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Mitschrift
Biowissenschaften

Universität Ulm

2006

Michaela G. ©
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ID# 2148







Pflanzen und ihre Umwelt

Strahlung und Temperatur

Die gesamte Energie kommt von der Sonne

à es ist nicht um 12.00 Uhr am wärmsten

§ 
Energieverteilungsspektrum der Sonnenstrahlung vor und nach dem Durchgang durch die Atmosphäre, sowie theoretische Energieverteilung für einen schwarzen Körper mit der Oberflächentemperatur der Sonne

à durch verschiedene Stoffe in der Atmosphäre (z.B. Wasserdampf, Ozon) wird Strahlung absorpbiert è Zackige Kurve

§  Gesamtsumme der Strahlung: 1360 W/m2

à durch Absorption gelangen davon nur 47% zur Erdoberfläche

(ca. 650 W/m2)

§  Schema der Strahlungsbilanz für das System Erde + Atmosphäre:

§  wichtiger Faktor: Wolken, Wasserdampf

à reflektieren Teil der einfallenden kurzwelligen Strahlung

à z.T. Absorption è Licht fällt durch Streustrahlung ein (diffuse

Streustrahlung ist z.B „Licht im Schatten“)

§  langwellige Strahlung von der Oberfläche der Erde

à wird in der Atmosphäre von Absorptionsbanden (CO2, CH4, N2O,H2O…) aufgenommenè verhindert, dass Erdwärme verloren geht

§  Verdunstung

à der Phasenübergang von Wasser verbraucht einen großen Teil der

abgestrahlten Energie: „latente Wärme“

§  in der Wüste keine Verdunstung

à alles in Wärme (nachts sehr kalt, da ohne Wolken keine Rückstrahlung)

§  Pflanzen nehmen Wasser auf

à es kommt zur Abkühlung, d.h. die Vegetation dient als Puffer bezüglich der Strahlung (Taubildung bei Abstrahlung, wenn dies nicht durch Pflanzen verhindert wird)

§  unterschiedliche theoretische Abstrahlung(Schwarzstrahlung) und tatsächliche Abstrahlung

à Lücken durch Stoffe ind er Atmosphäre, die reflektieren (viel CO2 => weniger Abstrahlung => Erwärmung)

§  Strahlungsbilanz = Verrechnung von einfallender und ausfallender Strahlung

= Idirekt + Idiffus – Ireflexion - Alangwellig + Glangwellig

I = kurzwellige Strahlung

A = Ausstrahlung

G = Gegenstrahlung

Bsp.: Ozeane kühl, da viel Strahlung absorbiert wird; Wüste warm, da viel Strahlung reflektiert wird

§  Sichtbare Strahlung: 400- 700 nm

oPflanzen absorbieren hauptsächlich im roten Bereich, da dort der Phorphyrinring der Chlorophylle sein Absorptionsmaximum aufweist


Wellen-länge (nm)

Anteil (%)

Photosynthese

photo- morphogen.

ph- destruktiv

thermisch

UV

290- 380

0-4

-

gering

+

-

photosynth. aktiver Bereich

380- 710

21-46

+

+

gering

+

näheres IR

700-4000

50-79

-

+

-

+

langwellige Strahlung

3000-

100.000

-

-

-

-

+

§  730nm wird vermehrt durchgelassen

§  wenn Pflanze nicht im Schatten à von beiden Wellenlängen viel

§  wenn Pflanze im Schatten einer anderen: höhere Pflanze absorbiert rotes Licht

à Schattenpflanze wird nur von Licht anderer Wellenlängen erreicht

à Abhängigkeit des Wachstums!

