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2.1: Pflanzenlebensräume - Biologie

2.1: Pflanzenlebensräume - Biologie


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Lernziele

  • Identifizieren Sie Pflanzen, die in allen Segmenten des Gartenbaus verwendet werden.

Die gärtnerische Verwendung von Pflanzen für Dekoration, Nahrung, Medizin und Materialien umfasst die Geschichte der menschlichen Entwicklung auf der Erde. Während die frühen europäischen Entdecker Nordamerikas die neue Welt als unberührte Wildnis beschrieben, verwendeten Generationen von indigenen Bewohnern Pflanzen zu Dekorations- und Ritualzwecken und verwalteten über Jahrtausende die Wachstumsbedingungen für Nahrungsmittel. Die Beziehung zwischen Mensch, Pflanze und Umwelt an der Pazifikküste Nordamerikas wird unter diesem Link zum Garry-Eiche-Ökosystem [Neue Registerkarte][1].

Der frühe europäische Pflanzenforscher Archibald Menzies gilt als der erste Entdecker, Beschreiber und Sammler einer Reihe von Pflanzen, deren Herkunft im pazifischen Nordwesten liegt. Provenienz bezieht sich auf die Populationen von Pflanzen, die in lokalen Regionen natürlich vorkommen. Zum Beispiel, Pseudotsuga menziesii (Douglasie) und Arbutus menziesii (Pacific Madrone) kommen beide natürlich im pazifischen Nordwesten vor. Die Geburt oder Provenienz einer Pflanze kann entweder geographisch oder politisch bestimmt werden. Acer Saccharum (Zuckerahorn), stammt aus dem mittleren Osten Nordamerikas, mit anderen Worten, ein kanadischer Eingeborener, aber kein Eingeborener im pazifischen Nordwesten. Ähnlich, Artemisia Dreizack (großer Beifuß) und Rhusglabra (glatter Sumach) sind im Inneren von British Columbia beheimatet, jedoch nur in den trockenen Tälern des Landesinneren, nicht an der Küste.

Einheimische Pflanzen

Pflanzen, die natürlich an einem Ort vorkommen, gelten als heimisch oder an einem Ort heimisch. Einheimische Pflanzen haben genetische Anpassungen durchlaufen, die es ihnen ermöglicht haben, sich innerhalb der physikalischen, chemischen und biologischen Bedingungen lokaler Ökosysteme zu entwickeln. Als solche fungieren sie als Teil einer biodiversen Gemeinschaft von Organismen, die Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen umfasst, die an die lokalen Umweltbedingungen angepasst sind.

In Nordamerika wird normalerweise eine indigene Bezeichnung für Pflanzen verwendet, die vor dem ersten Kontakt mit Europäern vorhanden waren. Daher, Plantago spp. (Kochbananen), obwohl hier weit verbreitet, gelten nicht als heimisch, da sie durch Einwanderung von frühen europäischen Siedlern hierher gebracht wurden. Die Einflüsse des Klimawandels und der Globalisierung werden jedoch wahrscheinlich neu definieren, was es bedeutet, indigen zu sein.

Einheimisches Gärtnern mit einheimischen Pflanzen, die den Bedingungen und der Geographie eines bestimmten Gebiets entsprechen, kann die Artenvielfalt eines natürlichen Lebensraums simulieren. Einheimische Pflanzengärten umfassen häufig Pflanzen, die nicht im unteren Festland von British Columbia heimisch sind, aber auch Pflanzen, die in anderen Teilen des pazifischen Nordwestens heimisch sind. Zum Beispiel, Quercusgarryana (Garry-Eiche), die ebenfalls von Archibald Menzies entdeckt und beschrieben wurde, wird heute in Gärten im Lower Mainland angebaut, aber nur in Regen-Schatten-Klima, wie auf der südlichen Vancouver Island, natürlich gefunden.

Obwohl nicht alle einheimischen Pflanzen für die dekorative Wirkung gartenwürdig sind, mischen sich diejenigen, die aus der regionalen Umgebung eines Gartens ausgewählt werden, oft angemessen und gehören zu den am besten an die lokale Feuchtigkeit, den Boden und die klimatischen Bedingungen angepassten. Obwohl einheimische Pflanzen gegen Schädlings- und Krankheitsprobleme nicht immun sind, scheinen die meisten lokal einheimischen Pflanzen weniger Probleme anzuziehen als viele Exoten. Bemühungen zur Wiederherstellung natürlicher Lebensräume unter Verwendung herkunftsspezifischer Pflanzen, die aus lokal gewonnenem Saatgut angebaut werden, sind in diesen Gebieten besser als gebietsfremde. Allerdings werden sich ändernde Klimamuster und die Auswirkungen der Urbanisierung wahrscheinlich Konsequenzen für die Pflanzenherkunft haben.

Natürliche Lebensräume

Natürliche Lebensräume bieten die Ressourcen, die es einheimischen Pflanzen ermöglichen, unter den bestehenden Wachstumsbedingungen zu bestehen und zu gedeihen. Beispiele für natürliche Lebensräume, die häufig als gärtnerische Gartenthemen verwendet werden, sind Alpen, Wald, Mittelmeer und Moor. Die Wachstumseigenschaften von Pflanzen, die in diesen Lebensräumen beheimatet sind, wurden durch Unterschiede in Höhe, Temperaturbereich, Niederschlag, Bodenart und Geologie sowie durch biologische und chemische Faktoren geprägt. Im Laufe der Zeit haben sich einheimische Arten erfolgreich an die Lebensraumbedingungen angepasst, indem sie spezielle Merkmale für das Überleben entwickelt haben. Einige Merkmale, die mit Alpen-, Wald-, Mittelmeer- und Moorpflanzen verbunden sind, werden im Folgenden beschrieben. Weitere Informationen darüber, wie Evolution und natürliche Lebensräume die Anpassung von Pflanzen beeinflusst haben, finden Sie unter diesem Link zum Botanischer Garten Missouri [Neue Registerkarte][2].

