. Mehr Hämoglobin -> bessere O2 Effizienz Perez et al. 2023 19  VL2 Abiotik Teil 2 Anpassung an Trockenstress bei Tieren 50 häufigste Bienenarten und Körpergewicht deren Abundanz über die Zeit (community-weighted è bleibt konstant, aber, es gibt mean (CWM) body mass ‘Winners and Losers’ (Abb. A steigt mit Trockenheit oben) Kazenel et al. 2024 Nature doi:10.1038/s41586-024-07241-2 20 Aktuelle Forschung in AG Tierökologie 60°C for 48h Daily checking for emergence Dry weight (mg) 3 Fridges (Example) & Cold (2°C) Head width (mm) -> -3°C of monthly average Medium (5°C) !"# %&'()* (,() BMI = -> monthly average - 70°C for 12h (.&/0 %'0*) (,,))! Warm (8°C) -> +3°C of monthly average Created with biorender Untersuchung von Temperaturstress auf Colletes cunicularius (MSc Arbeit 2024), Untersuchung von Wasserstress auf Colletes cunicularius (BSc Arbeit 2025) 21  VL2 Abiotik Teil 2 Trockenstress in Interaktionen Einfluss von Wasser auf Pflanzen Indirekter Einfluss von Wasser Rankin et al. 2020 J Insect Sci 20(5):15 auf Bienen 22  VL2 Abiotik Teil 2 Boden § Verschiedene Schichten - A-Horizont (Humushorizont) - B-Horizont (Mineralhorizont – verwittertes Gestein) - C-Horizont (Ausgangsgestein) § Humushorizont (A-Horizont) - Hoher Nährstoffreichtum durch Pflanzen und Tierteile, die zersetzt werden durch Destruenten 24  VL2 Abiotik Teil 2 Anpassungen an den Boden Pflanzen § Pflanzen: Anpassung an Nährstoffreichtum in Humusschicht und deren Dicke - Pflanzen auf nährstoffreichen Böden, z.B. Klee (Trifolium reptans) und Dt. Weidelgras (Lolium perenne) - Pflanzen auf nährstoffarmen Böden (Magerrasen), z.B. Thymian (Thymus vulgaris) und Borstgras (Nardus stricta) - Schwermetalltoleranz auf Schwermetallböden, z.B. Serpentingrasnelke (Ameria maritima serpentini) oder (Asplenium cuneifolium) 25  VL2 Abiotik Teil 2 Biogene Elemente HOC § Für Aminosäure, Kohlenhydrate, Lipide (=Lebensgrundbausteine) § v.a. Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O), plus wenig N, Phosphor, Schwefel § Makronährstoffe: Magnesium, Natrium, Calcium, Kalium und Chlor – machen nur 0.1% der organischen Substanz aus, sind aber zentral für Ionentransport, Osmoregulation und Nervensystem Nentwig et al. 2017 Ökologie kompakt, S.74 26  VL2 Abiotik Teil 2 Kohlenstoff und Sauerstoff HOC § Kohlenstoff C – Grundlage aller organischen Moleküle Zucker (Saccharose) § O2 generell nicht limitierend, außer in Höhenlage (Sauerstoff Partialdruck nimmt ab) -> Lamas und Vikunjas: Anpassung durch mehr Erythrocyten* im Blut § Hämoglobin als O2 Transportmittel Von NEUROtiker - Eigenes Werk, * Erythrocyten (rote Blutkörperchen) bestehen zum Großteil aus Gemeinfrei, https://commons.wikimedia.org/ Hämoglobin, die für O2 Transport zuständig sind w/index.php?curid=2951918 27  VL2 Abiotik Teil 2 Sauerstoff – im Wasser HOC Im Wasser ist O2 eher limitierend § Atmung über Körperoberfläche (Amphibien), Kiemen (Fische) oder mit Luftblase in die Sauerstoff nachdiffundiert (Wasserspinne, Argyroneta aquatica) § Anpassung: tauchende Luftatmer (z.B. Wale) - Absorbieren und speichern O2 besser: hohe Erythrocytenkonzentration, hohe Myoglobin Konzentration in Muskeln (intramuskulärer Sauerstofftransport) -> Sauerstoffspeicher in Muskeln - Reduzierter Verbrauch durch reduzierten Herzschlag, z.B. Seeelephant (Mirounga angustirostris) reduziert Herzschlag beim Tauchen von 85 auf 12 Schläge pro Minute - Reduzierter Blutfluss und Verbrauch in nicht essentiellen Organen wie Extremitäten und Magen. 28  VL2 Abiotik Teil 2 Stickstoff und Phosphor HOC Stickstoff § Wird für den Bau von Aminosäuren und DNA benötigt § Pflanzenwachstum – oft der limitierende Faktor, deshalb wird gedüngt in der Landwirtschaft/Anbau § Stickstoff ist in der Luft verfügbar liegt als N2 vor § Mikroorganismen, z.B. Knöllchenbakterien und Cyanobakterien können Luftstickstoff N2 fixieren § Organisch (d.h. mit Kohlenstoff C) oder anorganisch als Ammoniak (NH3), Nitrat (NO3), Nitrit (NO2) 29 Wrap - up § Wasser ein besonderes Molekül § Anpassung an Lebensraum Wasser § Anpassung an Trockenstress § Boden liegt in verschiedenen Horizonten vor, Humusschicht und deren Nährstoffreichtum ist oft entscheidend für Pflanzenvorkommen § Biogene Elemente: Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor 30