bio8 Ökologie zusammenfassung

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Grundlagen der Ökologie bei Prof. Tom Battin, SS11 Kapitel 1: Geschichte der Ökologie Der Begriff der Ökologie wurde erstmals um 1866 von Ernst Haeckel definiert. Davor war sie nur eine Subdisziplin und hieß Naturkunde. Karl Möbius, A. Von Humboldt und Wallace waren die nächsten, die sich näher mit der Ökologie beschäftigten, der Begriff Biozönose kam auf. Auch Darwin ist hier zu nennen, da er grundlegende Erkenntnisse darlegte, zB das Schema der Konkurrenz, und: Interaktionen zwischen Individuen und zwischen Individuen und deren Umwelt beeinflussen den Reproduktionserfolg. Er führte auch das 1. ökologische Experiment durch: er pflanzte Hortus Gramineus (Gräser) auf verschiedenen Böden und versuchte herauszufinden, wie ihr Wachstumsverhalten sich entwickelte. Andere Vertreter um die Jahrhundertwende: Vladimir Vernadsky : gilt als Vater der Biochemie und beschrieb die Biosphäre Eduard Süss , Geologe: prägte Begriffe wie Hydrosphäre, Lithosphäre und Biosphäre Charles Elton: beschrieb Nahrungsketten und die Invasionsökologie Robert MacArthur: Inselgeografie Ökologie ist prinzipiell eine noch sehr junge Wissenschaft. Theorieen sind wenig entwickelt (versus Physik, Chemie, Genetik...), wobei Einzelteile wenig in eine kongruente allgemeine Theorie passen. Sie ist sehr dynamisch; es kommen kontinuierlich neue Ansätze und interdisziplinäre Verschränkungen, wodurch schnelles Wachstum an Information und Konzepten induziert wird. Aktuell gibt es einige Themen, mit denen sich Ökologen allgemein neben ihrer wissenschaftlichen Tätigkeit beschäftigen und welche uns alle betreffen: Versauerung der Ozeane Das CO2, welches wir täglich produzieren und in die Atmosphäre leiten, gelangt zum Teil auch ins Wasser. Dadurch entsteht Kohlensäure, welche den pH-Wert des Wassers senkt = versäuert. Wie aus der Chemie bekannt, zersetzt Säure Kalk, welches viele marine Tiere, darunter der Anfang der weltweiten Nahrungskette, das Plankton, insich lagern (neben Muscheln, Schnecken und Korallen). Generell sind vor allem die ersten Meter unter der Wasseroberfläche besonders betroffen. Die „untere Marke“ sinkt jedoch stetig. Der Ökologe fragt sich: Kommt es zu einer Verschiebung der Biodiversität? Welche Implikationen hat dies für das Funktionieren der Ozeane? Werden die Fischbestände verändert (ökosystemare Leistung)? Gibt es Rückkoppelungen mit Klimawandel? Überfischung Ein bereits lang exisiterendes Problem; durch verschiedene Faktoren, welche direkt oder indirekt durch die Fischereiindustrie beeinträchtigt werden, schrumpfen unsere Fischbestände immer schneller. Diese Faktoren sind unter anderem: physische Beeinträchtigung durch Netze, Boote und andere Mittel und die dadurch entstehenden Schäden sowohl am Fang als auch die Modifikation der Umwelt indirekte Sterberate durch Falschfang, Innereien die weggeworfen werden, nicht verbrauchte oder industriell nicht verwertbare Abfälle die durch die oben genannten Faktoren beeinträchtigte Reproduktionsrate sinkt, einige Arten dadruch vom Aussterben bedroht, andere verdrängt in andere/falsche Habitate, etc. durch all das wird das gesamte Ökosystem verändert und immens geschädigt! Der Ökologe fragt sich: Wie entwickeln sich Nahrungsnetze und Nahrungsketten? Wie wird die Biodiversität beeinflusst? Wie wirken sich veränderte Nahrungsketten auf die mikrobielle Ökologie und Biogeochemie aus? Wasserressourcen

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Page 1: Bio8 Ökologie Zusammenfassung

Grundlagen der Ökologie bei Prof. Tom Battin, SS11

● Kapitel 1: Geschichte der Ökologie

Der Begriff der Ökologie wurde erstmals um 1866 von Ernst Haeckel definiert. Davor war sie nur eine

Subdisziplin und hieß Naturkunde. Karl Möbius, A. Von Humboldt und Wallace waren die nächsten, die sich

näher mit der Ökologie beschäftigten, der Begriff Biozönose kam auf. Auch Darwin ist hier zu nennen, da er

grundlegende Erkenntnisse darlegte, zB das Schema der Konkurrenz, und: Interaktionen zwischen

Individuen und zwischen Individuen und deren Umwelt beeinflussen den Reproduktionserfolg. Er führte

auch das 1. ökologische Experiment durch: er pflanzte Hortus Gramineus (Gräser) auf verschiedenen Böden

und versuchte herauszufinden, wie ihr Wachstumsverhalten sich entwickelte.

Andere Vertreter um die Jahrhundertwende:

Vladimir Vernadsky : gilt als Vater der Biochemie und beschrieb die Biosphäre

Eduard Süss , Geologe: prägte Begriffe wie Hydrosphäre, Lithosphäre und Biosphäre

Charles Elton: beschrieb Nahrungsketten und die Invasionsökologie

Robert MacArthur: Inselgeografie

Ökologie ist prinzipiell eine noch sehr junge Wissenschaft. Theorieen sind wenig entwickelt (versus Physik,

Chemie, Genetik...), wobei Einzelteile wenig in eine kongruente allgemeine Theorie passen.

Sie ist sehr dynamisch; es kommen kontinuierlich neue Ansätze und interdisziplinäre Verschränkungen,

wodurch schnelles Wachstum an Information und Konzepten induziert wird.

Aktuell gibt es einige Themen, mit denen sich Ökologen allgemein neben ihrer wissenschaftlichen Tätigkeit

beschäftigen – und welche uns alle betreffen:

Versauerung der Ozeane

Das CO2, welches wir täglich produzieren und in die Atmosphäre leiten, gelangt zum Teil auch ins Wasser.

Dadurch entsteht Kohlensäure, welche den pH-Wert des Wassers senkt = versäuert. Wie aus der Chemie

bekannt, zersetzt Säure Kalk, welches viele marine Tiere, darunter der Anfang der weltweiten Nahrungskette,

das Plankton, insich lagern (neben Muscheln, Schnecken und Korallen). Generell sind vor allem die ersten

Meter unter der Wasseroberfläche besonders betroffen. Die „untere Marke“ sinkt jedoch stetig.

Der Ökologe fragt sich:

Kommt es zu einer Verschiebung der Biodiversität?

Welche Implikationen hat dies für das Funktionieren der Ozeane?

Werden die Fischbestände verändert (ökosystemare Leistung)?

Gibt es Rückkoppelungen mit Klimawandel?

Überfischung

Ein bereits lang exisiterendes Problem; durch verschiedene Faktoren, welche direkt oder indirekt durch die

Fischereiindustrie beeinträchtigt werden, schrumpfen unsere Fischbestände immer schneller. Diese Faktoren

sind unter anderem:

physische Beeinträchtigung durch Netze, Boote und andere Mittel und die dadurch entstehenden

Schäden sowohl am Fang als auch die Modifikation der Umwelt

indirekte Sterberate durch Falschfang, Innereien die weggeworfen werden, nicht verbrauchte oder

industriell nicht verwertbare Abfälle

die durch die oben genannten Faktoren beeinträchtigte Reproduktionsrate sinkt, einige Arten dadruch

vom Aussterben bedroht, andere verdrängt in andere/falsche Habitate, etc.

durch all das wird das gesamte Ökosystem verändert und immens geschädigt!

Der Ökologe fragt sich:

Wie entwickeln sich Nahrungsnetze und Nahrungsketten?

