Populationsbiologie Populationsbiologie (SS 09) Ziel: Einführung in Populationsbiologie, -ökologie und -genetik Voraussetzungen: Grundkenntnisse der Genetik und Botanik Methoden: Vorlesung unter Einbindung audiovisueller Hilfsmittel, zur Vermittlung von Theorie und Praxis anhand von Beispielen Evolution On the origin of species… Charles Darwin 1859 Prinzip der Natürlichen Selektion 1. Variation zwischen Individuen 2. Vererbung 3. Unterschiede in der Fitness Der Begriff Population • Eine „Population“ kann unterschiedlich aufgefasst werden (Gesamtpopulation der Erde, statistische Population.....) • In der Biologie ganz allgemein: "A group of interbreeding biotypes that represents the level of organization at which speciation begins." (Websters dictionary) • Im Speziellen: eine Sammlung von (interfertilen) Individuen der gleichen Art am gleichen Ort Inhalt • Pflanzenleben – Besonderheiten und Bedeutung für die Populationsbiologie • Populationsdynamik – die Pflanze in Raum und Zeit • Interaktionen mit anderen Arten • Populationsgenetik – genetische Struktur von Populationen Definition einer Population • Klarheit sollte darüber bestehen, dass die Individuen einer Art angehören, bzw. interfertil sind (im Idealfall Zufallspaarung möglich) • Räumliche Begrenzung der Population kann klar sein, z.B. bei abiotischen Grenzen, ist mitunter schwierig. Z.B.: eine Grasart in einem Rasen, Fichten in einem Wald 1 Einfache Gleichung der Dynamik Populationgröße als Parameter • Populationsgröße (N) als wichigste Angabe • N kann gezählt oder geschätzt werden • Größe kann bedeuten: Individuenzahl, Biomasse, aber auch Individuenzahldichte (bezogen auf Fläche oder Volumen) • Mit N wird entweder die Gesamtpopulation erfasst, oder die an der Reproduktion beteiligte Fraktion (Ne effektive Population) Änderung in Populationen r = N(t) / N(t-1) = Annueller Zuwachs o. Endliche Zuwachsrate Eine starke Vereinfachung, die weder berücksichtigt, dass Wachstum begrenzt sein kann, noch dass Überdauerungsstadien existieren können (z.B. Samen im Boden), unterschiedliche Fertilität oder Mortalität in bestimmten Entwicklungsstufen, usw. Wie ändern sich Populationen in der Zeit t ? • • † • •** •• * † • N(t) = N (t-1) + G – S + I - E •• G . . Geburten S . . Sterbefälle I . . Immigrationen (Ingress) E . . Emigrationen (Egress) } „Demographische Parameter“ Das Wachstum einer Population ist immer begrenzt Wenn Populationsgröße gegen eine begrenzende Kapazität zunimmt, nimmt die Wachstumsrate ab r(N) = rm (1 – N/K) rm.... max. Wachstumsrate K.... Kapazität darauf basiert die Gleichung von Verhulst (1938): dN/dt = Nrm (1 – N/K) http://fisher.forestry.uga.edu/popdyn/index.html 2 Allelhäufigkeiten der sauren Phosphatase (APH) bei Fichten (Picea abies) Strukturen von Populationen • • • • Räumliche Struktur (Ausläufer-Zentrum) Altersstruktur (Keimlinge-Adulte) Größenstruktur (z.B. Unterwuchs-Krone) Genetische Struktur Silvertown 1987 Pflanzen sind sehr unterschiedlich gebaut Genetische Populationsstruktur Natürliche Selektion Genetisch bestimmte Unterschiede zwischen Pflanzen von Veronica peregrina vom Zentrum und der Peripherie temporärer Pools. • Genfluß - Änderungen durch Migration (Samen, Pollen, Individuen) • Genetische Drift – Allelfrequenzen ändern sich mit Zufälligkeiten bei der Fortpflanzung • Natürliche Selektion – Änderungen die durch Evolutionsprozesse bedingt werden Linhart 1988 Konsequenzen des Lebens als Pflanze Meristeme • Sessilität • Wuchs und Entwicklung aus Meristemen (Modularität) • Bewegung durch Ausbreitung • Überdauerungsstadien 3 Wachstum von Pflanzen Heteromorphe Module Modulare Konstruktionen, die von Meristemen ausgeht Rhizome vs. oberirdische Sproße (Pflanzenarchitektur, Lindenmayer Systeme http://algorithmicbotany.org/) Klonaler Wuchs: Rameten und Genete In einigen modularen Organismen, lösen sich die Rameten aus dem physiologischen Verband, andere bleiben verbunden Lemna minor Salix herbacea Wuchsformen von Rametensystemen „Guerrilla“-Strategie Ausläuferbildende Pflanzen Carex arenaria „Phalanx“-Strategie Polsterbildende Pflanzen Carex firma Azorella spp. Klonaler Wuchs und Alter von Geneten z.B. Larrea tridentata – Kreosot-Busch (>11000 y) 4