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Ökologie
1 Einführung 1.1 Fragestellungen und Ebenen Ökologie := Untersucht die Wechselbeziehungen von (s.u. je nach Ebene) mit Umweltfaktoren. Ebenen: 1.) Autökologie: einzelnen Individuen
2.) Populationsökologie: allen Individuen einer Art in einem Lebensraum
3.) Synökologie: Populationen verschiedener Arten untereinander
und
1.2 Umweltfaktoren-Übersicht
Umweltfaktoren
abiotische biotische
Temperatur Artgenossen
Wasser Artfremde
Biotop Biozönose
= Lebensraum = Lebensgemeinschaft
besonders für Pflanzen besonders für Tiere
Individuum/ Population
2 Einflüsse von Umweltfaktoren auf Individuen und Populationen 2.1 Abiotische Umweltfaktoren (= unbelebt) a) Temperatur
• Pflanzen: Vgl. Temperaturabhängigkeit der Photosyntheserate
• Tiere: - Vergleich wechselwarmer und gleichwarmer Tiere: Nachteil: enger Toleranzbereich hoher Energieverbrauch Vorteil: niedriger Energieverbrauch breiter Toleranzbereich
- andere Kompromisse:
Winterstarre Winterschlaf Winterruhe
Reptilien, Fledermaus, Bären,
Insekten Hamster, Dachse,
Igel, Eichhörnchen
Murmeltier
Ö�Einfluss des Stoffwechsels auf das Verhalten!
Vitalität Vitalität
Tod Tod Tod Tod Min. Max.
/ Min. Max / .
T [°C]
T [°C]
(= Individuenzahl in der
Populationsökologie)
- Vergleich verschiedener wechselwarmer Tiere: kaltstenotherm indifferent eurytherm warmstenotherm Ö�Das Optimum ist an den jeweiligen Lebensraum angepasst!
b) Feuchtigkeit
• Pflanzen: z.B. Besenheide (trockene Standorte, Sandboden) - eingesenkte Spaltöffnungen (wie beim Nadelblatt!) - Härchen an der Blattoberfläche (Luftpolster verringert Verdunstung) - Blattunterseite eingerollt - starkes Festigungsgewebe als Stütze falls der Turgordruck wegfällt z.B. Schwertlilie (feuchte Standorte, Sumpf) - hervorstehende Spaltöffnungen - glatte Blattoberfläche - Blattoberseite eingerollt - Turgordruck als Stütze
• Tiere: z.B. Kellerassel (landlebende Krebstiere) - Kiemen bedeckt
Vitalität
Lachs Guppy Goldfisch
T [°C]
c) Licht
• Pflanzen: Vgl. Lichtabhängigkeit der Photosyntheserate
Schattenpflanzen Sonnenpflanzen z.B. Sauerklee z.B. Sumpfkresse - häufig an Waldböden - häufig in Wiesen
Vorteil: bei wenig Licht stärkerer Anstieg höheres Maximum Nachteil: niedrigeres Maximum bei wenig Licht geringerer
Anstieg d) Toleranzbereich (= ökologische Valenz) aut- und populationsökologisch Toleranzbereich (schwarz: autökologisch, grün: populationsökologisch) Stenök: (stenos, griech. = eng) Arten mit engem Toleranzbereich Euryök: (eurys, griech. = breit) Arten mit breitem Toleranzbereich Bei Betrachtung der gleichen Art ist der autökologische Toleranzbereich immer etwas
schmäler als der populationsökologische, aufgrund der genetischen (und
phänotypischen) Variabilität (Vgl. polygene Erbgänge, Modifikation)
Vitalität
Min. Max. Umweltfaktor
(= Individuenzahl in der Populationsökologie)
2.2 Biotische Umweltfaktoren (= belebt) a) Innerartliche (= intraspezifische) Konkurrenz - ideal: ungestörtes Wachstum
Individuenzahl 2n-1
exponentiell Generationen (n) -real: von dichteabhängigen Faktoren begrenztes Wachstum
Individuenzahl
Maximum
Generationen (n) exponentiell logistisch stationär Ö�drei Wachstumsphasen
Ö�sigmoider Kurvenverlauf
- Erklärung der logistischen Phase: Dichteabhängige Umweltfaktoren:
Umweltfaktoren, deren Einfluss sich mit der Individuenzahl ändert.