Wie wird die Biodiversität beeinflusst?

Wie wirken sich veränderte Nahrungsketten auf die mikrobielle Ökologie und Biogeochemie aus?

Wasserressourcen

Page 2: Bio8 Ökologie Zusammenfassung

Die Grafik ist selbsterklärend.

Was wir aus den 0.3%

Oberflächenwasser machen, ist klar:

Abwasserkanäle münden dorthin,

verschmutzen Gewässer und töten

die darin lebenden Organismen,

machen das Trinkwasser umso

knapper und zerstören das gesamte

Ökosystem (von dem wir auch so

stark abhängig sind!)

Der Ökologe fragt sich:

Wie funktioniert die Selbstreinigung von Bächen?

Wie viel Biodiversität wird benötigt um Wasser sauber zu halten?

Wie wirkt sich die Geomorphologie auf die Stoffflüsse im Gewässer aus?

● Kapitel 2: Muster und Prozesse

fct (Masse, Raum) = ruhender Bestand, Gewässergröße, Biomasse, etc.

fct (Masse, Zeit) = Wachstum, Reproduktion, Sterberate

fct (Masse, Raum, Zeit) = Migration, Ausbreitung, Bewegung = Flux (Geschwindigkeit pro Fläche:

m/s/m2) , also ein Massentransfer. Dieser unterteilt sich in:

Konvektion = Massentranfer bedingt durch Druck, Temperatur, Gravitation,...

Diffusion = inkludiert Brown'sche Teilchenbewegung; genannt random walk, weil nicht wirklch steuerbar.

Wie die Funktion Raum aussieht, hängt von der physikalischen Umwelt, nicht aber von der

Organisationsebene ab. Physikalische Umwet gliedert sich in 3 Faktoren:

Klima (= Verfügbarkeit von Licht und Wasser) Licht bedeutet immer Strahlung, entweder kurzwellig mit hoher Intensität oder langwellig mit geringerer

Intensität. Wie die Wärmeregulation der Erde mit dessen Atmosphäre verläuft, zeigt folgendes Schema:

Page 3: Bio8 Ökologie Zusammenfassung

links = kurzwellig

rechts = langwellig

Links gelangt die

Einheit 51

zur

Erdoberfläche, 30 davon werden als Output wieder abgesondert – die restlichen 20 Einheiten sorgen für die

Wärme auf der Erde.

Rechts strahlt die Erde aber 117 Einheiten ab. Die zusätzlichen ~100 Einheiten kommen vom Faktor PAR,

der Photosynthetisch Aktiven Radiation. Das bezeichnet elektromagn. Strahlung (380-780 nm), die von

Pflanzen für biochemische Pflanzenprozesse, hauptsächlich für die Photosynthese verwendet wird. PAR wird

von Chlorophyll und Pigmenten adsorbiert, die im roten und blauen Spektralbereich absorbieren, grün wird

hingegen reflektiert. So geht die Rechnung (siehe Grafik unten) auf.

Luftdruck & Temperatur

Temperatur geht stark mit kinetischer Energie einher. Da diese Energie an Oberflächen höher ist, sinkt die

Temperatur, je weiter weg man sich von der Erdoberfläche efinden, sprich je höher man aufsteigt. Deshalb

sinkt der Luftdruck, da die Bewegung der Luftmoleküle mit sinkender Temperatur abnimmt.

Wind – der Coriolis Effekt

Warme Luft steigt immer auf richtung kalter Luft. So entstehen Zirkulation auf der Erdoberfläche. Der

Corioliseffekt besagt, dass wenn wir solche Zirkulationen auf einem rotierenden Körper haben, sich diese

entgegen der Rotationsrichtung „verschieben“ müssen. Dadurch entstehen unsere Winde, welche wiederum

gemeinsam mit der Erdrotation und der Sonnenenergie unsere Meeresströmungen definieren.

Lufttemperatur & Luftfeuchtigkeit

Evaporation = Übergang von der flüssigen zu gasförmigen Phase

Kondensation = Übergang von der gasförmigen in die flüssige Phase

Energie Absorbtion/Freisetzung: 2260 J pro g Wasser

Sättigung = Evaporation und Kondensation im Gleichgewicht

Niederschlag = Kondensationspartikel

Bei Wind, der gegen einen Berg getrieben wird,

steigt warme Luft bekanntermaßen nach oben

richung Spitze. Dabei sammelt sich die

Feuchtigkeit an und bleibt auf der Luv-Seite (in

Form von Wolken/Niederschlag). Der kalte,

trockene Wind sinkt wieder auf der anderen

Seite des Berges, erwärmt sich zunehmends und

nimmt die Feuchtigkeit im Gebiet auf, wodruch

die Lee-Seite arides Klima aufweist.

Page 4: Bio8 Ökologie Zusammenfassung

Physikalische Gradienten Wirken sich auf aquatische und terrestrische Ökosysteme verschieden aus:

Aquatische Ökosysteme

Licht (siehe Abb.): das Licht wird beim Eintreffen auf der

Wasseroberfläche verschieden gestreut und dementsprehend

unterschiedlich absorbiert. Rotes und gelbes Licht wird ziemlich

schnell absorbiert – deswegen sehen Gewässer meist grün – blau

aus.

Sauerstoffverhalten (oben links),

Temperatur (oben rechts) und

Sediment- bzw.

Landschaftsgestaltung von

Gewässern. [selbsterklärend]

Page 5: Bio8 Ökologie Zusammenfassung

Terrestrische Ökosysteme

Licht:

Hier kommt es wiederum darauf an, was man genauer betrachet: eine Wiese beispielsweise reflektiert 20%

des einfallenden Lichts; fast das gesamte Restliche des PAR wird absrbiert, nur 2-4% erreichen auch wirklich

den Boden.

Bei einem Wald hingegen reflektiert die Baumkrone 10% des PAR, der Rest wird unterhalb der Baumkrone

absorbiert. Daneben ist zu beachten, in welcher Jahreszeit wir messen. Im Frühling erreicht zB den Boden

deutlich mehr Licht als im Sommer aufgrund der noch nicht gewachsenen Blätter.

Außerdem gibt es den sog. Leaf Area Index LAI = totale Blattfläche geteilt durch die Fläche, welche die

Baumkrone auf den Boden wirft (kreisförmig).

Das Sedimentverhalten bei terrestrischen Ökosystemen ist natürlich der Boden, bestehend aus einer oberen

organischen Schicht, einer dunklen, mit Mineralien und organischem Material gemischen Schicht und

darunter einer sedimentreichen, steinigen Schicht.

Durchmischung wiederum verschieden bei aquatisch/terrestrisch. Implikationen von Gradienten/Durchmischung :

Physikalische und chemische Komplexität/Heterogenität Habitate/Mikrohabitate

Anpassungen

Nischen

● Kapitel 3: Stöchiometrie, Homöostase und Biomassenverhalten

Redfield – Ratio

beschreibt die elementare Zusammensetzung von marinem Phytoplankton.

1 : 16 :106

P : N : C Wobei C in organischen Substanzen zu finden ist, N in Enzymen und P hauptsächlich RNA.

Homöostase

In der Physiologie ist der Begriff der Homöostase als Konstanterhaltung eines inneren Milieus (Soll-

Zustand) definiert, der durch Regelung zustande kommt. Das Grundprinzip der Regelung (im Vergleich zur

Steuerung) basiert auf der Rückmeldung der Abweichung des Sollwertes vom Istwert, damit das System das

angesteuerte Ziel erreichen kann. [Wikipedia] Im angewandten Sinn ist die Homöostase das Verhältnis von

Biomasse und biochemischen Flüssen in der

Umwelt. Oder anders gesagt: sie ist die

Unabhängigkeit vom inneren Stoffwechsel (der

Stöchiometrie) zur Umwelt und

Nahrungsaufnahme.

