2. Vorlesung
Grundlagenwissen ohne Anwendung in der Praxis?
Übersicht
1. Systematisierung der Bodenorganismen: Morphologie, Physiologie, Autökolgie
2. Beteilgte Disziplinen und ihre Methoden
3. Bedeutung der Systematisierung, Anwendung: Das Spezielle und das Differenzierende
1. Systematisierung der Bodenorganismen: Morphologie, Physiologie, Autökologie
Die Vielfalt der Bodenorganismen ist enorm. Der Dia-Streifzug der ersten Vorlesung konnte dies sicherlich nur ansatzweise erkennen lassen. 100 oder 200 Bilder reichen nicht aus um alle Bodenorganismen vorzuführen. Bilder lassen zudem Differenzen zwischen formgleichen Organismen gar nicht erkennen. Weiter reichende Fragen nach der Art, dem Wesen und der Bedeutung, die sich beim Betrachten der Bodenorganismen ergeben, lassen sich erst beim systematischen Vorgehen beantworten. Das Ordnen der erkannten Objekte oder Abläufe ist eine Grundlage hierzu. Ordnungen sind die Antworten auf die als solche nicht erkennbare, nicht verstehbare komplexe Umwelt. Ordnen oder systematisieren bedeutet, die Fülle der Erscheinungen zu überschaubaren Einheiten zusammenzufassen, zu klassieren. Ordnungen, dass heisst die systematische Gliederung des Materiales, der Studienobjekte spielten und spielen in der Biologie, wie auch in anderen Wissenschaften, eine zentrale Rolle. Die biologische Systematik ist eine der Möglichkeiten unsere Umwelt, bzw. in unserem Falle die Bodenorganismen, zu klassieren und dadurch zu verstehen.
Biologische Systematik
Organismen lassen sich nach unterschiedlichsten Gesichtspunkten ordnen. Aus einer alten chinesischen Enzyklopädie stammt die folgende Tierordnung (zititert im Vorwort von Foucault M., 1983, Die Ordnung der Dinge, 8. Aufl., Suhrkamp Taschenbuch, Frankfurt a. Main):
a) Tiere, die dem Kaiser gehören
b) einbalsamierte Tiere
c) gezähmte
d) Milchschweine
e) Sirenen
f) Fabeltiere
g) herrenlose Hunde
h) in diese Gruppierung gehörige
i) die sich wie Tolle gebährden
k) die mit ganz feinen Pinsel aus Kamelhaar gezeichnet sind
l) und so weiter
m) die den Wasserkrug zerbrochen haben
n) die von weitem wie Fliegen aussehen
Gerade weil uns diese Ordnung seltsam vorkommt, zeigt sie uns, dass Ordnungen nicht nur in den Objekten, sondern auch in unserer (gegenwaertigen) Art zu Denken verwurzelt sind (und oft einen praktischen Zweck verfolgen, der beim chinesischen Beispiel möglicherweise oder teilweise der Verwaltung diente).
Die biologische Systematik unterscheidet zwei Grundtypen von Ordnungssystemen: Künstliche Systeme und das natürliche System.
Künstliche Systeme ordnen die Organismen vorzugsweise nach wenigen und leicht erkennbaren, oft morphologischen Merkmalen, wie zum Beispiel in Bestimmungsschlüsseln oder Bestimmungsbüchern. Ziel ist die systematische Einordnung, d.h. die Identifikation der Objekte. Die ersten biologischen Ordnungssysteme waren solche künstliche Systeme. Damit verknüpft war die grundlegenden Annahme der Artkonstanz, das heisst die Unveränderbarkeit der Arten.
Auch die zitierte chinesische Tierordnung entspricht einem künstlichen System, aber auch kartographische Schlüssel, zB. zur Bodenkartierung oder Waldkartierung.
Zwei Beispiele aus dem Methodenbuch der Bodenbiologie von Dunger und Fidler sollen stellvertretend künstliche biologische Systeme illustrieren:
Uebersicht Mikroskopische Bodenfauna (Tafel I, Seite 362)
Die Klassierung folgt hier der äusseren Gesamterscheinung, der Gestalt, sowie einzelnen gruppentypischen Merkmalen, wie Flagellen, Räderorgan usw.. Sie dient einer groben Zuordnung und verweist auf feinere Bestimmungsschlüssel (siehe Nematoden). Die Anwendbarkeit beschränkt sich auf mikroskopisch kleine Organismen und setzt natürlich ein leistungsfähiges Licht-Mikroskop voraus.
Bestimmungsschlüssel für in zentraleuropa häufige Regenwurmarten (Tafel V, Seite 367)
Dieser verfeinerte Bestimmungsschlüssel klassiert nach arttypischen Körpermerkmalen, also morphologischen Kriterien. Ein systematischer, hierarchisch aufgebauter Ablauf erleichtert die Bestimmungsarbeit. Das Ergebnis erlaubt die Zuordnung von Artnamen. Die Anwendung ist wie beim ersten Beispiel eingeschränkt. Erforderlich ist eine leistungsfähige Lupe und die Betäubung der Regenwürmer.
