Ökologie 1 Einführung

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
Temperatur
Individuum/
Population
biotische
Artgenossen
Wasser
Artfremde
Biotop
Biozönose
= Lebensraum
= Lebensgemeinschaft
besonders für Pflanzen
besonders für Tiere
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:
Vitalität
(= Individuenzahl in der
Populationsökologie)
Tod Min.
Max Tod
.
Vitalität
T [°C]
Tod / Min.
Max / Tod
.
T [°C]
Nachteil:
enger Toleranzbereich
hoher Energieverbrauch
Vorteil:
niedriger Energieverbrauch
breiter Toleranzbereich
- andere Kompromisse:
Winterstarre
Winterschlaf
Winterruhe
Reptilien,
Fledermaus,
Bären,
Insekten
Hamster,
Dachse,
Igel,
Eichhörnchen
Murmeltier
ÖEinfluss des Stoffwechsels auf das Verhalten!
- Vergleich verschiedener wechselwarmer Tiere:
Vitalität
T [°C]
Lachs
kaltstenotherm
Goldfisch
indifferent eurytherm
Guppy
warmstenotherm
ÖDas 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
c) Licht
• Pflanzen: Vgl. Lichtabhängigkeit der Photosyntheserate
Schattenpflanzen
z.B. Sauerklee
- häufig an Waldböden
Sonnenpflanzen
z.B. Sumpfkresse
- 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
Vitalität (= Individuenzahl in der
Populationsökologie)
Min.
Max.
Umweltfaktor
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)
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
Ödrei Wachstumsphasen
Ösigmoider Kurvenverlauf
stationär
- 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
Paramecium caudatum (Pantoffeltier)
Mäuse
Vögel
- Schema:
Umweltfaktor
Nahrungsangebot
Aggression, Kannibalismus, sozialer
Stress
Brutplätze
+
Populationsdichte
Dichteabhängiger Umweltfaktor
-
Innerartlich: - Nahrungsmangel
- Sozialer Stress
- Nistplatzmangel
Zwischenartlich:
- zunehmende Räuberzahl
- zunehmende Parasitenzahl
- evolutionäre Folgen der innerartlichen Konkurrenz:
• Tiere: Auswanderung, Spezialisierung/Einnischung
ÖUrsache 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
1.) Paramecium caudatum
2.) Paramecium aurelia
3.) Paramecium bursaria
1.) + 2.):
1.) + 3.) bzw. 2.) + 3.):
Nahrungsbedarf
Bakterien
Bakterien
Hefepilze
gleiche Nahrung, daher nicht nebeneinander lebensfähig
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.
Krone
Stamm
Vogel
Gewicht
Schnabelform Jagdrevier
Beute
Wintergoldhähnchen
Sehr leicht
Kurz, spitz
Äußere Äste Raupen
Blaumeise
Schwer
Kurz, spitz
Innere Äste
Raupen
Schwarzspecht Schwer
Gerade, stark Rinde
Käferlarven
Baumläufer
Krumm,
schwach
Raupen
Schwer
Anpassung
Rinde
Umweltfaktor
c) Räuber-Beute-Beziehungen
Regulation einer Population v.a. während der stationären Wachstumsphase
ohne Änderung der anderen Umweltfaktoren:
z.B. Feldmaus, Mäusebussard
Indivdiuenzahl
Nr. 1
Nr. 2
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
-
Einschränkung: Beute wird auch durch andere dichteabhängige Faktoren
(innerartliche, sowie bei den zwischenartlichen Faktoren z.B. andere
Nahrungsbeziehungen) reguliert.
z.B. Schwammspinnerraupe, Feldmaus
N
Nr. 3
Gifteinsatz
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)
- Nahrungskette:
Produzenten
Primär-
Sekundär-
Tertiär-
Konsumenten
Typisch je nach Lebensraum (Wald, Wiese, See):
Pflanzenblätter
Pflanzenwurzel
Phytoplankton
Raupen
Würmer
Zooplankton
Singvogel
Kleinsäuger
Friedfisch
Greifvogel
Katzenartige
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:
Sek.
Primärk.
Produzenten
105
1
Relative Einheiten
⇒
Vom Ertrag der gleichen Anbaufläche können mit
pflanzlicher Nahrung mehr Menschen ernährt werden
als mit tierischer Nahrung.
105
Produzenten
Konsumenten
Destruenten
Funktion im
Stoffkreislauf
Nettoprimärproduktion von
Nährstoffen
höhere Glieder der
Nahrungskette
Mineralisierung von
toten Baustoffen
Stoffwechselvorgänge
Photosynthese,
Atmung
Atmung,
(Gärung)
Atmung,
(Gärung)
Ernährungstyp
autotroph
heterotroph
heterotroph
Energiequelle
Sonnenlicht
chemisch
gespeicherte
Energie
chemisch
gespeicherte
Energie
Anteil an der
groß
Gesamtbiomasse
und am Stoffumsatz
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
Baum
Photosynthese/Mineralsalze
aus dem Boden durch
Oberflächenvergrößerung
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
ÖJede Art hat ein eigenes synökologisches Optimum bezüglich des gleichen
Umweltfaktors (Vgl. Konkurrenzausschlussprinzip!)
ÖDas 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
Uferzone
Freiwasserzone
Nährschicht
Zehrschicht
Seebodenzone
ÖPhotosynthese 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,
- Seggen,
- Schilf,
- Teichrose
Weiden
Moose
Rohrkolben
- Wasserpest
- Mückenlarven, Schnecken, Würmer, Amphibien, Singvögel, ...
Öin 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
Nährschicht
Phytoplankton (Algen)
Produzenten
Zooplankton (Wasserflöhe, Konsumenten
Fischlarven)
Aerobe Bakterien
Destruenten
Zehrschicht und
Zuckmückenlarven,
Seebodenzone
Teichmuscheln
aerobe und anaerobe
Destruenten
Destruenten
Bakterien
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.
Ötypisch 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
Ötypisch 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
Ötypisch für flache Seen
4 Umweltschutz
4.1 Gewässerreinhaltung
a) Wasserkreislauf der Erde
Wolken
Oberflächengewässer: Flüsse und Seen
Bodenfiltration
Meer
Grundwasser
ÖTrinkwasser 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!)
Vgl. Selbstreinigung beim oligotrophen See
• mögliche Störung durch Eutrophierung
ÖReinigung der Abwässer durch Kläranlagen
ÖPrüfung der Wasserqualität mit Zeigerorganismen
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)