„Growth rate hypothesis“

beschreibt die Tatsache, dass kleinere Organismen

im Verhältnis zu ihrer Größe/Wachstumsrate

einen hohen Anteil an RNA und somit mehr P

Page 6: Bio8 Ökologie Zusammenfassung

besitzen als gößere.

Größe und Form

isometrische Körper zeigen gleichmäßiges Wachstum von Körperteilen im Verhältnis zum Gesamtwachstum. Um einen effektiven Stoffwechsel zu führen gilt nicht unbedingt großes Volumen = große Oberfläche. Durch

alleinige Vergrößerung der Oberfläche (zB durch Strahlen, Falten, etc.) kann beispielsweise eine höhere

Diffusionsrate gewährleistet werden. Denn für diese gilt: größeres Volumen → längerer Weg von Außen zum

Reaktionszentrum.

Advektion = pumpen = aktiver gesteuerter Fluss; effektiv bei länglichen Tieren.

„Small is powerful“ - Vorteil der Kleinen

Zahlreicher

mehr Ressourcen/Körpergewicht

kürzerer Lebenszyklus

höhere Reproduktionsrate

größere Oberfläche zu Volumen

mehr Ressourcen aus dem Ökosystem

höhere Umsatzraten

r-Strategen

setzen auf eine hohe Reproduktionsrate → Populationsanstieg exponentiell, bis carrying capacity erreicht ist,

was sich durch inter- und intraspezifische Konkurrenz einstellt → bedingt den Rückgang/Zusammenbruch

der Population. Eigenschaften :

Rasche Entwicklung und geringe Körpergröße ; Kurze Lebensspanne, hohe Vermehrungsrate ; Früher

Fortpflanzungsbeginn, kurze Geburtenabstände

Bedingungen

Variable Umweltbedingungen und variable Sterblichkeitsverhältnisse ; Mortalitätsfaktoren weitgehend

unabhängig von der Populationsdichte ; Populationsgröße schwankend, selten die Kapazitätsgrenze

erreichend ; Rasche räumliche Ausbreitung und opportunistische Nischennutzung

k-Strategen

setzen auf eine geringere Zahl von Nachkommen mit hoher Lebenserwartung; Gute Nutzung der Ressourcen

unter starken Konkurrenzbedingungen; Populationsgrösse fluktuiert um die Kapazitätsgrenze (k) .

Eigenschaften

Langsame Individualentwicklung, hohe Körpergröße

Lange Lebensspanne, geringer Vermehrungsrate

Später Fortpflanzungsbeginn, lange Geburtenabstände, geringe Wurfgröße

Ausgeprägte elterliche Brutpflege

Bedingungen

Relativ konstante Umweltbedingungen

Sterblichkeit abhängig von der Populationsdichte

Gesättigte Habitate, kaum Erschließung neuer Habitate

Kaum räumliche Ausbreitung, eher ältere Habitate

● Kapitel 4: Populationen

Definition: Gruppe von Individuen der gleichen Art, die eine

Fortpflanzungsgemeinschaft bilden und zur gleichen Zeit in einem

einheitlichen Areal zu finden sind. In einer Population sind die Individuen generativ miteinander verbunden

durch:

Zellteilung oder Sprossung bei Einzellern

vegetative/klonale Vermehrung

sexuelle Fortpflanzung bei Ein- und Vielzellern

Population und Raum

Page 7: Bio8 Ökologie Zusammenfassung

Der Begriff Raum kann in diesem Zusammenhang sowohl global als auch Mikrohabitat bedeuten. Die

Verbreitungsfaktoren sind dabei Temperatur, pH Wert und Feuchtigkeit.

Abundanz = Grundgesamtheit; in der Abb. Wäre das der blau begrenze Raum.

Dichte = flächenbezogen; also 1,2 und 3 als eigene Bereiche.

Population und Zeit

Die Populationsgröße hängt von 4 Faktoren ab: Immigration, Emmigration, Reproduktion und Tod. Je

nachdem, wie diese Faktoren nun zusammenspielen, unterscheiden wir 2 Modelle:

Exponentielles Wachstum besteht, wenn

a) Ressourcen (Raum, Nahrung) unbegrenzt sind

b) die Umwelt konstant bleibt

logistisches/sigmoides Wachstum, wenn der WP (Wendepunkt) der Wachstumskurve die halbe carrying

capacity = die max. Wachstumsrate ist.

Carrying capacity k

Die carrying capacity ist jene Populationsgröße, bei der die

Wachstumsrate gleich Null ist.

Wenn die Populationsgröße kleiner als k ist, ist das

Wachstum positiv und die Population wächst. Wenn die

Populationsgröße größer als k ist, wird die Population

kleiner. k stellt ein dynamisches Equilibrium der

Populationsgröße dar.

● Kapitel 5: Interaktionen

Negativ:

Predation: Ein Sekundärkonsument frisst einen anderen Konsumenten ganz oder teilweise.

Herbivorie: Ein Primärkonsument frisst einen Primärproduzenten ganz oder teilweise.

Kompetition: Mindestens 2 Individuen nutzen dieselbe limitierte Ressource.

Infektion: Mikroorganisms leben in oder auf einem Wirt und beeinflussen dessen Physiologie.

Parasitismus: Zwei Arten leben in einer obligaten Assoziation, in der der Parasit metabolisch vom

Wirt abhängig ist.

Positiv:

Mutualismus/Symbiose: Zwei Arten leben in einer Assoziation, von der beide profitieren.

Kommensalismus: Zwei Arten leben einer Assoziation von der eine Art profitiert, die andere nicht

beeinträchtigt wird.

Predation

Lotka-Volterra-Modell (rechts):

beschreibt das Räuber-Beute-Verhältnis als eine

mutualistische Regulierung. Dabei gibt es zwei

Variablen/Funktionen:

1) functional response: „Je mehr da ist, umso mehr kann ich fressen“

I. passive Predatoren = warten, bis was vorbeikommt, zB Annemonen, Schlangen,...; Beutesuche

dauert lang, aber dafür fast immer erfolgreich

II. aktive Räuber, aber Fangrate geringer

Page 8: Bio8 Ökologie Zusammenfassung

III. ähnlich wie Typ II, allerdings hat die Beute den Vorteil eines Schutzmechanismus und kann seine

Population vergrößern, wodurch Räuberpopulation sinkt und in eine sog. Lag-Phase tritt. Nun kann er

entweder lernen, diese Mechanismen zu überwinden, oder sich eine alternative Beute suchen; beides

vergrößert wieder seine Population, Beutepop. Sinkt usw. (siehe Grafik).

2) numerical response: „Je mehr Essen, desto mehr Kinder“

I. Aggregation = Wachstum Räuber < Wachstum Beute

II. Reproduktion; beide wechseln sich ab

Kritik/Falsifizierung zu Lotka-Volterra:

Heterogenität → Räber haben andere Möglichkeiten, an Nahrung zu gelangen

Begegnungsrate → beide müssen sich nicht 24/7 gegenüberstehen

Verwirrung des Räubers durch Bildung von Schwärmen → welches Individuum soll er fressen?

Red Queen Hypothesis: Evolutionärer Vorteil der Beuteart wird durch evolutionäre Änderungen der Räuberart aufgehoben. Bsp.

