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)