Künstliche Systeme werden oft entsprechend der aktuellen Bedürfnisse angepasst oder entwickelt. Sie sind dauerndem Wandel, Neuschöpfung und Vergessen ausgesetzt, dienen vornehmlich angewandten Zwecken, zB. Bestandesaufnahme, Schutz, Screening, Beobachtung, Ueberwachung...von Organismen bzw. Organismenbeständen.
Das natürliche System der Organismen versucht eine Ordnung herszustellen, die auf der Verwandschaft, im Sinne der gleichen Abstammung, aufbaut. Sie beruht auf der, heute allgemein anerkannten, Evolutionslehre. Systematische Einheiten des natürlichen Systemes umfassen demnach Organismen der selben Evolutionslinie, mit der gleichen Abstammung. Voraussetzung hierfür war die Ueberwindung der Anahme der Artenkonstanz, eingeleitet durch die Arbeiten von Darwin. Die Idee der Abstammungslehre wurde erstmals von Haeckel umfassend dargestellt und angewandt. Von ihm stammt auch die sogenannte biogenetische Grundregel, wonach in der Embryonalentwicklung die stammesgeschichtliche Entwicklung nachvollziehbar sei (Entsprechung von Ontogenese und Phylogenese). Diese Regel ist sehr anschaulich, muss aber stark relativiert werden und wird heute von Biologen nicht mehr als allgemein gültige Regel akzeptiert.
Die Klassierung im natürlichem System wurde zunächst auch mittels morphologischer Kriterien durchgeführt. Bald wurden weitere Methoden, auch aus anderen Disziplinen beigezogen: vergleichende anatomische und embryologische Analysen, chemische und biochemische Analysen und neuerdings molekularbiologische Analysen. Konsequenterweise wird das Wissen zur Morphologie, Physiologie und Autökolgie der Organismen meistens entsprechend dem natürlichen System gegliedert und dargestellt.
Exkurs: Bei der Untersuchung biologischer Objekte ist es sinnvoll chemische, biochemische und molekularbiologische Analysemethoden auseinanderzuhalten.
1. Chemische Analysen ermitteln die elementare oder molekulare Zusammensetzung des untersuchten Objektes. Unabhängig davon ob die Objekte lebende Organismen oder unbelebte Materie sind, werden die selben methodologischen Prinzipen angewandt. Spezifische Lebensprozesse lassen sich mit chemischen Methoden nicht beschreiben, nur die Edukte und Produkte derselben.
2. Biochemische Analysen schaffen spezielle Messbedingungen. Diese imitieren intrazelluläre Bedingungen im Reagenzglas, in welchem das Verhalten von biologischen Molekülen beobachtet wird. Solche Æin vitro" Beobachtungen werden auf das Verhalten der gleichen Moleküle in der Zelle bzw. im Organismus übertragen und im Bezug auf spezifische Lebensäusserungen gedeutet. zB. lässt sich aus einer Bodenprobe das Enzym Phosphatase isolieren und im Reagenzglas seine Aktivität beobachten (Freisetzung von anorganischem Phosphat aus phosphathaltigen organischen Molekülen). Die ermittelten Enzymaktivitäten werden auf die Organismen im Boden übertragen. Schliesslich wird die (Selbst-)Versorgung der Bodenorganismen mit anorganischem Phosphat gedeutet.
3. Molekularbiologische Methoden stützen sich auf biochemische wirksame, meist informationstragende Moleküle. Diese können aus Organismen stammen oder künstlich, unter biochemischen Bedingungen hergestellt worden sein. Zur Prüfung ihrer Wirkung werden sie in biologische Prozesse (Reproduktion, Transkription) bzw. Zellen bzw. Organismen eingeführt. Der Test zeigt, ob die Information im biologischen Sinne verständlich bzw. real ist, umsetzbar ist und zum Ausdruck kommen kann. zB. lässt sich ein 16s rRNA Gen(abschnitt) eines stickstofffixiernden Bakteriums im Labor herstellen, mit einem Farbstoff verbinden und einer Bodenprobe beimischen. Sind in der Bodenprobe aktive stickstofffixierende Bakterien vorhanden, so werden diese spezifisch angefärbt und können unter dem Mikroskop erkannt und gezählt werden.
Ein vollständiges natürliches System der Organismen ist allerdings ein Traum geblieben. Die Aufdeckung phylogenetischer Zusammenhänge ist oft spekulativ. Mit dem Fortschritt der analytischen Methodik, werden immer wieder neue Kriterien erschlossen und bestehende Klassierungen als widersprüchlich erkannt. Eine andauernde Umordnung ist die Folge. Besonders stark sind die Mikroorganismen und die sehr artenreichen Gruppen mit noch vielen unbekannten Arten betroffen (Invertebraten, Gliedertiere...). Weniger betroffen sind die höheren Tiere (Wirbeltiere) oder die höheren Pflanzen.