à wenn Verhältnis (über Phytochrome) zu 730nm verschoben ist à Längenwachstum, um aus Schatten zu gelangen

§  Pflanzen erwärmen sich in der Strahlung à Kühlung durch Transpiration

§  Angabe von Strahlung auch in mmol Photonen/m2s

à PFD = Einheit zur Angabe der Absorption von Strahlung durch Pflanzen (ca. 0-1800; bei höheren Intensitäten kaum noch Zunahme der Photosynthese- Aktivität)

§ 
Bei photosynthetisch aktiver Strahlung:

§  Blattstellung

à große Einstrahlung à senkrechte Blattstellung

o   vertikales Blatt: Strahlen max. bei Sonnenauf- und untergang (ca.7.00 und 17.00)

o   horizontales Blatt: Max. um Mittagszeit (ca. 1.00 – 13.00 Uhr)

§  Vegetationsformen:

§  Taiga: sehr flacher Winkel der Strahlung, d.h. bei schräger Einstrahlung und sich die Bäume nicht gegenseitig beschatten à optimaler Strahlungsgenuss

àkein dichter Wald

§  Bei gut mit H20 versorgtem Blattà theoret. Strahlung= tatsächlich Strahlungskonsum

§  Bei schlecht mit H20 versorgtem Blatt:

theoret. Strahlung > tatsächliche Strahlungskonsum wg. Vertrocknen

§  Gruppenweise Vegetationsanordnung v.a. wegen Ressourcen (Wasser)

à v.a. Savanne, Tundra

§  schmale hohe Gestalt der Pflanze/Blätter à geringe Sonneneinstrahlung (weil sehr heiß)

Zypresse Besenginster

Strahlungsabschwächung

§  Dichter Wald à Großteil im oberen Bereich absorbiert

Also: bei komplexer Vegetationsform kommen nur 2 % Licht unten an, da können Pflanzen eigentlich nicht überleben, da Licht nicht für C-Produktion ausreicht

à aber Moose können wachsen, da sie keine zu erhaltene Fläche (Stamm) haben, sondern nur grün.....

à Schutz Vegetation

§  bei zu dichter Vegetation = „Windeffekt“ d. h. Strömungsprofil wird geringer = hohe Windgeschwindigkeit à Turbulenzen entstehen (zuerst Widerstand, dann Turbulenz)

-       besser bei lockerem Bestand: bessere Rückstrahlung

§  Tageszeitliche Veränderungen im Verlauf der aerodynamischen Austauschprozesse in einem Getreidefeld in Abhängigkeit von der Höhe des Bestandes


Beugung der Linien nach links à negative Bilanz à Abgabe

Beugung der Linien nach rechts à positive Bilanz à Aufnahme

Kohlenstoffhaushalt der Pflanze

Photosynthese

Die Pflanze fixiert mit Hilfe von Licht in den Chloroplasten CO2, welches sie über die Spaltöffnungen aufnimmt.

Ein Laubblatt fixiert pro Vegetationsperiode ca. 3 g Kohlenstoff

Das fixierte CO2 wird zur Synthese von Glucose verwendet. Die Glucose wird in

Form von Stärke gespeichert.

Zur Bildung von 1 g Glucose werden 1,47 g CO2 benötigt, die einem Luftvolumen

von 2500 l entzogen werden müssen

Die Stärke wird in Energie umgewandelt und zum Aufbau von Biomasse

verwendet. Jährlich werden 100 Gigatonnen durch Vegetation der Erde fixiert.

§  Diffusion zum Blatt

§  Turbulenz macht ra kleiner à kleine Blätter

Windgeschw. Stark vermindert

ra= Grenzwiderstand

§  Externe Diffusionswiderstand (ra, rg)

§  Restwiderstand u. Nettophotosynthese von Blättern einer C3 Pflanze (Calopogonium mucunoides) und einer C4 Pflanze (Pennisetum purpureum) in Abhängigkeit v. d. Bestrahlungsstärke

§  Bei intensiver Bestrahlung ist in C3 - Pflanzen rr wesentlich größer als rS bei C4- Pflanzen etwas kleiner

