ÖKOPHYSIOLOGIE: WAS ES UNTERSUCHT UND ANWENDUNGEN BEI TIEREN UND PFLANZEN - BIOLOGIE - 2025

Die ecofisiología ist der Zweig der Ökologie, der die funktionelle Reaktion von Organismen auf die Anpassung an Umweltveränderungen untersucht. Jedes Lebewesen muss sich an seine Umgebung anpassen, um zu überleben, und diese Anpassung ist sowohl strukturell als auch funktional.

Diese Disziplin wird auch als physiologische Ökologie oder Umweltphysiologie bezeichnet und generiert sowohl Grundwissen als auch angewandtes Wissen. Somit ist es möglich, die Beziehung zwischen der Physiologie eines Organismus und Umweltveränderungen zu kennen.

Ökophysiologische Experimente. Quelle: Rasbak

Ebenso liefert die Ökophysiologie Informationen auf dem Gebiet der Pflanzen- und Tierproduktion zur Erzeugung von Nahrungsmitteln. Beispielsweise waren Studien zur Ökophysiologie von Pflanzen, die gegenüber extremen Umweltbedingungen tolerant sind, bei der genetischen Verbesserung nützlich.

Ebenso ermöglichen ökophysiologische Studien festzustellen, welche Umweltbedingungen für eine höhere Tierproduktivität am besten geeignet sind. Somit können Variationsbereiche von Umweltfaktoren festgelegt werden, um den Tieren in den Produktionseinheiten Komfort zu bieten.

Was studiert Ökophysiologie?

Ökophysiologie ist eine Disziplin, in der Physiologie und Ökologie zusammenwachsen. Physiologie Die Wissenschaft, die die Funktionsweise von Lebewesen und die Ökologie untersucht, befasst sich mit den Beziehungen zwischen Lebewesen und ihrer Umwelt.

In diesem Sinne untersucht die Ökophysiologie die dynamische Beziehung zwischen der sich verändernden Umwelt und der Anpassung des Pflanzen- oder Tierstoffwechsels an diese Veränderungen.

- Ökologisches Experimentieren

Um ihr Ziel zu erreichen, wendet die Ökophysiologie sowohl deskriptive Forschung als auch die experimentelle Methode an. Dazu werden die physikalisch-chemischen Faktoren identifiziert, die in der Umwelt wirken, und ihre Wirkung auf den Körper bestimmt.

Diese Faktoren können Ressourcen sein, die der Organismus für sein Überleben verwendet, oder Bedingungen, die seine Funktion beeinträchtigen. Anschließend wird die physiologische Reaktion des lebenden Organismus auf die Variationen dieses Faktors festgestellt.

Stoffwechselsysteme beteiligt

Es ist notwendig, die organischen und funktionellen Systeme zu identifizieren, die an der adaptiven Reaktion des Organismus auf die Änderung eines bestimmten Faktors beteiligt sind. Wenn sich beispielsweise die Temperatur ändert, reagiert das thermoregulatorische System des Individuums.

Experimentelles Design

Die Ökophysiologie verwendet die Versuchsplanung, um die physiologische Reaktion des Organismus auf Änderungen eines Faktors festzustellen. Ein Beispiel hierfür kann sein, dass Individuen einer Pflanzenart unterschiedlichen Salzkonzentrationen im Substrat ausgesetzt werden.

- Arten von Umweltveränderungen

Nachdem die zu untersuchenden Faktoren definiert wurden, müssen die in der Umgebung auftretenden Veränderungen und ihre zeitliche Natur identifiziert und drei Typen definiert werden:

Zyklische Veränderungen

Diese Änderungen wiederholen sich regelmäßig, z. B. der Wechsel der Klimasaison oder Tag und Nacht. Angesichts dessen hat das Lebewesen eine zyklische Funktion entwickelt, die dem Rhythmus des Umweltwandels folgt.

Tag- und Nachtzyklus. Quelle: Caliver

Zum Beispiel der Fall der Blätter in der Trockenzeit, um den Schweiß aufgrund des Wassermangels zu reduzieren. Bei Tieren gibt es auch Anpassungen an diese zyklischen Veränderungen; zum Beispiel die Veränderung des Gefieders bestimmter Vögel.

Der Schneehuhn (Lagopus muta) der Tundra weist eine saisonale Homochromie auf und zeigt ein winterweißes Gefieder, während er sich im Frühjahr in dunkle und bunte Töne verwandelt. So wird ihre Tarnung an das gleichmäßige Weiß des Schnees und dann an die dunklen Töne der Umgebung während des restlichen Jahres angepasst.