(Meist biotische, hier v.a. innerartliche Konkurrenz, z.B. um Nahrung)
Dichteunabhängige Umweltfaktoren:
Umweltfaktoren, deren Einfluss nicht von der Individuenzahl abhängt.
(Meist abiotische, v.a. Temperatur, Licht, Wasser)
Beispielorganismus Umweltfaktor Paramecium caudatum (Pantoffeltier) Nahrungsangebot Mäuse Aggression, Kannibalismus, sozialer
Stress Vögel Brutplätze - Schema: Populationsdichte Dichteabhängiger Umweltfaktor Innerartlich: - Nahrungsmangel - Sozialer Stress - Nistplatzmangel Zwischenartlich: - zunehmende Räuberzahl - zunehmende Parasitenzahl - evolutionäre Folgen der innerartlichen Konkurrenz: • Tiere: Auswanderung, Spezialisierung/Einnischung
Ö�Ursache für die Artbildung (z.B. Darwinfinken)
Entwicklungsstadien mit unterschiedlichen Anpassungen (z.B. Libelle,
Stechmücke, Maikäfer, Schmetterling)
+
-
• Pflanzen: schnelles Wachstum - Erklärung der stationären Phase: Räuber-Beute-Verhältnisse oder Parasit-Wirt-Beziehungen als ebenfalls dichteabhängige Faktoren, s.u. b) zwischenartliche Konkurrenz Beispielorganismus Nahrungsbedarf 1.) Paramecium caudatum Bakterien 2.) Paramecium aurelia Bakterien 3.) Paramecium bursaria Hefepilze 1.) + 2.): gleiche Nahrung, daher nicht nebeneinander lebensfähig 1.) + 3.) bzw. 2.) + 3.): unterschiedliche Nahrung, daher nebeneinander
lebensfähig Konkurrenzausschlussprinzip:
Im gleichen Lebensraum können niemals zwei Arten mit genau die gleiche
ökologische Nische besetzen.
Ökologische Nische:
Gesamtheit aller Umweltfaktoren, die eine Art benötigt.
Vogel Gewicht Schnabelform Jagdrevier Beute
Wintergold-hähnchen
Sehr leicht Kurz, spitz Äußere Äste Raupen Krone
Blaumeise Schwer Kurz, spitz Innere Äste Raupen
Schwarzspecht Schwer Gerade, stark Rinde Käferlarven Stamm
Baumläufer Schwer Krumm, schwach
Rinde Raupen
Anpassung Umweltfaktor
c) Räuber-Beute-Beziehungen Regulation einer Population v.a. während der stationären Wachstumsphase
ohne Änderung der anderen Umweltfaktoren:
z.B. Feldmaus, Mäusebussard Indivdiuenzahl t 1. Volterra-Gesetz: Phasenverschiebung der periodischen Zyklen.
(Je höher in der Nahrungskette, desto weiter nach rechts
verschoben)
2. Volterra-Gesetz: Schwankungen um konstante Mittelwerte
(Je niedriger in der Nahrungskette, desto größer die
Individuenzahl* und somit auch die Schwankungsbreite)
(*Vgl. Nahrungspyramide: größere Biomasse bei kleineren Einzelindividuen)
- Schema: Beute Räuber
Nr. 2
Nr. 1
+
-
Einschränkung: Beute wird auch durch andere dichteabhängige Faktoren
(innerartliche, sowie bei den zwischenartlichen Faktoren z.B. andere
Nahrungsbeziehungen) reguliert.
z.B. Schwammspinnerraupe, Feldmaus
N
3. Volterra-Gesetz: Die Beutepopulation erholt sich augrund der
höheren Wachstumsrate schneller als die Räuberpopulation.