Kaulquappen: man verglich zwei Populationen, eine mit und eine ohne Räuberdruck. Der Räuberdruck

veränderte den Phänotyp der Kaulquappen, indem sie einen kürzeren Schwanz und somit mehr Mobilität

hatten. Der Effekt hatte auch Auswirkungen auf ihre adulte Phase: die Individuen hatten andere

Oberschenkelmorphologien → evolutive Fitness

Predationsschutz durch chemische Verteidigung (zB Stinktier)

Mimikry:

Bates'sche Mimikry = Arten, die in der Erscheinung ähnlich sind, aber eine davon ist bewaffnet mit

Dornen, Stacheln oder Giftstoffen, während der Doppelgänger diese Eigenschaften nicht besitzt. Müller'sche Mimikry = Zwei ungenießbare Arten, die eine Nachahmung des jeweils anderen sind und

eine auffallende Warnfarben haben (auch bekannt als aposematische Färbung). Selbstmimikry = Nachahmung eines Körperteils auf dem Körper, um während des Angriffs zu

überlegen, oder dazu beizutragen, dass der Räuber hilflos erscheint. Tarnung

Herbivorie Herbivorie bedeutet Pflanzenfresser und stellt somit eine Regulation von Biomasse (weil sie ja

Primärproduzenten fressen) und Produktivität dar (wieviel davon fressen sie, was kann sich regenerieren,...)

Pflanzen können sich natürlich auch schützen. Entweder chemisch (durch sekundäre Inhaltsstoffe) wie N-

haltige Stoffe (Morphine, Nikotin, Atropin, Mescalin), Terpenoide (Wachs, Latex) oder Phenole (Tannine,

Lignin) oder strukturell (mit Dornen, Stacheln, Rinde ausgestattet).

Kompetition = Konkurrenz

Einteilung in:

Consumption competition: Individuen einer Art inhibieren Wachstum einer anderen Art durch die

Konsumation derselben Ressourcen. Diese Art der Konkurrenz führt zwangsläufig zur Competitive

exclusion: Arten, die dieselbe Ressource konsumieren, können bei konstanten Umweltbedingungen nicht

koexistieren . Preemptive competition: Raumressourcen bei sessilen Arten Overgrowth competition: Ohne physischen Kontakt; Licht, Toxine... Territorial competition: Ausschluss durch Verhaltensweisen Encounter competition: nicht-territoriale Begegnungen

Umweltfaktoren beeinflussen natürlich auch die Kompetition. Die Perfomance von Arten ändert sich mit

Umweltbedingungen, besonders bei Pflanzen, die direkt von Umweltbedingungen abhängen weil die Umwelt

auch gleichzeitig ihre Nährstoffe bereitstellt. Nach Extremereignissen kann es zur transienten Aufhebung von

Ressourcenlimitierung und von Kompetition kommen.

Parasitismus

= Ressourcenerwerb durch einen anderen Organismus. Der Wirtsorganismus wird geschädigt - oder zu einem

Page 9: Bio8 Ökologie Zusammenfassung

späteren Zeitpunkt getötet. Wir unterscheiden:

Mikroparasitismus: Viren, Bakterien oder Protozoen infizieren als Krankheitserreger Tiere und Pflanzen.

Bei Pflanzen kann es mikroparasitisch lebende niedere Pilze geben.

Makroparasitismus: Ektoparasitäre Metazoen. Band- und Saugwürmer, Nematoden; Läuse, Zecken, Milben

und Flöhe, Pilze. Makroparasiten der Pflanzen leben interzellulär; gehören zu den höheren Pilzen, zu den

Insekten (Gallwespe) oder anderen Pflanzen (Teufelszwirn oder Sommerwurz).

Es kann auch einige Zwischenwirte geben, die verschiedene Zwischenstationen für den Parasit (und/oder

seine Stadien wie Larve oder Eier) darstellen. Der Saugwurm zB lebt im Wasser, wird vom Zahnkarpfen

aufgenommen und verursacht bei seinem Gehirn diverse Schäden, wodurch dieser anfängt unkoordiniert zu

schwimmen, herumzuzucken und schwimmt auf. Auf der Wasseroberfläche wird er von Vögeln erkannt,

gefressen und der Wurm gelangt zu seinem Endwirt, dem Vogel.

Symbiose Symbiose bezeichnet eine mutualistische Wechselbeziehung zwischen Lebewesen zweier Arten, aus der im

Gegensatz zur Konkurrenz oder Räuber-Beute-Beziehung beide Partner Nutzen ziehen.

Ektosymbiose: Partner einer Symbiose bleiben körperlich getrennt, zB Putzerfisch

Endosymbiose: einer der Partner wird in den Körper des anderen aufgenommen (Knöllchenbakterien,

welche N binden können und an den Wurzeln von Pflanzen sitzen; Mycorrizha).

Endosymbiontentheorie (für mehr Details siehe STEOP1)

Eukaryoten sind entstanden indem prokaryotische Vorläuferorganismen eine Symbiose eingegangen sind.

Chemotrophe und phototrophe Bakterien sind von anderen prokaryotischen Zellen durch Endozytose

aufgenommen und dadurch zu Endosymbionten geworden sein. Die Endosymbionten entwickeln sich zu

Zellorganellen (Mitochondrien, Chloroplast) in ihren Wirtszellen. Die Komplexe aus den Wirtszellen und

den darin befindlichen Organellen sind Eukaryoten.

Saprotrophie Stellt eine besondere Form der Interaktion dar, nämlich

zwischen Lebewesen und totem, organischem Material

Detritus). Detritivore (Evertebraten) und

„decomposers“ (Mikroorganismen, Pilze) sind

besipielsweise solche heterotrophe Organismen. Diese

Lebensweise stellt einen wesentlichen Link zwischen

Nährstoff- und Kohlenstoffzyklus dar und beeinflussen

nicht die Wachstumsrate ihrer Ressource = „donor

controlled“.

Einschub: Nischentheorie – interspezifische

Konkurrenz

Fundamentale Nische: Teil eines Nischenraums, in dem

eine Art aufgrund ihrer ökologischen Potenz (genetische

Variabilität und Reaktionsnorm) und der damit

verbundenen Anpassungsfähigkeit leben könnte.

Ökologische Gesamtbeschreibung der betreffenden Art.

Realisierte Nische: Teil, der unter Berücksichtigung

der konkreten Standortfaktoren in einem bestimmten

Ökosystem tatsächlich belegt wird. Die

realisierte Nische ist Teil der fundamentalen

Nische. Die realisierte Nische ist neben

biotischen (zB. Kompetition) Faktoren auch von

abiotischen Faktoren abhängig.

Bei der Abb. Unten bilden x und y-Achse jeweils

Page 10: Bio8 Ökologie Zusammenfassung

eine Ressource. Da sich die Arten A, B und C zwei Ressourcen teilen, entsteht interspezifische Konkurrenz

und Nischenüberlappung. In dieser Grafik hat die Gruppe auf der x-Achse weniger, auf der y-Achse mehr

Konkurrenz (= überschneidende Kurvenfläche).

Nun kann man durch character displacement den Abstand der Kurven erweitern. Die bekannten

Darwinfinken haben alle verschieden große Schnäbel, um jeweils andere Beeren zu fressen. So können sie,

zumindest was die Nahrungsressource anbelangt, den Konkurrenzdruck verringern.

Ressource partitioning ist etwas ähnlich (Bsp. Wildkatze in Israel): die vorherrschende intraspezifische

Konkurrenz wird dadurch verringert, dass sie einen Sexualdimorphismus entwickelt haben. Ihre Eckzähne

sind verschieden groß, sodass ihr Beuteschema differenziert ist.

● Kapitel 6: Synökologie, Gemeinschaften, Biodiversität

Synökologie = die Lehre von Wechselwirkungen und Beziehungen innerhalb ganzer Lebensgemeinschaften -

nicht nur einzelner Organismen oder einzelner Populationen.

Die Beschreibung der Biodiversität ist ein sog. Multidimensionales Konzept. Sie beschreibt nicht nur die

Artenzahlen sondern auch die „richness“, die Artenverteilung, dargestellt durch die „Rarefaction curve“:

Die Grafik zeigt zwei Gemeinschaften, die anhand der

Anzahl von Individuen und Anzahl der Arten ausgewertet

wurden. Lesen wir zunächst die Kurve A, angefangen bei

0. Wir zählen die Individuen einzeln, 1, 2, 3, …; bei jeder

neuen Art steigen wir höher. Am Anfang stoßen wir auf

viele neue Arten, deshalb steigt die Kurve anfangs sehr

steil → diese Arten kommen offenbar häufig vor, denn je

weiter wir zählen, desto flacher wird die Kurve, weil wir

immer mehr auf die selben Arten stoßen. Im sehr leicht

steigenden Bereich treffen wir auf seltenere Arten, bis

wir am Ende keine neuen mehr finden und die Kurve

ganz abflacht.

