Ökologie 4

• die Masse Chemischer Elemente bleibt in einem Kreislauf gleich, ob schon die Elemente in unterschiedlicher Form vorliegen

• benötigen ständige Energie- und Massenzufuhr, um einen höheren strukturellen und funktionellen Ordnungsgrad erreichen zu können

• um die Homöostase (Feißgleichgewicht) aufrecht zu erhalten werden Wärme sowie Stoffwechselprodukte wieder abgegeben

• Ökosysteme haben interne, in sich geschlossene Stoffkreisläufe und zeigen einen stetigen Energiefluss, wobei die Energie durch die Ökosysteme hindurch fließt

• die Organismen der niedrigen Trophieebene sind autotroph

• die Organismender höherenTrophieebenen sind heterotroph

  -> sie sind direkt oder indirekt auf die Biosyntheseprodukte der Primärproduzenten angewiesen

• Primärproduzenten (autotroph)

  • meistens photosynthetisch aktiv, das heißt, sie nutzen die Strahlungsenergie zur Synthese von Zuckern und anderen organischen Verbindungen

• Primärkonsumenten (heterotroph)

  • die Herbivoren (Phytophagen)

• Sekundärkonsumenten

  • Carnivore, denen andere Carnivore als Beute dienen

• Destruenten (Reduzenten)

  • bauen organische Substanz ab, ihre Energie beziehen sie aus Detritus, unbelebten organischen Material, z.B. Überresten toter pflanzlicher und tierischer Organismen

    
    

• die Menge organischer Substanz, die während eines bestimmten Zeitraums von autotrophen Organismen gebunden wird

  • Bruttoprimärproduktion (BPP)

  • Nettoprimärproduktion (NPP)

• in aquatischen Ökosystemen (Meer- und Süßwasser):

  • spielen sowohl Licht- als auch Nährstoffmengen für die Größe eine entscheidende Rolle

  • limitierender Faktor in Meeren ist weniger das Licht als vielmehr das Vorhandensein bestimmter Nährstoffe

    -> Stickstoff oder der Phosphor

  • besonders hoch in Regionen, in denen kaltes und besonders nährstoff- und sauerstoffreiches Tiefenwasser an die Meeresoberfläche gelangt

• in terrestrischen Ökosystemen

  • in einem großräumigen Maßstab sind die Temperatur und die Wasserverfügbarkeit die beiden wichtigsten Faktoren, die über die Größe bestimmen

  • die reale Evapotranspiration macht den Unterschied zwischen trockenen und feuchten Klimabereichen aus

  • es gibt eine positive Korrelation zwischen der Netto-primärproduktion und der realen Evapotranspiration

• Bruttoprimärproduktion (BPP)

  • die gesamte organische Substanz, die im Laufe eines Jahres durch die photo-autotrophe Pflanzen über die Photosynthese in einem Ökosystem gebunden wird

• Nettoprimärproduktion (NPP)

  • Bruttoprimärproduktion unter Abzug der Energie R, die von den Primärproduzenten zur Atmung im Rahmen des Betriebsstoffwechsels verbraucht wird

    • jährliche Nettoprimärproduktion hängt v.a. von klimatischen Faktoren ab und nimmt von den Polen zum Äquator hin zu

    • in terrestrischen Ökosystemen ist sie erheblich höher als beispielsweise in den Meeren

    • lässt sich mit Strahlenmessgeräten in Satelliten durch Reflexionsmuster von Wasseroberflächen, Wolken, Schneefeldern, Vegetationsflächen bestimmen

• die Anreicherung von Nährstoffen in Ökosystemen oder Ökosystemteilen, unabhängig davon, ob er natürlich oder durch den Menschen bedingt ist

• die jährliche Gesamtmenge der Transpiration durch Pflanzen und der Evaporation von Boden- und Wasserflächen

• die von heterotrophen Organismen des Ökosystems aufgenommenen Menge organischer Substanz, die für den Aufbau der eigenen Körpersubstanz in einem bestimmten Zeitraum genutzt werden

• Netto-Produktionseffizienz

• Sekundärproduktivität

• liegt in der Regel bei ungefähr 10%, das Spektrum reicht je nach Ökosystemtyp von 5 bis 20%

