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Temperatur als abiotischer Faktor – Anpassung der Pflanzen 06:52 min

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Transkript Temperatur als abiotischer Faktor – Anpassung der Pflanzen

Hallo! Bestimmt hast du schon mal Bilder von den Alpen gesehen oder du warst sogar selbst schon einmal dort. Ist dir aufgefallen, dass es ab einer bestimmten Höhe keine Bäume mehr gibt? Wenn man noch höher schaut, z.B. dort wo ganzjährig Schnee liegt, wachsen sogar gar keine oder nur sehr wenige Pflanzen. Hast du dich mal gefragt, warum das so ist?

Das ist größtenteils auf die abnehmende Temperatur mit zunehmender Höhe zurückzuführen. Das möchte ich dir in diesem Video näher erklären und dabei auch auf die RGT-Regel und verschiedene Anpassungen von Pflanzen an Kälte und Hitze eingehen.

Höhenzonierung der Alpen

Schauen wir uns die Alpen-Nordseite einmal genauer an. Bis 1000 m Höhe findest du die colline Stufe, wo es Kulturland gibt. Dort können Getreide, Obstbäume oder auch Kartoffeln angebaut werden. Danach schließt sich die montane Stufe an, die zunächst aus einem Laub- und Nadel-Mischwald besteht, später nur noch aus Nadelbäumen. Bei etwa 2000 m Höhe befindet sich die Baumgrenze, d.h. darüber findest du keine Bäume mehr.

Die Jahresdurchschnittstemperatur liegt hier etwa bei 0°C. Darüber schließt sich bis etwa 3000 m Höhe die alpine Stufe an, die auch Mattenstufe genannt wird. Hier wachsen nur noch kleine Sträucher. Im oberen Bereich der alpinen Stufe sind die Pflanzen nur noch wenige cm hoch. Bis hierhin findest du auch Weideland, das für die Viehhaltung verwendet werden kann.

Bei knapp 3000 m Höhe liegt die Schneegrenze und darüber schließt sich die nivale Stufe an. Nur einige Moose und Flechten können hier noch wachsen. Die Temperatur liegt hier fast immer unterhalb des Gefrierpunktes und schließt Pflanzenwachstum nahezu aus.

Höhenzonierung

Diese Höhenzonierung wird größtenteils durch die Temperatur in der jeweiligen Höhe beeinflusst. Aber natürlich sind auch die Wasserverfügbarkeit, der Luftdruck oder die UV-Strahlung wichtige Umweltfaktoren. Auffällig bei dieser Höhenzonierung ist, dass Nadelbäume in größeren Höhen wachsen und damit niedrigere Temperaturen besser ertragen können als Laubbäume.

Tatsächlich besitzen Nadelhölzer eine viel höhere Kältetoleranz als Laubbäume. Sie können sogar längere Zeiträume mit Temperaturen von bis zu -70°C überstehen. Das ist übrigens auch der Grund, weshalb du in kälteren Regionen unserer Erde wie z.B. in Sibirien große Nadelwälder findest.

Toleranzbereich für Leben

Zwar gibt es Pflanzen, die solche extrem niedrigen Temperaturen unbeschadet überstehen können. Der Toleranzbereich für aktives Leben lässt sich im Allgemeinen durch zwei Grenzwerte definieren: Das Toleranzminimum liegt bei 0°C, also bei dem Gefrierpunkt von Wasser. Darunter bilden sich nämlich Eiskristalle, die die Zellen schädigen können.

Das Toleranzmaximum ist bei etwa 50°C. Bei dieser Temperatur werden nämlich die meisten Proteine und damit auch die Enzyme zerstört und können ihre Aufgaben nicht mehr erfüllen. Diese Toleranzgrenzen gelten natürlich auch für Tiere.