Verglichen nach dem selben Prinzip mit Kurve B erkennt

man: Gemeinschaft A ist deutlich „richer“.

Natürlich kommt die richness nicht ohne Faktoren aus. Produktivität, Konkurrenzdruck, Nährstoffe,

Ressourcen,... all das muss, bei genaueren Analysen, mitbeachtet werden. Außerdem muss vorher geklärt

werden, in welchen Dimensionen wir uns bewegen. Eine Gemeinschaft kann (ähnlich wie Populationen)

sowohl großflächig sein (zB Nordamerika), kleiner (New Jersey), noch kleiner (ein bestimmter Wald) oder

minimal (eine Wasseransammlung im Baumstamm eines Baumes in diesem Wald).

Im Zusammenhang mit Biodiversität gibt es diverse Indices:

Simpson Diversitätsindex Er drückt die Wahrscheinlichkeit aus, dass zwei aus allen Individuen einer Aufnahme zufällig ausgewählte

Individuen der gleichen Art angehören. Dazu werden die Wahrscheinlichkeiten, eine bestimmte Art i

Page 11: Bio8 Ökologie Zusammenfassung

auszuwählen und diese Art nochmals auszuwählen (dabei steht das erste Individuum nicht mehr zur Wahl)

multipliziert und anschließend dieses Produkt für alle Arten summiert.

Er wird also wie folgt berechnet:

wobei ni die Zahl der Individuen einer Art i, n die Gesamtzahl der Individuen wiedergibt. D ist gleich 0,

wenn alle Individuen der gleichen Art angehören, es also gar keine Diversität gibt. Je größer die Diversität,

desto größer wird D.

In Vegetationsaufnahmen werden in der Regel keine Individuen gezählt sondern Flächenanteile ("Deckung")

der einzelnen Arten geschätzt. Es geht nun also um die Wahrscheinlichkeit, an zwei zufällig gewählten

Punkten innerhalb einer Aufnahmefläche die gleiche Art anzutreffen. Mit Deckungswerten statt Individuen

vereinfacht sich die Formel, weil die Wahrscheinlichkeiten für den ersten und zweiten Punkt die gleichen

sind:

wobei pi den Anteil der Art i an der Summe aller Einzeldeckungen wiedergibt. [Wikipedia]

Der Shannon-Index

Von Bedeutung ist auch die relative Häufigkeit oder Dominanz jeder Art. Betrachten wir z. B. die Stabilität

eines Systems. Wenn ein Räuber von 10 Beutearten abhängig ist, die alle über einen lange Zeitraum hinweg

ungefähr die gleiche Abundanz haben, so haben alle 10 Arten für die Ernährung des Räubers eine

vergleichbare Bedeutung. Falls nur eine Art sehr häufig und neun sehr selten sind, dann spielen die neun

Arten mit nur wenigen Individuen eine unbedeutende Rolle bei der Ernährung und Regulierung der

Räuberpopulation. Sie verhält sich im wesentlichen so, als ob nur eine einzige Art als Beute zur Verfügung

stünde. In diesem Fall ist das Risiko zu verhungern für den Räuber sehr groß, wenn diese eine Hauptbeuteart

nicht mehr verfügbar ist. Das Überleben des Beutegreifers ist somit nicht gesichert, sondern gefährdet und

instabil. Demnach muß ein Maß für die Mannigfaltigkeit bzw. Diversität auch die relativen Häufigkeiten

(=Dominanz) der Arten berücksichtigen.

H = das Symbol für das Ausmaß der Mannigfaltigkeit (in einer Gruppe von s Arten)

pi = die relative Abundanz der i-ten Art, gemessen von 0,0 bis 1,0 (wenn z.B. die betrachtete Art die

zweithäufigste ist, so ist i=2; und wenn die Dominanz dieser Art 10% beträgt, bzw. 10% aller Organismen

dieser Art angehören, so ist pi=0,10;

log pi = kann ausgedrückt werden in bezug auf die Basis 2, e oder 10. Der Einfachheit halber wird hier die

Basis e verwendet, mit anderen Worten: Die Basis des natürlichen Logarithmus. Da pi stets zwischen 0 und

1,0 liegt, sind alle Logarithmen negativ. Deshalb wird ein Minuszeichen hinzugefügt, damit H positiv wird.

Dieser Maßstab für die Mannigfaltigkeit der Arten in einem Areal wird vor allem deswegen verwendet, weil

er genau dem Entropiemaß in der Thermodynamik und dem Informationsgehalt in der Informationstheorie

entspricht. In allen drei Wissenschaften - Physik, Informationstheorie und Ökologie - gibt H den Grad der

„Ungewissheit“ an. Ein größeres H bedeutet, daß wir beim zufälligen Herausgreifen eines einzelnen

Organismus nicht sicher sein können, welche Art Organismus wir erhalten. Ist in einer Gruppe z.B. nur eine

einzige Art vertreten, so ist die Ungewissheit über den blindlings herausgegriffenen Organismus gleich Null.

Entsprechend wird auch der Wert H gleich Null sein, da für nur eine Art pi =1 und der Ausdruck log pi = log1

= 0 ist.

(Quelle: http://www.kartieren.de/Mapper/Divers.htm; sehr zu empfehlen!)

Pielou Evenness index = Das Maß der Artengleichheit; bezieht sich darauf, wie nahe sich in Zahlen Arten in der Umwelt sind.

Mathematisch ist dieses als Ungleichheitsmaß definiert, ein Maß der Biodiversität, welche quantifiziert, wie

Page 12: Bio8 Ökologie Zusammenfassung

numerisch gleich(verteilt) die Fauna ist. H' = die vom Shannon-Index abgeleitete Zahl

H'max = der Amplitudenwert von H'

S= Gesamtzahl aller Arten

E hat die Grenzen von 0 bis 1. Je kleiner die Streuung in der Fauna zwischen den einzelnen Spezies, desto

größer ist E.

Rank abundance curves

relative Abundanz = Abundanz verglichen mit

anderen Spezies (oder Taxa, je nach

Betrachtung)

Species rank = wie dicht die Spezies im

betrachteten Gebiet tatsächlich auftritt.

In dieser Grafik sind links oben die Dominanten;

wären die Kurven die eines Logarithmus, wäre

die Dominanz relativ ausgeglichen.

Verteilung der Biodiversität im Raum

α-, β- und γ-Diversität

Alphadiversität = ist die Biodiversität innerhalb einem bestimmten System, und wird als Artenanzahl

(„richness“) ausgedrückt.

Betadiversität = ist ein vergleichendes Maß für Diversität entlang von Umweltgradienten oder zwischen

Systemen. Dies involviert den Vergleich von Taxa, die exklusiv in einem der Systeme vorkommen.

→ Sørensen Index :

S1= Gesamtanzahl der Arten im System 1 𝛽 =2c

𝑆1+𝑆2

S2 = Gesamtanzahl der Arten im System 2

c = Anzahl der gemeinsamen Arten in System 1 und 2

Gammadiversität = ist ein Maß für die gesamte Artenanzahl in einem grösseren System/Region; hierfür gilt:

γ = S1 + S2, wobei für alle drei gilt: 𝛽 =𝛾

𝛼

Page 13: Bio8 Ökologie Zusammenfassung

Wie entsteht Biodiversität?