• etwa 90% der Energie, die auf einer Trophieebene zur Verfügung steht, werden nicht auf die nächsthöhere Trophieebene weitergegeben

• Nährstoffzyklen an denen sowohl biotische als auch abiotische Bestandteile beteiligt sind

  • Kohlenstoff, Sauerstoff, Schwefel und Stickstoff liegen in Gasform in großen Mengen in der Atmosphäre vor, und die Kreisläufe dieser Elemente laufen im Wesentlichen im globalen Maßstab ab

  • Andere Elemente, darunter Phosphor, Kalium und Calcium, sind zu schwer und kommen nicht gasförmig vor; in terrestrischen Ökosystemen durchlaufen diese Elemente eher einen lokal begrenzten Kreislauf

• die meisten Ökosysteme nehmen zwar große Mengen an Solarstrahlung auf, chemische Elemente hingegen stehen nur in begrenzten Mengen zur Verfügung

• das Leben auf der Erde ist deshalb auf die Wiederverwertung der Nährstoffe angewiesen

• ein Modell der Nährstoffkreisläufe verdeutlicht die wichtigsten Reservoire der Elemente und ihre Transportwege:

  • jedes Reservoir ist durch zwei Eigenschaften definiert:

    • Trennung zwischen organischem und anorganischem Material

    • die vorhandene Verfügbarkeit für Organismen

• es gibt vier Kreisläufe:

  • Wasser

  • Kohlenstoff

  • Stickstoff

  • Phosphor

• damit der Luftstickstoff für Pflanzen verfügbar wird, muss er im Verlauf der sogenannten Stickstofffixierung zu NH3 reduziert werden

• ist die aerobe Oxidation von Ammoniak zu Nitrit und Nitrat

• Da der Mensch durch sein enormes Bevölkerungswachstum und seine landwirtschaftlichen und industriellen Aktivitäten die gesamte Biosphäre beeinflusst, muss man seine Eingriffe in Stoffkreisläufe und deren Auswirkungen auf Ökosysteme berücksichtigen

  • Die Intensivierung landwirtschaftlicher Flächen führt zu einer zunehmenden Verarmung der Böden

  • Die Gesellschaft transportiert Nährstoffe über die Erde hin und her

  • Der Mensch bringt auch ganz neue Substanzen in die Ökosysteme ein – manche davon sind toxisch

  • Der wichtigste Nährstoff, der durch eine landwirtschaftliche Nutzung verloren geht, ist der Stickstoff

    • Deshalb wirkt sich auch die Landwirtschaft so stark auf den Stickstoffkreislauf aus

    • Den Verlust an nutzbarem Stickstoff ersetzt man in landwirtschaftlichen Ökosystemen durch künstlichen Dünger

    • Die Auswirkungen auf das Ökosystem können negativ sein

• Der wichtigste Gesichtspunkt im Zusammenhang mit Nährstoffüberschüssen ist die Belastungsgrenze von Ökosystemen, die zusätzliche Menge an Stoffen, die ein Ökosystem gerade noch aufnehmen kann, ohne geschädigt zu werden

• Beim Verbrennen von Holz und fossilen Energieträgern wie Kohle und Erdöl werden Schwefel- und Stickoxide frei, die mit dem Wasser in der Atmosphäre zu schwefliger beziehungsweise salpetriger Säure reagieren, die als saurer Niederschlag auf die terrestrischen Ökosysteme fällt

• Dieser Regen, Schnee, Graupel oder Nebel hat einen pH-Wert von unter 5,2

• Der saure Niederschlag lässt den pH-Wert von Bächen und Seen absinken, was sich auf die dortigen chemischen Verhältnisse des Wassers und des Bodensediments sowie auf die verfügbaren Nährstoffmengen auswirkt

• Die Zunahme der Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre und die daraus resultierende globale Erwärmung wirkt sich in einem noch gar nicht genauer abzusehenden Ausmaß auf die Ökosysteme aus

• CO2, Wasserdampf und andere Treibhausgase reflektieren die von der Erde abgegebene Infrarot-strahlung zurück zur Erde

• Durch diesen Vorgang wird ein Teil der Sonnenwärme in der Troposphäre eingefangen

  • Gäbe es diesen natürlichen Vorgang nicht, läge die Durchschnittstemperatur an der Erdoberfläche bei –18°C, und Leben wäre mehr oder weniger unmöglich

