VL 1 PDF - BSc Biologie - Uni Marburg, WiSe 2024/25

BSc Biologie Tiere, Interaktionen und Lebensgemeinschaften Teil: Ökologievorlesungen Anne-Christine Mupepele Uni Marburg, WiSe 2024/25  Inhalte der Ökologievorlesungen VL 1+2 VL 1 Abiotische...

BSc Biologie Tiere, Interaktionen und Lebensgemeinschaften Teil: Ökologievorlesungen Anne-Christine Mupepele Uni Marburg, WiSe 2024/25  Inhalte der Ökologievorlesungen VL 1+2 VL 1 Abiotische Organismus Umweltbedingungen VL 7+8 VL 4+5 Intraspezifische Interspezifische Interaktion Interaktion VL 3 Organismen und Population VL 9+10+11 Lebensgemeinschaften VL 12 Ökosysteme + Biome Created by Biorender 2  Termine Ökologievorlesungen 2024/25 * Vorlesung Datum VL* Thema Mo 02.12. 1 Organismen und abiotische Umweltbedingungen I - Temperatur Fr 06.12 2 Organismen und abiotische Umweltbedingungen II– Wasser Mo 09.12. 3 Populationen und Intraspezifische Interaktionen (innerhalb einer Art) I Fr 13.12. 4 Populationen und Intraspezifische Interaktionen (innerhalb einer Art) II Mo 16.12. 5 Populationen und Intraspezifische Interaktionen (innerhalb einer Art) III Fr 20.12. 6 Wiederholung mit Übungsmaterial – digital Mo 13.01. 7 Interspezifische Interaktionen I - Julie Sheard Fr 17.01. 8 Interspezifische Interaktionen II - Julie Sheard Mo 20.01. 9 Lebensgemeinschaften Teil 1 Fr 24.01. 10 Lebensgemeinschaften Teil 2 Mo 27.01. 11 Lebensgemeinschaften Teil 3 Fr 31.01. 12 Ökosysteme und Großlebensräume/Biome Mo 03.02. 13 Tiere, Interaktionen - aktuelle Forschungsbeispiele Fr 07.02. 14 Lebensgemeinschaften - aktuelle Forschungsbeispiele Mo 10.02. 15 Zusammenfassung/Wiederholung Fr 14.02 16 Vorbereitung Klausur -> Übungsfragen besprechen Fr 21.02. Klausur 3  Inhalte Basismodul Ökologie (reminder) § 1. Organismen § 4. Lebensgemeinschaften § 1.1. Definition Ökologie § 4.1. Struktur und Klassifikation von Lebensgemeinschaften § 1.2. Eigenschaften von Organismen und Individuen § 4.1.1. Abundanzverteilung § 1.3. Artendefinition / Phänotyp, Genotyp und Ökotyp § 4.1.2. Diversität § 1.4. Konvergenzen § 4.1.3. Funktionelle Diversität § 1.5. Umwelt der Organismen § 4.2. Ökologische Prozesse in Lebensgemeinschaften § 1.5.1. Einstrahlung § 4.2.1. Arten-Flächen Beziehungen § 1.5.2. Temperatur (Ecto- und Endotherme) § 4.2.2. Neutrale Theorie von Hubbel § 1.5.3. Feuer § 4.2.3. Inselbiogeographie § 1.5.4. Wasser § 4.3. Sukzessionen von Gemeinschaften § 1.6. Nischen § 5. Ökosysteme und Biome § 2. Populationen § 5.1. Energieflüsse § 2.1. Definition von Populationen und Metapopulationen § 5.2. Primärproduktivität § 2.2. Populationsgröße § 5.3. Effizienz des Energietransfers § 2.3. Populationswachstum § 5.4. Biochemische Prozesse § 2.4. Altersstruktur und Lebenstafeln § 5.5. Die Biome der Erde § 2.5. Metapopulationen § 2.6. Areale § 2.7. Intraspezifische Konkurrenz / ideal freie Verteilung § 3. Interaktionen § 3.1. Trophische Ebenen § 3.2. Wechselwirkungen / Interaktionen § 3.2.1. Prädation § 3.2.2. Parasitismus § 3.2.3. Antagonismus (z.B. Herbivory) § 3.2.4. Mutualismus § 3.2.5. Interspezifische Konkurrenz § 3.2.6. Kommensalismus / Amensalismus 4 Ziele der Vorlesung § Vertiefung und Erweiterung des Wissens aus den Basismodulen § Ökologisches Verständnis über Interaktionen von Tieren mit der belebten (biotischen) und unbelebten (abiotischen) Umwelt § Beispiele aus und Reflektionen zu angewandter Forschung 5 Ökologievorlesung - Klausur § Klausur am 21. Februar 2025 § Zu lernen für den Ökologieteil: - Inhalte der Vorlesungen Kursfolien nach der Vorlesung auf ILIAS Folien sind nicht alleiniger Lerninhalt! Es wird nichts gefragt, was nicht Teil der Vorlesung war Dennoch starke Empfehlung: Lesen Sie Bücher! Für die Klausur: Fragenkatalog am Ende der VL. - Aber Fragen nicht iden0sch mit Klausurfragen! 6 Bücher 7  BSc Biologie Tiere, Interaktionen und Lebensgemeinschaften VL1 Organismen und abiotische Umweltbedingungen Teil 1 - Temperatur Anne-Christine Mupepele Uni Marburg, Dezember 2024  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 9 Themen und Lernziele heute § Organismen - Toleranzbereich - Nische - Strategien § Abiotische Umweltbedingung - Sonnestrahlung - Temperatur 10  Organismus Physiologische Prozesse wie - Bewegung - Wachstum èEnergieverbrauch èEnergieerwerb Offenes System: steht im offenen Austausch zur Umwelt - Energie, Stoffe und Information werden ausgetauscht interagieren mit - unbelebtem Teil der Natur (abiotisch) – Sonnenstrahlung, Temperatur - belebten Teil Natur (biotisch) – Pflanzen, andere Tiere, Algen, Bakterien 11  Organismen im Toleranzbereich Toleranzbereich: Der Bereich entlang eines Umweltfaktors in dem ein Organismus überleben kann. Organismen sind an ihre Umwelt angepasst durch Morphologie und Physiologie Stress bei Über – oder Unterangebot Toleranz oft in breitem Bereich Optimale Bedingung und Entwicklung aber nur in engem Bereich Nentwig et al. 2017 Ökologie kompakt S.8 12  Organismen im Toleranzbereich Opcmum = Bereich in dem die Art die für sie bestmöglichen Bedingungen vorfindet. Bestmöglich bedeutet die Erzeugung der höchstmöglichen Zahl an Nachkommen (oj gemessen über Proxies wie Enzymakcvicät oder Wachstumsrate) a Optimum mit letalen Extrembedingungen in beide Richtungen b Reaktionskurve für einen Umweltfaktor ohne Wirkung in niedriger Konzentration, bei hoher Konzentration tödlich c Ähnlich (b), aber Umweltfaktor (z.B. Salinität) wird in niedrigen Konzentrationen als Ressource benötigt Begon et al. 2017 Ökologie S.73 13  VL1 Abiotik Teil 1 Organismen im Toleranzbereich Stenök schmaler Optimumbereich Euryök breiter Optimumbereich Nentwig et al. 2017 Ökologie kompakt 14  VL1 Abiotik Teil 1 Exkurs: Griechisch § -phil = „-liebend“; thermophil (wärmeliebend) § -phob = „meidend“; photophob (lichtmeidend) § Eu-/poly- = ‚viel/reich‘; eutroph (nährstoffreich) § Meso- = ‚mittel‘; mesotroph (mittlerer Nährstoffgehalt) § Oligo- = ‚wenig‘; oligothrop (Nährstoffarm) § Steno- = ‚eng‘; stenök (enger