Ökologie
IB 4 · Ökosysteme, Stoffkreisläufe & Biodiversität · Q-Phase
Inhaltsverzeichnis
Grundbegriffe der Ökologie
Was ist Ökologie?
Ökologie ist die Wissenschaft von den Wechselbeziehungen zwischen Lebewesen und ihrer Umwelt. Sie untersucht, wie Organismen miteinander und mit ihrer abiotischen (unbelebten) und biotischen (belebten) Umwelt interagieren.
Einzelnes Lebewesen einer Art
Alle Individuen einer Art in einem bestimmten Gebiet zur gleichen Zeit
Alle Populationen verschiedener Arten in einem Lebensraum (Biotop)
Lebensraum mit charakteristischen abiotischen Bedingungen (z.B. Teich, Wald)
Biozönose + Biotop = Gesamtheit aller Lebewesen und ihrer Umwelt in einem Gebiet
Gesamtheit aller Ökosysteme der Erde; der belebte Teil unseres Planeten
Unbelebte Umweltfaktoren: Temperatur, Licht, Wasser, pH-Wert, Nährstoffe, Salinität
Belebte Umweltfaktoren: Konkurrenz, Räuber-Beute, Symbiose, Parasitismus
Toleranzkurve & ökologische Potenz
Abb. 1: Toleranzkurve – Optimum, Pessimum und Toleranzgrenzen eines abiotischen Faktors
Toleranzkurve (Liebig'sches Minimumgesetz & Shelford)
Jede Art hat für jeden abiotischen Faktor einen optimalen Bereich (Optimum), in dem sie am besten gedeiht, sowie Toleranzgrenzen (Minimum und Maximum). Außerhalb dieser Grenzen kann die Art nicht überleben.
Bereich des abiotischen Faktors, in dem die Art die höchste Aktivität/Wachstumsrate zeigt
Bereich zwischen Minimum und Maximum, in dem die Art überleben kann
Randbereiche der Toleranzkurve, in denen die Art zwar überlebt, aber schlecht gedeiht
Art mit breitem Toleranzbereich (z.B. Fuchs, Ratte); anpassungsfähig
Art mit engem Toleranzbereich (z.B. Koalabär, Panda); spezialisiert, empfindlich
Das Wachstum wird durch den Faktor begrenzt, der am stärksten vom Optimum abweicht (Minimumfaktor)
Ökologische Nische vs. Habitat
- Gesamtheit aller Umweltbedingungen, die eine Art benötigt
- Mehrdimensionaler Hyperraum aller Toleranzbereiche
- Fundamentalnische: ohne Konkurrenz
- Realisierte Nische: mit Konkurrenz (kleiner)
- Physischer Ort, an dem eine Art lebt
- Beschreibt den 'Wohnort' der Art
- Kann von mehreren Arten geteilt werden
- Beispiel: Eichenwald, Teich, Wüste
Populationsökologie
Populationswachstum
Populationen wachsen, wenn die Geburtenrate die Sterberate übersteigt. Es gibt zwei grundlegende Wachstumsmodelle: das exponentielle Wachstum (unbegrenzte Ressourcen) und das logistische Wachstum (begrenzte Ressourcen).