  • Der deutliche Anstieg des CO2-Gehalts der Atmosphäre während der letzten 150 Jahre ist wegen des Zusammenhangs mit dem globalen Temperaturanstieg aus wissenschaftlicher Sicht ein Anlass zur Besorgnis

  • anthropogener Treibhauseffekt

• Das Leben auf der Erde ist durch eine Schicht von Ozonmolekülen in der Atmosphäre vor den zerstörerischen Folgen der UV-Strahlung aus dem Weltraum geschützt

• Satellitenaufnahmen der Atmosphäre zeigen, diese Ozonschicht wird seit 1975 immer dünner

• Die Zerstörung der Ozonschicht in der Stratosphäre hat ihre Ursache vor allem in der Anreicherung der Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs)

  -> entsehen von Ozonloch

• Naturschutzbiologie

  • Erhalt der biologischen Vielfalt auf allen Hierachieebenen unter verwendung der Ökologie, Physiologie, Molekularbiologie, Genetik und Evolutionsbiologie zusammen

• Renaturierungsökologie

  • Anwendung der ökologischen Erkenntnisse, um Ökosysteme, die durch Tätigkeiten der Menschen beeinträchtigt oder zerstört wurden, wieder in einen natürlichen Zustand zu versetzen

• drei Ebenen der biologischen Vielfalt:

  1) Genetische Vielfalt

  -> Gefahr: Lebensraumverlust

  2) Artenreichtum

  -> Gefahr: eingeschleppte Arten

  3) Ökosystemvielfalt

  -> Gefahr: übermäßige Ausbeutung

• Auf allen Ebenen der Biodiversität können Verluste weitreichende, nicht abschätzbare Folgen haben, weil wir vielfach die Bedeutung oder den Nutzen von Arten oder Ökosystemen noch gar nicht kennen

• Da wir die Anzahl der heute lebenden Arten nur schätzen können, lässt sich die Geschwindigkeit des Artensterbens nicht im Einzelnen feststellen

• Die Geschwindigkeit des Artensterbens ist aber in jedem Falle hoch, denn der Mensch bedroht auf allen Ebenen die globale biologische Vielfalt

• Sämtliche in Ökosystemen ablaufende Prozesse, auf die auch der Mensch zum Überleben angewiesen ist

  • Reinigung von Luft und Wasser

  • Nahrungsmittelgewinnung

  • Nährstoffzirkulation

  • Abminderung von extremen Witterungslagen

  • Bestäubung von Pflanzen

• adventive Arten, die von ihren ursprünglichen natürlichen Feinden nicht mehr eingeschränkt sind, die sich rasant reproduzieren und dadurch einheimische Arten bedrohen

• Bioinvasion

• Eingeschleppte Arten

• sind Pflanzen(Neophyten )- und Tierarten(Neozoen), die durch den Menschen aus anderen Klimazonen unabsichtlich eingeschleppt oder absichtlich eingeführt wurden

• Wenn solche Arten(Neobiota) von ihren natürlichen Feinden, Parasiten und Krankheitserregern befreit sind, können sie sich unter Umständen sehr schnell vermehren

• Beispiel

  Kudzu, eine in Asien heimischen Schmetterlingsblütler in den USA um die Erosion einzudämmen; -> heute überwuchert diese Art weite Teile der Landschaft

• welche Vorgänge führen zum Aussterben stark dezimierter Populationen

  • In einer kleinen Population kann es leicht durch Inzucht und Gendrift zu positiven Rückkopplungsprozessen kommen, die die Population in eine so genannte Aussterbespirale ziehen

• Eine sinnvolle Abschätzung der MVP setzt die Ermittlung der effektiven Populationsgröße (N_e)voraus

• Man versteht darunter eine ideale Populationsgröße dieser Art, bei der bei allen Eltern eine gleiche Wahrscheinlichkeit besteht, mit ihrem Genbestand am Aufbau der nächsten Generation beteiligt zu sein

• Populationen, die einen deutlichen Individuenschwund erkennen lassen, können auch weit oberhalb der MVP durch zufällige Umweltereignisse ausgelöscht werden

  • Untersuchungen hierzu konzentrieren sich auf die Umweltfaktoren, die überhaupt erst die Reduktion einer Population bewirken