Eine weitere Anpassung der Tiere an zyklische Veränderungen ist der Winterschlaf von Bären und anderen Arten im Winter. Dies beinhaltet Änderungen der Stoffwechselrate, einschließlich abnehmender Körperfunktionen wie Temperatur und Herzfrequenz.

Zufällige Änderungen

Diese Arten von Änderungen treten zufällig ohne festgelegte Regelmäßigkeit auf. Zum Beispiel der Erdrutsch eines Berghangs, eine Ölpest oder die Ankunft eines neuen Raubtiers oder Krankheitserregers.

Diese Arten von Veränderungen stellen ein größeres Risiko für die Art dar, da sie drastisch auftreten. In diesen Fällen hängt die Reaktion der Organismen von der Plastizität der bereits vorhandenen Funktionen ab.

Richtungsänderungen

Sie sind Veränderungen in der Umwelt, die absichtlich von Menschen für bestimmte Zwecke verursacht werden. Ein Fall hierfür ist die Entwaldung eines Waldes, um eine Weide anzulegen, oder die Intervention eines Feuchtgebiets, um Reis anzubauen.

- Allgemeine Postulate

Ausgehend von der Anhäufung experimenteller und beobachtender Beweise in der natürlichen Umwelt versucht die Ökophysiologie, allgemeine Postulate zu definieren. Dies sind allgemeine Prinzipien, die sich aus der Regelmäßigkeit bestimmter physiologischer Reaktionen auf Umweltveränderungen ergeben.

Liebigs Gesetz des Minimums

Sprengel (1828) postulierte, dass der bestimmende Faktor für das Wachstum eines Organismus der seltenste in der Umwelt ist. Später wurde dieses Prinzip von Liebig (1840) populär gemacht und ist als Gesetz des Minimums oder Liebigsches Gesetz bekannt.

Bartholomäus (1958) wandte dieses Prinzip auf die Verbreitung von Arten an und wies darauf hin, dass es durch den einschränkendsten Umweltfaktor bestimmt wird.

Shelfords Toleranzgesetz

Im Jahr 1913 gab Victor Shelford an, dass eine bestimmte Art in einem definierten Variationsbereich für jeden Umweltfaktor und ihre Wechselwirkungen existiert. Dies ist als Toleranzgrenze bekannt, außerhalb derer die Art nicht überlebt.

Shelfords Toleranzgesetz. Quelle: http://ecologiaambiental.wikispaces.com/

Dieses Prinzip definiert, dass es in der Variationsamplitude eines bestimmten Umweltfaktors drei mögliche Zustände für den Organismus gibt. Diese Zustände sind optimal, physiologischer Stress und Intoleranz.

In diesem Sinne werden im optimalen Bereich des Faktors die Populationen der Arten reichlich vorhanden sein. Wenn man sich vom Optimum entfernt, betritt man eine Stresszone, in der die Populationen abnehmen und die Art außerhalb der Toleranzgrenze verschwindet.

- Digitale Technologie und Ökophysiologie

Wie in allen wissenschaftlichen Bereichen wurden ökophysiologische Studien durch die Entwicklung neuer Technologien verbessert. Aufgrund seines experimentellen Charakters wurde diese Disziplin insbesondere durch die Entwicklung der digitalen Technologie begünstigt.

Heutzutage gibt es eine Vielzahl tragbarer elektronischer Geräte, mit denen Umweltfaktoren vor Ort gemessen werden können. Dazu gehören unter anderem Sonnenstrahlungsmesser, Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit, Blattfläche.

Anwendungsbeispiele bei Tieren

- Einfluss der Temperatur auf die Produktivität von Nutztieren

Ein sehr relevantes Gebiet ist die Ökophysiologie der Tierproduktion, die versucht, die Reaktion von Zuchttieren auf die Variation von Umweltfaktoren zu verstehen. Einer dieser Faktoren ist die Temperatur unter Berücksichtigung des aktuellen Trends einer steigenden globalen Durchschnittstemperatur.

Homöothermie

Die überwiegende Mehrheit der Zuchttiere ist homöothermisch, dh sie halten trotz Umgebungsschwankungen eine stabile Innentemperatur aufrecht. Dies wird durch die Investition chemischer Energie erreicht, um Erhöhungen oder Verminderungen der Außentemperatur auszugleichen.

Dieser externe Temperaturkompensationsprozess wird durch Thermoregulation erreicht, an der Hypothalamus, Atemwege und Haut beteiligt sind.

Legehennen

Es wurde festgestellt, dass die Tageszeit, zu der eine Legehenne gefüttert wird, für ihre Produktivität wichtig ist. In diesem Fall hat es mit der Assimilationskapazität des Lebensmittels als Funktion des Hitzestresses zu tun.