Alpenpflanzen

Echte Alpenpflanzen sind gut an die rauen Umgebungen in hohen Lagen angepasst. Oberhalb der Baumgrenze sind niedrige Temperaturen, hohe Sonneneinstrahlung, konstanter Wind, Trockenheit und eine kurze Vegetationsperiode typisch. Pflanzenanpassungen umfassen ein bodennahes Wachstum, eine kompakte Kissen- oder Mattenform und dicke, wachsartige immergrüne oder behaarte (behaarte) oder lockige Blätter. Alpen, wie z Campanula spp. (Glockenblume) blühen im späten Frühjahr und Frühsommer und können tiefe oder ausgedehnte Wurzeln oder unterirdische Speicherorgane haben, um in dünnen, nährstoffarmen Bergböden zu bestehen. Obwohl sie an extreme Temperaturen gut angepasst sind, vertragen alpine Pflanzen in der Regel ständige Nässe um die Wurzeln und warme und feuchte Sommerbedingungen nicht. Informationen zu diesen spezialisierten Pflanzen finden Sie unter diesem Link zu Anpassungen an Alpenpflanzen [Neue Registerkarte][3].

Waldunterwuchspflanzen

Der gemäßigte Waldlebensraum ist durch ausgeprägte Vegetationsperioden, eine Ruheperiode, relativ gleichmäßige Niederschläge und nährstoffreiche Böden gekennzeichnet. Bäume dominieren diesen Lebensraum und bilden eine Überdachung, die das Unterholz und den Waldboden in unterschiedlichem Maße beschattet und kühlt. Unterwuchspflanzen im Wald umfassen Schichten von Gehölzen und krautigen Pflanzen, die in Größe, Form, Schattentoleranz und langsamem Wachstum oder Ruhezustand angepasst sind, wenn Licht und Wasser begrenzt sind. Unterwuchspflanzen wie z Hortensie quercifolia (Eichenhortensie) blüht im Spätwinter bis Frühsommer, bevor die Blätter der schattenspendenden Laubbäume vollständig zum Vorschein kommen. Abhängig von der verfügbaren Lichtmenge haben einige Unterwuchspflanzen eine charakteristische Blattfarbe und Muster von dekorativem Interesse in Gärten. Beispiele für Unterwuchspflanzen für den Garten finden Sie unter diesem Link zu Kreative Waldgarten-Ideen [Neue Registerkarte][4].

Mediterrane Pflanzen

Mediterrane Pflanzen, wie z Cotinus coggygria (Rauchbusch) und Lavandula spp. (Lavendel) sind an kurze, milde und feuchte Winter und lange, warme und trockene Sommer angepasst. Einige sind kurze, dichte und strauchige immergrüne Pflanzen, die für gut durchlässige Böden, Trockenheit und Feuer geeignet sind. Die Blätter können ledrig oder verkleinert und aromatisch mit dicken, wachsartigen oder behaarten Belägen sein, um den Wasserverlust zu reduzieren, und bläulich-grau (glau) oder hell sein, um übermäßiges Licht zu reflektieren. Einige Beispiele natürlich vorkommender Vegetation sind unter diesem Link zu den Mittelmeerklima Wikipedia [Neue Registerkarte][5].

Moorpflanzen

Moore und Süßwasserlebensräume sind in der Regel sauerstoff- und nährstoffarm mit sauren pH-Bedingungen. Quercus palustris (Nadeleiche) ist ein Beispiel für einen Baum, der unter diesen Bedingungen natürlich wächst. Moorpflanzen sind an das Wachstum in stehenden Gewässern angepasst, während Randpflanzen wie IrisSibirien (Sibirische Schwertlilie) und Typha spp. (Rohrkolben) gedeihen in wassergesättigten Böden und seichten Gewässern mit kurzfristiger Trockenheit. Einige Moor- und Randpflanzen wie Juncus effusus 'Spiralis' hat auffälliges Laub und ist eine gute Wahl für Pflanzflächen mit begrenzter oder schlechter Drainage. Informationen zum Lebensraum Moor finden Sie unter diesem Link zu Pflanzen des Moores [Neue Registerkarte][6].



Nutzung einer Outdoor-Aktivität zur lokalen Pflanzenbiodiversität, um Naturschutzökologie zu lehren und umweltbewusstes Verhalten zu fördern

McKenzie L. Doup nutzt eine Outdoor-Aktivität zur lokalen Pflanzenbiodiversität, um Naturschutzökologie zu lehren und umweltbewusstes Verhalten zu fördern. Der amerikanische Biologielehrer 1. Mai 2018 80 (5): 359–364. doi: https://doi.org/10.1525/abt.2018.80.5.359

Kinder verbringen heute nicht mehr so ​​viel Zeit im Freien wie in früheren Generationen, sie bauen keine Verbundenheit mit der Natur auf und neigen weniger dazu, sich umweltfreundlich zu verhalten. Umweltbildung ist eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen. Lehrkräfte sind jedoch durch ihren Zugang zu natürlichen Lebensräumen, ihre Zeit und ihr Fachwissen eingeschränkt. Um diese beiden Probleme anzugehen, präsentiere ich eine forschungsbasierte Aktivität sowohl für das Fortgeschrittenenpraktikum als auch für die allgemeine Hochschulbiologie, bei der die Schüler Zeit in der Natur verbringen, authentische Feldmethoden zum Sammeln von Daten verwenden und ihre Ergebnisse auf relevante Naturschutzfragen anwenden. Diese viertägige Aktivität verwendet einen vereinfachten Ansatz, die sogenannte Meterstab-Zufallsstichprobenmethode, um die Pflanzenbiodiversität verschiedener lokaler Lebensräume zu messen. Diese Methode ist zeitsparend und nicht abhängig von der Artbestimmung und wurde entwickelt, damit die Schüler dieses Verfahren in ihrem Hinterhof oder in einem lokalen Naturschutzgebiet wiederholen können. Die Daten können verwendet werden, um zu diskutieren, wie menschliche Habitatsstörungen die Biodiversität beeinflussen, die Bedeutung der Biodiversität für die Stabilität von Ökosystemen und wie die Biodiversität lokal wiederhergestellt werden kann.


