Biologie (Fach) / Ökologie FU Berlin (Lektion)

WS13/14, alte Stud.-Ordnung, Prof. Dr. Rillig

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• Definition Ökologie Wissenschaftlich wissenschaftliche Erforschung von – Verbreitung und Abundanz von Organismen – die Interaktionen, die obiges bestimmen – Transformation und Fluss von Energie und Materie
• biolog. Ebenen der Ökologie 1. Art, Gattung, Familie etc. 2. Population, Community 3. Ökosystem, Biosphäre
• beobachtende Studie vs. Experiment ökologischer Realismus vs. mechanistische Auflösung -> Studie immer Kompromiss, je breiter das abgedeckte Spektrum, desto besser
• Definition Evolution die Veränderung der erblichen Merkmale einer Population im Laufe der Zeit -> Evolution ist unvermeidbar und beobachtbar in Aktion -> betrifft Art (bzw. Pop.), nicht Individuum
• natürliche Selektion Zahl der Nachfahren eines Individuums hängt u.a. von der Interaktion der Merkmale des Individuums mit der Umwelt ab Variabilität der Individuen einer Pop. z.T. erblich  
• Selektion durch Mensch vs. natürliche Selektion Ziel vorhanden z.B. höhere Erträge, schönerer Schoßhund Natur hat kein Ziel, Evolution findet einfach statt 
• Genetische Drift ein anderer Faktor der Evolution zufällige Veränderung der Allelfrequenz innerhalb eines Genpools (Blitzschlag o.ä.) größerer Einfluss auf kleinere Populationen
• Die 4 Evolutionsmechanismen Gendrift Mutation Natürliche Selektion Migration (gene flow)
• Fitness nicht absoluter sondern relativer Erfolg (Individuum mit größter Anzahl von Nachfahren in Pop.) fitness = (probability of survival) x (average number of seeds produced) nicht evolvierte Perfektion, sondern das beste Verfügbare
• Adaptation (evolutionäre Angepasstheit) (erbliches) Merkmal, das die Fitness eines Individuums gegenüber anderen in der Population erhöht
• Bsp. beobachtbare Evolution: Schnelle Evolution in der Stadt Crepis sancta, innerhalb von 5-12 Generationen keine Windverbreitung der Samen mehr (weil Wachstum am Standort am Wahrscheinlichsten)  
• Bsp. beobachtbare Evolution: Industriemelanismus durch Verschmutzung vermehrtes Vorkommen von schwarzen Birkenspannern (Farbe genetisch bestimmt, bessere Tarnung auf schwarzen Birken)
• Bsp. beobachtbare Evolution: Long-term experimental evolution with bacteria 50.000 Generationen von E. coli alle 75 Tage (500 Generationen) samples eingefroren Fitness wird mit Vorfahren verglichen(Lenski (2011): http://myxo.css.msu.edu/ecoli)
• Waht is Science? "Science is a particular way of knowing about the world" Erklärungen begrenzt auf das, was aus beweisbaren Daten gefolgert werden kann - Ergebnisse von Beobachtungen und Experimenten können von anderen Wissenschaftlern bestätigt werden alles was beobachtet oder gemessen werden kann, ist zugänlich für wissenschaftliche Untersuchung Eklärungen, die nicht auf empirischen Beweisen fußen sind nicht Teil der Wissenschaft Evolution ist nicht kontrovers unter Wissenschaftlern
• Statistische Power Teststärke = Power Power ist die Wahrscheinlichkeit einen tatsächlich vorliegenden Unterschied auch zu erkennen
• P-Werte (p values) die Wahrscheinlichkeit, dass ein Effekt mindestens so groß wie der beobachtete einfach zufällig aufgetreten ist (Irrtumswahrscheinlichkeit) -> in 5% aller Fälle werde ich tatsächlich die falsche Entscheidung fällen… Fehler 1. Art
• Fehler 1. Art Test-Entscheidung: H0 wird abgelehnt – ich entscheide dass es einen Unterschied gibt, aber es gibt in Wirklichkeit keinen wenn gemacht, Erkenntnisse ohne Grundlage durch P-Wert angegeben (5%)
• Fehler 2. Art Test-Entscheidung: H0 wird nicht abgelehnt – es gibt wirklich einen Unterschied, aber ich erkenne ihn nicht nicht-Erkennen negativer Auswirkungen von bsp. schädlichen Substanzen, Faktoren idR. nicht angegeben
• Warum statistische Tests? um anhand von Stichprobe (sample) auf Population rückzuschließen Population --> Sampling - Beprobung --> Sample Population <-- Statistische Inferenz <-- Sample
• Sampling jedes Mitglied der Population hat die gleiche Chance ausgewählt zu werden • geschichtetes Zufallssampling: es werden Schichten definiert und innerhalb derer wird eine Zufallsprobe gewählt • Systematisches sampling
• Replikate Das Objekt auf das eine Behandlung angewandt wird, alle zusammen machen die Stichprobe (sample) Replikate müssen voneinander unabhängig sein!