(Problem des Pestizideinsatzes bei Schädlingsbefall in
Monokulturen, führt zur Massenauftreten)
Gifteinsatz
Nr. 3
- Nahrungskette:
Produzenten Primär- Sekundär- Tertiär-
Konsumenten Typisch je nach Lebensraum (Wald, Wiese, See):
Pflanzenblätter Raupen Singvogel Greifvogel Pflanzenwurzel Würmer Kleinsäuger Katzenartige Phytoplankton Zooplankton Friedfisch Raubfisch - Nahrungsnetz:
Stufen können übersprungen werden.
Verschiedene Nahrungsquellen können genutzt werden.
⇒ keine eindeutigen Vorhersagen mehr möglich, welche
Folgen ein Eingriffen des Menschen hat,
v.a. die Einfuhr neuer Arten
(z.B. Raubfeinde für Schädlinge)
- Nahrungspyramide: Eine Anordnung bezüglich Individuenzahl / Biomasse / Energie liefert normalerweise immer:
Relative Einheiten
⇒ Vom Ertrag der gleichen Anbaufläche können mit
pflanzlicher Nahrung mehr Menschen ernährt werden
als mit tierischer Nahrung.
Produzenten
Primärk.
Sek.
1 105 105
Produzenten Konsumenten Destruenten
Funktion im Stoffkreislauf
Nettoprimär-produktion von Nährstoffen
höhere Glieder der Nahrungskette
Mineralisierung von toten Baustoffen
Stoffwechsel-vorgänge
Photosynthese, Atmung
Atmung, (Gärung)
Atmung, (Gärung)
Ernährungstyp autotroph heterotroph heterotroph
Energiequelle Sonnenlicht chemisch gespeicherte Energie
chemisch gespeicherte Energie
Anteil an der Gesamtbiomasse und am Stoffumsatz
groß klein groß
netto abgegebene Stoffe
Nährstoffe, Sauerstoff
Kohlenstoffdioxid, Wasser
Kohlenstoffdioxid, Wasser, Mineralsalze
netto aufgenommene Stoffe
Mineralsalze, Wasser, Kohlenstoffdioxid
Sauerstoff, Nährstoffe
Sauerstoff, Nährstoffe
d) Parasit-Wirt-Beziehungen
Parasit Typ Wirt
Bandwurm Endoparasit Säugetier
Kopflaus Ektoparasit Säugetier
Mutterkornpilz Endoparasit Getreide
Sacculina-Krebs Endoparasit Taschenkrebs
Schlupfwespe Endoparasit Marienkäfer
- Sinnesorgane und Fortbewegungsorgane (evtl. sogar Verdauungsorgane)
häufig reduziert
- Wirt bietet Nahrung, Schutz, gleichbleibende Temperatur und Feuchtigkeit
- Hohe Vermehrungsrate (Problem der Wirtsfindung)
Ein gut angepasster Parasit ernährt sich von seinem Wirt, ohne ihn zu töten.
(Er verringert aber meist dessen Fortpflanzungserfolg.)
- Schema:
Wirt Parasit
e) Symbiont-Symbiont-Beziehungen
Symbiont 1 gegenseitiger Nutzen Symbiont 2
Pilze („Mykorrhiza“) Nährstoffe aus der
Photosynthese/Mineralsalze
aus dem Boden durch
Oberflächenvergrößerung
Baum
Einsiedlerkrebs Schutz/Nahrungsreste Seeanemone
Biene Nektar/Bestäubung Blütenpflanze
Entsteht durch Koevolution (Vgl. 13/2)
- Schema:
Symbiont 1 Symbiont 2
+
-
+
+
f) Toleranzbereich (= ökologische Valenz) synökologisch
- synökologisches Optimum
z.B. Mischkultur von Fuchsschwanz; Glatthafer; Trespe
Ö�Jede Art hat ein eigenes synökologisches Optimum bezüglich des gleichen
Umweltfaktors (Vgl. Konkurrenzausschlussprinzip!)
