13 Genetics

1
Fysiologie Ecologie Arthur Rep
2
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

3
Bodemkunde

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

Bodem grond op bepaalde plek Grond materiaal
waaruit bodem bestaat
Drie fasen Gasvormige faseVloeibare faseVaste
fase
4
Gasvormige fase

• wortelademhaling en respiratie van
  micro-organismen ? hoog CO2 gehalte
• microhabitat zeer variabel
• waterverzadigde bodem ? laag O2 -gehalte

5
Vloeibare fase

• Bodemvocht met opgeloste stoffen
• Door adhesie capillaire werking ? zuigspanning

• Vochtkarakteristiek- veldcapaciteit pF2,2-
  verwelkingspunt pF4,2- vochtleverend vermogen
  ?vocht (pF2,2-pF4,2)

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
pF -log (cm waterkolom)
6
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 lt2 µm wel adsorptie houdt
  veel water vast

• Bodemclassificatie met textuurdriehoek

7
Vaste fase

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

- houdt veel water vast- groot
adsorptievermogen
8
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 g kaoliniet
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

9
Het adsorptiecomplex ll

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

10
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 Eh800 mV
• Heterotrofe activiteit doet Eh dalen tot 500 mV
• In anaëroob (methanogeen) sediment Eh-450 mV

11
Waterhuishouding

• Waterpotentiaal ? -R.T.i.M.103 Mpa

• ?totaal ?pressure ?solutes

• Watertransport door membranen wordt gefaciliteerd
  door aquaporinen

12
Wateractiviteit

• In levensmiddelenmicrobiologie gebruikt men
  begrip wateractiviteit aw
• ? RT ln aw /V

13
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

14
Transpiratie
15
Watertransport
Hoe verklaar je de dikteveranderingen?
16
Huidmondjes

• Sluitcellen
• nemen K-ionen op
• opname water door afname waterpotentiaal
• door toename turgor wordt opening groter

17
2.1 Essentiële nutriënten
18
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

19
Opname nutriënten

• Selectieve opname door
• concentratieverschil
• membraaneigenschappen
• ladingsverschil
• carriers

20
Transport door de wortel

• Wortelstelsel
• groot oppervlak door wortelharen
• extra opname met hulp van mycorrhizae

• Transport
• in schors via apoplast en symplast
• endodermis sluit apoplast af door Bandjes van
  Caspari

21
Het adsorptiecomplex lll

• Zure regen

• pH is ook van belang voor beschikbaarheid

22
Suikertransport

• Verschil plant-dier

23
Pressure flow

• Pressure flow Drukstroom
• is gevolg van hydrostatische drukverschillen die
  door osmose zijn ontstaan

24
Waterhuishouding bij dieren

• Terug naar de nieren

25
Waterhuishouding bij dieren

• Deze vis leeft in zoet/zout water

26
Waterhuishouding bij dieren

• Deze vis leeft in zoet/zout water

27
Einde deel 1
28
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

29
Ecologie - integratieniveaus

• Autoecologie onderzoekt invloed van
  omgevingsfactoren

• Populatie-ecologie onderzoekt samenstelling
  populatie

• Gemeenschapsecologie onderzoekt interacties
  tussen soorten binnen gemeenschap

• Systeemecologie kijkt naar verband tussen
  gemeenschap en milieu

Ecologie is onmisbaar in onderzoek naar
milieuproblemen Biosfeer som alle ecosystemen
30
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

31
Zoetwatersystemen

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

32
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

33
Natuurlijke selectie en adaptatie
Feit 1 Potentieelexponentiële groei
Conclusie 1 Strijd om het bestaan tussen
individuen
Feit 2 Waargenomen steady state
Conclusie 2 Survival of the fittest
Feit 4 Elk individu is uniek
Feit 3 Hulpbronnen zijn beperkt
Conclusie 3 Graduele verandering over langere
tijd evolutie
Feit 5 Variatie is erfelijk
34
Natuurlijke selectie en adaptatie

• Summarizing Darwins 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

35
Adaptatie

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

36
Populatie-ecologie

• Populatie individuen van een soort in één
  gebied
• Dichtheid aantal per ruimte-eenheid- diverse
  bemonsteringstechnieken- merk-terugvangmethode

37
Dispersie

• Dispersie verspreidingspatroon- random
  Poisson-verdeeld s?m

- groepsgewijs sgt?m
- regelmatig slt ?m
38
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(x0, 1, 2, 3, 4, enz.) em(1, m,
  m2/2!, m3/3!, m4/4!, enz.)

