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Biosphäre - Umweltbedingungen

Umweltbedingungen

Die meisten Organismen sind entweder auf eine terrestrische oder eine aquatische Umgebung beschränkt. Die Fähigkeit eines Organismus, lokale Bedingungen in seiner Umgebung zu tolerieren, schränkt seine Verbreitung weiter ein. Ein Parameter wie die Temperaturtoleranz kann bei der Bestimmung der Verteilungsgrenzen wichtig sein, häufig ist jedoch eine Kombination von Variablen wie Temperaturtoleranz und Wasserbedarf wichtig. Extreme Umgebungsvariablen können physiologische undVerhaltensreaktionen von Organismen. Die physiologische Reaktion hilft dem Organismus, eine konstante innere Umgebung (Homöostase) aufrechtzuerhalten, während eine Verhaltensreaktion es ihm ermöglicht, die Umweltbelastung zu vermeiden - eine Fallback-Strategie, wenn die Homöostase nicht aufrechterhalten werden kann.

Die Art und Weise, wie moderne lebende Organismen Umweltbedingungen tolerieren, spiegelt die aquatischen Ursprünge des Lebens wider. Mit wenigen Ausnahmen kann kein Leben außerhalb des Temperaturbereichs existieren, in dem Wasser eine Flüssigkeit ist. Daher sind flüssiges Wasser und Temperaturen, die Wasser als Flüssigkeit erhalten, für die Erhaltung des Lebens unerlässlich. Innerhalb dieser Parameter beeinflussen die Konzentrationen an gelösten Salzen und anderen Ionen, die Häufigkeit von Atemgasen, der atmosphärische oder hydrostatische Druck und die Geschwindigkeit des Wasserflusses die Physiologie, das Verhalten und die Verteilung von Organismen.

Temperatur

Die Temperatur hat den wichtigsten Einfluss auf die Verteilung von Organismen, da sie den physikalischen Zustand des Wassers bestimmt. Die meisten Organismen können nicht unter Bedingungen leben, bei denen die Temperatur für längere Zeit unter 0 ° C oder über 45 ° C bleibt. Anpassungen haben es bestimmten Arten ermöglicht, außerhalb dieses Bereichs zu überleben - thermophile Bakterien wurden in heißen Quellen gefunden, in denen sich die Temperaturen dem Siedepunkt nähern können, und bestimmte polare Moose und Flechten können Temperaturen von –70 ° C tolerieren -, aber diese Arten sind die Ausnahmen . Bei Temperaturen über 45 ° C können nur wenige Organismen lange Zeit verbleiben, da organische Moleküle wie Proteine ​​zu denaturieren beginnen. Auch sind Temperaturen unter dem Gefrierpunkt nicht lebensfördernd: Zellen platzen, wenn das darin enthaltene Wasser gefriert.

Die meisten Organismen sind nicht in der Lage, eine Körpertemperatur aufrechtzuerhalten, die sich erheblich von der der Umwelt unterscheidet. Sessile Organismen wie Pflanzen und Pilze sowie sehr kleine Organismen und Tiere, die keine großen Entfernungen zurücklegen können, müssen daher in der Lage sein, dem gesamten Temperaturbereich ihres Lebensraums standzuhalten. Im Gegensatz dazu setzen viele mobile Tiere Verhaltensmechanismen ein, um kurzfristig extreme Bedingungen zu vermeiden. Solche Verhaltensweisen variieren von einfachen Bewegungen aus der Sonne oder einem eisigen Wind bis hin zu groß angelegten Wanderungen.

Einige Tierarten verwenden physiologische Mechanismen, um eine Konstante aufrechtzuerhalten Körpertemperatur und zwei Kategorien werden allgemein unterschieden: der BegriffUnter kaltblütig versteht man Reptilien und Wirbellose, und warmblütig wird im Allgemeinen bei Säugetieren und Vögeln angewendet. Diese Begriffe sind jedoch ungenau; die genaueren Begriffe, Ektotherme für kaltblütige undEndotherme für Warmblüter sind nützlicher bei der Beschreibung der thermischen Fähigkeiten dieser Tiere. Ektothermen sind auf externe Wärmequellen angewiesen, um ihre Körpertemperatur zu regulieren, und Endothermen thermoregulieren, indem sie intern Wärme erzeugen.