Legehennen. Quelle: Peloy (Allan HM)

Wenn das Futter in den heißesten Stunden des Tages geliefert wird, nimmt die Henne es weniger auf und seine Produktion nimmt ab. Folglich impliziert der Anstieg der Umgebungstemperatur eine Abnahme der Produktivität von Freilandhühnern.

Das Vieh

Der Temperaturanstieg zwingt die Tiere, physiologische Mechanismen der Thermoregulation zu aktivieren. Dies beinhaltet eine Investition von Energie, die von der Gewichtszunahme oder der Milchproduktion abgezogen wird.

Andererseits variieren die Tiere mit steigender Temperatur ihre Fütterungsprioritäten. In diesen Fällen nimmt die Wasseraufnahme zu und der Verbrauch an Trockenmasse ab, was zu einem Gewichtsverlust führt.

- Verschmutzung und Frösche

Ökophysiologische Studien ermöglichen es, die Physiologie von Tierarten mit ihrer Umwelt in Beziehung zu setzen und mögliche negative Auswirkungen der Verschmutzung festzustellen. Ein Beispiel hierfür ist der aktuelle Bedrohungszustand, dem Frösche und Kröten ausgesetzt sind.

Frosch (Atelopus zeteki) empfindlich gegen Verschmutzung. Quelle: Brian Gratwicke

Etwa die Hälfte der 6.500 bekannten Amphibienarten ist vom Aussterben bedroht. Diese Tiere reagieren sehr empfindlich auf Änderungen der Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder Umweltverschmutzung.

Die Atmung und Zirkulation von Amphibien

Die Physiologie der Atmung von Amphibien ist sehr eigenartig, da sie sowohl durch die Lunge als auch durch die Haut atmen. Wenn sie nicht im Wasser sind, benutzen sie ihre Lunge und atmen im Wasser durch ihre Haut, die für O2, CO2 und Wasser durchlässig ist.

Einschlag

Die Form der Atmung macht diese Tiere anfällig für die Aufnahme von Schadstoffen aus Luft und Wasser. Andererseits werden sie aufgrund der geringen Sauerstoffkonzentration im Wasser schwächer, weil sie ihn nicht richtig absorbieren.

Unter diesen Bedingungen können sie sterben oder schwach werden und anfällig für Angriffe durch pathogene Pilze und Bakterien sein. Eine der größten Bedrohungen ist der pathogene Pilz Batrachochytrium dendrobatidis, der den Elektrolytfluss in der Haut hemmt.

Anwendungsbeispiele in Pflanzen

- Ökophysiologie von Pflanzen

Die globale Erwärmung wird aufgrund des Toleranzgesetzes in einigen Gebieten zur Produktion bestimmter Pflanzen führen. Das heißt, Faktoren wie die Verfügbarkeit von Wasser liegen außerhalb des Toleranzbereichs der Art.

Xerophyten. Quelle: Tomas Castelazo

Arten in Trockengebieten haben jedoch Strategien entwickelt, um sich an das Wassermangel anzupassen. In diesem Sinne bietet die Forschung in der Ökophysiologie von Pflanzen in Trockengebieten mögliche Wege zur Verbesserung der Pflanzengenetik.

Osmolyten

Eine dieser Strategien ist die Modifikation der Genexpression, um Proteine ​​zu produzieren, die helfen, das Wassermangel zu tolerieren. Unter diesen Proteinen befinden sich Osmolyte, die den Zellen helfen, ihren Turgor auch mit wenig Wasser aufrechtzuerhalten.

Das Wissen über diese Proteine ​​und ihren Stoffwechsel kann gentechnisch genutzt werden, um Pflanzen zu verbessern.

- Ökophysiologie halophiler Pflanzen

Eines der Probleme der Landwirtschaft ist der Salzgehalt der Böden aufgrund der Salzkonzentration in den Bewässerungswässern. Je mehr Böden versalzen, desto weniger Ackerland steht für die Lebensmittelproduktion zur Verfügung.

Halophile Pflanzen

Es gibt jedoch Pflanzenarten, die geeignet sind, unter Bedingungen hoher Salzkonzentration im Boden zu überleben. Dies sind die sogenannten halophytischen Pflanzen (Halos = Salz; Phyto = Pflanze).

Diese Arten haben eine Reihe von morphologischen und physiologischen Anpassungen als Mechanismen entwickelt, um die Salzabsorption zu vermeiden, sie zu immobilisieren oder auszuscheiden.

Halophytische Pflanzen als Nahrung

Das Wissen über die Ökophysiologie dieser Pflanzen dient als Grundlage für die Entwicklung landwirtschaftlicher Systeme und deren Verwendung als Nahrungsquelle. Auf diese Weise können auf salzhaltigen landwirtschaftlichen Böden kultivierte halophytische Arten als Futtermittel für Nutztiere verwendet werden.

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