• Mechanismen der Verbreitung historisch/ evolutionärInteraktionen mit anderen Arten Zufallseffekte Ressourcen Abiotische Faktoren
• Ökologische Nische Wechselwirkungen der Merkmale und Bedürfnisse einer Art mit Umweltfaktoren und Ressourcen  • jedes Habitat kann mehrere Nischen enthalten • beschreibt nicht nur wo, sondern wie ein Organismus lebt Nische als n-dimensionaler HypervolumenZwei Arten mit der gleichen Nische hätten komplett gleiche Eigenschaften und wären identisch
• Nische – Habitat – Biotop • Nische: abstraktes Konzept• Habitat: ein Ort, an dem eine Art/ Population/ Individuum vorkommt• Biotop: räumlich abgrenzbare Einheit eines Ökosystems
• Umweltfaktoren physikalisch-chemische Eigenschaften der Umwelt können durch Organismen verändert werden bsp.: Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Toxine, Wind, pH-Wert, Etc.
• Ressourcen “All things consumed by an organism” (Tilman 1982) verbrauchte Anteile sind für andere Organismen nicht mehr verfügbar  Organismen können daher um Ressourcen konkurrieren Bsp.: Sonnenstrahlung (ca. 400-700 nm) Wasser, Mineralische Nährstoffe, CO2
• Einteilung von Organismen nach Stoff- und Energiewechsel • Energiequelle Licht (photo-)/ chemische Rkt. (chemo-) • Elektronendonor anorganisch (litho-)/ organisch (organo-)• Kohlenstoffquelle anorganisch (auto-)/ organisch (hetero-) Bsp.: Wir: chemoorganoheterotroph Grüne Pflanzen: photolithoautotroph
• Ressourcen Verarmungszonen zwei Prozesse laufen ab:• Substanz wird von Organismen verbraucht • Substanz wird nicht schnell genug nachgeliefert andersrum kann auch zu Anreicherung nicht benötigter Stoffe kommen Bsp.: Phosphat um eine wachsende WurzelSauerstoff in einem BodenaggregatSchatten um einen BaumKohlenstoffdioxid in Baumhöhe
• Mineralische Nährstoffe • Macronutrients: N, P, S, K, Ca, Mg, Fe • Micronutrients: Mn, Zn, Cu, …
• Ressourcen von Heterotrophen – Zersetzer • Totes Material– Biotrophe Symbionten (auch Parasiten) – Prädatoren• Konsum von lebenden Organismen (töten)• Grazers, Weidegänger (nur ein Teil wird konsumiert) • Parasiten: Kosument tötet Futterquelle i.d.R. nicht; enge Verbindung der Organismen• Herbivor: Konsum von lebendem autotrophem Material
• polyphag und monophag • Polyphag: Generalisten (mit Präferenzen) • Monophag: auf eine Art oder eine wenige eng verwandte Arten beschränkt (z.B. wirtsspezifisch)
• Definition Population Eine Gruppe von Individuen der gleicher Art im gleichen Raum zur gleichen Zeiteine Gruppe von Individuen, die eine Fortpflanzungsgemeinschaft, einen Genpool bilden Eigenschaften: Größe/ Dichte; Altersstruktur, Wachstumsrate, räumliche Verteilung  
• Veränderungen der Populationsgröße Nnow = Nthen + B – D + I – E • Nnow = Zahl der Individuen gegenwärtig • Nthen = Zahl der Individuen vorher • B births Geburten • D deaths Todesfälle • I immigrants Zuwanderer • E emigrants Abwanderer
• Populationswachstumsmodelle • Spezifische natürliche Wachstumsrate r• Ohne Beschränkung (ohne innerartliche Konkurrenz) – dN/dt = r N (Differentialgleichung) – Beschreibt exponentielles Wachstum• Mit Beschränkung (innerartlicher Konkurrenz) – dN/dt = r N (1 – N/K)  – Das ist die logistische Gleichung
• Populationswachstumsmodelle II