Was ist das Durchschnittsgehalt für Pflanzenbiologe?

Nach denselben BLS-Umfragedaten aus dem Jahr 2015 betrug das Durchschnittsgehalt für Pflanzenbiologen 82.150 USD. Die niedrigsten 10 % verzeichneten ein Gehalt von 44.640 US-Dollar und die höchsten ein Gehalt von 153.810 US-Dollar. Obwohl die Unternehmensberatung und der technische Dienst zu den wenigsten Beschäftigten zählten, zahlten sie mit durchschnittlich 105.430 US-Dollar die höchsten Gehälter. Forschung und Entwicklung zahlten mit 87.650 US-Dollar den zweithöchsten und immer noch über dem Median. An dritter Stelle lag die Beschäftigung in der Pharmaindustrie, die mit 77.960 US-Dollar unter dem Median lag. Die chemische Produktion lag mit 74.840 US-Dollar an vierter Stelle. Viel niedriger als in den anderen Gehaltsgruppen war die Ausbildung mit einem durchschnittlichen Gehalt von 55.560 US-Dollar.


Akademische Mindestanforderungen

Die Fakultät für Graduierten- und Postdoc-Studien legt die allen Bewerberinnen und Bewerbern gemeinsamen Mindestzulassungsvoraussetzungen fest, in der Regel ein Mindestgesamtdurchschnitt im B+-Bereich (76% an der UBC). Das Graduiertenprogramm, für das Sie sich bewerben, kann zusätzliche Anforderungen haben. Bitte beachten Sie die spezifischen Anforderungen für Bewerber mit Zeugnissen von Institutionen in:

Jedes Programm kann höhere akademische Mindestanforderungen stellen. Bitte lesen Sie die Programm-Website sorgfältig durch, um die Programmanforderungen zu verstehen. Die Erfüllung der Mindestanforderungen garantiert keine Zulassung, da es sich um ein kompetitives Verfahren handelt.

Englisch-Sprachtest

Bewerber von einer Universität außerhalb Kanadas, an der Englisch nicht die primäre Unterrichtssprache ist, müssen im Rahmen ihrer Bewerbung Ergebnisse einer Englischprüfung vorlegen. Tests müssen abgelegt worden sein innerhalb der letzten 24 Monate zum Zeitpunkt der Einreichung Ihres Antrags.

Die Mindestanforderungen für die beiden gängigsten Englisch-Sprachprüfungen zur Bewerbung für dieses Programm sind unten aufgeführt:

TOEFL: Test von Englisch als Fremdsprache - internetbasiert

Gesamtpunktzahlanforderung: 90

IELTS: Internationales Testsystem für die englische Sprache

Gesamtpunktzahlanforderung: 6.5

Andere Testergebnisse

Einige Programme erfordern zusätzliche Testergebnisse wie die Graduate Record Examination (GRE) oder den Graduate Management Test (GMAT). Die Voraussetzungen für dieses Programm sind:

Vorheriger Abschluss, Studiengang und andere Voraussetzungen

Voraussetzungen für den vorherigen Abschluss

Studierende, die zum Ph.D. Studiengang verfügen in der Regel über einen M.Sc. Abschluss in Pflanzenwissenschaften oder einem verwandten Bereich mit eindeutigem Nachweis der Forschungsfähigkeit und dem Streben nach Forschungsexzellenz. Transfer vom M.Sc. zum Ph.D. Das Programm ist nach den Bestimmungen der Fakultät für Graduierten- und Postdoc-Studien zugelassen.


2 METHODEN

2.1 Studienorte

Die Probenahmen wurden in drei kleinen städtischen Kiesbettflüssen (erster oder zweiter Ordnung) in Leicestershire und Nottinghamshire, Großbritannien, durchgeführt: dem River Leen, Black Brook und Saffron Brook (Abbildung 1). Jeder Fluss wurde an zwei aufeinanderfolgenden Tagen im September und Oktober 2018 beprobt. Begradigte Abschnitte mit homogener Substratkorngröße und -morphologie wurden ausgewählt, um die Auswirkungen natürlicher morphologischer Heterogenität zu minimieren. Die Standorte waren in Größe, Wasserqualität und Abfluss ähnlich, unterschieden sich jedoch in der Urbanisierungsintensität (Tabelle S1).

Das vorherrschende natürliche Substrat (Substrat ist hier definiert als Flussbettmaterial, auf dem ein Organismus lebt) war an allen Standorten Kies und Kopfsteinpflaster (im Folgenden Felsen), mit einigen interstitiellen Feinsedimenten (Sand und Schluff). Die Gesteine ​​waren in ihrer Größe mit anthropogenen Abfallstücken vergleichbar und konnten leicht aus dem Flussbett isoliert werden, um die Makroinvertebraten zu sammeln, die sie bewohnen (ähnlich der anthropogenen Abfälle). Daher wurden Gesteine ​​zum Vergleich mit anthropogenen Abfällen ausgewählt. Sowohl Gesteine ​​als auch anthropogene Abfälle wurden auf Konsistenz von der Flussbettoberfläche beprobt. Es gab keine erkennbare Struktur der Bettsedimente, wie z. B. Panzerungen, da die Sedimente unter der Oberfläche denen an der Oberfläche optisch ähnelten.

2.2 Feldmethoden

Die anthropogene Streudichte wurde an jedem Standort durch Messung der Flussbettfläche (durchschnittliche Kanalbreite × erfasste Flusslänge) mit 100 Stück anthropogenen Streu bestimmt. Gesteins- und anthropogene Abfallproben wurden aus der gesamten Breite des Kanals und der Oberflächenschicht des Flussbetts entnommen. Während wir uns stromaufwärts in einem Rastermuster bewegten, sammelten wir abwechselnd angetroffene anthropogene Abfälle (mit 50 Proben an jedem Standort) und eine repräsentative Teilprobe von 50 Gesteinen, indem wir durch den Probenahmebereich gingen und das Gestein direkt am Fuß des Probenehmers nahmen (Wolman , 1954). Es wurden nur Gegenstände mit einer Länge von mehr als 1 cm in ihrer b-Achsenlänge beprobt, da kleinere Gegenstände schwer konsistent zu sammeln waren und die Anzahl der Makroinvertebraten bei solchen Gegenständen gering wäre. Die Artikel wurden hinsichtlich ihrer Materialzusammensetzung beschrieben (Stoff, Glas, Metall, Kunststoff, Mauerwerk, Fels o.ä.). Mauerwerkstücke (z. B. Ziegel, Beton und Dachziegel) wurden im Vergleich aller anthropogenen Einstreuarten mit allen Gesteinen als Gesteine ​​eingestuft, da angenommen wurde, dass sie wie natürliche mineralische Substrate funktionieren könnten. Mauerwerks- und Gesteinsproben wurden jedoch bei Analysen der Materialarten als separate Materialien betrachtet, um diese Annahme zu überprüfen.

