Bio-PHZH | Themenkreis 5: Ökologie

Als biotisch werden Umweltfaktoren zusammengefasst, an denen Lebewesen erkennbar beteiligt sind. Sie ergeben sich aus den Wechselwirkungen zwischen einzelnen Arten innerhalb eines Ökosystems.

Im Gegensatz dazu stehen abiotische Umweltfaktoren, die unbelebte Interaktionspartner darstellen.

Darunter versteht man meist die Anzahl der verschiedenen Arten, die in einem Ökosystem vorkommen. Im etwas weiteren Sinne versteht man unter der Biodiversität aber zudem auch die genetische Vielfalt innerhalb einer Art sowie die Mannigfaltigkeit der Ökosysteme innerhalb einer Landschaft.

Lebensraum einer Lebensgemeinschaft (Biocönose), in dem bestimmte Umweltbedingungen herrschen (topos, gr.: Ort).

Die Biocönose ist die Lebensgemeinschaft aller Lebewesen in einem Lebensraum (koinos, gr.: gemeinsam).

Das erste Glied in einem Nahrungskreislauf sind die Produzenten mit den Pflanzen als Hauptvertreter. Sie nutzen die Energie des Sonnenlichts, um Kohlendioxid in Kohlenhydrate (z.B. Glucose) umzuwandeln (Fotosynthese). Mit den Kohlenhydraten verfügt das Ökosystem über einen chemisch gebundenen Energievorrat und somit über eine Nahrungsgrundlage für weitere Lebensformen.

Als Primärproduzenten bezeichnet man in der Ökologie autotrophe Organismen, die Biomasse aus anorganischen Verbindungenen und Energie aufbauen (Primärproduktion).

Produzenten sind autotroph, stellen organisches Material her.

Als Konsumenten (Verbraucher) bezeichnet man in der Ökologie heterotrophe Organismen. Dies sind Lebewesen, die nicht in der Lage sind, wie die autotrophen Produzenten (z. B. Photosynthese betreibende Pflanzen) ihre Nahrung aus anorganischen Rohstoffen zu gewinnen.

In Ökosystemen unterscheidet man die Konsumenten in:

1. Primärkonsumenten sind Pflanzenfresser

2. Sekundärkonsumenten sind Fleischfresser, die vorwiegend Pflanzenfresser fressen

3. Tertiärkonsumenten sind Fleischfesser die vorwiegend Fleischfresser fressen

4. Allesfesser fressen Tiere und Pflanzen und lassen sich keiner Ebene zuordnen

Destruenten wandeln die Biomasse in ihre Ausgangsstoffe, in die Pflanzennährstoffe und in Kohlendioxid um. Man unterteilt die Destruenten in Zerleger und Mineralisierer. Durch die ZerkleInerung der Biomasse tragen die Zerleger zu einer Beschleunigung des Zersetzungsprozesses bei. Die bekanntesten Vertreter der Zerleger sind Aasfresser und Regenwürmer. Die Hauptarbeit bei der Mineralisierung leisten Mikroorganismen (Bakterien und Pilze).

Destruent sind wie die Konsumenten heterotroph.

Zerleger ernähren sich von toter Biomasse, das Unverdaubare wird von den Mineralisierern weiterverarbeitet (v.a. Pilze und Bakterien)

Totes organisches Material wird so lange erneut genutzt bis es keiner verwertbare Energie mehr enthält und nur noch CO2 und Mineralstoffe übrig sind. Diese anorg. Stoffe wurden ehemals von den Produzenten, den Pflanzen aus der Luft und Boden entnommen. Sie werden durch den Abbauvorgang freigesetzt und stehen den Produzenten wieder zur Verfügung. → Kreislauf!

Winzige Grünalgen, die zu den Erzeigern (Produzenten) organischer Stoffe gehören, werden von einem Wasserfloh gefressen. Als Pflanzenfresse ist er ein Erstverbraucher (Konsument). Der Wasserfloh dient wiederum der Rotfeder als Beute. In dieser Räuber-Beute-Beziehung stellt die Rotfeder als Fleischfresser den Zweitverbraucher dar. Am Ende der Nahrungsbeziehung wird die Rotfeder von einem Hecht, einem Drittverbraucher oder Endkonsumenten verzehrt.

Lebewesen sind über Nahrungsbeziehungen wie Glieder einer Kette zu einer Nahrungskette miteinander verbungen.

Nahrungskette bezeichnet in Ökologie die linearen energetischen und stofflichen Beziehungen zwischen verschiedenen Organismen oder Organismengruppen, von denen die einen Nahrungsgrundlage der anderen sind. Abgeleitet vom griechischen Verb trophein («sich ernähren») spricht man auch von trophischen Beziehungen. Die trophischen Beziehungen in realen Ökosystemen sind selten streng linear organisiert. Es bilden sich dann Nahrungsnetze aus.

Die einzelnen Pflanzen und Tiere gehören häufig mehreren Nahrungsketten an. Dadurch werden diese Nahrungsketten untereinander so verflochten wie die Maschen eines Netzes. Solche vielfältige Nahrungsbeziehungen werden als Nahrungsnetze bezeichnet.

Dichteabhängige Faktoren wirken regulierend auf die Populationsdichte, weil ihre Wirkung mit zunehmender Populationsdichte zunimmt.

Dichteunabhängige Faktoren wirken sich auf grosse und kleine Populationen gleich aus. Sie limitieren das Wachstum, wirken aber nicht regulierend.

Biotische Faktoren sind mehrheitlich dichteabhängig, abiotische weniger.