Die bislang gängigste Theorie geht davon aus, dass Biodiversität abhängig von der Heterogenität der Umwelt

ist. Entsprechend den Dimensionen landschaftlicher Ökosysteme erfolgt dabei eine Aggregation von

kleineren Einheiten (z.B. Ökotop) zu immer grösseren Räumen (z.B. Landschaftszone). Nach dem "Prinzip

der fortschreitenden ökologischen Heterogenität" wird der Grad der Differenzierung des ökologischen

Inhalts der jeweiligen Ordnungsstufe ausgedrückt, welcher, je nach betrachteter Dimension, sehr

unterschiedlich sein kann. Die Hauptschwierigkeit liegt darin, den Differenzierungsgrad zu quantifizieren.

Das bedeutet: je heterogener ein betrachtetes System, desto höher ist auch dessen Biodiversität. Dies trifft

auch bis auf weiteres zu. Der einzige Widerspruch wird Paradox des Planktion genannt. Denn: Warum

leben so viele Arten in einem, wie es scheint, homogenen Habitat, obschon dies nicht dem Prinzip des

Konkurrenzausschlusses entspricht? 1) Homogenität durch Vermischung kommt kaum vor, und selbst im offenen Ozean verursachen Wirbel

und Fronten mittlerer Stärke räumliche Heterogenität.

2) aquatische Habitate besitzen viel mehr Nischen als ursprünglich angenommen (unterschiedliche

Wellenlängen des weissen Lichtes, zusätzliche essentielle Ressourcen)

3) Modellieren von Plankton-Gemeinschaften und experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass

selbst unter homogenen und konstanten Umweltbedingungen Plankton kein Gleichgewicht erreicht, weil

Wettbewerb zwischen vielen Arten Oszillationen und Chaos verursachen kann und damit zur

Aufrechterhaltung grosser Biodiversität beiträgt (Quelle: http://knol.google.com/k/das-plankton-paradox-paradox-des-plankton)

Gegenüber der starken Flukturierung beim Plankton steht die Neutralität – der aufrechterhaltete Zustand,

entsteht durch:

Alle Arten innerhalb von einer trophischen Stufe sind „ökologisch äquivalent“

Gleiche Wahrscheinlichkeit von Tod, Reproduktion und Verbreitung

Abundanz flukturiert zufällig durch demographische Stochastizität

Lokale Extinktion wird ausgeglichen durch Immigration

Ecosystem engineers

= eine Art, die ein Habitat physikalisch modifiziert, kreiert oder zerstört, und somit direkt oder direkt die

Verfügbarkeit von Ressourcen für andere Arten beeinflusst. Sie haben maßgeblich Einfluss auf die

Heterogenität ihrer Umgebung. Unterschieden werden

Autogenic engineers (Korallen, Bäume) verändern die Umwelt durch ihre eigene physikalischen Strukturen.

Allogenic engineers (Biber) verändern mechanisch die Umwelt durch Transformation von nicht-

körpereigenem Material (tot oder lebendig).

● Kapitel 7: Nahrungsnetze

Primärproduzenten – Herbivore – Carnivore

Oben das Grundgerüst der weltweiten Nahrungskette (→ trophische Kaskade), wobei der rechte Pfeil auch

umgedreht werden kann.

Top-down = Abundanz und Produktivität der Populationen einer trophischen Ebene wird durch die

Populationen über ihnen kontrolliert.

Bottom-up = Abundanz und Produktivität der Populationen einer trophischen Ebene wird durch die

Populationen unter ihnen kontrolliert.

In diesem Zusammenhang kommt auch die 3. Art der Konkurrenz auf: apparent competition; sie ist eine

indirekte Form der Konkurrenz. Spezies A und Spezies B haben beide den selben Räuber, Spezies C. Wenn

nun A aus welchen Gründen auch immer an Population zunimmt, nimmt auch B zu, was negative

Bottom-up control Top-down control

Page 14: Bio8 Ökologie Zusammenfassung

Auswirkungen (das Schrumpfen der Population B) zur Folge hat.

Keystone species – Schlüsselarten Arten, die im Vergleich zu ihrer Häufigkeit/Biomasse einen

unverhältnismäßig großen Einfluss auf die Artenvielfalt einer

Lebensgemeinschaft ausübt. Die Art gehört meist einer der höheren

trophischen Ebene an. Durch den Fraßdruck der Schlüsselart wird die

Populationsdichte unter den Beutetieren herabgesetzt, sodass die

Konkurrenz zwischen den Beutearten abnimmt und die Koexistenz

verschiedener Arten begünstigt wird.

Fällt die Schlüsselart aus, setzt sich infolge der verstärkten Konkurrenz

zwischen den Beutetieren oft eine Art durch und verdrängt die

konkurrenzschwächeren Arten, was zum Absinken der Biodiversität in

dieser Lebensgemeinschaft führt.

Schüsselarten kontrollieren Biodiversität, Artenzusammensetzung,

Nahrungsnetze und Stoffflüsse. Außerdem sind sie relevant für Naturschutz/Restorationsökologie.

Nahrungsketten sind bei Darstellungen vertikal (1D), ihre Verknüpfung mit anderen Ketten führt zum

Nahrungsnetz (2D). Die Länge einer Nahrungskette hängt von Energie/Produktivität, Grösse vom

Ökosystem/Nischen und Stabilität vom System ab.

Links = Verbindungen/Interaktionen wegen Nahrungsverhältnissen zwischen zwei Arten. Wenn man ihre

Länge (für ein System) zusammenzählt und den Mittelwert errechnet, ergibt das die Nahrungskettenlänge.

Der Mittelwert der Anzahl von links innerhalb einer Art bestimmt die Vernetzungsdichte.

Konnektivität (connectance)

Verhältnis zwischen der real existierenden Anzahl der Links (L) und der theoretisch maximal möglichen

Anzahl an Links. In einem maximal verlinkten Nahrungsnetz konsumiert jede Art (S) alle anderen Arten -

außer Kannibalismus. Deshalb kann die maximale Anzahl an Links als „connectance“ wie folgt errechnet

werden:

𝐶 = 𝐿:𝑆 ⋅ (𝑆 − 1)

2

● Kapitel 8: Biologische Strategen und

Mechanismen

Sukzession

= Abfolge von Artgemeinschaften über eine sukzessive

Entwicklung, von einem gestörten oder veränderten

Ausgangsstadium über verschiedene Stadien, zu einer

Klimaxgemeinschaft, wobei die Gemeinschaften entweder

Founder“ Gemeinschaften (Kolonisationfähigkeit

unterschiedlicher Arten ist ähnlich; Zufall bestimmt welche Art den Standort zuerst kolonisiert ) oder

Dominanz-kontrollierte Gemeinschaften (Konkurrenzfähigere Arten bestimmen die Sukzession,

Unterschiedliche Strategien Ressourcen zu nutzen, deterministisches, gerichtetes Sukzessionsmuster ) sind.

Arten verändern über die Sukzessionsfolge ihre Umwelt, und bilden somit neuen Nischen (ecosystem

engineering, siehe Kapitel 6).

Es gibt die Primärsukzession = Erstbesiedelung einer (veränderten) Landschaft (meist von r-Strategen

beseiedelt) oder die Sekundärsukzession = die Wiederbesiedelung eines Habitats, bei dem die Arten sich

durch verschiedene Wege erhalten konnten und die Mittel dazu haben, das Habitat wiederzubesiedeln.

Klimaxgemeinschaften bestehen aus Arten, die zu einer gegebenen Zeit durchschnittlich best möglich an die

Page 15: Bio8 Ökologie Zusammenfassung

Standortfaktoren angepasst sind, und diesen Zustand über die Sukzession erreicht haben.

(Für das Tilman-Ressourcenmodell bitte bei STEOP1 nachschaun oder ZF Ökologie WS10).