Ö�Das Verbreitungsgebiet einer Art biete das synökologische Optimum, nicht
unbedingt das autökologische Optimum. (Beispiel: Die Kiefer kann sich nur auf
trockenen Sandböden gegen Laubbäume durchsetzen, dies entspricht somit
ihrem synökologischen Optimum. Ohne diese Konkurrenz das autökologische
Optimum der Kiefer aber eher bei mineralsalz- und wasserreichen
Lehmböden.)
- Sukzession
:= Stufenweise Neuansiedlung von Arten in einem leeren oder stark veränderten
Lebensraum (z.B. Waldrodung, Verlandung eines Sees)
1. Stufe: jenseits des biologischen Gleichgewichts
• Pionierarten (meist r-Strategen mit hoher Vermehrungsrate, oft auch
ungeschlechtlich)
2. Stufe: Übergangsphase
• Folgearten (zunehmend k-Strategen mit breitem Toleranzbereich,
meist geschlechtlich)
3. Stufe: Klimaxgesellschaft im biologischen Gleichgewicht
Beispiel Flechten: - Pionierart auf steinigem Untergrund, bildet Boden!
- Symbiose aus Pilz und Alge (halten Trockenheit und
Nährstoffmangel aus!)
Beispiel Moose: - Pionierart bei der Verlandung eines Sees
- bildet geschlossene Polster (gut ans Wasserleben angepasst)
2.3 Wirkungsgesetz der Umweltfaktoren (= Liebigsches Minimumsgesetz)
Der Faktor, der am weitesten vom Optimum entfernt ist, bestimmt die maximale
Populationsdichte einer Art in einem Lebensraum.
z.B. Phytoplankton in der Nährschicht eines Sees: bei oligotrophem See Mineralsalze
als Mangelfaktor
3 Ökosystem See 3.1 Besondere Eigenschaften von Wasser a) hohe Dichte
• Auftrieb für kleine Lebewesen (Plankton)
b) Dichteanomalie
• höchste Dichte von Wasser bei 4°C verhindert im Tiefenwasser
Temperaturen unter 4°C
c) geringe Wärmeleitfähigkeit
• Wärmetransport v.a. durch Konvektion (Strömung, Umwälzung)
d) hohe spezifische Wärmekapazität
• geringe Temperaturschwankungen (Vgl. wechselwarme Arten!)
e) temperaturabhängige, geringe Löslichkeit von Gasen
• je höher die Temperatur, desto niedriger der Sauerstoffgehalt
f) niedrige Lichtdurchlässigkeit
• Photosynthese nur in den oberen Schichten möglich
Abiotischer Umweltfaktor:
Eigenschaft von Wasser, die diesen
Umweltfaktor beeinflusst:
Temperatur b) Dichteanomalie
c) geringe Wärmeleitfähigkeit
d) hohe spezifische Wärmekapazität
Licht f) niedrige Lichtdurchlässigkeit
Sauerstoffgehalt e) temperaturabhängige, niedrige
Löslichkeit von Gasen
3.1 Lebensräume im See
a) Gliederung nach dem Faktor Licht
Ö�Photosynthese findet nur in der Uferzone und in der Nährschicht der
Freiwasserzone statt.
b) Lebensgemeinschaften der Uferzone (von außen nach innen)
Bruchwald Seggenzone Schilfzone Schwimmblattzone Tauchpflanzenzone
- Erlen,
Weiden
- Seggen,
Moose
- Schilf,
Rohrkolben
- Teichrose - Wasserpest
- Mückenlarven, Schnecken, Würmer, Amphibien, Singvögel, ...
