Mark-Oliver Rödel

ÖkologieTeil II: Autökologie

Vorlesung 5Licht, Wasser,

Osmoregulation

Licht

• Energie für Photosynthese• Zeitgeber• Orientierung• Visuelle Kommunikation

Jahreszeiten

Richtung der Solarstrahlung im Verlauf der Jahreszeiten mit maximaler Variationsbreite des Einfallwinkels von +/- 23,5° (Winkel der Rotationsachse der Erde zur Umlaufbahn)

unterschiedlich starke ErwärmungJahreszeiten

Tageslängen im Jahresverlauf

Monat

Tag

eslä

nge

(Stu

nden

)

z.B. Norditalienz.B. Kuba

Aktivität von Schaben unter Tag/Nachtwechsel und unter Dauerdunkel

Aktivität von Fliegen unter Tag/Nachtwechsel (Tage 1-7)und unter Dauerdunkel ab Tag 8.

Schlupf von Zuckmücken unter Tag/Nachtwechselund unter Dauerlicht

Gezeitenzyklus

MHWS, MNWS: mittleres Hoch- bzw. Niedrigwasser bei Springtiden

MHWN, MNWN: mittleres Hoch bzw. Niedrigwasser bei Nipptiden

Ein Zyklus Ebbe / Flut: 12:25 Stunden

• Clunio entwickelt sich (meist) im Meerwasser (z.B. C. marinus 2,5-3 mm; Larve maximal 5,7 mm)

• Wohnröhren der Larven auf Fels- oder Sandboden der unteren Gezeitenzone

• ♂ geflügelt, ♀ ungeflügelt

• ♂ mit großen Genitalzangen, mit denen es das ♀ bei der Begattung packt

• Fortpflanzung nur während einer Zeitspanne von etwa 2 h gesichert (Ebbe)

Felswattmücke Clunio

• bei Clunio aquilonius (Japan) sucht das ♂ auf der Wasseroberfläche gleitend eine ♀-Puppe auf, die sich nur mit Hilfe des ♂ zur Imago häuten kann

• das ♂ berührt die ♀-Puppe mit den Vorderfüßen, die Puppenhaut platzt vorn-oben und wird nun in wenigen sec vom ♂ mit den Hinterfüßen und Genitalzangen nach hinten gestreift

• sofort anschließend Begattung und Eiablage

• das ♀ stirbt auf dem Gelege

Bei arktischen Populationen wirkt die Temperaturerhöhung als Schlupfreiz

gezeitenperiodische Schlüpf- und Fortpflanzungszeiten bei arktischen Populationen von Clunio marinus im Freiland (Tromsö, Norwegen) und im Versuch mit 1-3 Temperaturerhöhungen als Zeitgeberreiz

Tid

enhu

bF

reila

nd

Saisondimorphismus bei Landkärtchenfalter, Araschnia levanadurch Tageslänge ausgelöstKurztag orange FrühjahrsformLangtag dunkle Sommerform

Freiland 18/6 Langtag (20°C) 8/15 Kurztag (20°C)

PolarisationsmusterPolarisationsmuster

Arthropoden (Komplexaugen) können polarisiertes Licht wahrnehmen

z.B. Bienen und Wüstenameisen nützen polarisiertes Licht zur Orientierung

Cataglyphis

Polarisationsmuster des Himmels

Orientierung nach der Sonne bei Molchen

Mittag (klar) Sonnenuntergang (klar)

Sonnenuntergang (klar)

Sonnenuntergang (bewölkt)

einzelner Molch

vorhergesagte Laufrichtung

mittlere beobachtete Laufrichtung

zelluläre Prozesse an wässriges Medium gebunden

 

Konzentrationen von Metaboliten und Enzymen wichtig für Geschwindigkeit von biochemischen Reaktionen und für Zellstrukturen

osmotische Effekte zwischen verschieden konzentrierten Lösungen

Wasser

Feuchteabhängigkeit der Entwicklungbei Wanderheuschrecken

Dauer der geschlechtlichen Entwicklung von Locusta migratoria (1) und Schistocerca gregaria (2) in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchte, ausgedrückt als die Zahl der Tage zwischen der Imaginalhäutung und der ersten Eiablage.

Locusta migratoria

rel. Luftfeuchte (%)E

ntw

ickl

ungs

daue

r

Feuchteabhängigkeit des Reproduktionserfolgesbei Wanderheuschrecken

Zahl der je Weibchen abgelegten Eikapseln bei Locusta migratoria (1) und Schistocerca gregaria (2) in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchte.

rel. Luftfeuchte (%)E

ikap

seln

Beziehung zwischen Temperatur und Feuchte

höchst möglicher Wasserdampfgehalt (g/m³)

30,3 17,3 9,4 4,8 2,2 1,1 0,5 g/m³

+30 +20 +10 0 -10 -20 -30 °C

Die Feuchtigkeit von mit Wasserdampf gesättigter Luft bei unterschiedlichen Temperaturen: Wassergesättigte Luft von 10°C ist nur noch zu 25% gesättigt wenn sie auf 35°C erwärmt wird.