Makroinvertebraten wurden gesammelt, indem Gegenstände (anthropogene Abfälle oder Gesteine) aus dem Flussbett in ein 1-mm-Mesh-Kicknetz direkt flussabwärts transportiert wurden (gemäß Benke und Wallace [ 2003 ] Methodik zur Probenahme von Makroinvertebraten auf großem Holz). Der Inhalt des Netzes wurde zusammen mit dem Gegenstand in einen Probenahmebeutel gegeben und mit Brennspiritus konserviert. Große oder eingebettete Gegenstände wurden im Feld von Makroinvertebraten gereinigt, indem eine festgelegte Fläche von 0,03 oder 0,06 m 2 in Abhängigkeit von ihrer exponierten Fläche (0,03 m 2 entsprach ungefähr der mittleren Oberfläche von anthropogenen Abfallstücken) mit einer Bürste geschrubbt wurde, um Makroinvertebraten zu entfernen in ein stromabwärts gehaltenes Kicknetz (Pilotto et al., 2016).

2.3 Labormethoden

Alle anthropogenen Abfälle und Gesteinsgegenstände wurden einzeln durch ein 500-µm-Maschensieb gewaschen und dann manuell verarbeitet, um Makroinvertebraten zu sammeln. Makroinvertebraten wurden nach Möglichkeit auf Art- oder Gattungsebene identifiziert. Ausnahmen waren Diptera und Sphaeriidae, die zur Familie identifiziert wurden, Oligochaeta zur Unterklasse und Acarina zur Ordnung. Taxonomische Niveaus waren zwischen Proben und Standorten konsistent. Es folgten Holland (1972), Ellis (1978), Friday (1988), Wallace et al. ( 1990 ), Edington und Hildrew ( 1995 ), Reynoldson und Young ( 2000 ), Killeen et al. ( 2004 ), Elliott und Humpesch ( 2010 ), Cham ( 2012 ), Dobson et al. (2012) und Elliott und Dobson (2015). Trichoptera-Puppen (Caddisfly) konnten im Gegensatz zu Larven nur auf Familienebene identifiziert werden und wurden daher von der weiteren Analyse ausgeschlossen. Die in Abschnitt 2.4 skizzierten Datenanalysen wurden mit Daten auf Familienebene, die Köcherfliegenpuppen einschlossen, wiederholt und die Ergebnisse waren qualitativ identisch (Tabelle S2).

Die Oberfläche jedes Gegenstands (anthropogene Streu oder Gestein) wurde angenähert, indem der Gegenstand in Alufolie eingewickelt und die resultierenden Folienstücke gewogen wurden (1 g: 0,0214 m 2 Dudley et al., 2001). Die Oberfläche von flexiblen Materialien oder Gegenständen mit komplexen Formen (z. B. Plastiktüten) wurde mithilfe von Gleichungen für die Oberfläche der ungefähren geometrischen Form bestimmt (Bergey & Getty, 2006). Gegenstände, die zu groß oder eingebettet waren, um vom Feld abgeholt zu werden, wurden vor Ort gemessen.

2.4 Datenanalyse

Alle statistischen Analysen wurden mit der Statistiksoftware R (Version 3.6.3 R Core Team, 2020) durchgeführt. Die Vollständigkeit der Probenahme wurde durch Berechnung der Abdeckung für anthropogene Abfälle und Gesteine ​​an jedem Standort bewertet. Dieses Maß für die Vollständigkeit der Stichprobe schätzt den Anteil der Gesamtzahl der Individuen einer Gemeinschaft, die zu den Taxa in der Stichprobengemeinschaft gehören (Chao & Jost, 2012). Die Dichte von Makroinvertebraten wurde berechnet, indem die Gesamtabundanz von Makroinvertebraten über die Taxa durch die beprobte Oberfläche eines Objekts geteilt wurde (0,03 oder 0,06 m 2 für teilweise beprobte Objekte). Die Vielfalt der Makroinvertebraten wurde durch die Berechnung der Hill's-Zahlen in bewertet vegan (Oksanenet al., 2019). Die Hill-Serien sind auf die Reihenfolge definiert Q (D Q ), die die Gewichtung seltener bis häufiger vorkommender Taxa für jeden Index bestimmt. D 0 entspricht dem beobachteten Taxareichtum, der selteneren Taxa größere Bedeutung beimisst, da sie gegenüber relativen Häufigkeiten (dh Gleichmäßigkeit) unempfindlich ist der Simpson-Diversität, die auf sehr häufig vorkommende Taxa gewichtet wird (Tuomisto, 2010). Jeder Punkt der Reihe liefert daher ergänzende Informationen über Taxareichtum und -gleichmäßigkeit.

Die mittlere Oberfläche von Gesteinen (inklusive Mauerwerk) war viermal kleiner als die von anthropogenen Abfällen (Gesteine: 0,03 m 2 ± 0,01 [SE], anthropogener Einstreu: 0,12 m 2 ± 0,02 Wilcoxon W = 16.899, zwei Proben, P < 0,001). Angesichts der Tatsache, dass eine starke positive Beziehung zwischen der Objektoberfläche und der Gesamtabundanz von Makroinvertebraten besteht (Spearman-Rang [RS] = 0.80, P < 0,001), sowie zwischen Oberfläche und beobachtetem Taxareichtum (D 0 RS = 0.79, P < 0,001), alle nachfolgenden Analysen wurden für die Oberfläche gesteuert (durch Einbeziehen der Fläche in lineare Mischeffektmodelle und verallgemeinerte lineare Modelle), um diesen Unterschied zwischen den Substraten zu berücksichtigen.

