Biodiversität

• Störung des Systems

• Dauer der Störung hängt von Resistenz und Resilienz ab

Typische Folgen im Nahrungsnetz

• direkte Effekte:

  • Räuber verlieren Beute / Beute verliert Räuber → Populationsgrößen verschieben sich

• indirekte Effekte (Kaskaden):

  • Arten sind über viele Nahrungsbeziehungen verbunden („trophische Interaktionen“)

  • Änderungen können auf mehreren Stufen passieren (Nahrungsnetz-Kaskaden)

• Änderung von Artenzusammensetzung & Funktion:

  • Artverlust kann Ökosystemfunktionalität verringern (Degradation)

Warum das manchmal „kaum“ und manchmal „dramatisch“ ist

1) Funktionale Redundanz (Puffer)

• mehrere Arten erfüllen dieselbe Funktion

• Wegfall einer Art kann teilweise kompensiert werden → Funktion bleibt stabil

2) Keystone Species (hoher Hebel)

• fällt Keystone species weg, sind Effekte oft überproportional groß: definiert als stark interagierende Art mit großem Top-down-Effekt auf Artenvielfalt und Konkurrenz im Verhältnis zu ihrer Biomasse-Dominanz

• kann leichter zu Kaskaden, starker Umstrukturierung des Netzes und deutlicher Funktionsänderung kommen

3) (Ergänzend) Ecosystem Engineers

• manche Arten verändern physische Ressourcenverfügbarkeit für andere Organismen

• Wegfall kann deshalb ebenfalls viele Arten indirekt treffen

• Biomasseproduktion

  • hängt eng mit Primärproduktion zusammen (Nettoprimärproduktion = Bruttoprimärproduktion minus Atmung)

  • hohe Biomasseproduktion der Produzenten ermöglicht hohe Biomasse in höheren trophischen Ebenen

• Grasland (Experiment: Cedar Creek):

  • Zusammenhang zwischen Biodiversität und Biomasse

  • Primär-/Biomasseproduktion ist ressourcen-limitiert -> Zusammenhang unterschiedlich stark

• Wald:

  • Artenverlust kann Produktivität (Biomasse) deutlich senken

• wichtig: nicht immer „mehr Arten = mehr Biomasse“

  • funktionelle Redundanz

  • Keystone-Arten

  • Optimum bei mittlerer Diversität

  • Vergleiche sind kontextabhängig

• Beziehung zwischen Fläche und Artenzahl ist eines der grundlegendsten Prinzipien in der Ökologie

• Anzahl Arten (S) auf einer Insel steigt mit deren Größe (A):

• c und z sind Konstanten, wobei z die Steigung und c den Achsenabschnitt bestimmt

• Beispiel: Artenzahl auf karibischen Inseln steigt mit Größe

• Species-area relationship kann genutzt werden, um Auswirkung von Habitatverlust vorherzusagen: Rückgang der Habitatfläche führt zu Verlust von Arten

• Habitatverlust durch Landnutzungsänderungen (z.B. Entwaldung, Urbanisierung) ist aktuell stärkster Treiber des Biodiversitätsrückgangs in terrestrischen Lebensräumen weltweit

• Rückgang der Waldfläche erklärt Rote Liste Status von Wirbeltieren

• Habitatfragmentierung -> Prozess besteht aus zwei Komponenten:

  • Rückgang der Habitatfläche = habitat loss

  • Zunahme der Distanz zwischen Flächen = fragmentation per se

  • beide Prozesse sind i.d.R. stark korreliert

• direkte Nutzung fällt weg (z. B. Nahrung, Rohstoffe)

• indirekt: Ökosystemfunktionen/Leistungen sinken (Bestäubung, Wasserreinigung)

• Resistenz = wie stark das Ökosystem durch die Störung überhaupt „aus der Spur“ gerät

  • Stärke der Degradation hängt von Resistenz ab

• Resilienz = wie schnell und ob es nach der Störung seine grundlegende Funktionalität wiedererlangt, statt in einen anderen Zustand zu kippen

  • Dauer der Degradation hängt von der Resilienz ab

  • Resilienz ist Fähigkeit, Funktionalität zu behalten

• Produzenten machen aus anorganischen Kohlenstoff -> organisches Material, indem sie Lichtenergie in chemische Energie umwandeln