39
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 / sp2 is de dispersiecoëfficiënt
• Hypotheses
• H0 dispersiecoëfficiënt 1, de dieren zijn
  volgens het toeval verdeeld,
• Ha1 dispersiecoëfficiënt lt 1, de dieren zijn
  regelmatig verdeeld,
• Ha2 dispersiecoëfficiënt gt 1, de dieren zijn
  groepsgewijs verdeeld.
• (n1)sn-12
• is ?2-verdeeld
• sp2
• 19 1.26
• 7.98, dus Ha1
• 3.00

40
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

41
Life table koolmees
42
Life-history

• Life historySchema van reproductie en sterfte
• Allocatie nakomelingen of overleving?- aantal
  reproductieve episodes- aantal nakomelingen per
  episode- leeftijd aanvang reproductie

43
Groeimodellen

• Exponentieel model, geen beperkingen aan
  groeidN/dt R.NNtN0eRt
• Logistisch model, groei beperkt tot plafond
  (K)dN/dt R.N(KN)/K
• K Nt 1(KN0)/
  N0.eRt
• R intrinsieke groeisnelheid
• K carying capacity
• Simplistisch in werkelijkheid interacties

44
K- en r-strategieën
45
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

46
Einde deel 2
47
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

48
Interacties
 
 
 
49
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
50
Competitie l

• Interspecifieke competitie
• Soorten met dezelfde ecologische niche sluiten
  elkaar uit

51
Competitie ll
A.distichus

• Interspecifieke competitie
• Soorten gaan zich specialiseren resource
  partitioning

A.insolitus
52
Competitie lll

• Interspecifieke competitie
• Sympatrische soorten divergeren character
  displacement is resultaat van evolutie

53
Mutualisme

• Mutualisme symbiose
• Korstmossen

• Rhizobium

• Mycorrhizae
• Endosymbionten

54
Commensalisme

• Commensalismeéén soort profiteert, de andere
  heeft er geen last van

55
Voedselketens en -webben

• Levensgemeenschap heeft verschillende
  trofieniveaus

• Lengte voedselketen wordt beperkt door
  beschikbare energie ? voedselpyramide

56
Structuur l

• Sleutelsoorten onmisbaar voor structuur- meestal
  predatoren houden abundantie dominante soorten
  laag
• bottum-up model N ? V ? H ? P
• top-down modelP ? H ? V ? N

57
Structuur ll

• Verstoring vaak belangrijk voor structuur geen
  evenwicht

• Successie - op nieuwe bodem primair

- na verstoring secundair
58
Biodiversiteit

• Biodiversiteit kenmerken - soortenrijkdom-
  relatieve abundantie

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

59
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

60
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

61
Vleeseter of vegetariër?
62
Stofkringlopen

• C-kringloop- aëroob CO2- anaëroob CH4

63
Voedselweb
64
N-kringloop

• N-kringloop
• N-fixatie door wortelknollenvrijlevende m.o.
• ontleding org.N ammonificatie
• aëroob nitrificatie
• anaëroob denitrificatie

65
Nitrificatie-denitrificatie

• Nitrificatie NH3 is elektronendonor
• 2NH34O2?2HNO32H2O?G-839KJ/mol
• Denitrificatie org.stof (NADH) is elektronendonor

66
Menselijke impact

• Ontregeling stofkringlopen
• Zure regen

• Biomagnificatie accumulatie in de
  voedselketen- klopt dit plaatje?
• Verandering vegetatie en klimaat door CO2-toename
• Aantasting ozonlaag

67
Amoebe

• AMOEBE staat voor Algemene Methode voor
  OEcosysteembeschrijving en BEoordeling.

68
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)

69
Modules met ecologie

• P1 en 2 Triade-project
• P2 Ecotoxicologie (P2)
• P5 Analyse van Ecologische gegevens en
  Vegetatiekunde (Schiermonnikoog)