à Widerstände und PS bei zunehmender Strahlung in C3 und C4 Pflanzen

- bei beiden sinkt ra ab mit steigender Strahlung

à erwärmen sich stärker à Turbulenzen à ra kleiner

-       rS bei beiden nimmt mit zunehmender Strahlung ab Spaltöffnungen zuerst zu, gehen dann immer mehr auf à am Ende alle offen

-       rr nimmt auch m. zunehmender Strahlung ab, bei C4 relativ geringer rr am Ende, bei C3 wesentlich höher

§  C3: primäre CO2 – Fixierung

Rubiscobisphosphatcarboxylase à Phosphoglycerinsäure (PGA) 3 C-Atome

§  C4: primäre CO2 – Fixierung

Phosphoenolpyruvat à Oxalacetat 4 C-Atome

Pflanze

C3

C4

CAM




Tag

Nacht

Zone

mittlere Zone

Tropen, Trockenheit

Trockenheit

Transpirationsrate

hoch

490-950

niedrig

250-350

medium

50-600

sehr niedrig

<50

Photosynthese- Rate bei C4- Pflanzen höher, da sie mehr CO2 aufnehmen. Deshalb muss der Restwiderstand bei C4 viel geringer sein.

Nettophotosynthese

§  Brutto PS à im Blattinnern (Mitochondrien)

§  Netto PS à an Oberfläche d. Pflanzen gemessen

CO2 Gaswechsel

§ 
Methode zu Infrarotabsorptionsmessung

à Infos über 1 Blatt in optimalen Bedingen

ABER:

§  Wichtig ist wie viele Blätter die Pflanze ausbilden kann (m-2) und in welchem Zeitraum (s-1) diese aktiv sind à Gesamtbilanz d. des. Pflanze weniger als nur 1 Blatt

Faktoren der CO2-Aufnahme

Interne Faktoren

Externe Faktoren

Carboxylierungsmodus C3,C4, CAM

Blattalter: junge Blätter haben mehr mitochondriale Atmung

Licht: Anpassungen

LMA (Blattmasse pro Blattfläche

[g*m-2]: obere Blätter sind dicker + aufwendiger gebaut)

à Sonnenblatt hat Stress à Ermüdung

§  4 Parameter der Lichtkurve:

§  Abhängigkeit der Nettophotosyntheseintensität senkrecht beleuchteter Blätter von der Photonenstromdichte bei optimaler Temperatur und genug CO2




Lichtabhängigkeit der PS von Son.....

§  Verschiebung d. Temperaturoptimums der Photosynthese gegen höhere Temperaturen

Wasserversorgung


Poikilohydre Pflanzen

Homoiohydre Pflanzen

-passen Wasserhaushalt der Umgebung an, keine Regulation über Vakuole, Stomata… à Moose, Flechten

2. hier zu hohe H2O-Sättigung


CO2 kann nicht an Assimilationsorgane diffundieren (da niedere Pflanzen)


3. hier höchste PS-Rate à höchste CO2-Aufnahme

à Keine aktive Steuerung des Wasserhaushaltes!

Regelung der Wasserabgabe über Stomata gesteuert

-       mit abnehmendem Wasserpotential (Pflanze trockener) zunächst keine Veränderung in der PS, dann nimmt sie ab

-       à erst wenn best. Wasser potential erreicht ist, bricht das biologische System zusammen (nicht gleich am Anfang) (Photophosphorylierung bricht sehr spät ein)

-       à Schwellenwert d. Austrocknungstoleranz


Diagramm: CO2 Aufnahme gegen Blattwasser potential


à wenn es heiß wird schließen sich die Stomata

à kein CO2 mehr rein


das machen die Mesophyten sehr früh, dann Hartlaubsträucher, Xerophyten


- allg. Wirkungskette:

Regelung der Wasserabgabe à schließen d. Spaltöffnungen à keine CO2-Aufnahme

Pflanzen, die auch bei geringen Blattwasserpotential noch CO2 aufnehmen sind nicht H2O-gesättigt