Ö�in Lebensräumen, die in viele Kleinstlebensrräume gegliedert sind, ist die
Artenvielfalt hoch (meist an Grenzen: Hecke als Übergang Wiese/Wald, Küste
als Übergang Meer/Festland, Uferzone als Übergang See/Wald bzw. Wiese)
c) Lebensgemeinschaften der Freiwasserzone (von oben nach unten)
Schicht Lebewesen Rolle im Stoffkreislauf
Phytoplankton (Algen) Produzenten
Zooplankton (Wasserflöhe,
Fischlarven)
Konsumenten
Nährschicht
Aerobe Bakterien Destruenten
Uferzone Freiwasserzone
Nährschicht
Zehrschicht
Seebodenzone
Zuckmückenlarven,
Teichmuscheln
Destruenten Zehrschicht und
Seebodenzone
aerobe und anaerobe
Bakterien
Destruenten
d) Gliederung nach dem Faktor Temperatur
Jahreszeit Vorgang Beschreibung
Frühjahr Vollzirkulation Durch Zirkulation werden Mineralsalze nach oben
und Sauerstoff nach unten transportiert.
Sommer Stagnation In der Deckschicht herrscht eine Temperatur von
etwa 20°C. Die Zirkulation ist auf die Deckschicht
beschränkt. Die nur 4°C kalte Tiefenschicht ist
durch eine dünne Sprungschicht von der
Deckschicht getrennt.
Herbst Vollzirkulation Durch Zirkulation werden Mineralsalze nach oben
und Sauerstoff nach unten transportiert.
Winter Stagnation Eine 0°C kalte Eisschicht bedeckt den See. Das
Tiefenwasser ist etwa 4°C kalt.
3.3 Störung von Stoffkreisläufen
a) Selbstreinigung im oligotrophen (= mineralsalzarmen) See
1.) Planktonlift: Absinken von Phytoplankton in die Zehrschicht während der
Sommerstagnation.
2.) aerober Abbau: Mineralisierung durch aerobe Bakterien wenn die Zehrschicht
sauerstoffreich ist.
3.) Phosphatfalle: Phosphat wird als schwerlösliches Eisen(III)-phosphat (FePO4)
ausgefällt, wenn die Zehrschicht sauerstoffreich ist.
Ö�typisch für tiefe Seen
b) natürliche Eutrophierung („Verlandung“)
Sukzessionsschritte:
1.) Störung: schlechte Vollzirkulation, hohe Auswaschung aus
Sedimenten und anaerobe Zehrschicht
2.) Übergangsphasen: - Detritusablagerung in der Uferzone
- Flachmoor mit Torfmoosen
3.) Klimaxgesellschaft: Fall 1: trocken und niederschlagsarm: Bruchwald
oder
Fall 2: feucht und niederschlagsreich: Hochmoor
Ö�typisch für flache Seen
c) anthropogene Eutrophierung („Umkippen“)
1.) Zufuhr von Mineralsalzen
2.) Starkes Algenwachstum
3.) Verstärkte Planktonlift
4.) Abbau in der Zehrschicht durch anaerobe Bakterien
5.) Bildung von giftigem Schwefelwasserstoff und Ammoniak
6.) Sterben fast aller aerober Organismen
Folgende Effekte verstärken noch die Planktonlift 3.):
- erhöhtes Konsumentenwachstum (Folge von 2.) und
Konsumentensterben (Folge von 5.)
- Phosphatfreisetzung unter anaeroben Bedingungen bei flachen Seen
fördert das Algenwachstum 2.)
- Lichtmangel führt zu Algensterben
Ö�typisch für flache Seen
4 Umweltschutz 4.1 Gewässerreinhaltung a) Wasserkreislauf der Erde
Wolken
Oberflächengewässer: Flüsse und Seen
Bodenfiltration
Meer Grundwasser
Ö�Trinkwasser aus Oberflächenwasser (z.B. Nordbayern) meist stärker
verschmutzt als Grundwasser (z.B. Südbayern) aufgrund der Bodenfiltration
b) Fließgewässer (Flüsse)
• oft durch Abwässer verschmutzt
• aber: Selbstreinigung durch:
- aeroben Abbau
- Phosphatfalle
- Uferfiltration durch Wasserpflanzen (Strömung!)
