Ökologische Modellbildung I

Grundlagen der Ökologie und
Umweltwissenschaften
SS 2009
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21. 4. Einführung, Begriffe, Geschichte der Ökologie
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28. 4. Geschichte der Erde
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5. 5. (Evolutions)-Geschichte des Lebens
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12.5.
Evolutions-Geschichte
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19. 5. (Evolutions)-Geschichte des Menschen
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26. 5. Umweltsysteme: Ökosysteme im Stoffkreislauf
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2. 6. Elemente der Umwelt: Boden
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9. 6. Organismen als Elemente von Ökosystemen
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16. 6. Nutzung von terrestrischen Ökosystemen
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23. 6. Nutzung von aquatischen Ökosystemen
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30. 6. „Konstruktion” und Regulation von Ökosystemen
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7. 7. Modelle von Ökosystemen,
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14.7. Besprechung Übungsaufgaben
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21.7. Klausur
Venus
Erde heute
Mars
Temp.
CO2
N2
CH4
O2
Temp.
CO2
N2
CH4
O2
Temp.
CO2
N2
CH4
O2
459°C
96,5%
2%
0,0%
0,006%
ohne Leben
15°C
240-340°C
0,035% 98%
78,08% 1,9%
1,7 ppm 0,0%
20,95% 0,0%
-53°C
96,2%
2,5%
0,0%
0,15%
Siehe auch: http://www.gps.caltech.edu/faculty/stevenson/pdfs/interstellar_planets.pdf
Nettoreaktion:
Aus: R.A. Berner 2004
CO 2 + CaSiO3 → CaCO3 + SiO 2
Verlauf des CO2-Partialdrucks in der
Erdatmosphäre
Schneeballerde ?
Aus: Peltier et al. (Nature vom 6.12.2007)
Wdh.: Überleben des
Stammbaums während der
frühen Vergletscherungen
From: Paul F. Hoffman and Daniel P. Schrag (1999)
Abitoische Umgebung
als „Bühne des Lebens“
• Astrophysik
– Ausgangslage
• Wie häufig?
• Wie wahrscheinlich?
– Geschichte
• Abnahme der Trefferhäufigkeit durch Asteroide
• Zunahme der Sonnenstrahlung
• Geophysik
– Ausgangslage
• Zusammensetzung der Atmosphäre, des Mantels
– Geschichte
• Abnahme CO2, Zunahme O2
• Bildung von Kontinentalkrusten in Schüben
• Super-Kontinente bilden sich und brechen auseinander
Ist die Erde etwas Besonderes?
• durchschnittliche Galaxie, durchschnittliche Sonne,
durchschnittliche Umlaufbahn
• Häufigkeit von erdähnlichen Planeten ?
– noch keine Aussagen möglich über das Sonnensystem hinaus
• Innerhalb des Sonnensystems der einzige Planet mit:
–
–
–
–
Wasser in drei Phasen an der Oberfläche
granitischen Gesteinen
kontinentalen Krusten
diese drei Merkmale hängen zusammen!
• Frage nach der Rolle des Lebens bleibt offen ...
Wie häufig sind Planeten ?
Empfindlichkeit Kepler
6.3.09
Ziel
Quelle: Nasa (2009)
Daten der Evolution
• 4,5 Ga: Entstehung der Erde
• 4,0 Ga: Ende der schweren Meteoriten-Schauer
• 3,8 Ga: Indirekte Hinweise auf
Photosynthese (Leben) (?)
• 3,5 Ga: Älteste Mikrofossilien (Cyanobakt.)
• 2,7 Ga: Sauerstoff-produzierende Photosynthese
• 2,2 Ga: erste Eukaryonten, veränderte Sedimentation
• 0,7-0,6 Ga: Schneeball-Erde (Sauerstoff-Schub)
• 0,53 Ga Kambrische Explosion, Baupläne der Vielzeller
• 0,0001 Ga anatomisch moderne Menschen
Ursprung des Lebens:
Eine heiße Wiege?
• Tiefseehabitate („Black Smoker“) boten Schutz
vor UV-Strahlung
• Hyperthermophile Bakterien (bis 116 °C) stehen
nahe am ältesten Ast des Stammbaums
• Heute: Weite Verbreitung von thermophilen
Bakterien in der Erdkruste („deep hot biosphere“)
Zirkulation zwischen Tiefsee und der
und ozeanischen Kruste
Merkmale lebender Systeme
- Offenheit gegenüber Umwelt
- thermodynamische Voraussetzung (fern vom Gleichgewicht),
Mechanismen im Sinne der Physik, Metabolismus
- Organismen können sich „entscheiden“
- Entscheidungen werden auf der Basis von Gedächtnis getroffen:
Interaktionen im Sinne der Informatik, Selbst-Reproduktion
- Metabolismus gewährleistet:
– Synthese der Enzyme, die den Organismus aufbauen, durch
Rückgriff auf „Gedächtnis“
- Mutation gewährleistet :
- die Entstehung neuer Information durch zufällige „Degeneration“,
durch Mechanismen
Evolution
•
Darwin (1859):
Natürliche Selektion
•
Dobhansky (1941):
Nichts in der Biologie macht Sinn, außer
im Lichte der Evolution.