Um Unterschiede in Dichte und Diversität (D 0 , D 1 und D 2 ) zwischen anthropogenen Abfällen und Gesteinen zu testen, wurde eine lineare Mischeffektanalyse mit durchgeführt lme4 (Bates et al., 2015) mit berechneter Signifikanz für Parameterschätzungen unter Verwendung von lmerTest (Kuznetsova et al., 2017). Um die Diversität zu vergleichen, wurden Substrat (anthropogene Streu oder Gestein) und beprobte Oberfläche als feste Effekte eingegeben und Standort (River Leen, Black Brook oder Saffron Brook) als zufälliger Effekt einbezogen. Lineare Mixed-Effects-Modelle für den Flächeninhalt ohne Dichte, da dieser Faktor bereits in die Berechnung der Dichte für jedes Item einfließt, aber ansonsten die Modellstruktur identisch war. Modellvalidierung und -prüfung folgten dem Protokoll von Zuur et al. ( 2009 ). Signifikanzwerte für den Effekt des Substrattyps wurden durch Likelihood-Ratio-Tests (verteilt als χ 2 ) des vollständigen Modells gegen ein Nullmodell ohne Substratfaktor identifiziert. Lineare Mischeffektanalysen wurden wiederholt, wobei der Substratfaktor für die Materialzusammensetzung durch einen einzigen Faktor mit sieben Stufen ersetzt wurde: Stoff, Glas, Metall, Mauerwerk, Kunststoff, Fels und andere. Signifikante Unterschiede zwischen den Materialarten wurden anhand von Parameterschätzungen und zugehörigen P Werte berechnet mit Satterthwaite-Approximation in lmerTest. Daher haben wir in getrennten Analysen nach Unterschieden zwischen Substraten (anthropogene Einstreu und Gestein) und zwischen Materialtypen (Gewebe, Glas, Metall, Mauerwerk, Kunststoff, Gestein o.ä.) gesucht.

Die Zusammensetzung der Makroinvertebratengemeinschaft wurde unter Verwendung der vieleglm Funktion in mvabund (Wang et al., 2020). Die Funktion passt verallgemeinerte lineare Modelle (GLMs) an die Rohzahlen für jedes Taxa an, wobei eine negative Binomialverteilung angenommen wird, wobei Substrattyp, beprobte Oberfläche und Standort als erklärende Variablen ohne Wechselwirkungen dienen. EIN Summe von LR Die Teststatistik wurde mit einer durch Randomisierung zugewiesenen Signifikanz (999 Permutationen) erhalten, wobei die P Der Wert wird für Mehrfachtests mit Step-Down-Resampling angepasst. Dieser Ansatz spezifiziert bewusst eine Mittelwert-Varianz-Beziehung, die den Zähldaten inhärent ist, was bedeutet, dass er die Probleme von verzerrten Standort- und Ausbreitungseffekten und Schwierigkeiten bei der Erkennung von Effekten, ausgedrückt in Taxa mit niedriger Varianz, angehen kann, die bei entfernungsbasierten Gemeinschaftsanalysen wie SIMPER und . üblich sind PERMANOVA (Warton et al., 2012). Vieleglm Tests wurden auch wiederholt, wobei die Materialzusammensetzung durch das Substrat ersetzt wurde.

Unterschiede zwischen den Gemeinden wurden visualisiert mit boral (Hui, 2020) ein modellbasierter Ansatz zur uneingeschränkten Ordination, der ein latentes Variablenmodell an rohe Abundanzdaten anpasst und auf ähnliche Weise wie nicht-metrische mehrdimensionale Skalierungs-Ordination interpretiert werden kann (Hui, 2015). Bei der Ordination wurde eine negative Binomialverteilung angenommen, und die Auswirkungen der Stichprobenidentität wurden berücksichtigt, sodass die Ordination eher auf der Zusammensetzung als auf der relativen Häufigkeit basiert. Site wurde als fester Effekt aufgenommen. Die Ordination wurde für einzelne Standorte wiederholt, um Unterschiede zwischen den Materialtypen innerhalb jedes Standorts sichtbar zu machen.


Eine kurze Geschichte der Pflanzenlebensräume im Weltraum

Es ist allgemein bekannt: Wo Sie eine Pflanze anbauen, macht den Unterschied. Botaniker, Gärtner und Landwirte arbeiten seit Tausenden von Jahren daran, das Pflanzenwachstum in jeder Umgebung zu perfektionieren. Von den Feldern des Mittleren Westens der Vereinigten Staaten bis hin zum trockenen Klima des Nahen Ostens werden die Menschen Pflanzen überall dort anbauen, wo sie gebraucht werden. Und da die Technologie immer besser geworden ist, hat sie eine neue Ära von “ eingeläutetWir können überall Pflanzen anbauen” . Zeitgesteuerte Beleuchtungs- und Bewässerungssysteme haben Indoor-Gärtnern zu einer echten Option für städtische Umgebungen gemacht. Vertikales Gärtnern wird diskutiert, um Abstandsprobleme zu beheben. Hydroponik wird immer beliebter. Dies sind die Lösungen, die geschaffen werden, um die Herausforderung anzunehmen, Pflanzen überall dort anzubauen, wo es uns gefällt – und unseren Status als wahre Meister der Pflanzenwissenschaft zu festigen. Aber für eine noch größere Herausforderung suchen wir nicht weiter als unser Sonnensystem. Die eigentliche Frage ist: Können wir Pflanzen im Weltraum anbauen? Welche Werkzeuge werden verwendet, um unsere Pflanzen im Weltraum zu züchten?