RGT-Regel

Zwischen dem Minimum und dem Maximum gilt die so genannte Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel, kurz RGT-Regel. Diese besagt, dass Stoffwechselprozesse wie z.B. Enzymreaktionen bei einer Erhöhung der Temperatur um 10°C um das zwei- bis dreifache beschleunigt werden. Diese Regel ist vor allem für Pflanzen von Bedeutung, da diese natürlich direkt von der Außentemperatur abhängig sind.

Aber natürlich auch für alle wechselwarmen Tiere wie Fische, Insekten, Amphibien oder Reptilien. Solche Lebewesen überdauern kalte Perioden in einer Ruhephase, in der kaum Stoffwechselaktivität messbar ist und hauptsächlich ein Überleben dieser Kältephasen im Vordergrund steht.

Anpassungen an Kälte

Aber wie können sich nun Pflanzen anpassen, die in Lebensräumen zu finden sind, in denen die Temperaturen außerhalb der geschilderten Toleranzgrenzen, also z.B. unter dem Gefrierpunkt, liegen? Eine besondere Anpassung an Kälte ist z.B. der Blattabwurf von Laubbäumen im Herbst. Dadurch wird im Winter kaum Wasser über die Blätter verdunstet, denn im Winter kann eine Pflanze kein Wasser aus dem gefrorenen Boden aufnehmen.

Nadelbäume dagegen werfen ihre Blätter in der Regel nicht ab. Trotzdem können sie niedrige Temperaturen viel besser überstehen als Laubbäume. Aber warum eigentlich? Schon an der Blattgröße siehst du, dass Nadelblätter eine viel kleinere Oberfläche und damit eine viel geringere Verdunstung haben. Außerdem sind sie mit einer Wachsschicht überzogen, die vor Verdunstung schützt.

Viele Pflanzen lagern auch Proteine, Öle, oder Zucker in ihre Zellen ein und setzen damit den Gefrierpunkt des Wassers herab. So bilden sich keine Eiskristalle, die die Zellen zerstören können.

Zusammenfassung

Du weißt jetzt, warum es z.b. in den Alpen eine Höhenzonierung gibt, die aus colliner Zone, montaner Zone, alpiner Zone und nivaler Zone besteht. Diese Zonen kannst du anhand der dort wachsenden Pflanzen erkennen. Diese Höhenzonierung ist vor allem auf die abfallende Temperatur mit zunehmender Höhe zurückzuführen.

Du hast in diesem Video außerdem gesehen, dass der Toleranzbereich für aktives Leben in der Regel zwischen 0°C, dem Gefrierpunkt von Wasser, und 50°C, dem Zeitpunkt der Zerstörung von Proteinen, liegt. Dazwischen gilt die RGT-Regel. Verschiedene Anpassungen ermöglichen es bestimmten Pflanzen aber dennoch, auch lange Kälteperioden unbeschadet zu überstehen. Tschüss!

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Temperatur als abiotischer Faktor – Anpassung der Pflanzen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Temperatur als abiotischer Faktor – Anpassung der Pflanzen kannst du es wiederholen und üben.

  • Bestimme die Vegetation der Höhenzonen.

    Tipps

    Überlege, wohin die Bergbauern ihre Kühe zum Weiden bringen.

    Lösung

    Die kolline Stufe reicht bis zu einer Höhe von ca. 1000 Metern. Hier wird vor allem Landwirtschaft betrieben. Sie dient beispielsweise dem Anbau von Getreide, Obst oder Kartoffeln.

    Darauf folgt die montane Stufe. Sie befindet sich zwischen 1000 und 2000 Metern Höhe. Im unteren Teil gibt es Laub- und Mischwälder, in höheren Lagen nur noch Nadelwälder. Die montane Stufe schließt mit der Baumgrenze ab.

    Die alpine Stufe reicht bis 3000 Meter Höhe. Da unterhalb dieser Stufe die Baumgrenze liegt, wachsen hier nur noch Sträucher. Diese baumfreie Zone wird als Weideland für Schafe und Kühe genutzt. Hier befinden sich die Almwiesen.