Die in der ersten Vorlesung präsentierte Tabelle ist an das natürliche System angelehnt. Es entspricht den heutigen Vorstellungen, welche stark von molekularbiolgischen Analysen geprägt sind. Eine Darstellung, welche dies noch besser verdeutlicht, soll uns nocheinmal durch die Hauptgruppen der Bodenorganismen führen:
Universal and Eukaryote Phylogenetic Trees based on 16s rDNA
(http://ag.arizona.edu/ENTO/tree/eukaryotes/treeoverview.html)
Eine weitere Darstellung soll veranschaulichen, dass in älteren Klassierungssystemen angewandte Kriterien, zB. Phototrophie, nicht immer konform sind mit der Klassierung anhand molekularbiologischer Kriterien.
Position phylogénétique des groupes de microorganismes
phototrophes
(Darstellung von Prof. A. Aragno, Uni. Neuchâtel, nicht angezeigt)
2. Wissenschaftliche Disziplinen und Methoden
Bei der geschilderten Vielfalt der Aspekte der Bodenbiologie erstaunt es nicht, dass sich verschiedene biologische Disziplinen mit unterschiedlichsten und eigenen Methoden mit der Bodenbiologie beschäftigen. Zu nennen sind die Mikrobiologie, Mykologie, Zoologie und schliesslich die Oekologie. Diese Wissenschaften haben jeweils ihre eigenen Bereiche und Methoden und können jeweils nur einen Ausschnitt bearbeiten bzw. ausgewählte Fragen beantworten. Uebertragen auf die Systematisierung bedeutet dies, dass die genannten Disziplinen, die zu ihrem Bereich gehörigen Organismen mit eigenen Methoden untersuchen. Die wichtigsten Methoden seien im folgende erläutert. Dabei wird zwischen dem Einsammeln der Organismen und der eigentlichen Bestimmung unterschieden. Besonders beim Einsammeln unterscheiden sich die Methoden. Bei der Bestimmung können beim Einsatz molekularbiologischer Methoden im Prinzip einheitliche Methoden verwendet werden.
Tabelle: Wissenschaftlichen Disziplinen und ihre systematischen Methoden
| Mikrobiologie (Botanik)
|
Mikroorgnismen, vorallem Bakterien, auch Algen
|
Kultivation, biochemische und molekularbiologische Methoden (zB. klonale
Antikörper, DNA- und RNA-Sonden)
Beispiele: |
| Mykologie
|
Pilze (einschl. Mykorrhiza)
|
Kultivation, biochemische und molekularbiologische Methoden, Morphologie
Beispiel: |
| Zoologie
|
eukaryontische Mikroorganismen (ohne Pilze), Tiere
|
Extraktion, Morphologie, (biochemische und molekularbiologische Methoden)
Beispiele: |
| Oekologie
|
Vielfalt, Stabilität, Nahrungsnetze, Stoffkreisläufe,
Umwelteinflüsse ,...
|
Mittels Methoden der biol. Einzeldisziplinen, der Chemie und Physik
(Mathematik):
Beobachtung, Artzählung, Stoffumsätze, -bilanzen Experimente,
mathematische Modellierung |
3. Die Bedeutung der Systematiserung und Anwendung
Die Systematiserung erlaubt einen Einblick in die Komplexität der Bodenorganismen. Beobachtete Objekte lassen sich identifizieren und ordnen. Dadurch wird die Vielfalt der Organismen, die unterschiedliche oder gleiche Besiedlung von Lebensräumen erst erkennbar.
Die Differenzierung der Organismen und ihrer Lebensräume lässt die Einzigartigkeit jedes Wesens und jedes Biotopes erkennen und beschreiben.
Damit ist die biologische Systematik eine der tragenden Säulen der ideographisch und deskriptiv orientierten Disziplinen bzw. Arbeitsweisen. Anwendungen finden sich im Bereich des Naturschutzes, Landschaftsschutzes und Umweltmanagements (-bewirtschaftung), oder allgemein gesagt, überall dort, wo der individuelle (oder oft auch schützenswerte) Charakter einer Naturerscheinung, eines Naturraumes oder eines Lebensraumes aufgezeigt oder ihr Weiterbestehen dokumentiert werden soll.
Zusammen mit den Kentnissen der Physiologie, Biochemie und Autökologie
der Organismen, kann eine systematische Erfassung der Organismen zur Indikation
biologischer (Funktionen, Trophiegrade, Entwicklungsstadien) und
nicht-biologischer Biotopmerkmale (zB. von Belastungen) dienen
(= Bioindikation).