Terrestrische Ektothermen nutzen das komplexe Temperaturprofil der terrestrischen Umgebung, um Wärme abzuleiten. Sie können Sonnenstrahlung absorbieren und so ihre Körpertemperatur über die der Umgebungsluft und des Substrats erhöhen ( Abbildung 7)), im Gegensatz zur aquatischen Ektotherme, deren Körpertemperatur normalerweise sehr nahe an der der Umwelt liegt. Während diese Sonnenstrahlung aufgenommen wird, tragen physiologische Mechanismen zur Regulierung der Wärme bei - periphere Blutgefäße erweitern sich und die Herzfrequenz steigt an. Das Tier kann auch Verhaltensmechanismen anwenden, z. B. sich neu auf die Sonne ausrichten oder seinen Körper abflachen und seine Beine spreizen, um seine Oberflächenexposition zu maximieren. Nachts kann der Wärmeverlust durch andere Verhaltens- und physiologische Mechanismen verringert werden - die Herzfrequenz kann sich verlangsamen, periphere Blutgefäße können sich verengen, die Oberfläche kann minimiert werden und es kann Schutz gesucht werden.

Endothermen halten die Körpertemperatur unabhängig von der Umgebung durch die metabolische Produktion von Hitze . Sie erzeugen intern Wärme und kontrollieren den passiven Wärmeverlust, indem sie die Qualität ihrer Isolierung variieren oder sich neu positionieren, um ihre effektive Oberfläche zu verändern (dh sich zu einer engen Kugel zusammenzurollen). Wenn der Wärmeverlust die Wärmeerzeugung übersteigt, steigt der Stoffwechsel, um den Verlust auszugleichen. Wenn die Wärmeerzeugung die Verlustrate überschreitet, treten Mechanismen zur Erhöhung des Wärmeverlusts durch Verdunstung auf. In beiden Fällen können Verhaltensmechanismen eingesetzt werden, um eine geeignetere thermische Umgebung zu suchen.

Um unter widrigen Bedingungen für einen begrenzten Zeitraum zu überleben, können Endothermen eine Kombination aus Verhaltens- und physiologischen Mechanismen verwenden. Bei kaltem Wetter, das eine Erhöhung des Energieverbrauchs erfordert, kann das Tier in einen Zustand von eintretenErstarrung, bei der Körpertemperatur, Stoffwechsel, Atemfrequenz und Herzfrequenz gesenkt werden. Langzeit-Winterhypothermie oderDer Winterschlaf ist ein ausgedehnter Zustand der Erstarrung, den einige Tiere als Reaktion auf kalte Bedingungen verwenden. Erstarrung und Winterschlaf befreien die Tiere von der energetisch teuren Aufrechterhaltung hoher Körpertemperaturen und sparen Energie, wenn das Futter begrenzt ist.

Eine andere Form der Erstarrung, Estivation , wird von Tieren als Reaktion auf Hitzestress erfahren. Dieser Zustand tritt bei ektothermen Tieren häufiger auf als bei Endothermen, aber bei beiden ist der Stimulus für die Kultivierung normalerweise eine Kombination aus hohen Temperaturen und Wassermangel.

Feuchtigkeit

Die meisten Landorganismen müssen ihren Wassergehalt in relativ engen Grenzen halten. Wasser geht üblicherweise durch die Luft verlorenVerdunstung oder in Pflanzen,Transpiration . Weil der meiste Wasserverlust durch auftrittDiffusion und die Diffusionsrate wird durch den Gradienten über die Diffusionsbarriere wie die Oberfläche eines Blattes oder einer Haut bestimmt, wobei die Wasserverlustrate von der abhängtrelative Luftfeuchtigkeit . Die relative Luftfeuchtigkeit ist die prozentuale Sättigung der Luft im Verhältnis zu ihrer bei einer bestimmten Temperatur möglichen Gesamtsättigung. Wenn die Luft vollständig gesättigt ist, soll die relative Luftfeuchtigkeit 100 Prozent betragen. Vollständig gesättigte kühle Luft enthält weniger Wasserdampf als vollständig gesättigte warme Luft, da die Wasserdampfkapazität der warmen Luft größer ist ( siehe Klima: Luftfeuchtigkeit). Diffusionsgradienten über Haut oder Blätter können daher im Sommer, wenn die Luft warm ist, viel steiler sein, was den Verlust von Verdunstungswasser in warmen Umgebungen zu einem viel ernsteren Problem macht als in kühlen Umgebungen. Trotzdem sind die Wasserverlustraten in trockener Luft (Bedingungen mit niedriger relativer Luftfeuchtigkeit) unabhängig von der Temperatur höher als in feuchter Luft (Bedingungen mit hoher relativer Luftfeuchtigkeit).