Intermediate disturbance hypothesis besagt, dass eine mittlere (intermediäre) Störungshäufigkeit höchste Biodiversität hervorrufen (→ Paradox

des Plankton). Bei zu geringer Störung kann es zu Konkurrenzausschluss kommen, und wenige dominante

Arten prägen die Gemeinschaft. Bei zu hoher Störung sind alle Arten gleichermaßen gefährdet, vl sogar auch

Konkurrenzausschluss. Bei intermediärer Störung koexistieren kompetitive k-Strategen und opportunistische

r-Strategen.

patch dynamics

= das "Mosaik-Zyklus-Konzept" der Ökosysteme, nach dessen Kernaussage ein natürliches Ökosystem ein

Mosaik unterschiedlicher Entwicklungsstadien verkörpert. Sie entstehen durch lokale, zufällige Störungen

und Potentielle patches werden aus aktiven patches heraus kolonisiert (durch dispersal, Verbreitung).

Extinktion führt zu degradierten patches, und Erholung (recovery) führt wieder zu aktiven patches.

● Kapitel 9: Landschaftsökologie

Grenzen

Grenzen kontrollieren die Verbreitung von Organismen, Stoffflüsse etc. und sind zeitlich dynamisch, zB

Ebbe-Flut,

Grundwasser-Oberflächenwasser, Waldrand in versch. Jahreszeiten,...

bei b) ist durch die verschwommene Grenze hohe

Diversität und hohe Aktivität charakteristisch; d)

ist zB eine semipermeable Membran.

Page 16: Bio8 Ökologie Zusammenfassung

Geometrie von Patches

Ein patch wird in zwei Bereiche eingeteilt: den Grenzbereich edge und den Kernbereich interior. Je nach

Siedlungsgebiet teilt man danach die in einem patch lebenden Arten ein: in Randarten, Kernarten und

flächenunabhängige Arten.

Bei Betrachtung der Abb. Links könnte man daraus schließen: Je größer ein patch (in unserem Fall die Insel),

desto höher die Artenzahl.

Es ist, besonders bei Inseln, etwas komplizierter: die

Artenanzahl resultiert aus dem dynamischen

Equilibrium zwischen Immigration und Extinktion. Der

Schnittpunkt dieser Kurven markiert die Anzahl der

existierenden Arten. Diese zwei Variablen hängen von

der Größe der Insel und der Distanz zum Festland ab. Je

näher eine Insel zum Festland, desto höher seine

Immigrationsrate (Samenbanken vermischen sich). Je

kleiner eine Insel, desto höher seine Extinktionsrate

(stärkere Konkurrenz, Ressourchendruck).

● Kapitel 10: Metagemeinschaften – metacommunities

Definition: Eine „metacommunity“ ist ein Set aus lokalen Gemeinschaften, die über Verbreitung

(dispersal) mehrerer, potentiell interagierender Arten verbunden sind.

Die Mechanismen, die zu solchen Gemeinschaftszusammensetzungen führen, sind Species sorting, Mass

effect und Neutralität .

Species sorting (b)

→ Lokale Umweltbedingungen und biotische Interaktionen bestimmen die Gemeinschaftszusammensetzung.

Wir haben unterschiedliche patches mit unterschiedlichen Arten, deren Verbreitung hoch ist, nach dem Motto

„alles ist überall“; Eigenschaften: heterogene Umwelt, Konkurenzausschuss, Nischendifferenzierung.

Mass effect (c)

Ähnlich wie species sorting: unterschiedliche patches

und Arten, deren Verbreitung ist ausreichend hoch um

lokale demographische Prozesse zu beeinflussen.

Koexistenz und Abundanz lokaler Gemeinschaften

hängt

von der Immigrationsrate und von der Konnektivität

unterhalb der lokalen Gemeinschaften ab.

Neutralität (d)

Immigration und demographische Prozesse beeinflussen

Page 17: Bio8 Ökologie Zusammenfassung

die lokale Gemeinschaftszusammensetzung. Arten und patches sind ähnlich, Verbreitung bleibt lokal. Die

Arten sind neutral der Umwelt und anderen Arten gegenüber; Abundanz und Zusammensetzung von Arten in

einer lokalen Gemeinschaft hängen von stochastischen Prozessen ab.

„Insurance hypothesis“

Die funktionale Vielfältigkeit der Arten erleichtert die Anpassung der Ökosysteme an sich ändernde

Umweltbedingungen. Vielfältigkeit ist, wie wir wissen, bei mittlerer dispersal rate zu finden. Nach dem

Mittelwert der Verbreitung kann es allerdings passieren, dass sich eine Art besonders gut anpasst, dominiert,

andere verdrängt, und somit zu einer Homogenisierung der Landschaft beiträgt (mass effect).

Das Muster ist leicht nachvollziehbar durch das Modell unserer Landwirtschaft: wir sorgen durch unsere

Felder dafür, dass die Produktivität anderer Arten geringer wird und somit die Biodiversität abnimmt.

Mechanismen

Selektionsffekt/Sammeleffekt

Mit steigender Artenanzahl steigt die Wahrscheinlichkeit, dass eine besonders konkurrenzfähige Art die

Gemeinschaft dominiert (und so den mass effect induziert).

Komplementarität

Durch Nischendifferenzierung können Arten

koexisiteren → Ressourcen werden komplementär

genutzt → Produktivität der Gemeinschaft wird

erhöht/völlig ausgeschöpft.

Facilitation = Mutualistische Interaktion, von der mindestens eine Art profitiert - keine Art wird negativ beeinflusst

→ Bessere Ressourcennutzung, Schutz vor Predation etc.

● Kapitel 11: Ökosystemökologie

Kurzer Einschub aus der Physik:

Potentielle Energie = gespeichert, verfügbar

Kinetische Energie = „in Bewegung“, verübt Arbeit zu Kosten der potentiellen Energie

1. Satz der Thermodynamik: Die Energie eines abgeschlossenen Systems bleibt unverändert; sie kann sich

umwandeln in Wärme oder Energieformen, aber es kommt niemals etwas dazu oder geht verloren.

2. Satz der Thermodynamik: Durch jegliche Arbeit oder Veränderung geht Energie verloren, in Form von

Wärme; die Enthropie nimmt zu (allerdings gilt das nur beschränkt für die Ökologie, da Ökosysteme immer

offene Systeme sind).

Primärproduktion = 1. Form der Energiespeicherung; da immer bisschen Endergie durch Respiration verloren geht, berechnet

man eigentlich die Nettoproduktion (NP = Bruttoproduktion – Respiration).

PP-Kontrolle

terrestrisches System: wird gesteuert durch Temperatur (korreliert mit PAR (siehe Kap.2) und Länge

der Wachstumsperiode ), Nährstoffe (v.a. Stickstoff) und Wasserverfügbarkeit

aquatisches System:

Licht/PAR → max. NPP wird nicht an der Wasseroberfläche erlangt, weil zu viel Licht genauso die

Page 18: Bio8 Ökologie Zusammenfassung

Photosynthese inhibieren. Nach ~33m nimmt es wiederum stark ab, weil Algen/Plankton einen

Schattenwerfen bzw. das Wasser trüben.

Nährstoffe → man fand raus, dass Phytoplankton in Polarmeeren brauchen Eisen zur CO2-Fixierung.

Durch Eisendüngung war man anfangs erfolgreich, aber nachdem das Plankton abstirbt, sinkt es auf den

Meeresgrund- und die Folgen davon sind noch unbekannt.

Küstengebiete haben hohe PP, weil Nährstoffsedinmente vorganden sind (Strand).

Energie

Effizienz

1. Konsumation Effizienz = Prozentsatz der Produktion auf einer trophischen Ebene, der auf der

nächsten Ebene konsumiert wird

2. Assimilationseffizienz = Prozentsatz der ingestierten

Energie, die assimiliert wird

3. Produktionseffizienz = Prozentsatz der assimilierten Energie,

die in Produktion investiert wird

Die „10%-law“ besagt, dass eigentlich 90% der Energie von einer trophischen Stufe

in Form von zB Wärme verloren geht und nur die restlichen 10% an

die nächste Stufe weitergegeben werden (können).

