Fysiologie Ecologie Arthur Rep

Wat is de rol van de ecologie in de maatschappij? Wat gaat het om? Wat is de rol van de ecologie in de maatschappij? Hoe passen organismen zich aan aan veranderende omstandighe-den en wat zijn hiervan de gevolgen op lange termijn (=evolutie)? Waarom zijn verspreidingspatronen in de natuur zelden random? Welke modellen beschrijven de groei van populaties en hoe worden de aantallen gereguleerd? Hoe interacteren verschillende populaties met elkaar (o.a. predatie, competitie, symbiose)? Hoe beschrijf je de structuur van levensgemeenschappen? Hoe ontwikkelen levensgemeenschappen zich? Wat zijn ecosystemen (voedselpiramiden of -webben, trofieniveaus, energiehuishouding)? Stofkringlopen (koolstof, stikstof, fosfor) Effecten van menselijk handelen

keten van grond tot mond hoe nemen organismen stoffen op uit de bodem? Bodemkunde Bodemkunde waarom? keten van grond tot mond hoe nemen organismen stoffen op uit de bodem? hoe reageren organismen op aanwezige stoffen? worden stoffen afgebroken? Bodem = grond op bepaalde plek Grond = materiaal waaruit bodem bestaat Drie fasen: Gasvormige fase Vloeibare fase Vaste fase

microhabitat zeer variabel waterverzadigde bodem  laag O2 -gehalte Gasvormige fase wortelademhaling en respiratie van micro-organismen  hoog CO2 –gehalte microhabitat zeer variabel waterverzadigde bodem  laag O2 -gehalte

Bodemvocht met opgeloste stoffen Vloeibare fase Bodemvocht met opgeloste stoffen Door adhesie capillaire werking  zuigspanning Vochtkarakteristiek - veldcapaciteit pF=2,2 - verwelkingspunt pF=4,2 - vochtleverend vermogen= Δvocht% (pF2,2-pF4,2) 1 cm waterkolom = -102 Pa = pF0 10 cm waterkolom = -103 Pa = pF1 1m waterkolom = -104 Pa = pF2 10 m waterkolom = -105 Pa = pF3 100 m waterkolom = -1 MPa = pF4 pF = -log (cm waterkolom)

- stof of silt 2-50 µm geen adsorptie houdt meer water vast Vaste fase Minerale bestanddelen - zand 50-2000 µm geen adsorptie houdt weinig water vast - stof of silt 2-50 µm geen adsorptie houdt meer water vast - klei of lutum <2 µm wel adsorptie houdt veel water vast 35 40 25 Bodemclassificatie met textuurdriehoek

- houdt veel water vast - groot adsorptievermogen Vaste fase Organische stof - planten- en dierenresten - humus ontstaat na degradatie en polymerisatie - houdt veel water vast - groot adsorptievermogen

Het adsorptiecomplex l Kleideeltjes en humus binden kationen Adsorptiecomplex = klei-humuscomplex Uitwisselend vermogen = CEC (cation exchange capacity)   Tabel 2 CEC van enkele bodembestanddelen bodembestanddeel grootte in µm oppervlak m2/g CEC in meq/100 g kaoliniet 0,1-5,0 5- 20 3- 15 illiet 0,1-2,0 100-200 15- 40 montmorilloniet 0,01-1,0 700-800 80-150 organische stof 200-400 _ Afhankelijk van pH Belangrijk instrument milieuwetgeving

Het adsorptiecomplex ll (Water)bodemkwaliteit Norm geldt voor sediment met 10% org.stof en 25% lutum

pH-H20 meet reële zuurgraad pH en redoxpotentiaal pH pH-H20 meet reële zuurgraad pH-KCl meet potentiële zuurgraad = maat voor verzadiging van het adsorptiecomplex pH-H20 varieert meer dan pH-KCl redoxpotentiaal Geoxideerde bodem Eh=+800 mV Heterotrofe activiteit doet Eh dalen tot +500 mV In anaëroob (methanogeen) sediment Eh=-450 mV

Waterpotentiaal = -R.T.i.M.10–3 Mpa Waterhuishouding Waterpotentiaal = -R.T.i.M.10–3 Mpa totaal= pressure + solutes Watertransport door membranen wordt gefaciliteerd door aquaporinen

In levensmiddelenmicrobiologie gebruikt men begrip wateractiviteit aw  = RT ln aw /V