Der Wasserverlust durch Verdunstung muss durch die Wasseraufnahme aus der Umwelt ausgeglichen werden. Bei den meisten Pflanzen wird dem transpirationalen Wasserverlust durch die Aufnahme von Wasser aus dem Boden über Wurzeln entgegengewirkt. Bei Tieren kann der Wassergehalt durch Essen oder Trinken oder durch Aufnahme durch das Integument wieder aufgefüllt werden. Für Organismen, die in trockenen Umgebungen leben, gibt es viele morphologische und physiologische Mechanismen, die den Wasserverlust verringern. Wüstenpflanzen oder Xerophyten haben typischerweise eine verringerte Blattoberfläche, da Blätter die Haupttranspirationsstellen sind. Einige Xerophyten werfen im Sommer ihre Blätter ganz ab, andere ruhen während der Trockenzeit.

WüsteTiere haben typischerweise eine Haut, die relativ wasserundurchlässig ist. Der Hauptverdunstungsort ist die Atemaustauschfläche, die feucht sein muss, um den gasförmigen Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid zu ermöglichen. Eine Verringerung der durch die Atmung verlorenen Wassermenge kann auftreten, wenn die Temperatur der ausgeatmeten Luft niedriger als die Körpertemperatur ist. So viele Tiere wie Gazellen atmen warme Luft ein, Wärme und Wasserdampf aus den Nasengängen verdunsten und kühlen die Nase und das Blut darin. Das kühle venöse Blut fließt in die Nähe des warmen arteriellen Blutes, das zum Gehirn gelangt, und kühlt es ab. Wenn das Gehirn nicht gekühlt werden muss, kehrt das venöse Blut auf einem anderen Weg zum Herzen zurück. Die Nasengänge kühlen auch die warmen,

ph

Die relative Azidität oder Alkalität einer Lösung wird durch die pH-Skala angegeben, die ein Maß für die Konzentration von Wasserstoffionen in Lösung ist. Neutrale Lösungen haben einen pH-Wert von 7. Ein pH-Wert von weniger als 7 bedeutet Säuregehalt (erhöhte Wasserstoffionenkonzentration) und Alkalinität über 7 (verringerte Wasserstoffionenkonzentration). Viele wichtige molekulare Prozesse in den Zellen von Organismen finden in einem sehr engen pH-Bereich statt. Daher ist die Aufrechterhaltung des internen pH-Werts durch homöostatische Mechanismen für die ordnungsgemäße Funktion der Zellen von entscheidender Bedeutung. Obwohl sich der pH-Wert innerhalb eines Organismus lokal unterscheiden kann, befinden sich die meisten Gewebe innerhalb einer pH-Einheit von neutral. Da Wasserorganismen im Allgemeinen etwas durchlässige Haut oder Atemaustauschoberflächen haben, können äußere Bedingungen den inneren pH-Wert beeinflussen.

Der pH-Wert von natürlich vorkommenden Gewässern kann von sehr sauren Bedingungen von etwa 3 in Torfsümpfen bis zu sehr alkalischen Bedingungen von etwa 9 in alkalischen Seen reichen. Natürlich saures Wasser kann durch das Vorhandensein organischer Säuren wie in einem Torfsumpf oder durch geologische Bedingungen wie Schwefelablagerungen im Zusammenhang mit vulkanischer Aktivität entstehen. Natürlich vorkommende alkalische Wässer stammen normalerweise aus anorganischen Quellen. Die meisten Organismen sind nicht in der Lage, unter Bedingungen extremer Alkalität oder Säure zu leben.