• Beim Artenschutz muss man häufig die biologischen und ökologischen Bedürfnisse einer Art gegen andere konkurrierende Anforderungen abwägen

• Eine Maßnahme, die auf die Erhaltung einer einzelnen Art abzielt, birgt die Gefahr negativer Auswirkungen auf die Populationen anderer Arten

• ein Übergangsbereich zwischen zwei verschiedenen Ökosystemen

• Da viele Arten in mehreren Ökosystemen oder an deren Grenzen leben, kommt den Rändern von Ökosystemen große Bedeutung für die biologische Vielfalt

• Ein Ökoton, in dem Gradienten von Umweltbedingungen zu finden sind, zeichnet sich durch ganz eigenständige physikalische Bedingungen und damit einhergehend bisweilen charakteristische Lebensgemeinschaften aus

• Besonders in fragmentierten Landschaften erweisen sich Korridore als wichtig, weil sie ansonsten isolierte Fragmente – und damit auch Populationen – miteinander verbinden

• als Schutzgebiete prädestiniert

• in der Regel ein relativ kleines Gebiet mit einer außergewöhnlich hohen Dichte endemischer Arten oder zahlreichen gefährdeten oder bedrohten Arten

• In vielen Fällen macht es Sinn, den Kern eines Schutzgebietes mit mehreren weiteren Zonen zu umgeben, die als Pufferzonen wirken, und in denen unterschiedliche menschliche Eingriffe gestattet sind

• Man unterscheidet im Wesentlichen je nach Maßnahmen und Ziel zwischen

  • Restauration

    -> Rückführung in den ursprünglichen (historischen) Zustand

  • Restitution

    -> Wiederherstellung eines ursprünglichen Zustands mit technischen Hilfsmitteln

  • Rehabilitation

    -> Wiederherstellung von bestimmten Biotopqualitäten oder ökologischen Prozessen

• Die biologische Entgiftung von Schadstoffen belasteter Ökosysteme durch Organismen

• ein Verfahren, bei dem Organismen in ein Ökosystem eingebracht werden, die diesem wichtige Substanzen zuführen

• Konzept verlangt, dass Bedürfnisse der Gegenwart befriedigt werden, ohne zu riskieren, dass künftige Generationen ihre eigenen Bedürfnisse nicht befriedigen können

• Das ökologische Hilfsmittel, um langfristige Prioritäten im Naturschutz festlegen zu können, ist das Konzept der Nachhaltigkeit

• Rechtsgrundlage für Naturschutz EU: Vogelschutzrichtlinie und FFH-richtlinie

• erster Hauptsatz der Thermodynamik

  • Energie tritt meistens als Sonnenstrahlung in ein Ökosystem ein, wird bewahrt und weitergegeben sowie schließlich in Form von Wärme wieder abgegeben

• zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

  • im Ökosystem gibt es keine vollkommen effiziente, also verlustlose Energieübertragung, einige Anteile gehen dem jeweiligen Prozess als Wärme verloren

    -> Zunahme der Entropie

• legt die Grenzen für die photosynthetische Effizient der Ökosysteme fest

• jeden Tag treffen auf die Erdatmosphäre Sonnenstrahlen mit einer Gesamtenergie von rund 10^22Joule (Solarkonstante)

  • nur ein kleiner Anteil der Solarstrahlung, die die Vegetation erreicht, wird für die Photosynthese genutzt

    -> D.h. die sogenannte photosynthetisch aktive Strahlung (PAR)

• der Teil der mit der Nahrung aufgenommenen Energie, der nicht durch Atmung verloren geht

• der Großteil der Energie geht also verloren, was wiederum zur Folge hat, dass es nur eine begrenzte Zahl von Trophieebenen in einem Ökosystem geben kann (meist zwischen drei und fünf) und die Biomasse und Individuenzahl pro Ökosystem mit der Trophieebene abnehmen

  • 3% bei Säugern bis zu 40% bei Insekten

• Nettoproduktionseffizienz = (Nettosekundärproduktion x 100) / assimilierte Primärproduktion

• Tiere in Vgl.