Exponentielles vs. Logistisches Wachstum
- Unbegrenzte Ressourcen angenommen
- Wachstumsrate proportional zur Populationsgröße
- Kurve steigt immer steiler an (J-Form)
- In der Natur nur kurzfristig möglich (z.B. Bakterien)
- Begrenzte Ressourcen (Kapazitätsgrenze K)
- Wachstum verlangsamt sich bei Annäherung an K
- S-förmige Kurve (Sigmoidkurve)
- Realistischeres Modell für natürliche Populationen
Hohe Reproduktionsrate, viele Nachkommen, wenig Elternfürsorge; schnelles Wachstum; Beispiel: Mäuse, Insekten
Niedrige Reproduktionsrate, wenige Nachkommen, viel Elternfürsorge; stabile Populationen; Beispiel: Elefant, Mensch
Regulieren Population in Abhängigkeit von der Dichte: Nahrungskonkurrenz, Krankheiten, Räuber
Wirken unabhängig von der Dichte: Naturkatastrophen, extreme Wetterereignisse
Interspezifische Wechselwirkungen
Beide Arten konkurrieren um dieselbe Ressource → beide werden beeinträchtigt. Kompetitive Ausschluss-Prinzip: zwei Arten können nicht dieselbe Nische dauerhaft besetzen
Räuber profitiert, Beute wird geschädigt. Führt zu Populationszyklen (Lotka-Volterra-Regeln)
Parasit profitiert auf Kosten des Wirts; Wirt wird geschwächt, aber meist nicht sofort getötet
Beide Arten profitieren voneinander; obligatorisch (z.B. Feige & Feigenwespe) oder fakultativ
Eine Art profitiert, die andere wird weder geschädigt noch gefördert (z.B. Schmeißfliegen an Aas)
Eine Art wird geschädigt, die andere bleibt unbeeinflusst (z.B. Penicillium hemmt Bakterien)
Lotka-Volterra-Regeln (Räuber-Beute)
Regel 1 – Periodizität: Räuber- und Beutepopulationen schwingen in einem periodischen Zyklus (Räuber hinkt der Beute nach)
Regel 2 – Erhaltung des Mittelwerts: Die mittlere Populationsgröße bleibt langfristig konstant
Regel 3 – Störungsregel: Gleichmäßige Dezimierung beider Populationen führt zur Zunahme der Beute und Abnahme des Räubers
Nahrungsnetze & Energiefluss
Abb. 2: Nahrungsnetz – Energiefluss von Produzenten über Konsumenten (Lindemann-Regel: ~10% je Trophiestufe)
Trophieebenen
In einem Ökosystem sind Organismen in Nahrungsketten und Nahrungsnetze eingebunden. Jede Stufe wird als Trophieebene bezeichnet. Energie fließt von Produzenten über Konsumenten zu Destruenten.
Pflanzen, Algen, Cyanobakterien; erzeugen organische Substanz durch Photosynthese (1. Trophieebene)
Pflanzenfresser; fressen Produzenten (2. Trophieebene)
Fressen Primärkonsumenten (3. Trophieebene)
Fressen Sekundärkonsumenten; Spitzenprädatoren (4. Trophieebene)
Pilze, Bakterien; bauen tote organische Substanz ab → Nährstoffe werden freigesetzt
Tiere, die Detritus (tote organische Substanz) fressen; z.B. Regenwurm, Asseln
Nahrungskette vs. Nahrungsnetz
- Lineare Abfolge von Produzent → Konsument
- Vereinfachtes Modell
- Beispiel: Gras → Hase → Fuchs → Adler
- Zeigt nur einen Energiepfad
- Verknüpfung vieler Nahrungsketten
- Realistischeres Modell
- Zeigt Komplexität des Ökosystems
- Stabilisiert das Ökosystem (Redundanz)
Stoffkreisläufe
Warum Kreisläufe?
Im Gegensatz zur Energie (die als Wärme verloren geht) werden Stoffe im Ökosystem recycelt. Die wichtigsten Kreisläufe sind der Kohlenstoff-, Stickstoff- und Wasserkreislauf.
Kohlenstoffkreislauf
CO₂ aus der Atmosphäre wird durch Photosynthese in organische Verbindungen (Glucose) eingebaut
Organischer Kohlenstoff wandert durch Nahrungsketten (Konsumenten fressen Produzenten)
Zellatmung aller Organismen: organische Verbindungen → CO₂ (wird in Atmosphäre abgegeben)
Destruenten zersetzen tote Biomasse → CO₂ wird freigesetzt (Mineralisation)
Langfristige Speicherung: fossile Brennstoffe (Kohle, Erdöl) → Verbrennung → CO₂-Anstieg (Treibhauseffekt)
Stickstoffkreislauf
Stickstoffixierung: N₂ aus Luft → NH₃/NH₄⁺ durch Bakterien (z.B. Rhizobium in Leguminosen) oder Blitze
Nitrifikation: NH₄⁺ → NO₂⁻ → NO₃⁻ durch Nitrifikationsbakterien (z.B. Nitrosomonas, Nitrobacter)
Pflanzen nehmen NO₃⁻ und NH₄⁺ auf → Einbau in Aminosäuren und Proteine
Ammonifikation: Destruenten zersetzen organische N-Verbindungen → NH₄⁺
Denitrifikation: NO₃⁻ → N₂ durch Denitrifikationsbakterien (anaerob) → Rückführung in Atmosphäre
Sukzession & Klimaxgesellschaft
Was ist Sukzession?