Toleranzbereich) © https://de.wikipedia.org/wiki/Ökologische_Potenz 15  Ökologische Nische Nische: Die ökologische Nische ist kein Ort, sondern vielmehr eine abstrakte Vorstellung: eine Zusammenfassung aller Toleranzbereiche und Bedürfnisse eines Lebewesens. Habitat: Ort an dem ein Organismus vorkommt. In einem Habitat koexistieren mehrere Arten, d.h. jedes Habitat bietet mehrere Nischen. Multidimensionaler Raum an Existenzbedingungen George Evelyn Hutchinson 1957 Ecological niche concept § Fundamentale Nische: Summe aller abiotischen Umweltfaktoren im Toleranzbereich eines Organismus § Realisierte Nische: Die fundamentale Nische ergänzt um die biotischen Interaktionen Begon et al. 2017 Ökologie S.110/111 16  Nischen und Toleranzbereiche in der aktuellen Forschung Toleranzbereich (CT = critical thermal maxima) bei stachellosen Bienen By Ken Walker, Museum Nacko et al (2023) https://doi.org/10.1016/j.jtherbio.2023.103671 17  Nischen und Toleranzbereiche in der aktuellen Forschung Ecological Niche Modeling Den drei Hummelarten wird im Rahmen von Klimawandel (drei Szenarien CCSM4…) zukünftig ein kleineres Haibtat zur Verfügung stehen und ihre potentielles Verbreitungsgebiet wird reduziert (rot = Reduktion, grün = Habitatgewinn). Modellierung basiert auf Toleranzbereich mehrerer Umweltfaktoren für einzelne Arten  Martinez-Lopez et al. 2021 doi: 10.1111/gcb.15559 18  Nischen und Toleranzbereiche in der aktuellen Forschung Species distribution model für Megachile sculpturalis (Asiatische Mörtelbiene) Ursprüngliches Vorkommen: Japan Neobiot: Europa, Nordamerika (rot = rezentes Vorkommen, gelb = früheres Vorkommen) Polidori and Sánchez-Fernández (2020) https://doi.org/10.1016/j.gecco.2020.e01365 19  AbioMsche Umweltbedingungen Als abiotische Umweltbedingungen oder Umweltfaktoren (engl. conditions) fasst man physikalisch-chemische Eigenschaften der Umgebung zusammen wie Temperatur, Feuchtigkeit, pH-Wert. Standort = fundamentale Nische = Summe aller Umweltfaktoren = Abiotische Rahmenbedingungen § UmwelUaktoren - Sonneneinstrahlung - Temperatur - Wasser/Feuch0gkeit - Biogene Elemente - Boden Umwelfaktoren können auch durch die Präsenz anderer Organismen verändert werden (z.B. BeschaWung durch Bäume) Umwel&aktoren/Umweltbedingungen: EigenschaXen der Umwelt - können nicht verbraucht werden. Ressourcen: Können verbraucht werden. Begon et al. 2017 Ökologie S.72 20  VL1 Abiock Teil 1 Umweltfaktor: Sonneneinstrahlung 1. Sonneneinstrahlung = zentrale Energiequelle § Absorption der Strahlung bei höheren Pflanzen - v.a. durch die Farbstoffe Chlorophyll a und b - Chlorophyll a absorbiert im blauen Spektralbereich (400–500 nm) - Chlorophyll b absorbiert im roten Spektralbereich (600–700 nm) - keine Absorption im grünen Bereich -> Blätter erscheinen grün - Absorption auch durch Carotinoide und Xanthophylle - bei Algen und Bakterien noch weitere Absorptionspigmente, z.B. Phycobiline -> Photosynthese www.reddit.com 21  VL1 Abiotik Teil 1 Umweltfaktor: Sonneneinstrahlung 2. Farbwahrnehmung