  1) Säugetiere < Reptilien < Insekten

  2) Vögel < Fische < Mikroorganismen

• Nettosekundärproduktion

  -> Maß für die Umwandlung assimilierter Energie in Biomasse

• der Überschuss an Pflanzenmasse, die nicht von Herbivoren gefressen wird, kommt durch verschiedene Faktoren zustande, die die Zahl der Herbivoren limitiert

• hierzu gehören Nährstoffe, Prädatoren und Parasiten, abiotische Faktoren, intra- und interspezifische Konkurrenz sowie Abwehrmechanismen der Pflanzen

• Wasser ist für alle Organismen essenziell

• 97 % des in der Biosphäre enthaltenen Wassers fassen die Ozeane

• 2 % Polareiskappen und die Gletscher

• 1 % befindet sich in Seen, Flüssen und im Grundwasser

• Wasser bewegt sich durch Verdunstung, Kondensation, Transpiration, Niederschlag sowie durch Fluss auf der Erdoberfläche und im Grundwasserbereich

• Kreislauf wird durch Photodissoziation geöffnet

• Kohlenstoffbasierte organische Moleküle sind wesentliche Bestandteile aller Organismen

• Reservoire sind die Gesteinsschichten, Vorkommen fossiler Brennstoffe, Böden und Sedimente, Lösungen in den Ozeanen, den Pflanzen und der tierischen Biomasse sowie die Atmosphäre

• CO2 wird aufgenommen und freigesetzt durch die Photosynthese und die Atmung; zusätzlich geben Vulkanausbrüche und die Verbrennung fossiler Brennstoffe CO2 in die Atmosphäre ab

• er größte Speicherort des globalen Kohlenstoffs befindet sich in der Lithosphäre

• Stickstoff ist Baustein von Aminosäuren, Proteinen und Nucleinsäuren

• Das wichtigste Reservoir ist die Atmosphäre, die zu 80 % aus gasförmigem, elementarem Stickstoff (N2) besteht

• in dieser Form ist er für Pflanzen nur mit der Hilfe von Mutualisten (Bakterien/Prokatyoten, Actinomyceten) verfügbar

• Drei anorganische Formen des Stickstoffs :

  • Ammonium (NH4+), Nitrat (NO3-), elementaren Stickstoff (N2)

• Organismen brauchen Phosphor als wichtigen Bestandteil von Nucleinsäuren, Phospholipiden und ATP sowie für andere energiespeichernde Moleküle und als mineralischen Bestandteil von Knochen und Zähnen

• Die biologisch wichtigste anorganische Form des Phosphors ist Phosphat ([PO4] 3–), das von den Pflanzen aufgenommen und zur Synthese organischer Verbindungen genutzt wird

• Die größten Phosphorreservoire findet man in Sedimentgesteinen, die einen marinen Ursprung haben

• Da Humus und andere Bodenpartikel das Phosphat binden, findet der Phosphorkreislauf meist relativ lokal begrenzt in den Ökosystemen statt

• Tausende von synthetischen chemischen Verbindungen, die zuvor in der Natur nicht vorkamen

• In manchen Fällen überdauern gefährliche Substanzen in einem Ökosystem lange Zeiträume

• Dass Umweltgifte besonders schädlich sind, liegt unter anderem in dem Phänomen begründet, dass ihre Konzentration in den aufeinander folgenden Trophieebenen des Nahrungsnetzes immer weiter steigt, ein Vorgang, den man als biologische Akkumulation bezeichnet

• z.B.: polychlorierte Biphenyle (PCB), DDT (Dichlordiphenyltrichlor-ethan)

• Der Mensch nutzt Organismenarten mit einer so großen Intensität, dass sich ihre Populationen nicht mehr erholen können

• Beispiel

  Viele Bestände kommerziell bedeutsamer Meeresfische, die man früher für unerschöpflich hielt, wurden durch Überfischung drastisch dezimiert, wie etwa der Blauflossenthunfisch

• Die Veränderung der Lebensräume durch den Menschen ist auf der gesamten Erde die größte Gefahr für die biologische Vielfalt

• Beispiel

  in Mexiko und Mittelamerika wurden 98 % aller tropischen Trockenwälder abgeholzt

der Teil der Biomasse eines Ökosystems oder Ökosystemteils, der geerntet werden kann, also zu einem bestimmten Zeitpunkt vorhanden is