§  zu homoiohydren Pflanzen:

oSucculenten haben sehr viel H2O gespeichert, reagieren als erste mit Schließen der Stomata

oimmer sehr hohe H2O-sättigung innen

oH2O-Haushalt hat höhere Priorität als Wachstum (da kaum PS)

§  Xerophyten können sehr stark austrocknen (kleine Blätter)

oriskieren Austrocknung durch niedriges H2O-Potential

onehmen immer noch CO2 auf à Wachstum

§  CO2-Gaswechsel bei CAM-Pflanzen

oOrchidee à nachts H2O- und CO2- Aufnahme, am Tag Stomata geschlossen

o   Agave: in der Nacht CO2- Aufnahme, tagsüber Stomata nur kurz auf;

§  unter Trockenstress à Stomata bleiben auch nachts zu

Regelung der Wasserabgabe

§  Pflanze besitzt Rezeptoren und viele verschiedene Regelkreise zur CO2-Abgabe, H2O-Aufnahme

§  je mehr Licht, desto mehr CO2-Verbrauch à CO2 muss nachströmen

Faktoren nach Priorität

1. ψ : Wasserpotential der Blätter (wenn zu gering bleiben Stomata zu!)

à entscheidend für Zustand der Stomata

2. Licht

3. Luftfeuchtigkeit à Wasserdampfdruck à auch Minimierung der H2O-Abgabe

4. CO2à ci (CO2- Konzentration im Inneren d. Pflanze)

$

Pflanze wächst dann einfach nicht, alles andere wichtiger

2., 3. + 4. sind alle etwa gleich wichtig; auch abhängig von Pflanze und Standort

Wassernutzungskoeffizient:

à wie viel µmol CO2 nimmt die Pflanze pro mmol abgegebenen Wasserdampf auf


Wa.....

§  NUE optimiert auf gegebene Wuchsbedingen (Licht)

§  Parameter so aufeinander abgestimmt, dass nur sehr enge Nutzungseffizienz

§  Stickstoffnutzungseffizienz der Photosynthese

    • Sonnenblätter meist niedrige N-Nutzung bei hohem N-Gehalt pro Fläche
    • Schattenblätter umgekehrt
    • jeweils hohe Effizienz
    • im spezialisierten Lebensraum besser als andere

§  Konkurrenzstarke Arten haben eine hohe NUE bei relativ niedrigem N-Gehalt

stärkeres Wachstum à überwuchern andere

Zusammenfassung

§  Faktoren der CO2 – Aufnahme:

-Carboxylase-Mechanismus

-Alter

-Licht

-Temperatur

-Wasser

-Nährstoffe


komplexes Wirkungsgefüge

à Artendiversität

à Ausdruck der komplexen Wirkungen

jede Pflanze ist verschieden gut an jeden Faktor angepasst

Kohlenstoffhaushalt der Pflanze

§  Wann macht Pflanze den häufigsten C-Gewinn à Überschuss?

- leistungsfähiger PS-Apparat

- wenig Atmung bei geringer Temperatur und bei einer kurzen + kühlen Nacht

- große Blattfläche (=> viele Stomata)

- Zeitspanne der Photosynthese

§  tropische Systeme sehr leistungsfähig, da zeitsparend PS sehr lang

§  bei uns z.B. durch kalten Winter eingeschränkt, im Sommer aber gr. Blattfläche à leistungsfähige PS

Pflanzen und Wachstum

§  relative growth rate: G=Biomasse; G0 = Anfangsbiomasse

§  Assimilationsleistung der Blattfläche:

A= Blattfläche [g Trockensubstanz/ m2 Blattfläche und Tag]

§  hohe Spanne der Assimilationsleistung der Blattfläche

DIA

■ Assimilataufwand (angegeben in investierte Glucose Einheiten) für Fraßabwehr und Erneuerung von Pflanzenteilen