    Über der alpinen Stufe liegt die Schneegrenze und darüber die nivale Stufe. Hier gibt es bis auf Moose und Flechten keine Vegetation mehr, da die Temperatur in dieser Höhenlage fast immer unterhalb des Gefrierpunktes liegt.

  • Benenne die Höhenzonen des alpinen Gebirges.

    Tipps

    Oberhalb der Baumgrenze wachsen nur noch Sträucher.

    Lösung

    Ganz unten befindet sich die kolline Stufe. Hier wird Landwirtschaft betrieben. Darüber folgt die montane Stufe. Sie zeichnet sich durch eine starke Bewaldung aus und ist unterteilt in Laub- bzw. Mischwälder in der unteren Hälfte und Nadelwälder in der oberen. Oberhalb der montanen Zone liegt die Baumgrenze. Ab hier wachsen nur noch Sträucher, aber keine Bäume mehr. Diese Stufe nennt man alpine Stufe. Auf die alpine Stufe folgt die Schneegrenze und darauf die nivale Stufe. Diese Zone ist sehr felsig. Aufgrund der niedrigenTemperatur wachsen hier nur noch Moose und Flechten.

  • Erkläre, was man unter der RGT-Regel versteht.

    Tipps

    Überlege, was außerhalb des Toleranzbereichs passiert.

    Lösung

    RGT steht für Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur. Die RGT-Regel besagt, dass Stoffwechselprozesse wie die Fotosynthese oder die Atmung bei einer Temperaturerhöhung von 10°C um das zwei- bis dreifache schneller ablaufen.

    Die RGT-Regel greift allerdings nur innerhalb einer bestimmten Temperaturspanne. Unterhalb des Toleranzminimums und oberhalb des Toleranzmaximums kommt sie nicht mehr zum Tragen.

  • Erkläre, wie die Anreicherung von Zucker in Pflanzenzellen als Frostresistenz wirkt.

    Tipps

    Überlege, wie Frostschutzmittel im Auto funktioniert.

    Im Winter streut man Salz auf die Wege, damit sie nicht vereisen.

    Lösung

    Um sich gegen Frost zu schützen, haben manche Pflanzen einen guten Trick. Sie transportieren Zucker, Fette oder Proteine in die Zellen ihrer Blätter und Blüten.

    Da sich in den Zellen sehr viel Wasser befindet, das bei 0°C gefriert, würden die empfindlichen Zellen durch die entstandenen Eiskristalle zerstört werden.

    Um dem entgegenzuwirken, lagern die Pflanzen lösliche Stoffe in ihren Zellen ein. Wässrige Lösungen, also in Wasser gelöste Stoffe, haben einen niedrigeren Gefrierpunkt als reines Wasser. Das liegt an den Wechselwirkungen zwischen den Wassermolekülen und dem gelösten Stoff. Somit kann das Wasser keine Eiskristalle mehr bilden. Die Pflanze ist gegen den Frost geschützt.

    Da sich nun aber viel Zucker oder Proteine in den Zellen befinden, strömt Wasser aus dem Stützgewebe der Pflanze nach, der osmotische Druck in den Zellen steigt. Dadurch kann es vorkommen, dass die Pflanze bei Frost vorübergehend an Halt verliert und schlapp auf dem Boden liegt. Ist der Frost vorbei, wird der Zucker zurücktransportiert, Wasser strömt nach und die Pflanze richtet sich wieder auf.

    Für die Einlagerung der Stoffe in die Zellen benötigt die Pflanze allerdings Zeit. Setzt plötzlich über Nacht starker Frost ein, ist die Pflanze nicht geschützt.

    Eine Herabsetzung des Gefrierpunktes wird im Winter auch durch das Streuen von Salz auf die Wege herbei geführt. Durch das Salz taut das Eis und es ist nicht mehr glatt.