wichtig für Orientierung, Partnerwahl und Nahrungsaufnahme - 3 Rezeptoren bei Menschen und Altweltaffen: Blau (420nm), Grün (535nm), Rot (565nm), - 4 Rezeptoren bei Fischen und Vögeln: zusätzlich noch einen im UV Bereich - Insekten: Bienen, blau, grün UV; Tagfalter teilweise auch rot Monarchfalter: Warnung Vögel gijig Fregattvögel: Partnerwahl Sonneneinstrahlung -> Energiequelle -> Photosynthese -> Energiespeicherung (ATP) Sonneneinstrahlung -> Farbsehen/Wahrnehmung 22 www.fotocommunity.de, Duncan Wright - USFWS Hawaiian Islands NWR  VL1 Abiotik Teil 1 Temperatur - Optimum und Extreme § Toleranzbereich ist artspezifisch § Hitze: Anpassung durch Transpiration, Mobilität § Frost: Anpassung (Frostschutz) durch - Unterkühlen (Supercooling) – Abwesenheit von Kristallisationskeimen, bzw. Maskieren von Kristallisationskeimen (Kristallation um Proteine) - Wasserentzug aus Zelle durch Hitze: irreversible Denaturierung von Osmotisch wirksame Substanzen Proteinen – letale Schädigung - Einlagerung von Frostschutzsubstanzen Frost von Wasser in einem Organismus – § Überdauerungsstadien letale Schädigung § Selbstregulation der Temperatur (homoiotherme Organismen) 24  VL1 Abiotik Teil 1 Temperatur - Frost § Problem Frost – Wasser unter 0 –> alle Organismen Wasser § Wasser ‘super cooling’ bis -40°C § Wasser gefriert erst um Nuklei § Eis in Zellen tödlich, Eis extrazellulär kann schützen Begon, Townsend 2021 Ecology, S44 26  VL1 Abiotik Teil 1 Temperatur - Frost § Mountain stone weta (Hemideina maori) § Bis zu 5 Monate pro Jahr [efgefroren § Proteine (v.a. Prolin) schützen vermutlich andere Proteine und Membranen in dem sie Eiskristallbildung verlagern h@ps://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mountain-Stone-Weta- Southern-Alps-Photography.jpg BBC https://www.youtube.com/watch?v=ZT8YswmQuAg 27  VL1 Abiock Teil 1 Frosttoleranz in der aktuellen Forschung Drosophila, die im Vorfeld Trockenstress ausgesetzt wurde, bildet andere Metaboliten, die dafür sorgen, dass sie extremeren Frost überlebt SD6 und SD8 Kontrolle (ohne Trockenstress) Hůla et al. (2022) https://doi.org/10.1098/rspb.2022.0308 28  VL1 Abiotik Teil 1 Temperatur - Strategien Homoiotherm: Selbstregulation (= Stenotherm: meist bei konstanten Endotherme) – Meisten größeren Bedingungen z.B. Bergbäche, tiefer Säugetiere Boden... Poikilotherm: Körpertemperatur ~ Außentemperatur (= Exotherme) – Reptilien, Insekten Nentwig et al. 2017 Ökologie kompakt, S.13 Heterotherm: Mischung - Fledermäuse 29  VL1 Abiotik Teil 1 Temperatur - Strategien Heterothermie (z.B. Fledermäuse); Wechsel zwischen Homoiothermie und Poikilothermie § umso kälter umso mehr Energie nötig für den Erhalt der Körpertemperatur § Winter in Kältelethargie/Torpor zu überdauern (Winterschlaf) § Kleine Tiere brauchen in Relation mehr Energie für Erhalt der Körpertemperatur § Energiebedarf von Säugern und Vögeln hängt von Köpergröße ab. § Theorie: Tier in den kalten Gebieten größer als ihre nahen Verwandten in