• Typisch (Photosynthese)

Brutto- vs. Nettoprimärproduktion

• Bruttoprimärproduktion (BPP/GPP): gesamte Umwandlungsrate von Energie in organisches Material durch Autotrophe

• Nettoprimärproduktion (NPP): BPP – Energieverlust durch Atmung der Produzenten

a)

• über Biomassezuwachs (Ernte/Standing crop)

• oder Gaswechsel/CO₂-Aufnahme (je nach Methode)

b)

• Pflanzen atmen selbst (Brutto vs. Netto)

• Herbivorie/Abwurf/Export von Biomasse

• zeitliche Dynamik, Speicherorgane

• gebietsfremd eingeführt

• etablieren sich, breiten sich aus

• verursachen (potenziell) ökologische/ökonomische/gesundheitliche Schäden

• Introduced (eingebracht)

• Casual (nicht dauerhaft selbsterhaltend)

• Naturalized (dauerhaft, selbsterhaltend)

• Invasive (Ausbreitung + Wirkung)

a)

• Archäobiota: alteingeführte Arten (historisch, „früh“ eingewandert)

• Neobiota: neu eingeführte Arten (später/modern, oft durch globalen Handel)

b)

• Pflanzenbeispiel (invasiv): z. B. schnellwachsende, konkurrenzstarke Neophyten

• Tierbeispiel (invasiv): z. B. aquatische Neozoen über Schifffahrt

• Ressourcenverfügbarkeit & Effizienz der Ressourcennutzung

• physiologische Toleranz/Plastizität & genetische Anpassungsfähigkeit

• Aufenthaltsdauer (Residence time)

• biotische Interaktionen: Feinde, Krankheitserreger, Herbivoren; bestehende Artengemeinschaft

• Störungsgrad

• kultureller/ökonomischer Einfluss, regionale Geschichte, soziale Aktivitäten

• Dispersal filter: kommt die Art überhaupt hin?

• Environmental filter: passen Standortbedingungen?

• Interaction filter: setzen sich Interaktionen durch (Konkurrenz, Prädation, Mutualismus)?

• Konkurrenz

• Prädation/Herbivorie

• Parasitismus/Pathogene

• Mutualismus (z. B. Bestäuber, Symbiosen)

• Habitatstruktur (z. B. Totholz)

• Boden/Salinität/pH, Nährstoffe, Störung, Hydrologie

• Ressource (Nahrung/Substrat)

• Habitat/Brutraum/Schutz

• fördert Mikrohabitat-Vielfalt

• Mikroplastik

• Schwermetalle

• Pharmazeutika/Kosmetikreste

• Abwasser/Einträge aus Kläranlagen

• Toxizität/Letalität

• Reproduktion/Entwicklung gestört

• endokrine Effekte (Hormonsystem)

• Selektion/Resistenzentwicklung

• teils genetische/epigenetische Effekte

• Stockholm-Konvention (POPs)

• Minamata-Konvention (Quecksilber)

• Basel-Konvention (Abfälle)

• hormonelle Wirkungen (z. B. Verweiblichung bei Fischen)

• Verhaltensänderungen, Immun-/Stressreaktionen

• chronische Effekte bei niedrigen Konzentrationen

• Organismen investieren Abwehr dort, wo sie am meisten „lohnt“

• kann erklären, warum manche Arten in neuem Gebiet anders verwundbar/erfolgreich sind

• Listen beruhen auf wissenschaftlichen Bewertungen/Risikoanalysen

  • Ausbreitungspotenzial

  • ökologische/ökonomische Schäden

  • Management-/Bekämpfbarkeit

• Idee:

  • Weiße Liste: unproblematisch/geringes Risiko

  • Graue Liste: unklar / Datenlücken / potenziell riskant

  • Schwarze Liste: klar invasiv, hohe negative Effekte → Handlungsbedarf

• räumliche Elemente:

  • Flussbett + Uferzone

  • aktive Aue (regelmäßig überflutet; dynamisch)

  • Altaue (seltener überflutet; stabiler)