Dies sind die Fragen, die für die Astrobotanik (das Studium von Pflanzen im Weltraum) von wesentlicher Bedeutung sind. Dies sind die Fragen, die sich akademische Botaniker täglich stellen, und es sind Fragen, die Ihnen vielleicht auch durch den Kopf gegangen sind. Während Astrobotanik allgemein als eine jüngere Disziplin gilt, ist ihre Geschichte reicher, als man erwarten könnte. Seit wir von der Raumfahrt träumen, haben wir die Notwendigkeit unserer Pflanzen erkannt. Und solange wir versucht haben, Pflanzen im Weltraum zu züchten, brauchten wir einen Ort, um sie anzubauen.

Hier ist eine kurze Geschichte der Pflanzenlebensräume im Weltraum.

1946 – Inside V-2-Raketen

Wenn der Begriff sehr locker verwendet wird, könnte der erste “Weltraumpflanzenhabitat” technisch als V-2-Raketen angesehen werden. Im Jahr 1946, als die NASA Maissamen auf umfunktionierten V-2-Raketen abfeuerte, trat kein wirkliches Pflanzenwachstum auf, aber dies ist das erste Mal, dass Pflanzenmaterial in der Raumfahrt eingesetzt wurde. Ein echter Pflanzenlebensraum? Vielleicht nicht so sehr. Der erste Versuch einer Pflanzenbiologie in der Raumfahrt? Ja, sehr.

1973 – “Unbenanntes Pflanzenwachstumsfach” auf Skylab

Eines der ältesten pflanzenbiologischen Raumfahrtexperimente war ein Studentenprojekt und eine gemeinsame Zusammenarbeit mit der NASA. “Skylab”, eine wahre Meisterleistung der Ingenieurskunst und eine der ältesten Raumstationen, war eine modifizierte Saturn-V-Rakete, in der frühe Weltraumforschung betrieben wurde. Unter ihnen das Wachstum von Reis in ihrer Pflanzenwachstumskammer. Hier ist eine Beschreibung der Kammer aus den NASA-Experimentarchiven.

“Der Wachstumsbehälter für dieses Experiment bestand aus acht Fächern, die in zwei parallelen Viererreihen angeordnet waren. Der Wachstumsbehälter ähnelte Papp-Eintopfpatronen, die man in Gärtnereien findet. Jedes Fach hatte zwei mit Fenstern versehene Oberflächen, die eine periodische Fotografie der sich entwickelnden Sämlinge sowohl aus der Vorder- als auch aus der Seitenansicht ermöglichten. Die Untersuchung der Lichtintensitäten an Pflanzen wurde mit Hilfe von Lichtfiltern durchgeführt. Dazu wurden fünf Fenster mit speziellen Filtern unterschiedlicher Lichtdurchlässigkeit abgedeckt, zwei Fenster wurden blockiert, um zu verhindern, dass Licht in die Samen gelangt, und das verbleibende Fenster hatte keinen Filter, was eine 100-prozentige Lichtdurchlässigkeit ermöglichte. Drei Reissamen wurden durch abgedeckte Löcher in jede Kammer eingeführt. 24 Samen wurden mit Hilfe eines automatischen Samenpflanzers in ein Nähragarmedium eingebracht. 30 Tage lang wurden in regelmäßigen Abständen Fotos gemacht.” – Pflanzenwachstum/Pflanzenphototropismus (ED61_62)

Dieses bahnbrechende Experiment befasste sich mit einer der wichtigsten Variablen, die das Pflanzenwachstum beeinflussen: die Beleuchtung. Bereits 1973 gehörten zu den Habitaten im Pflanzenraum Lichtfilter, Nähragar und ein automatischer Samenpflanzer.

1971 – Oasis Series Wachstumskammern

Der Sowjet Oase Serie waren die ersten biologischen lebenserhaltenden Flugexperimente, die von 1971 bis 1986 flogen. Diese Oasis-Kammern waren vorteilhaft für die psychische Gesundheit der Astronauten. Der britische Astronaut Mike Foale kommentierte, wie ermutigend es war, seine Sämlinge sprießen zu sehen. Ein Kosmonaut stellte sogar seinen Schlafsack neben eine Oase, um das Pflanzenwachstum gleich nach dem Aufwachen überprüfen zu können. Kosmonaut Yuri Artyukhin beschrieb, dass die Oase der hellste Ort auf der Station war, sodass Besatzungsmitglieder viel Zeit in der Nähe verbrachten. Es gab vier Iterationen von Oasis.

1973 – Vazon

1979 erhielten die Kosmonauten ein ganz besonderes Geschenk: a Vazon Wachstumskammer mit einer Kalanchoe-Pflanze im Inneren. Sie waren so zufrieden mit dieser Pflanze, dass sie sie „Lebensbaum“ nannten. Obwohl sie für eine Vielzahl von Pflanzenarten verwendet wurde, wurde die Vazon ursprünglich entwickelt, um Knollenpflanzen wie Zwiebeln und Tulpen im Weltraum zu züchten. Die Vazon flog erstmals 1973 zum Saljut 6 und unterstützte weiterhin die Pflanzenforschung auf Saljut 7 und der Raumstation Mir. Obwohl der Vazon ein Nachfolger der Wachstumskammern der Oasis-Serie war, war er in vielerlei Hinsicht einfacher. Es hatte kein Beleuchtungssystem oder Umgebungskontrollen und verließ sich stattdessen auf Licht und Luft aus der Kabine der Raumstation. Erfahren Sie hier mehr!

1973 – Malachit

Orchideenblüten können wie aus einer anderen Welt erscheinen, aber wussten Sie, dass das sowjetische Raumfahrtprogramm einst blühende Orchideen in die Umlaufbahn schickte?! Epidendrum-Orchideen wurden in Malachit, eine kleine Wachstumskammer, die 110 Tage lang auf Saljut 6 geflogen wurde. Dieses Orchideen-Experiment von 1973 wurde entwickelt, um den psychologischen Komfort zu untersuchen, den Kosmonauten bei der Interaktion mit den Pflanzen empfanden. Die Orchideen wurden in Blüte gebracht, aber leider fielen die Blüten sofort von den Stielen. Diese Orchideen produzierten keine zusätzlichen Blüten im Orbit, so dass bei diesem Experiment keine Samen entstanden. Zu dieser Zeit war Malachit eine der größten Pflanzenwachstumskammern, die jemals ins All geschickt wurden, und obwohl sein Orchideenexperiment weitgehend erfolglos war, ebnete es den Weg für noch größere Wachstumskammern, die noch kommen sollten. Erfahren Sie hier mehr!