NPP = BPP – Zellatmung

Die Fotosynthese der Pflanzen schafft die Grundlage für das Leben auf der Erde. Diese biologische Produktion wird daher auch als Primärproduktion bezeichnet.

Pflanzen verbrauchen 20% bis 75% ihrer durch Fotosynthese erzeugten organischen Stoffe durch Zellatmung.

Man unterscheidet daher zwischen Bruttoprimärproduktion (diejenige Lichtmenge, die durch Fotosynthese pro Zeiteinheit in chemische Energie umgewandelt wird) und Nettoprimärproduktion (entspricht also der Bruttoprimärproduktion abzüglich der Energiemenge, welche die Produzenten bei der Zellatmung verbrauchen.)

Der Biomathematiker Volterra hat die Schwankungen der Populationsgrössen in einer Räuber-Beute-Beziehung durch ein mathematisches Modell beschrieben. Die Populationskurven schwanken periodisch. Dem Maximum der Beutepopulation folgt ein Maximum der Räuberpopulation.

Bei zunehmender Beutepopulation haben die Räuber mehr Nahrung und bilden mehr Nachkommen. Mit der Anzahl der Räuber wächst die Zahl der gefressenen Beutetiere und die Beutepopulation nimmt ab. Damit sinkt das Nahrungsangebot der Räuber und ihre Population wird kleiner. Das lässt die Beutepopulation wieder wachsen usw.

Die Mittelwerte der Populationsgrösse bleiben konstant.

periodische Populationsschwankungen

Die Populationsgrössen von Räuber und Beute schwanken periodisch, wobei die Schwankungen der Räuberpopulation den Schwankungen der Beutepopulation verzögert folgen.

Konstanz der Mittelwerte

Trotz periodischer Schwankungen der Räuber- bzw. Beutepopulation sind die Mittelwerte der Populationsgrössen über einen längeren Zeitraum konstant.

schnellere Erholung der Beute

Werden Räuber- und Beutepopulation dezimiert, erholt sich die Beutepopulation schneller als die Räuberpopulation.

Positive Rückkopplung heisst, wenn Wirkung und Rückwirkung sich in einem Regelkreis gegenseitig verstärken, also in die gleiche Richtung wirken (entweder je mehr Faktor A desto mehr Faktor B bzw. je weniger Faktor A desto weniger Faktor B).

Positive Rückkopplung ist nötig, um in Systemen Dinge zum Laufen zu bringen. Sie muss jedoch immer einer übergeordneten Regulation gehorchen (negative Rückkopplung). Tut sie es nicht, so können wahre Teufelskreise entstehen, die nicht mehr unter Kontrolle zu bringen sind. Beispiele positiver Rückkopplung sind das exponentielle Wachstum der Bevölkerungszahl des Menschen oder auch Bankkonkurse.

Negative Rückkopplung, das heisst, wenn die Rückwirkung die Wirkung hemmt (entweder je mehr Faktor A desto weniger Faktor B bzw. je weniger Faktor A desto mehr Faktor B). Hier ist also mit "negativ" durchaus etwas Wünschenswertes gemeint. Denn negative Rückkopplung führt zur Selbstregulation eines Systems.

Eine solche negative Rückwirkung ist das Grundprinzip aller Regelkreise, mit dem sich Systeme in einem stabilen Gleichgewicht halten.

Die meisten für einen Organismus lebenswichtigen Faktoren, zum Beispiel Nahrung, stehen nicht unbegrenzt zur Verfügung. Um sie entsteht ein Wettbewerb.

Lebewesen, die miteinander um einen Faktor stehen, sind Konkurrenten. Der Faktor wird damit zur Ressource.

Dabei unterscheidet man zwei Arten von Konkurrenz:

• zwischenartliche Konkurrenz, also Konkurrenz zwischen den Individuen verschiedener Arten

• innerartliche Konkurrenz, also die Konkurrenz zwischen Individuen derselben Art

Parasiten sind Lebewesen, die andere Lebewesen in Form von Nahrungsentzug, schädlichen Ausscheidungen oder Übertragungen von Krankheitserregern (z.B. Zecke) schädigen.

Das von den Parasiten geschädigte Lebewesen bezeichnet man als ihren Wirt. Dieser wird dabei nicht sofort oder nie getötet.

Die meisten Parasiten sind auf bestimmte Wirte spezialisiert. Lebewesen in freier Natur sind praktisch immer von Parasiten befallen.

Symbionten sind Lebewesen, die zu verschiedenen Arten gehören und mit wechselseitigem Nutzen regelmässig miteinander vergesellschaftet sind. Ihre, als Symbiose bezeichnete Beziehung, kann so eng sein, dass der eine Partner vom anderen weitgehend abhängig ist.

Ein konkretes Beispiel für Symbionten – jenes der Knöllchenbakterien – werden Sie im Stickstoffkreislauf kennen lernen.

In der Abfolge der Nahrungskette werden von Stufe zu Stufe je rund 10% des aufgenommenen Energiegehalts wieder in Biomasse eingebaut, also in den Körper der Vertreter der nächsten Stufe. Dies nennt man die 10%-Regel.

Etwa 90% der Energie wird für den Stoffwechsel (Körpererwärmung, Atmung, Verdauung, Regeneration etc.) verbraucht und geht dem Ökosystem als Abwärme verloren. Dieser Energieverlust beschränkt die Anzahl Glieder, welche eine Nahrungskette aufweisen kann.

Bitte beachten Sie, dass diese Regel nur ab den Produzenten gilt. Der Energieverlust von der Umwandlung von Sonnenenergie in Biomasse durch Produzenten ist sogar 99%. In der Biomasse der Pflanzen wird also nur etwa 1% der Sonnenenergie gespeichert.