Planten - watertransport Transpiratie Buitenlucht =-10...-100 MPa Ademholte =-7,0 MPa Celwanden =-1,0 Mpa Cohesie en adhesie = capillaire kracht Xyleem =-0,8 Mpa Worteldruk door ionenopname Centrale cylinder =-0,6 Mpa Bodemvocht =-0,3 MPa

Transpiratie

de dikteveranderingen? Watertransport Hoe verklaar je de dikteveranderingen?

opname water door afname waterpotentiaal Huidmondjes Sluitcellen: nemen K+-ionen op opname water door afname waterpotentiaal door toename turgor wordt opening groter

2.1 Essentiële nutriënten

Essentiële nutriënten Essentiële voedingsstoffen: Nodig voor groei en reproductie bij verschillende plantensoorten Kunnen niet worden vervangen door andere elementen Hebben een directe functie Minimumwet van Blackman: Eindresultaat van groei wordt bepaald door factor die minimaal aanwezig is

Selectieve opname door: concentratieverschil membraaneigenschappen Opname nutriënten Selectieve opname door: concentratieverschil membraaneigenschappen ladingsverschil carriers

Transport door de wortel Wortelstelsel groot oppervlak door wortelharen extra opname met hulp van mycorrhizae Transport in schors via apoplast en symplast endodermis sluit apoplast af door Bandjes van Caspari

Het adsorptiecomplex lll Zure regen pH is ook van belang voor beschikbaarheid

Suikertransport Verschil plant-dier:

Pressure flow = Drukstroom is gevolg van hydrostatische drukverschillen die door osmose zijn ontstaan

Waterhuishouding bij dieren Terug naar de nieren

Waterhuishouding bij dieren Deze vis leeft in zoet/zout water

Waterhuishouding bij dieren Deze vis leeft in zoet/zout water

Einde deel 1

Omgeving: biotische en abiotische factoren Inleiding ecologie Ecologie = wetenschappelijke studie van de interacties tussen organismen en hun omgeving Observationeel en experimenteel onderzoek - lab- en veldexperimenten moeilijk - wiskundige modellen en simulaties Wederzijdse beïnvloeding organisme en omgeving - korte termijn: fysiologische adaptatie, verschuiving genfrequenties - lange termijn: evolutie Omgeving: biotische en abiotische factoren

Ecologie - integratieniveaus Autoecologie onderzoekt invloed van omgevingsfactoren Populatie-ecologie onderzoekt samenstelling populatie Gemeenschapsecologie onderzoekt interacties tussen soorten binnen gemeenschap Systeemecologie kijkt naar verband tussen gemeenschap en milieu Ecologie is onmisbaar in onderzoek naar milieuproblemen Biosfeer = som alle ecosystemen

Biosfeer – abiotische factoren Bioom = globaal ecosysteem in klimaatzone Temperatuur - snelheid bioprocessen - lichaamstemperatuur Water - osmoregulatie, uitdroging Licht - fotosynthese, daglengte Wind - transpiratie, uitdroging Bodem - mineralen, pH (Periodieke) verstoring

Zoetwatersystemen Verticale stratificatie bij diepe meren (wielen, zandputten, grindgaten) Beneden spronglaag of thermocline in eutrofe meren anaëroob

Organismen overleven en reproduceren binnen bepaalde grenzen Autoecologie Organismen overleven en reproduceren binnen bepaalde grenzen Regulators besteden energie aan homeostase, conformers variëren met de omgeving Habitat = woonplaats Allocatieprincipe = organisme moet zijn energie verdelen over activiteiten

Natuurlijke selectie en adaptatie Feit 1 Potentieel exponentiële groei Conclusie 1 Strijd om het bestaan tussen individuen Feit 2 Waargenomen steady state Conclusie 2 Survival of the fittest Feit 3 Hulpbronnen zijn beperkt Feit 4 Elk individu is uniek Conclusie 3 Graduele verandering over langere tijd: evolutie Feit 5 Variatie is erfelijk

Natuurlijke selectie en adaptatie Summarizing Darwin’s ideas: • Natural selection is this differential success in reproduction, and its product is adaptation of organisms to their environment • Natural selection occurs from the interaction between the environment and the inherent variability in a population • Variations in a population arise by chance, but natural selection is not a chance phenomenon, since environmental factors set definite criteria for reproductive success