1982 – Svetoblok

Svetoblok war die erste luftdichte, sterile Wachstumskammer für die Raumfahrt, und ihre Experimente halfen uns zu verstehen, dass Pflanzen im Weltraum Blüten entwickeln können. Diese Kammer war kompakt, mit einem kleinen abnehmbaren Zylinder, der unabhängig von der Kammer zur Erde zurückgebracht werden konnte. Um die Pflanzen zur Erde zurückzubringen, hielten die Kosmonauten beim Abstieg einfach den abnehmbaren Zylinder in ihrem Schoß! Svetoblok wurde erstmals 1982 geflogen und sowohl auf den Raumstationen Saljut als auch Mir eingesetzt. Die sterile Umgebung von Svetoblok wurde als ein wichtiger Grund für seinen Erfolg angesehen. 1982 züchteten Kosmonauten erfolgreich die ersten Blüten im Weltraum aus Arabidopsis, einer winzigen Senfart, die häufig in der Forschung verwendet wird. Obwohl diese Blumen blühten und Früchte zu entwickeln begannen, degenerierten die männlichen und weiblichen Organe, so dass keine lebensfähigen Samen produziert wurden. Der Erfolg der Blüte in Svetoblok hat gezeigt, dass der Lebenszyklus von Samen zu Samen unter den richtigen Umweltbedingungen in der Schwerelosigkeit möglich sein sollte. Svetoblok war eine der wichtigsten Wachstumskammern, die den Grundstein für die Pflanzenvermehrung im Weltraum legte. Erfahren Sie hier mehr!

1982 – Phyton/Fiton an алют-7 (Saljut 7)

Phyton (gelegentlich genannt Anpassen) wurde entwickelt, um Samen-zu-Samen-Experimente zu unterstützen, um zu zeigen, dass Pflanzen sich im Weltraum normal vermehren können. Phyton war erfolgreich: Es produzierte die ersten im Weltraum gezüchteten Samen und erreichte das, was wir nennen Ontogenese (Samen-zu-Samen-Wachstum) mit Arabidopsis. Es züchtete Pflanzen in Glaszylindern mit Nähragar, hatte eine leistungsstarke Lampe und verwendete einen Luftfilter, um Luftverunreinigungen zu entfernen. Es enthielt sogar einen automatischen Apparat, der Samen im Orbit pflanzen konnte! Python war auch sehr anpassungsfähig: Wissenschaftler konnten einzelne Zylinder anpassen, um verschiedene Lichtbehandlungen, Wassermengen, Pflanzenarten und Nährlösungen zu testen. Phyton wurde vom ukrainischen Institut für Molekularbiologie entwickelt und führte Flugexperimente auf Saljut 6 und Saljut 7 durch. Es gab drei Iterationen von Phyton.

In der Literatur wird auch angegeben, dass sich an Bord von Salyut 7 eine Zentrifuge befand. Salat wurde unter Verwendung dieser Ausrüstung unter Bedingungen von 0,01, 0,1 und 1 g untersucht.

* Schnelles Durchsuchen von Weltraumausrüstung aus der Sowjetzeit führt oft zu wenigen Ergebnissen. Dies könnte eine Folge strenger wissenschaftlicher Regeln sein, die russischen Wissenschaftlern auferlegt wurden, um den amerikanischen Technologiediebstahl während des Kalten Krieges zu verhindern. Während dieser Zeit war es vielen Forschern untersagt, detaillierte Papiere über ihre Experimente zu veröffentlichen.

1982 – Pflanzenwachstumseinheit (PGU)

Seit 15 Jahren ist die Pflanzenwachstumseinheit (PGU) war eine sehr erfolgreiche Plattform für Astrobotanik-Experimente aus der Shuttle-Ära (1982-97). Die PGU war die erste amerikanische Plattform, die regelmäßige Flugexperimente zu biologischen Lebenserhaltungssystemen durchführte, und ihre Experimente untersuchten das Wachstum von Sämlingen, die Verholzung und die Reproduktion. Die PGU wurde von Lockheed Missiles and Space Company für das Ames Research Center entworfen und gebaut und schließlich zu ihrem Nachfolger, der Plant Growth Facility (PGF), aufgerüstet. Erfahren Sie hier mehr!

1990 – “SVET” auf Мир (Mir)

Der Pflanzenhabitat SVET (russisch: hell) wurde 1990 an Bord der Raumsonde Mir installiert. SVET befand sich im Kristall-Modul der Mir und bestand aus 4 Grundeinheiten:

  • die Pflanzenwachstumskammer selbst
  • das Root-Modul
  • die Licht- und Steuereinheit
  • das GEMS (Gas Exchange Measurement System)

Pflanzensorten wie Zwergweizen und Brassica-Rapa wurden in SVET gezüchtet, wobei wichtige Variablen mit diesen Geräten kontrolliert und gemessen wurden. Unter anderem wurde die Substratfeuchtigkeit untersucht.

1997 – Pflanzenwachstumsanlage (PGF)

Jahrelang war die Plant Growth Unit (PGU) die beste Pflanzenwachstumskammer, um winzige Pflanzen im Weltraum zu untersuchen. Wissenschaftler und Ingenieure fanden jedoch zahlreiche Möglichkeiten, die PGU zu aktualisieren, indem sie viele Geräte verbesserten und gleichzeitig die gleichen Abmessungen beibehielten, und sie nannten diese aktualisierte Version die Pflanzenwachstumsfazilität (PGF). Dieses System hatte ein Beleuchtungssystem mit viel höherer Leistung, konnte experimentspezifische Wachstumsmedien aufnehmen und war in der Lage, Feuchtigkeit, Temperatur und CO . zu kontrollieren2 Konzentration. Like the PGU, the PGF was a platform for plant reproduction experiments, and it helped demonstrate how ventilation and extra CO2 are needed for seeds to develop normally in space. In 1997 the PGF flew on the shuttle for 15 days to test the effects of microgravity on plant growth for the Collaborative Ukraine Experiment (CUE). Learn more here!