DIA

■ Modell für die Bereitstellung von assimilierten Kohlenhydraten (Zuckerexport aus den Blättern in die Pflanze) in Abhängigkeit der Funktionsdauer u. Fraßrisiko

DIA

■ Assimilathaushalt einer annuellen Pflanze

§  Bäume speichern im Winter Assimilate im Stamm

à im Frühling raus (Austrieb in die Blätter, im Herst wird es wie.....

oin den Tropen NPP sehr hoch


§  Die Nettoprimärproduktion und der Fluss im Standesabfall hängen direkt zusammen:

B= Biomasse; V= Verlust

DB=0 à Gleichgewicht

DB >0 à Aufbau von Biomasse

DB<0 à Störung (z.B. Waldbrandà Biomasse sinkt)

§  Durch verbrauchte Biomasse wird sehr viel Energie u. Nährstoffe freigesetzt

Konsumenten

1.) Plankton

§  normales ungestörtes System: VK >> VA

§  wenn die Konsumenten (Fische) entfernt und Nährstoffe zugeführt werden, wird der Standesabfall zunehmen

_ Störung –; Konsumenten +=> Vk ist niedrig, VA ist hoch à insgesamt steigt der O2- Bedarf

2.) Grasland

§  normales System: VA hoch

§  Wenn VK > 50 % von NPP à dann sinkt NPP (da C-Synthese durch geringe PS-Fläche zu gering zum Wachsen à Bsp. zu oft Rasen mähen à Moose können wachsen, da sie nicht von hohem Gras beschattet werden + somit viel Licht bekommen)

§  je langlebiger + komplexer ein Vegetationssystem ist, desto komplexer wird es, wenn man Biomasse rausnimmt.

Wälder

Wie lange können die Systeme Biomasse anhängen?

§  wenn die Bäume immer größer werden verändert sich das Verhältnis der Masse, die erhalten werden muss und der Blattmasse.

§  die Langlebigkeit ist an ein lan.....

§  Problem:

    • regionale/überregionale Verteilung
    • z.B. in OPEC-Länder (ölproduzierende) wird 200 mal soviel Energie verbraucht, als in Biomasse fixiert wird.
    • In Industrieländer ca. 20 – 60 mal so viel
    • außerdem kann nicht jährlich 1/10 d. Bäume gefällt werden à reicht nicht lange
    • durch hohen Verbrauch (Übernutzung) stützt die Biomasseproduktion völlig ab


Wasserhaushalt

Grundtypen:

Poikilohydre:Moose, Flechten, Pilze

§  passen H20 Haushalt an Umgebung an à so kann Kampf um Licht nicht gewonnen werden

Homoiohydre:

§  machen sich immer unabhängiger von limitierendem H2O

§  Voraussetzung des Wasserhaushaltes

-Leitbahnen (Tracheen, Tracheiden)

-Störung der Abgabe durch aktives Öffnen + Schließen der Spaltöffnungen

-Cuticula à zur Dichtung

-Wurzeln zur Wasseraufnahme

-Vakuole als osmotisches Werkzeug, H2O-Speicher, Abfallaufnehmer

Wasserpotential

à Arbeit/Druck zur Bewegung des H2O in Pflanzen ; Druck [MPa]

DIA:

Wasserpotentialdiagramme für

a. eine vakuolisierte Pflanzenzelle in einem hypertonischem Medium

b. für Zellen eines in Luft austrocknenden Blattes

  • Mit zunehmendem Wasserentzug wird das osmot. Potential Ψp stärker negativ, das Druckpotentail Ψp fällt von pos. Werten auf Null
  • das H2O-Pot. der Zelle ergibt sich aus der Summe Ψp und Ψp


à positives Potential entspricht dem Turgor

§  bei Austrocknung strebt die Zelle danach, H2O aufzunehmen

§  Ψmatrix=Oberflächenpotential


§  Wasser über Potentialgradient i. d. Pflanz.....


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