  • Erschließe die Anpassung von Pflanzen an die Kälte.

    Tipps

    Überlege, was die Wachsschicht auf dem Blatt verhindert.

    Lösung

    Kurz unterhalb der Baumgrenze findet man meist nur noch Nadelwälder, und auch in nördlicheren Regionen nehmen Kiefernwälder deutlich zu. Das ist so, weil Nadelbäume besser an Kälte angepasst sind als Laubbäume.
    Die Blätter der Nadelbäume, also die Nadeln, haben eine viel geringere Oberfläche als ein Laubblatt, wodurch weniger Wasser verdunstet. Auch die Wachsschicht auf den Nadeln dient dem Schutz vor Wasserverlust. Da die Pflanzen im Winter nur wenig Wasser aus dem Boden aufnehmen können, müssen sie dafür sorgen, kein Wasser über die Blätter zu verlieren.

    Dieses Problem haben auch Pflanzen in sehr heißen Gebieten. Eine Wachsschicht dient somit nicht nur als Frostschutz, sondern auch als Schutz vor Hitze.

    Schutz vor Verdunstung ist auch der Grund für den Blattabwurf von Laubbäumen im Herbst. Zwar produzieren diese im Herbst auch kein Chlorophyll mehr, der Abwurf der Blätter ist aber auch hier ein Mechanismus gegen Wasserverlust.

    Ein weiterer Trick von Pflanzen gegen Frost ist die Einlagerung eines natürlichen Frostschutzmittels in die Zellen. Durch Anreicherung von Proteinen, Fetten oder Zucker wird der Gefrierpunkt herabgesetzt, sodass das Wasser in den Zellen nicht schon bei 0°C, sondern beispielsweise erst bei -5°C gefriert.

  • Analysiere die Auswirkungen von Temperatur und Lichtintensität auf die Fotosyntheserate.

    Tipps

    Bestimme die Punkte auf der Temperaturskala, bei denen die Toleranzwerte liegen. Sie bilden die Punkte ab, ab denen Enzyme gerade noch arbeiten können.

    In der roten Kurve kannst du erkennen, wie sich die Fotosyntheserate verhält, wenn keinerlei limitierende Faktoren auf die Pflanze einwirken.

    Haben Wasser und Kohlenstoffdioxidkonzentration auch einen Einfluss auf die Fotosyntheserate?

    Lösung

    Die Grafik stellt die Abhängigkeit der relativen Fotosyntheserate von der Temperatur dar.

    Die rote Kurve gibt an, wie sich die Fotosyntheserate bei steigender Temperatur verhält, wenn es keinerlei limitierende Faktoren gibt. Hier greift die RGT-Regel.

    Gibt es allerdings einen Faktor, der die Fotosyntheserate negativ beeinflusst, kann auch mit ansteigender Temperatur keine Beschleunigung der Fotosyntheserate erreicht werden. Limitierend können alle Faktoren sein, die in die Fotosynthese einfließen, wie Kohlenstoffdioxid, Wasser oder Licht.

    Da auf dem Graphen kein Kohlenstoffdioxid und auch kein Wasser eingezeichnet sind, ist der einzige limitierende Faktor das Licht. Dies ist durch die Schwachlichtkurve (blau) dargestellt. Trotz steigender Temperatur bleibt die Fotosyntheserate unverändert. Diese Pflanze ist aber nicht weniger gut an die Umgebungstemperatur angepasst. Würde man ihr mehr Licht geben, würde die Kurve genauso aussehen wie die rote.

    Die Toleranzgrenzen von 0°C bzw. 40°C sind bei beiden Pflanzen identisch, da es sich weder um sehr hitzebeständige noch kälteresistente Pflanzen handelt. Dies ist am starken Abfall der Kurve bei 40°C zu erkennen. Ab dieser Temperatur denaturiert Eiweiß, alle Enzyme gehen kaputt. Es kann keine Fotosynthese mehr stattfinden.