• Was ist ein Individuum? eine Population ist eine Anzahl von Individuenunitare/ modulare Organismen  Abgrenzung der Individuen schwierig
• Populationsgröße, -dichte messen Oft sehr schwierig alle Individuen zu zählen; daher sampling  • Fang-Wiederfangmethode für bewegliche Organismen• Quadrat/ transect sampling für sessile • Mikroorganismen: mikroskopisches Zählen oder indirekte Methoden
• Lebenszyklen • Verschiedene Phasen• Life history = Lebenszyklusstrategie • Allgemein:  – Geburt – Präreproduktive Phase– Reproduktive Phase – Postreproktive Phase und Tod
• iteropare/ semelpare Arten Iteropar – wiederholte (oder kontinuierliche) FortpflanzungsphasenSemelpar – nur eine begrenzte reproduktive Phase im Leben
• Lebenstafeln Muster (quantitativ) des Überlebens mit Alter oder Lebensphase  • Kohortenlebenstafel: alle Individuen, die in einem bestimmten Zeitintervall geboren wurden, werden verfolgt• Stationäre Lebenstafel: zu einem Zeitpunkt Überlebende verschiedener Altersstufen erfassen
• r und K “Strategien” • r = birth – deaths, oder birth + survival r-Strategen: viele Nachkommen  rasch produziert, geringe Kosten • K = Kapazitätsgrenze– Geburtenrate und Todesrate sind gleich  K-Strategen: wenige Nachkommen (Konkurrenz um Ressourcen ist groß)
• dichteunabhängige Regulation der Populationsgröße idR. abiotische Faktoren
• dichteabhängige Regulation der Populationsgröße Intraspezifische Konkurrenz (Interaktion zwischen Individuen einer Art verursacht durch gemeinsamen Bedarf an Ressourcen führt zu Reduktion der Überlebensrate, des Wachstums und/oder der Reproduktionsrate mindestens eines Individuums)
• Intraspezifische Konkurrenz (-/-) • Ausbeutungkeine direkte Interaktion, Ausbeutung der gleichen Ressource • InterferenzInteraktion der Konkurrenten (z.B. Territorialität, Kannibalismus, Allelopathie bei Pflanzen)  
• Muster räumlicher Verteilung Dispersion (Vorgang) = dispersal Verteilung (Resultat) = dispersion/ distribution • Zufällig• Gleichmäßig• Aggregiert
• Metapopulation • es gibt nicht besetzte (aber geeignete) Habitat-Patches, weil sie von Ausbreitungsstadien (noch) nicht erreicht wurden • Metapopulation besteht aus Teilpopulationen • kann stabil sein, obwohl Subpopulationen aussterben• Übergang ist fließend zu– patchy Populationen (Austausch zwischen Patches ist so rege, dass die Subpopulationen nicht mehr unabhängig sind) – essentiell isolierten Populationen (praktisch kein Austausch mehr zwischen Patches) • Bedeutung in Naturschutz (fragmentierte Landschaften)
• Artenpools (Hierarchie)
• gegensätzliche Standpunkte zu Community equilibrium und non-equilibrium Theorie (Störungen) neutral theory und niche theory individualistic und ‘superorganism’ negative vs. positive Interaktionen (Konkurrenz/ Facilitation)top-down oder bottom-up Kontrolle Rolle der Biodiversität (z.B. rivet, redundancy)
• Beschreibung eines assemblage Artenreichtum (richness) = S = Zahl der Arten  Äquitabilität (evenness) = E = relative Häufigkeit Diversitätsindizes: zusammenfassende Behandlung von richness und evenness in einer Zahl: davon gibt es (unendlich) viele…, z.B.: – Simpson’s  D   – Shannon index H
• Index-Profile Darstellung der community über ein Kontinuum von Betonung der seltenen Arten (= richness) zu Betonung der dominanten Arten

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