wärmeren Teilen: Polarfüchse sind größer als Wüstenfüchse è Bergmann‘sche Regel: Größe § Theorie: kleinere energieabstrahlende Körperteile/Extremitäten (kleinere Ohren, kurze Beine..) è Allen‘sche Regel: Proportionen Polarfuchs 30 Wüstenfuchs (Fenek)  VL1 Abiock Teil 1 Temperatur – Anpassungen Homoiothermie (z.B. große Säuger): § Temperatur in Extremitäten niedriger als im Kernbereich (Organe) § Prinzip des Gegenstrom Wärmetauschers 31  VL1 Abiotik Teil 1 Temperatur – Anpassungen Rete Mirable: Wundernetze: Arterien verzweigen sich Gegenstrom-Wärmeaustauscher Haien: Schwimmmuskeln erzeugen Wärme, die durch Wundernetze im Körperkern gehalten wird -> höhere Temperatur als das umgebende Wasser 32  VL1 Abiock Teil 1 Temperatur – Anpassungen 33  VL1 Abiotik Teil 1 UmwelUaktor: Temperatur § Alle physiologischen Vorgänge (Atmung, Verdauung, Wachstum) sind thermisch reguliert § Hohe Temperatur beschleunigt Stoffwechselvorgänge § Entwicklungsrate ist Temperatur abhängig -> Reaktionsgeschwindigkeits-Temperatur-Regel (RGT) - exponentieller Zusammenhang aus chemischer Kinetik 34  VL1 Abiock Teil 1 Umweltfaktor: Temperatur RGT Reak0onsgeschwindigkeits-Temperatur Regel § Exponen0eller Zusammenhang § Faustregel: Verdopplung (bis Vervierfachung) der Reak0onsgeschwindigkeit bei einer Temperaturerhöhung von 10 °C Beispiel: Entwicklung einer Schildwanze (Eurygaster maura, Pentatomidae) bei verschiedenen Temperaturen Braucht nicht eine bestimmte Zeit (z.B. 10 Tage), sondern eine „Temperaturmenge“: z.B. 11 Tage bei 20°C aber nur 4 Tage bei 30°C Nentwig et al. 2017 Ökologie kompakt, S.12 , Begon Townsend Ecology Seite 40 35  VL1 Abiock Teil 1 Der Zusammenhang von Temperatur und Artenreichtum Hummelartenreichtum vor 1900-1974 und nach 2000 - 2014 Soroye et al. 2020 36  VL1 Abiotik Teil 1 UmwelUaktor - Feuer § Regelmäßig natürliche Brände durch Gewitter und Vulkan § Oder: Kulturlandschaft Kaiserstuhl: regelmäßgies Abbrennen, aber immer nur von Teilbereichen und kontrolliert § Naturschutz nötig, wenn natürliches Feuer unterdrückt § In feuergeprägten Lebensräumen: Anpassung an Feuer - Bsp Kanarenkiefer (Pinus canariensis) § Feuer -> Biomasse oberirdisch brennt ab -> Hitze, Reminerlisation beschleunigt - Nährstoffanreicherung § Tiere meiden Feuer durch Flucht, Verstecken unter Borke oder in Boden § Suchen gezielt abgebrannte Stellen z.B. einige Buprestidae mit Infrarotsensoren um verkohltes Holz zu finden, legen Eier in noch heiße Baumstämme in der alle konkurrierenden Arten verbrannt sind -> schnell konkurrenzfreie Totholzernährung für Larven 37 Wrap - up § Organismen interagieren mit unbelebtem Teil der Natur § Interaktion und Anpassung an Umweltfaktoren, z.B. Sonneneinstrahlung, Temperatur (Frost), Feuer § Organismen existieren im Toleranzbereich eines Umweltfaktors mit breitem (euryök) oder schmalem (stenök) Optimumbereich § Nische § Temperatur als abiotischer Umweltfaktor (Frostanpassungen, Hitze) § Reaktionsgeschwindigkeits-Temperatur-Regel (RGT) 38