Adaptatie Adaptatie heeft evolutionaire basis - variatie milieu mag niet te groot zijn - fysiologische aanpassing - morfologische aanpassing - gedragsverandering - genetische verandering, evolutie

Populatie = individuen van een soort in één gebied Populatie-ecologie Populatie = individuen van een soort in één gebied Dichtheid = aantal per ruimte-eenheid - diverse bemonsteringstechnieken - merk-terugvangmethode

Dispersie = verspreidingspatroon - random: Poisson-verdeeld s=m - groepsgewijs: s>m - regelmatig: s< m

Statistische toetsing l Statistische toetsing van een verspreidingspatroon aantal dieren x per monster totaal 0 1 2 3 4 5 6 7 _ A Regelmatig aantal monsters 0 2 4 8 4 2 0 0 20 (uniform) totaal aantal dieren 0 2 8 24 16 10 0 0 60 _ B Toevallig aantal monsters 2 3 3 3 5 2 2 0 20 (random) totaal aantal dieren 0 3 6 9 20 10 12 0 60 _ C Groepsgewijs aantal monsters 5 3 1 1 2 4 4 0 20 (clusters) totaal aantal dieren 0 3 2 3 8 20 24 0 60 _ D Volgens Poisson aantal monsters 1.0 3.0 4.5 4.5 3.4 2.0 1.0 0.6 20 totaal aantal dieren 0.0 3.0 9.0 13.5 13.6 10.0 6.0 4.9 60 _ Poisson: P(x=0, 1, 2, 3, 4, enz.) = e–m·(1, m, m2/2!, m3/3!, m4/4!, enz.)

Statistische toetsing ll Is A random verdeeld? We berekenen: - de standaardafwijking sn-1 uit de reeks 1,1,2,2,2,2,3,3,3,3,3,3,3,3,4,4,4,4, enz. en vinden sn-1 = 1.12 (variantie sn-12 = 1.26). - de standaardafwijking sp volgens Poisson uit m en vinden sp = 1.73 (variantie sp2 = 3.00). - sn-12 / sp2 is de dispersiecoëfficiënt Hypotheses: • H0 : dispersiecoëfficiënt = 1, de dieren zijn volgens het toeval verdeeld, • Ha1: dispersiecoëfficiënt < 1, de dieren zijn regelmatig verdeeld, • Ha2: dispersiecoëfficiënt > 1, de dieren zijn groepsgewijs verdeeld. (n–1)·sn-12 ———— is 2-verdeeld sp2 19 ·1.26 ———— = 7.98, dus Ha1 3.00

Demografie = studie naar geboorte- en sterftecijfers - Leeftijdsopbouw, generatie- duur en sexratio - Life table = tabel met leeftijd, overleving en nakomelingen van een cohort Overlevingscurve overleving nakomelingen - type I hoog weinig - type II gemiddeld gemiddeld - type III laag veel

Life table koolmees

Life history Schema van reproductie en sterfte Allocatie: nakomelingen of overleving? - aantal reproductieve episodes - aantal nakomelingen per episode - leeftijd aanvang reproductie

Exponentieel model, geen beperkingen aan groei dN/dt = R.N Nt=N0eRt Groeimodellen Exponentieel model, geen beperkingen aan groei dN/dt = R.N Nt=N0eRt Logistisch model, groei beperkt tot plafond (K) dN/dt = R.N(K–N)/K K Nt= 1+[(K–N0)/ N0].e–Rt R = intrinsieke groeisnelheid K = carying capacity Simplistisch – in werkelijkheid interacties

K- en r-strategieën

Populatiebeperkende factoren Dichtheidsafhankelijke factoren - concurrentie om voedsel, broedplaatsen - prooidichtheid - uitscheiding van toxicanten - stress Dichtheidsonafhankelijke factoren - weer, klimaat, natuurrampen In natuur mix van beide Vaak cycli van hoge en lage dichtheid

Einde deel 2

Gemeenschapsecologie Structuur van een gemeenschap diversiteit: aantal en relatieve abundantie van soorten individuele hypothese: soorten reageren onafhankelijk van elkaar op gradiënten interactieve hypothese: structuur is samenspel tussen interacterende, van elkaar afhankelijke soorten