Feuchteabhängigkeit bei Wanderheuschrecken

Reaktionsoberfläche der Interaktionen von Feuchtigkeit und Temperatur auf die Mortalität/das Überleben von Schistocerca gregaria Nymphen.

rel. Luftfeuchte (%) Temperatur (°C)

Übe

rlebe

n (%

)

Wasserabgabe: • Kot • Urin • Evaporation über die Oberfläche • Evaporation bei der Atmung • Kühlungsevaporation• Salzdrüsen • Trophallaxis• Abgabe von Markierpheromon • Säugen

manche Tiere (z. B. Esel) können 40% des Wassers verlieren, Menschen sterben bei einem Verslust von mehr als 15%

Schutz vor Wasserverlust (hängt häufig mit Verdunstungskühlung zusammen, also auch Vermeidung von Aufheizung)

Tiere aus warmen / trockenen Habitaten verlieren relativ weniger Wasser über Haut im Vergleich zur Atmung (Beispiel verschiedene Reptilien)

g verdunstetes Wasser (Haut und Atmung) / 100 g Körpergewicht und Tag

Anteil der Verdunstung über Haut und Atmung

wasserundurchlässige Außenhaut, z.B. Wachsschicht auf der Kutikula von Insekten (langkettige Kohlenwasserstoffe) 

Wasserverlust über die Haut ist an den jeweiligen Lebensraum angepasst

Bibio

Dermacentor

Art verdunstetes H2O in mg pro 1 cm² Oberfläche

(bei 0,13 kPa)

Sumpffliege (Bibio) 900

Schabe (Periplaneta) 49

Wanderheuschrecke (Schistocerca)

22

Tse-Tse Fliege (Glossina)

13

Mehlwurm (Tenebrio) 6

Mehlmilbe (Acarus) 2

Zecke (Dermacentor) 0,8

Glossina

Temperaturabhängigkeit des Wasserverlustes bei Schaben

Temperatur (°C)

Was

serv

erlu

st (

mg

h-1)

Verdunstung nimmt generell mit höherer Temperatur zu (Dreiecke); ab einer bestimmten Grenztemperatur schmelzen die Wachse der Kutikula (Kreise) = Verdunstung steigt schlagartig an

REM-Aufnahme eines von 16 Stigmata von Scarabaeus flavicornis. Ist durch eine Klappe verschließbar.

Verminderung der Wasserabgabe bei der Atmung

CO2-Abgabe eines Schwarzkäfers (Pimelia) ohne Wasserstress

Verminderung der Wasserabgabe bei der Atmung

Zeit (min)

CO

2 A

bgab

e (m

l h-1)

CO2-Abgabe unter Wasserstress

CO

2 A

bgab

e (m

l h-1)

Zeit (min)

Wasserabgabe wird durch diskontinuierliche Atmung verringert

CO

2 (c

m³

g-1

h-1)

H2O

(m

g g-1

h-1)

hier bei einer Ameise, Pogonomyrmex

diskontinuierliche Abgabe von Kohlendioxid und Wasser bei Insekten durch Öffnen und Schließen von Stigmata

Zeit (min)

Ammoniak (ist primäres Endprodukt = keine extra Energie notwendig, braucht aber sehr viel Wasser zum Ausscheiden)

Harnstoff (braucht wenig Energie bei der Herstellung, braucht aber viel Wasser zum Ausscheiden)

Salze der Harnsäure als Paste oder trockene Substanz ausscheidbar (energieaufwendig, aber sehr wenig wasserlöslich)

Wassereinsparung durch Konzentrierung des Urins und Modus der N-Ausscheidung

Exkretion und Wasserabgabe

NH3

Exkretion und Lebensraum

Ammoniakammoniotelisch

Harnstoffureotelisch

Harnsäureuricotelisch

Exkret-Exkret-stoffestoffeaquatisch

terrestrischterrestrischaquatisch / terrestrisch

Kreideriedfrosch Hyperolius nitidulus

• in Savannengebieten Westafrikas

• Trockenzeit extreme Temperaturen (45°C im Schatten)

• kein offenes Wasser

• Jungtiere (0,2-0,6 g) ästivieren (übersommern) an einem Grashalm (bis zu 100 Tage) der direkten Sonne ausgeliefert

• sind voll reaktionsfähig

Amphibien in Trockengebieten

Kreideriedfrosch Hyperolius nitidulus

Amphibien in Trockengebieten

Anpassungen des Kreideriedfrosches gegen Wasserverlust

• können bis zu 50% des Körperwassers verlieren

• Haut an den exponierten Stellen praktisch wasserundurchlässig (Mechanismen nicht ganz klar, evtl. Lipidschichten, Mucus u.ä.)

• andere Stellen wasserdurchlässig

• normal hermetisch verschlossen

• bei Taubildung Wasseraufnahme

• Häutungen alle 1-3 Tage (Wasserverlust)

• bei Temperaturen über 37°C werden sie weiß

• Iridophoren (Zellen, die Guaninkristalle enthalten)

• reflektiert ca. 80% der Strahlung im sichtbaren Bereich und im nahen IR

• erst ab 45°C benutzen sie Verdunstungskühlung

• Stickstoffendprodukte in Form von Guanin in der Haut gelagert

Auch andere Froscharten mit gutem Verdunstungsschutz

Chiromantis xerampelina

Phylomedusa sauvagiiÜberzieht sich mit Wachsschicht

Cyclorana platycephala speichert Wasser und bildet Kokon aus

Zeit (h)

Ge

wic

ht (

g)

Frösche (und Chamäleon) bei 25°C und 20-30% relativer Luftfeuchte gehalten