2002 – Biomass Production Chamber (BPS)

Die Biomass Production System (BPS) was developed by Orbital Technologies Corporation in partnership with NASA engineers and scientists. It was initially designed for the Shuttle and SpaceHab, but was later modified to fit in the International Space Station (ISS), and it contained two experiments on the ISS in 2002 during expedition 4. The first experiment was a Technology Validation Test (TVT), where the BPS validated several subsystems and technologies that were later used to design the Plant Research Unit (PRU). The second experiment was called Photosynthesis Experiment and System Testing and Operation (PESTO). The PESTO demonstrated that plant productivity (photosynthetic rate, transpiration rate, and biomass) does not differ from ground controls. From this experiment, scientists learned that gas exchange is not directly affected by microgravity, but is affected indirectly by the lack of gravity-driven convection in microgravity. Learn more here!

2002 – Lada Plant Growth System

Lada, named for the Slavic Goddess of Fertility, is the oldest greenhouse system on the International Space Station. Lada is a traditional spaceflight plant habitat with two different growth compartments for growth comparison. It design and technology are modeled after its predecessor “SVET” on Mir.

“Lada consists of four major components (a control module, two vegetation modules and a water tank) and is designed to be deployed on a cabin wall. This deployment scheme was chosen to provide the crew therapeutic viewing and easy access to the plants. The two independently controlled vegetation modules allow comparisons between two vegetation or substrate treatments. The vegetation modules consist of three sub-modules, a light bank, the leaf chamber, and a root module.”
Lada: The ISS Plant Substrate Microgravity Testbed [accessed May 27 2018]

2002- Plant Generic Bioprocessing Apparatus (PGBA)

Die Plant Generic Bioprocessing Apparatus (PGBA) was a plant growth habitat on the International Space Station. Plants grown on the PGBA include Arabidopsis thaliana, wheat, tomatoes, loblolly pine, spinach, periwinkle, white clover, pepper, sage, and purple cone flower.

2006 – European Modular Cultivation System (EMCS)

Die European Modular Cultivation System (EMCS) was built for plant research, but could also hold experiments on small animals (insects and small invertebrates). It was funded by the European Space Agency (ESA), and was developed by an industrial team led by the German company EADS-ST Friedrichshafen. Specialists at NASA’s Ames Research Center optimized it for certain experiments by developing experiment-unique hardware. It was installed on the ISS in the US Destiny module (2006-08), and the European Columbus module (2008). The EMCS hosted a wide variety of plant experiments that helped scientists understand imaging systems, plant movement, plant membrane proteomes, plant growth and development, cell-wall genetics, and plant tropisms in space. Learn more here!

2009 -Plant Experimental Unit (PEU)

The Japanese Plant Experimental Unit (PEU) was designed for the Space Seed experiment, to test the seed-to-seed life cycle of Arabidopsis in microgravity. Eight units were launched to the ISS in 2009, and were mounted in the Cell Biology Experiment Facility (CBEF) inside the Kibo laboratory for 62 days. Arabidopsis is a very small plant, so each PEU was also quite small: the growth area of one PEU was only 4.8 cm tall, 5.6 cm wide, and 4.6 cm deep. Learn more here!

2011 – SIMBOX

The Science in Microgravity Box (SIMBOX) is scientific hardware developed by DLR (German Aerospace) in cooperation with CMSEO (China Manned Space Engineering Office). SIMBOX was flown on a Shenzhou 8 mission in 2011 and contained biological experiments including a study on Arabidopsis with 1g centrifugal control for Arabidopsis in SIMBOX (onboard Shenzhou). SIMBOX has an RNAlater injection system, lights, temperature control and a centrifuge.

2014 – “VEGGIE” on the International Space Station

The VEGGIE vegetable production unit was developed by Sierra Nevada subsidiary ORBITEC and installed on the ISS in 2014. There are currently two VEGGIE modules on the ISS. Plants are grown with root mats and ‘plant pillows’, which are small, wicked pillows that contained calcined clay and fertilizer for the plants to grow in. The lights on VEGGIE are primarily red and blue light, which are LEDS optimized for plant growth, because they have the highest energy wavelengths. Air flow and pressure are also controlled in each of the VEGGIE systems. Below, NASA describes the process of beginning a plant experiment in the growth compartment.

“Wearing sunglasses, Swanson activated the red, blue and green LED lights inside Veggie on May 8. A root mat and six plant “pillows,” each containing ‘Outredgeous’ red romaine lettuce seeds, were inserted into the chamber. The pillows received about 100 milliliters of water each to initiate plant growth. The clear, pleated bellows surrounding Veggie were expanded and attached to the top of the unit.”NASA KSC 05/16/14

Zusammenfassung

The timeline of plant habitats for space has ebbed and flowed with the construction and maintenance of space stations, research vessels, and spacecraft. Plant biologists involved with these projects have largely (and rightly) stuck to their wheelhouse. The control over as many variables as possible is key in the development of these plant habitats. This is a common thread amongst all the discussed equipment above. Air flow, pressure, watering, nutrients, and light are all closely controlled and monitored. In addition to this, sterilization from start to finish as a plant goes through its life cycle is essential. Contamination could jeopardize important data. These are concepts realized and practiced as early as the 70s and they are still continued to this day.

This overview of important plant habitats left out hardware such as BRIC (Biological Research In Canisters) and SIMBOX, as those are less “greenhouse”, but more petri-dish, or biological organism related. These smaller research tools have less specificity when it comes to growing plants, but yield equally important data when it comes to astrobotany research.

There is still much to learn when it comes to our endeavors in space agriculture. Despite a history spanning nearly six decades, the world’s space programs still have yet to produce the first bioregenerative life support system. As our rocket technology advances, our biological sciences must keep up. We must push for the development of more and more advanced plant habitats. To further our space legacy, we will continue to learn, continue to build, and continue to grow plants in space.


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