1Laboratoriumtechniek

FysiologieEcologie

Arthur Rep

2Laboratoriumtechniek

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

3Laboratoriumtechniek

Bodemkunde

Bodem = grond op bepaalde plek

Grond = materiaal waaruit bodem bestaat

Drie fasen:

Gasvormige faseVloeibare faseVaste fase

Bodemkunde waarom?• keten van grond tot mond • hoe nemen organismen stoffen op uit de bodem?• hoe reageren organismen op aanwezige stoffen?• worden stoffen afgebroken?

water

org.stoflucht

minerale delen

4Laboratoriumtechniek

• wortelademhaling en respiratie van micro-organismen

hoog CO2 –gehalte

• microhabitat zeer variabel

• waterverzadigde bodem

laag O2 -gehalte

Gasvormige fase

5Laboratoriumtechniek

Vloeibare fase

• Vochtkarakteristiek- veldcapaciteit pF=2,2- verwelkingspunt pF=4,2- vochtleverend vermogen= Δvocht% (pF2,2-pF4,2)

7

6

5

4

3

2

1

00 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

verwelkingspunt

veldcapaciteit

4,2

2,2

pF

vol% water

pF = -log (cm waterkolom)

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

• Bodemvocht met opgeloste stoffen

• Door adhesie capillaire werking zuigspanning

6Laboratoriumtechniek

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

Ca2+

Mg2+

K+

Na+

NH4+

H+

• Bodemclassificatie met textuurdriehoek

40

25

35

7Laboratoriumtechniek

Vaste fase

• Organische stof- planten- en dierenresten- humus ontstaat na degradatie en polymerisatie

- houdt veel water vast- groot adsorptievermogen

8Laboratoriumtechniek

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 gkaoliniet 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

9Laboratoriumtechniek

Het adsorptiecomplex ll

• (Water)bodemkwaliteitNorm geldt voor sediment met 10% org.stof en 25% lutum

10Laboratoriumtechniek

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

11Laboratoriumtechniek

Waterhuishouding

• totaal= pressure + solutes

• Watertransport door membranen wordt gefaciliteerd door aquaporinen

• Waterpotentiaal = -R.T.i.M.10–3 Mpa

12Laboratoriumtechniek

Wateractiviteit

In levensmiddelenmicrobiologie gebruikt men begrip

wateractiviteit aw

= RT ln aw /V -8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

wateractiviteit

waterpotentiaal

13Laboratoriumtechniek

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

14Laboratoriumtechniek

Transpiratie

15Laboratoriumtechniek

Watertransport

Hoe verklaar je de dikteveranderingen?

16Laboratoriumtechniek

Huidmondjes

Sluitcellen:

- nemen K+-ionen op

- opname water door afname waterpotentiaal

- door toename turgor wordt opening groter

17Laboratoriumtechniek

2.1 Essentiële nutriënten

18Laboratoriumtechniek

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

19Laboratoriumtechniek

Opname nutriënten

Selectieve opname door:

- concentratieverschil

- membraaneigenschappen

- ladingsverschil

- carriers

20Laboratoriumtechniek

Transport door de wortel

Transport

- in schors via apoplast en symplast

- endodermis sluit apoplast af door Bandjes van Caspari

Wortelstelsel

- groot oppervlak door wortelharen

- extra opname met hulp van mycorrhizae

21Laboratoriumtechniek

Het adsorptiecomplex lll

• Zure regen

• pH is ook van belang voor beschikbaarheid

22Laboratoriumtechniek

Suikertransport

Verschil plant-dier:

23Laboratoriumtechniek

Pressure flow

Pressure flow = Drukstroom

is gevolg van hydrostatische drukverschillen die door osmose zijn ontstaan

24Laboratoriumtechniek

Waterhuishouding bij dieren

Terug naar de nieren

25Laboratoriumtechniek

Waterhuishouding bij dieren

Deze vis leeft in zoet/zout water

26Laboratoriumtechniek

Waterhuishouding bij dieren

Deze vis leeft in zoet/zout water

27Laboratoriumtechniek

Einde deel 1

28Laboratoriumtechniek

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

29Laboratoriumtechniek

Ecologie - integratieniveaus

• Gemeenschapsecologie onderzoekt interacties tussen soorten binnen gemeenschap

• Populatie-ecologie onderzoekt samenstelling populatie

• Autoecologie onderzoekt invloed van omgevingsfactoren

• Systeemecologie kijkt naar verband tussen gemeenschap en milieu

Ecologie is onmisbaar in onderzoek naar milieuproblemen

Biosfeer = som alle ecosystemen

30Laboratoriumtechniek

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

31Laboratoriumtechniek

Zoetwatersystemen

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

32Laboratoriumtechniek

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

33Laboratoriumtechniek

Natuurlijke selectie en adaptatie

Feit 1 Potentieelexponentiële groei

Feit 2 Waargenomen steady state

Feit 3 Hulpbronnen zijn beperkt

Conclusie 1 Strijd om het bestaan tussen individuen

Feit 4 Elk individu is uniek

Feit 5 Variatie is erfelijk

Conclusie 2 Survival of the fittest

Conclusie 3 Graduele verandering over langere tijd: evolutie

34Laboratoriumtechniek

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

35Laboratoriumtechniek

Adaptatie

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

36Laboratoriumtechniek

Populatie-ecologie

• Populatie = individuen van een soort in één gebied

• Dichtheid = aantal per ruimte-eenheid- diverse bemonsteringstechnieken- merk-terugvangmethode

