Ökologie und Fotosynthese

Allgemeines zur Fotosynthese

Die Fotosynthese ist der Prozess, durch den Pflanzen, Algen und einige Bakterien Lichtenergie in chemische Energie umwandeln. Die relevanten Prozesse sind unterteilt in lichtabhängige und lichtunabhängige Reaktionen.

Absorption
  • Lichtwellen werden von Sonnenlicht auf die Blätter geleitet.
  • Grünes Licht wird nicht absorbiert, das Blatt reflektiert grünes Licht und erscheint daher grün.
  • Die lichtabhängige Reaktion:
      2 H_2O + 2 NADP^+ + 3 (ADP + P)
    ightarrow O_2 + 2 NADPH + H^+ + 3 ATP
  • Diese Reaktion findet in der Thylakoidmembran zwischen dem Stroma und dem Thylakoidinnenraum statt.
Ablauf der lichtabhängigen Reaktion
  1. Aktivierung des Fotosystems II:
       - Licht trifft auf das Fotosystem II (FS II) im Antennenkomplex.
  2. Energieübertragung:
       - Lichtquanten werden von einem Chloroplasten zum anderen übertragen, bis sie das NADP^+ erreichen.
  3. Elektronentransfer:
       - Ein Elektron wird angeregt und abgegeben;
       - Dabei werden 2H+2 H^+ und 2e−2 e^- freigesetzt.
  4. Fotolyse:
       - H_2O
    ightarrow 2 H^+ + O_2 + 2 e^-
  5. Protonenproduktion:
       - Im FS II werden durch die Energiefreisetzung 4H+4 H^+ erzeugt.
  6. Protonengradient:
       - Der Protonengradient entsteht durch die Anlagerung von Protonen in den Thylakoidinnenraum.
  7. Elektronentransportkette:
       - Elektronen wandern durch Membranproteine, wodurch Energie freigesetzt wird.
Fotosystem I (FS I)
  • Elektronen kommen bei FS I an und werden erneut angeregt.
  • Diese Reaktionen finden im Stroma der Chloroplasten statt und sind mit der lichtunabhängigen Reaktion verbunden.
  • Die Formel für die lichtunabhängige Reaktion:
      6 CO_2 + 12 NADP^+ + 18 ADP + P
    ightarrow C_6H_{12}O_6 + 12 NADPH + 18 ATP
Calvin-Zyklus
  1. CO2-Fixierung:
       - Das Enzym RuBisCO bindet CO2CO_2 an das Ribulose-bisphosphat (RuBP).
       - Instabile 6−C6-C Körper zerfallen in 12 3−Ko¨rper3-Körper (Phosphoglycerinsäure).
  2. Reduktionsphase:
       - ATP und NADPH werden verwendet, um die 3−Ko¨rper3-Körper in Glycerinaldehydphosphat (GAP) umzuwandeln.
       - NADPHNADPH überträgt Elektronen, und ein Molekül verlässt den Zyklus, um Glucose aufzubauen.
  3. Regenerationsphase:
       - 10extGAP10 ext{GAP} werden in 6extRibulose−bisphosphat6 ext{Ribulose-bisphosphat} umgewandelt, um den Zyklus neu zu starten.

Struktur von Blättern

  • Kutikula: Schützt das Blatt vor Verschmutzung und Wasserverlust.
  • Epidermis: Schützt das Blatt vor Verletzungen, enthält jedoch keine Chloroplasten.
  • Palisadengewebe: Enthält viele Chloroplasten und ist der Hauptort der Fotosynthese.
  • Schwammgewebe: Hat auch Chloroplasten, ermöglicht durch luftgefüllte Interzellularer den Gasaustausch.
  • Leitbündel: Transportieren Wasser und Glukose.
  • Spaltöffnung: Erlaubt den Gasaustausch mit der Umwelt und wird von Schließzellen kontrolliert.