Die Abb. Rechts zeigt die zwei Nahrungsketten bzw. Energiequellen

– Primärproduzenten und Organisches, lebloses Material. Die

Energie fließt für alle trophischen Stufen in Ingestion, „sloppy

feeding“, Exkretion, Assimilation, Respiration und Produktion .

„Ökosystemarer Metabolismus“ = Messung von Gesamtrespiration (von Netto und Brutto)

NEP = BPP - Röko

Röko = Rauto + Rhetero

NEP.....Netto Ecologic Production

BPP......Bruttoprimärproduktion

R..........Respiration

BPP>Röko: autotroph

BPP<Röko: heterotroph

Fliessgewässer sind netto allgemein heterotroph und sind ein vorbildliches Beispiel für terrestrisch/

aquatische Vernetzung .

Das River Continuum Concept zeigt im Oberlauf und Unterlauf BPP<1, im Mittellauf aber BPP>1. [? inwiefern River Continuum Conzept wichtig ist, kann ich nicht beurteilen, weil nicht anwesend, scheint aber wichtig zu sein]

● Kapitel 12: Stoffflüsse

Inputs:

chemische Verwitterung des Gesteins:

zB bei Gletschern die Abreibung bei Moränen führt zur chem. Verwitterung; in der Rhizosphäre geben

Wurzeln Säure in den Boden ab → Mineralien bilden Salze → anorgan. Stofffluss

Page 19: Bio8 Ökologie Zusammenfassung

atmosphärische Trockendeposition (=Wolken- und Nebelpartikel)

atmosphärische Nassdeposition (Niederschlag)

Outputs:

Transport/Wasser

Gasemission

Biomasse

Bei beiden, In- und Outputs, spielt der anthropogene Einfluss eine Rolle, oft negativ fürs Ökosystem. Kleines

Beispiel:

Der Mensch ist für die Umwelt eine „Stickstoffquelle“, durch Kläranlagen oder Düngung. Der Dünger

gelangt früher oder später immer ins Wasser (sei es Grundwasser, Meer, See o.ä.). Gelangt es ins Meer, düngt

es die Algen, die exponentiell wachsen → sterben sie ab, sinken sie als Biomasse auf den Meeresgrund → da

werden sie heterotroph abgebaut, aber unter O2 Verbrauch → führt im schlimmsten Fall zur Anoxia = kein

Sauerstoff im Wasser, somit kein höheres Leben; so zB im Golf von Mexiko.

Terrestrisch-aquatische Interaktionen: Experiment

An einem Hang hat man entlang eines Flusses Einschläge gemacht (=den gesamten Baumbestand gestutzt),

um zu sehen, wie sich der Nährstoffgehalt des Flusses ändert. Zwei Mechanismen wurden dabei ausgelöst:

transpirierende Oberfläche reduziert → 40% mehr Oberflächenabfluss

Kreislauf Destruenten/Primärproduzenten unterbrochen → der Nährstoffgehalt stieg bei K um das

2,5 fache, Ca2+

um das 7 fache und CO3 um das 60fache(!).

Limnisch-marine Interaktionen

Bei diesen Grafiken wurde der Silikatgehalt des Wassers gemessen, links ohne Staumauer und rechts mit.

Links erkennt man die saisonalen Variationen und große Amplituden der Kieselalgenvorkommen (da sie

Silikat aufnehmen; wenn sie absterben, ist Silikatgehalt im Wasser hoch, wenn sie sich regenerieren niedrig).

Rechts gibt es keine regelmäßige Abfolge mehr, denn das Silikat kann nicht mehr abfließen und wird

fortwährend von den Algen aufgenommen → rasche Vermehrung, aber Veränderung im Ökosystem.

Ähnlich ist es auch im schwarzen Meer; dort ändert sich das Phytoplankton, Primärproduzenten nehmen ab

→ die Folgen fürs gesamte Ökosystem sind drastisch.

Abbau – Remineralisation = die Umwandlung von organischen zu anorganischen Molekülen. Am Wichtigsten hierbei ist natürlich der

Page 20: Bio8 Ökologie Zusammenfassung

(organische) Kohlenstoff, den man unterscheidet in DOC – Dissolved Organic Carbon (in Aminosäuren,

Zuckern, etc) und POC – Particulate Organic Carbon (Colloide=Nanopartikel Kohlenstoff, welche in

einem Suspensorium schwimmen). Huminstoffe färben das Wasser braun, ist aber trotzdem noch genießbar.

DOC und POC können sponantan ineinander übergehen.

Die Abbaurate ist von Organismus zu Organismus verschieden. In Landpflanzen beispielsweise ist mehr

Lignin enthalten als in aquatischen Pflanzen, weshalb sie schwerer/langsamer abgebaut werden;

Phytoplankton wird deshalb am Schnellsten abgebaut.

Außerdem hängt die Abbaurate von 2 wichtigen physikalischen Faktoren ab: Temperatur (je kälter, desto

langsamer wird abgebaut) und Sauerstoffgehalt:

Anaerober Abbau ist schreitet deutlich langsamer voran. Bestes Beispiel dafür sind Moorleichen. Ein Moor

ist O2 arm und sauer = geringer pH Wert = geringe mikrobielle Aktivität/Organismen, weshalb die Leichen

konserviert und nicht ganz abgebaut

werden.

Mineralisierung/Immobilisierung:

Beispiel C-N

abgeworfenes Laub wird

verbraucht/verarbeitet von Pilzen und

Bakterien (unter CO2 Verbrauch) →

Mineralisation (siehe oben), in unserem

Fall Nitrifikation → die Decomposer

nehmen wiederum aus der selben Schicht

Minerale auf (Immobilisierung). Daraus

ergibt sich die Nettomineralisierung aus der

Differenz von Mineralisierung und

Immobilisierung.

Im Endeffekt stellt alles ein Geben und Nehmen dar. Die

Pflanzen stellen organisches Material (Kohlenhydrate) zur

Verfügung, und bekommen den notwendigen N „zurück“.

Die Primärproduktion ist somit gekoppelt mit der

Mineralisierung: die Baumkrone als PP-Zone und der

Waldboden als Mineralisierungszone – sie sind vertikal

gekoppelt.

Wie aber verhält es sich in aquatischen Ökosystemen?

Schließlich haben wir auch knapp unter der

Wasseroberfläche eines Sees zB Primärproduktion und am

Gund Decomposition. In diesem Fall mischen sich die

Tauschprodukte durch Zirkulation des Wassers:

Sommerstagnation

Herbstzirkulation

Winterstagnation

Frühlingszirkulation

Page 21: Bio8 Ökologie Zusammenfassung

Enge Spirale → hoher Umsatz

weite Spirale → weniger Umsatz

Ästuare

= Flussmündungen in offene Gewässer, also

die Stelle, an der Süßwasser und Salzwasser

aufeinandertreffen. Hier ist die Handhabung

mit der Nährstoffkonzentration ganz

besonders: Salzwasser ist unten, Süßwasser

ist leichter und befindet sich oben. Die

„Linie“, auf der die

Salzkonzentrationsdifferenz und der

Temeraturunterschied am Stärksten ist, die

Pycnoclinie, bietet den lebenden und toten

Partikeln (Plankton und Nährstoffe) den

bestmöglichen Platz – sie werden nicht ins

offene Meer gespült und sind nahe

beieinander.

● Kapitel 13: Biogeochemische Kreisläufe

Definition: Biochemie ist die Wissenschaft der chemischen, biologischen und physikalischen Prozesse,

welche dem Aufbau und den Funktionen von Ökosystemen und Landschaften zu Grunde liegen.

Stoffhaushalt = Stoffflüsse in und aus Systemen, sowie den Stoffumsätzen im System selbst. Die

Bilanzierung der Flüsse erfolgt meistens an den Systemgrenzen.

C-Kreislauf/Haushalt