37Laboratoriumtechniek

Dispersie

Dispersie = verspreidingspatroon- random: Poisson-verdeeld s=m

- groepsgewijs: s>m

- regelmatig: s< m

38Laboratoriumtechniek

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.)

39Laboratoriumtechniek

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 / sp

2 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 sp

2

19 ·1.26———— = 7.98, dus Ha1 3.00

40Laboratoriumtechniek

Demografie

• 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

41Laboratoriumtechniek

Life table koolmees

42Laboratoriumtechniek

Life-history

• Life historySchema van reproductie en sterfte

• Allocatie: nakomelingen of overleving?- aantal reproductieve episodes- aantal nakomelingen per episode- leeftijd aanvang reproductie

43Laboratoriumtechniek

Groeimodellen

• Exponentieel model, geen beperkingen aan groeidN/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

44Laboratoriumtechniek

K- en r-strategieën

45Laboratoriumtechniek

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

46Laboratoriumtechniek

Einde deel 2

47Laboratoriumtechniek

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

48Laboratoriumtechniek

Interacties

   

49Laboratoriumtechniek

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

50Laboratoriumtechniek

Competitie l

Interspecifieke competitie

• Soorten met dezelfde ecologische niche sluiten elkaar uit

51Laboratoriumtechniek

Competitie ll

Interspecifieke competitie

• Soorten gaan zich specialiseren: resource partitioning

A.insolitus

A.distichus

52Laboratoriumtechniek

Competitie lll

Interspecifieke competitie

• Sympatrische soorten divergeren: character displacement – is resultaat van evolutie

53Laboratoriumtechniek

Mutualisme

Mutualisme = symbiose

• Korstmossen

• Rhizobium

• Mycorrhizae

• Endosymbionten

54Laboratoriumtechniek

Commensalisme

Commensalismeéén soort profiteert, de andere heeft er geen last van

55Laboratoriumtechniek

Voedselketens en -webben

• Levensgemeenschap heeft verschillende trofieniveaus

• Lengte voedselketen wordt beperkt door beschikbare energie voedselpyramide

56Laboratoriumtechniek

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

57Laboratoriumtechniek

Structuur ll

• Verstoring vaak belangrijk voor structuur – geen evenwicht

• Successie - op nieuwe bodem: primair

- na verstoring: secundair

58Laboratoriumtechniek

Biodiversiteit

• Biodiversiteit kenmerken: - soortenrijkdom- relatieve abundantie

• Hangt af van:- geografische ligging- grootte van gemeenschap- uitsterving en import

59Laboratoriumtechniek

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

60Laboratoriumtechniek

Secundaire productie

• Energie-overdracht 5-20% tussen trofieniveaus

• Fytoplankton heeft snelle turn-overturn-overtijd =aanwezige biomassa (g/m2) productie (g/m2.dag)

• Herbivoren consumeren slechts klein deel planten

61Laboratoriumtechniek

Vleeseter of vegetariër?

62Laboratoriumtechniek

Stofkringlopen

C-kringloop

- aëroob CO2

- anaëroob CH4

63Laboratoriumtechniek

Voedselweb

64Laboratoriumtechniek

N-kringloop

N-kringloop

- N-fixatie door wortelknollenvrijlevende m.o.

- ontleding org.N: ammonificatie

- aëroob: nitrificatie

- anaëroob: denitrificatie

65Laboratoriumtechniek

Nitrificatie-denitrificatie

Nitrificatie: NH3 is

elektronendonor

2NH3+4O2

2HNO3+2H2O

G’=-839KJ/mol

Denitrificatie: org.stof (NADH) is elektronendonor

66Laboratoriumtechniek

Menselijke impact

• Ontregeling stofkringlopen

• Zure regen

• Biomagnificatie = accumulatie in de voedselketen- klopt dit plaatje?

• Verandering vegetatie en

klimaat door CO2-toename

• Aantasting ozonlaag

67Laboratoriumtechniek

AMOEBE staat voor Algemene Methode voor OEcosysteembeschrijving en BEoordeling.

Amoebe

68Laboratoriumtechniek

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)

69Laboratoriumtechniek

Modules met ecologie

• P1 en 2: Triade-project

• P2: Ecotoxicologie (P2)

• P5: Analyse van Ecologische gegevens en Vegetatiekunde (Schiermonnikoog)