Interacties      

Predator eet prooi (herbivoor eet planten) Predatie Predator eet prooi (herbivoor eet planten) Aanpassingen: - cryptische kleuring - aposematische kleuring - mimicry (nabootsing) - doorns, stekels, kristallen - toxinen, smaakstoffen Tussen predator en prooi bewapeningswedloop aposematische kleuring mimicry

Interspecifieke competitie Competitie l Interspecifieke competitie Soorten met dezelfde ecologische niche sluiten elkaar uit

Interspecifieke competitie Competitie ll A.distichus Interspecifieke competitie Soorten gaan zich specialiseren: resource partitioning A.insolitus

Interspecifieke competitie Competitie lll Interspecifieke competitie Sympatrische soorten divergeren: character displacement – is resultaat van evolutie

Mutualisme = symbiose Korstmossen Rhizobium Mycorrhizae Endosymbionten

Commensalisme één soort profiteert, de andere heeft er geen last van

Voedselketens en -webben Levensgemeenschap heeft verschillende trofieniveaus Lengte voedselketen wordt beperkt door beschikbare energie  voedselpyramide

bottum-up model: N  V  H  P Structuur l Sleutelsoorten onmisbaar voor structuur - meestal predatoren houden abundantie dominante soorten laag bottum-up model: N  V  H  P top-down model: P  H  V  N

Verstoring vaak belangrijk voor structuur – geen evenwicht Structuur ll Verstoring vaak belangrijk voor structuur – geen evenwicht Successie - op nieuwe bodem: primair - na verstoring: secundair

Biodiversiteit kenmerken: - soortenrijkdom - relatieve abundantie Hangt af van: - geografische ligging - grootte van gemeenschap - uitsterving en import

Decompositie vanuit alle trofieniveaus Ecosystemen Energiestromen Nutriëntencycli Decompositie vanuit alle trofieniveaus Beschikbare energie wordt bepaald door primaire productie - in water beperkt door licht en nutiënten - in bodem beperkt door temperatuur, vocht en nutriënten

Energie-overdracht 5-20% tussen trofieniveaus Secundaire productie Energie-overdracht 5-20% tussen trofieniveaus Fytoplankton heeft snelle turn-over turn-overtijd = aanwezige biomassa (g/m2)  productie (g/m2.dag) Herbivoren consumeren slechts klein deel planten

Vleeseter of vegetariër?

C-kringloop - aëroob CO2 - anaëroob CH4 Stofkringlopen C-kringloop - aëroob CO2 - anaëroob CH4

Voedselweb

N-fixatie door wortelknollen vrijlevende m.o. N-kringloop N-kringloop N-fixatie door wortelknollen vrijlevende m.o. ontleding org.N: ammonificatie aëroob: nitrificatie anaëroob: denitrificatie

Nitrificatie-denitrificatie Nitrificatie: NH3 is elektronendonor 2NH3+4O2 2HNO3+2H2O G’=-839KJ/mol Denitrificatie: org.stof (NADH) is elektronendonor

Ontregeling stofkringlopen Zure regen Menselijke impact Ontregeling stofkringlopen Zure regen Biomagnificatie = accumulatie in de voedselketen - klopt dit plaatje? Verandering vegetatie en klimaat door CO2-toename Aantasting ozonlaag

Amoebe AMOEBE staat voor Algemene Methode voor OEcosysteembeschrijving en BEoordeling.

(Het ‘Yggdrasil’ project) Ecologische voeding Ecologische voeding Ons voedingspatroon heeft niet alleen invloed op onze eigen gezondheid maar bepaalt ook mee de kansen voor mens en milieu over de hele planeet. Ecologische voeding is geen vreemd eetpatroon dat we hier willen importeren. Het is de keuken van onze moeders en grootmoeders, maar dan geschoeid op de aandacht voor onze gezondheid en die van het milieu. In een notedop : ecologische voeding gebruikt biologisch geteelde producten van de eigen bodem. Het voedsel is seizoengebonden en we vertrekken in de keuken van zo weinig mogelijk bewerkte producten, liefst met een minimum aan verpakking. Ons menu bestaat overwegend uit plantaardige elementen. (Het ‘Yggdrasil’ project)

P1 en 2: Triade-project P2: Ecotoxicologie (P2) Modules met ecologie P1 en 2: Triade-project P2: Ecotoxicologie (P2) P5: Analyse van Ecologische gegevens en Vegetatiekunde (Schiermonnikoog)