Sukzession ist die gerichtete, zeitliche Abfolge von Lebensgemeinschaften an einem Standort. Sie beginnt mit Pionierarten und endet bei der Klimaxgesellschaft – dem stabilen Endzustand, der ohne äußere Störung erhalten bleibt.
Primär- vs. Sekundärsukzession
- Besiedlung eines unbelebten Standorts
- Beispiel: Lavafeld, Gletschervorfeld, Sanddüne
- Sehr langsam (Jahrzehnte bis Jahrhunderte)
- Pioniere: Flechten, Moose
- Wiederbesiedlung nach Störung (Boden vorhanden)
- Beispiel: Brachland, Kahlschlag, Brandgebiet
- Schneller als Primärsukzession
- Pioniere: Gräser, Kräuter
Typische Sukzessionsfolge (Mitteleuropa)
Pionierphase: Flechten, Moose, Annuelle – schaffen Humus, verbessern Boden
Krautphase: Gräser, Kräuter – höhere Artenvielfalt, Bodenbildung schreitet fort
Strauchphase: Sträucher (Brombeere, Schlehe) – Beschattung verdrängt Lichtpflanzen
Vorwaldphase: Pionierbäume (Birke, Weide, Kiefer) – schnell wachsend, lichtbedürftig
Klimaxgesellschaft: Buchenwald (in Mitteleuropa) – stabil, hohe Artenvielfalt, geschlossenes Kronendach
Biodiversität & Naturschutz
Was ist Biodiversität?
Biodiversität umfasst drei Ebenen: genetische Vielfalt (Allele innerhalb einer Art), Artenvielfalt (Anzahl verschiedener Arten) und Ökosystemvielfalt (Verschiedenartigkeit der Lebensräume). Biodiversität ist die Grundlage für stabile Ökosysteme.
Variabilität der Allele innerhalb einer Population; Grundlage für Anpassungsfähigkeit
Anzahl und Häufigkeit verschiedener Arten in einem Gebiet; Maß für Ökosystemgesundheit
Verschiedenartigkeit der Lebensräume und Ökosysteme; sichert Lebensraumvielfalt
Art, die überproportional großen Einfluss auf das Ökosystem hat (z.B. Wolf, Biber)
Gebietsfremde Arten, die einheimische Arten verdrängen (z.B. Neophyten wie Japanischer Staudenknöterich)
Verlust vieler Arten in kurzer Zeit; aktuell 6. Massenaussterben durch menschliche Einflüsse
Ursachen des Artenrückgangs
- Habitatverlust und -fragmentierung
- Überjagung und Überfischung
- Einschleppung invasiver Arten
- Direkte Verfolgung
- Klimawandel (Temperaturanstieg, Extremwetter)
- Umweltverschmutzung (Pestizide, Plastik)
- Eutrophierung (Überdüngung)
- Lichtverschmutzung
Klimawandel & Treibhauseffekt
Natürlicher vs. anthropogener Treibhauseffekt
Der natürliche Treibhauseffekt ist lebensnotwendig: Treibhausgase (CO₂, H₂O, CH₄) halten die Erde warm (+15°C statt –18°C). Der anthropogene (menschgemachte) Treibhauseffekt verstärkt diesen Effekt durch zusätzliche Treibhausgasemissionen.
Wichtigstes anthropogenes Treibhausgas; Quellen: Verbrennung fossiler Brennstoffe, Entwaldung
25× stärker als CO₂; Quellen: Rinderhaltung, Reisanbau, Mülldeponien, Permafrost
298× stärker als CO₂; Quellen: Landwirtschaft (Dünger), Verbrennungsprozesse
Extrem starke Treibhausgase; auch ozonschädigend; heute weitgehend verboten
Erwärmung → Permafrost taut → CH₄ freigesetzt → weitere Erwärmung (Teufelskreis)
Meeresspiegelanstieg, Extremwetterereignisse, Artenverschiebungen, Korallenbleiche
Mechanismus des Treibhauseffekts
Sonnenstrahlung (kurzwellig) trifft auf die Erde und wird teilweise absorbiert → Erde erwärmt sich
Erde gibt Wärmestrahlung (langwellig, Infrarot) ab
Treibhausgase in der Atmosphäre absorbieren die Infrarotstrahlung
Treibhausgase emittieren Wärmestrahlung zurück zur Erde → Erwärmung
Mehr Treibhausgase → mehr Absorption → stärkere Erwärmung (anthropogener Treibhauseffekt)