•
Review zur „Evolution“ in Science (1999):
Evolution ist der Mechanismus, der die
Diversität des Lebens produziert.
•
Rosen (2000):
kritisiert die Verwendung von
„Mechanismen“ in der Biologie
Phasen der Evolution
• Vor mehr als 3 Mrd. a: Beginn der prokaryontische
Evolution:
– Zuerst die Reproduktion (RNS; DNS) oder
– Zuerst der Metabolismus (Proteine) ?
• prokaryontische Evolution:
– physiologische Innovationen, Cyanobakterien als
„Überlebenskünstler“
– morphologisch einheitlich und konservativ
– alle biogeochemischen Kreisläufe existieren
• ab ca. 2 Mrd. a : Eukaryontische Evolution:
– Physiologische konservativ: Effizienter Energieumsatz
(Atmung)
– Morphologisch innovativ: Entwicklungsphasen und Tod
(Mitose/Meiose)
– Kooperation als Fortpflanzungsgemeinschaften (Art)
• ab ca. 0.56 Mrd. a: höheres Leben:
– modularer Aufbau von Organismen
– „Kambrische Explosion“
Darwin (1859: On the Origin of Species)
http://darwin-online.org.uk/
• Individuen einer Population sind
nicht identisch
• Diese Variabilität ist teilweise
erblich
• Alle Population sind fähig zum
exponentiellen Wachstum, das
tatsächliche Wachstum ist meist
kleiner
• Die Zahl der Nachkommen und der
Beitrag zur nachfolgenden
Generation variiert.
Das Ergebnis heißt: Natürliche Selektion
Aus: Townsend et al. (2000)
Der biologische Artbegriff (Wdh.):
• Fortpflanzungsgemeinschaft von Organismen:
Individuen, die potenziell gemeinsame und
wiederum vermehrungsfähige Nachkommen
haben können.
– Nur durch wiederholte Beobachtungen zu klären:
Verhalten als Bezugssystem
– Genotyp/Phänotyp Unterscheidung
– Vorgeschlagen von Zoologen, zur Not auch für
Botaniker zu verwenden, nahezu unbrauchbar für
Mikrobiologen
Der Artenschwarm auf den
Galapagos Inseln
Aus: Townsend et
al. (2000)
Beobachtungen zur Evolution:
• Darwin: Galapagos Finken
– Artenschwarm mit 13 Arten
• Inzwischen viele Beispiele
– z.B. Laborexperimente bis zu 24.000 Generationen
• Zufall versus Gesetzmäßigkeiten?
– Einmalige Ereignisse (z.B. Kambrische Explosion)
– Wiederholbare Muster (regionales Aussterben und
Wiederbesiedlung)
– Gleiche Grundmuster in vielen Ordnungen
• Übersicht: Fossile Reste auf Ebene der Familie
Begriffe zur Beschreibung der Evolution
• Ontogenese und „natürliche Selektion“: Fitness als
Arteigenschaft:
– Reproduktion bestimmt den aktuellen Erfolg einer Art in einer
Umwelt
– Gemessen als Zahl reproduktionsfähiger Nachkommen
• Phyllogenese und „natürliche Selektion“: Robustheit als
Eigenschaft evolvierender Systeme
– Der Umfang an bewerteten Informationen (Gedächtnis) bestimmt
langfristig die Robustheit einer Art
– Gemessen an der Größe des Gedächtnis, der Länge der
Tradition
Begriffe zur Beschreibung der
Evolution (Forts.)
• In welchem Verhältnis stehen eigentlich :
– das genetische Gedächtnis,
– das langfristige Überleben und
– der aktuelle Reproduktions-Erfolg einer Art?
• Gibt es Fortschritt in der Evolution ?
– kann man das messen?
– als Fitness? Als Robustheit?
Analogien?
• Fit? Eigenschaften, die
sich am aktuellen
Vertreter beobachten
lassen:
– Viele Programmzeilen
– Viele Anhänger
– Viele Wähler
– Viele Organismen, viele
Nachkommen (Fitness)
Fitness
• Robust? Eigenschaften,
die sich nur in der
langfristigen Beziehung
zur Umwelt zeigen bei:
– Erfolg eines interaktiven
Computerprogramms
– Erfolg einer
Fußballmannschaft
– Erfolg einer politischen
Partei
– Erfolg einer biologischen
Art (Überleben)
„survival of the fittest“?
„Survival of the Fittest“
• Ist das nicht selbstbezüglich, eine Tautologie ?
– Fitness kann nur im Nachhinein ermittelt werden
(meist an der Reproduktionsrate)
– Survival meint das langfristige Überleben einer Art
– Was ist dabei das Hauptgeschäft und
– Was ist die Nebenbedingung ?