• mögliche Störung durch Eutrophierung
Ö�Reinigung der Abwässer durch Kläranlagen
Ö�Prüfung der Wasserqualität mit Zeigerorganismen
Vgl. Selbstreinigung beim oligotrophen See
c) Kläranlage (dreistufig)
Stufe: Entsprechender Selbstreinigungsschritt:
1. Mechanisch Ufer- und Bodenfiltration
2. Biologisch Abbau durch aerobe Bakterien
3. Chemisch Phosphatfalle
Der Faulschlamm aus Stufe 1. und 2. wird im Faulturm von anaeroben Bakterien
zersetzt. Dabei entsteht Klärschlamm, der auf den Feldern als Mineralsalzlieferant
(Dünger) dient und Methan (Erdgas), das als Brennstoff dient.
4.2 Luftreinhaltung a) Kohlenstoffdioxid und der anthropogene Treibhauseffekt
- übliches, vereinfachtes Schema:
Atmosphäre
„Treibhausgase“
Erdoberfläche
energiereiche, energiearme Strahlung
- Probleme:
• Wasserdampf ist das aktivste Treibhausgas
• hemmender und fördernder Einfluss der Wolken
• Kohlenstoffdioxid-Gehalt abhängig von der Löslichkeit in den Ozeanen
• Wärmetransport durch Konvektion (in den Ozeanen und in der Atmosphäre)
unberücksichtigt
- CO2-Quellen:
• Verbrennung fossiler Brennstoffe (v.a. zur Energiegewinnung)
b) Schwefeloxide und Saurer Regen
- Folgen:
• Gebäudeschäden (Kalk!)
• Metallkorrosion
• Waldsterben: - Wurzelschäden (Mykorrhiza!)
- Blattschäden (Nadelbäume)
- Schwermetallvergiftung
=> Anfälligkeit für Schädlinge
• Lungenschäden („Smog“)
- SOx-Quellen:
• fossile Brennstoffe, v.a. Kohlekraftwerke, aber starker Rückgang wegen
Rauchgasentschwefelung
c) Stickstoffoxide und Ozon in Bodennähe
- Folgen:
• im Sommer (Lichteinstrahlung!) in Bodennähe Bildung von giftigem Ozon
(O3) (Lungenschäden, Asthma)
- NOx-Quellen:
• aus Luftstickstoff bei Verbrennungsvorgängen bei hohen Temperaturen,
(v.a. Automotoren: λ-Sonde zur CO-Verringerung)
4.3 Landwirtschaft
a) Monokulturen
- Vorteile:
• Rationalisierung (Maschineneinsatz, Flurbereinigung, ...)
• höhere Erträge
- Nachteile:
• Massenvermehrung von Schädlingen (Pestizide in der Nahrungskette)
• Mineralsalzverarmung des Bodens (Düngemittel und Eutrophierung
der Gewässer)
• Bodenerosion durch Wind und Wasser (Hecken und Wälder als
Pufferzonen, Monokultur + Pufferzone = Kulturlandschaft)
• evtl. Absinken des Grundwasserspiegels
b) integrierter Pflanzenschutz
:= Kombination von biologischen und chemischen Pflanzenschutzmaßnahmen.
Ziel: Minimierung der chemischen Pflanzenschutzmaßnahmen.
Kompromiss: kurzfristig keine maximale Ertragssteigerung
- biologische Schädlingsbekämpfung
• Räuber: z.B. rote Waldameise, Singvögel (Hecken: Nistplätze!)
• Parasiten: Schlupfwespenlarven gegen Raupen
Probleme: Räuber kann auf andere Beute umsteigen
(z.B. neueingeführte Mungos auf Jamaika fressen statt Ratten Vögel
und Kleinreptilien)
- chemische Schädlingsbekämpfung
• Vorteile: - billig
- großflächig einsetzbar
• Nachteile: - Schädigung von Räubern
- Anreicherung in der Nahrungskette
- gentechnische Veränderungen (neu)
• Pflanzen stellen Pestizid selbst her oder sind dagegen resistent (Vgl. 12/1)