Abiotische Faktoren und deren Einfluss auf Lebewesen

Einfluss von Temperatur auf Tiere
  • RGT-Regel: Bei einer Temperaturerhöhung um 10°C verdoppelt bis verdreifacht sich die Stoffwechselrate.
  • Stenök: Arten mit kleinem Toleranzbereich.
  • Euryök: Arten mit großem Toleranzbereich.
  • Poikilotherm: Wechselwarme Tiere, wie Reptilien; Körpertemperatur von der Umwelt abhängig.
  • Homoiotherm: Gleichwarme Tiere, z.B. Menschen, Säugetiere; können ihre Körpertemperatur regulieren.
      - Winterstarre und Winterschlaf: Tiere verringern ihren Stoffwechsel, um Energie zu sparen.
Bergmannsche und Allensche Regel
  • Bergmannsche Regel: Homoiotherme Tiere eines Verwandtschaftskreises in kalten Gebieten sind größer als in warmen Gebieten.
  • Allensche Regel: Körperanhänge homoiothermer Tiere in kalten Gebieten sind kleiner als bei verwandten Arten in warmen Gebieten.
Anatomische, physiologische und verhaltensgesteuerte Anpassungen
  • Anatomische Anpassungen: z. B. Körpergröße, Körperanhänge.
  • Physiologische Anpassungen: z. B. Stoffwechsel.
  • Verhaltensgesteuerte Anpassungen: z. B. Nachtaktivität, Leben in Gruppen.
Einfluss von Licht auf Tiere
  • Biologische Uhr: Der circadiane Rhythmus reguliert Tagesabläufe.
  • Hormonelle Einflüsse: Licht beeinflusst Hormone wie Melatonin und Cortisol, die das Verhalten und die Entwicklung regulieren.
Einfluss von Wasser auf Pflanzen
  • Hydrophyt: Pflanzen mit Spaltöffnungen oben, große Interzellularen, dünne Kutikula.
  • Xerophyt: Dicke Kutikula, eingesenkte Spaltöffnungen, vermindern Verdunstung bei Wassermangel.
  • Hygrophyt: Dünne Kutikula, Wasserverlust ist kein Problem.

Arten von Fotosynthese

  1. C3-Pflanzen: Fixieren CO2 direkt und sind effizient in gemäßigtem Klima.
  2. C4-Pflanzen: Trennen die CO2-Fixierung räumlich vom Calvin-Zyklus, optimiert für Hitze.
  3. CAM-Pflanzen: Fixieren CO2 nur nachts und nutzen es tagsüber während des Calvin-Zyklus; optimiert für Trockenheit.

Biotische Faktoren

Physiologische und ökologische Potenz
  • Physiologische Potenz: Bereich, in dem eine Art ohne Konkurrenz überleben kann.
  • Ökologische Potenz: Bereich, in dem eine Art mit Konkurrenz überleben kann; Arten verdrängen sich gegenseitig.
Nischentrennung und Konkurrenz
  • Interspezifische Konkurrenz: Wettbewerb zwischen Individuen verschiedener Arten; Intraspezifische Konkurrenz: Wettbewerb innerhalb derselben Art.
  • Konkurrenzvermeidung: Metamorphose, Revierbildung, Sexualdimorphismus ermöglichen Ressourcenteilung.
Wechselbeziehungen zwischen Arten
  • Räuber-Beute-Beziehung: Eine Art ernährt sich von einer anderen.
  • Parasitismus: Ein Parasit profitiert von einem Wirt, der geschädigt wird.
  • Symbiose: Beide Arten profitieren von der Beziehung.
  • Konkurrenz: Arten konkurrieren um begrenzte Ressourcen.

Populationen und deren Dynamik

Definition und Faktoren
  • Population: Individuen einer Art, die sich im selben Gebiet befinden.
  • Dichteabhängige Faktoren:
       - Intraspezifische Konkurrenz
       - Fressfeinde
       - Ansteckende Krankheiten
       - Parasiten
  • Dichteunabhängige Faktoren:
       - Wetter
       - Bodenbeschaffenheit
       - Wasserverfügbarkeit
       - Umweltkatastrophen
  • Negative Rückkopplung:
       - Hohe Dichte → mehr Konkurrenz → Population sinkt
       - Niedrige Dichte → weniger Konkurrenz → Population steigt.

Wassertransport in Pflanzen

Xylem
  • Transpirationssog: Verdunstung an den Blättern zieht Wasser nach oben.
  • Kohäsion und Adhäsion: Wassermoleküle bleiben durch Wasserstoffbrückenbindungen verbunden und haften an Gefäßwänden, was die Wassersäule stabilisiert.
  • Wurzeldruck: Wasser wird osmotisch in die Wurzel aufgenommen, wodurch Druck entsteht, der Wasser nach oben drückt.
Phloem
  • Druckstrommodell:
       - Saccharose wird aktiv in die Siebröhren geladen, wodurch ein hoher osmotischer Druck entsteht, der das Wasser vom Xylem in das Phloem zieht.
       - Zucker wird zu Bereichen mit geringerem Druck transportiert und dort entladen.
       - Saccharose wird durch Invertase gespalten und schnell in Zielzellen weiterverarbeitet, was Rückdiffusion verhindert.