  • Altarme/Stillgewässer, Seitenarme

• Funktionen:

  • Retentionsraum (Hochwasser)

  • Nährstoff-/Sedimentrückhalt

  • Hotspot für Biodiversität

• Klimaregulierung (C-Speicherung)

• Wasserreinigung/Filtration

• Hochwasserregulation (Retention)

• Erosionsschutz

• Bestäubung

• Schädlings-/Krankheitsregulation (weitere mögliche: Mikroklima, Luftreinigung)

• Moore/Feuchtgebiete (sehr hohe C-Speicher)

• Wälder (Biomasse + Böden)

• Grünland-Böden (Boden-C, wenn dauerhaft)

• Auen (Sediment-/C-Rückhalt, hohe Produktivität)

• abiotisch: Licht, Temperatur, Wasser, pH, Nährstoffe, Substrat/Boden, Strömung

• biotisch: Konkurrenz, Prädation, Parasiten, Mutualismen

• Struktur: Totholz, Vegetationsstruktur, Mikrohabitate

• Bestäubung ist regulierende ÖSL → wichtig für Wildpflanzen & viele Kulturpflanzen

• Artensterben (Bestäuber) → Bestäubungsleistung ↓

• Folgen:

  • Erträge/Qualität ↓ (bei bestäubungsabhängigen Kulturen)

  • Pflanzengemeinschaften verändern sich → Kaskaden im Ökosystem

• Arten/Artengruppen zeigen Umweltzustand an (empfindlich gegenüber Stressoren)

• Beispiele:

  • Makrozoobenthos für Gewässergüte

  • Flechten für Luftqualität

  • Zeigerpflanzen für Boden-pH/Nährstoffe

• Barrieren:

  • Gebirge, große Flüsse/Seen/Meere

  • ungeeignete Klimaphasen/Standorte

  • fehlende „Trittsteine“/Habitatkontinuität

• biologische Limits:

  • geringe Dispersionsfähigkeit

  • Konkurrenz/fehlende Mutualisten

• Einflussfaktoren:

  • Klimaerwärmung → Vegetationssukzession

  • Megafauna-Veränderungen

  • Mensch: Jagd, Feuer, frühe Landwirtschaft/Landnutzung

• Archäobiota

  • Arten, die früh mit dem Menschen (v. a. seit Neolithikum) eingewandert sind

  • häufig Ackerbegleitflora/„Kulturfolger“

• Pestizide:

  • Herbizide, Insektizide, Fungizide

• weitere Gruppen:

  • Schwermetalle

  • Mikroplastik

  • Pharmazeutika/Hormonaktive Stoffe

  • Nährstoffüberschüsse (N, P) als „Belastung“

• Wirkungen:

  • Toxizität, Reproduktion/Entwicklung, Verhaltensänderungen, Nahrungsnetz-Effekte

• Ausweichen: Arealverschiebung (nach Norden/bergauf), Nutzung von Refugien

• Plastizität: Verhalten/Physiologie/Phänologie anpassen

• Evolutionäre Anpassung: Selektion → genetische Veränderung (wenn Variation + Zeit)

• Einschränkungen:

  • Barrieren/Fragmentierung

  • zu schnelle Klimaänderung

  • fehlende Interaktionspartner (Bestäuber, Symbionten)

• mögliche Reaktionen:

  • Abundanz ↓/↑, Arealverschiebung, lokale Aussterben

  • veränderte Phänologie (z. B. Frühling früher)

  • Anpassung oder „Mismatch“ (z. B. Nahrung nicht synchron)

• funktionell wichtige Arten:

  • Keystone / „Schlüsselarten“ → Veränderungen wirken stark auf Gemeinschaft/ÖSL

• Ausbreitungswege:

  • Wind (leichte Samen: z. B. Birke)

  • Tiere (Nüsse/Beeren: Eichelhäher, Säuger)

  • Wasser (Auenarten, Drift)

  • Mensch (Pflanzung, Verschleppung)

• Geschwindigkeit abhängig von Samenbiologie + Landschaftskonnektivität

• Biodiversität:

  • Habitatverlust/Fragmentierung → Spezialisten verlieren Lebensraum

• Klima/C:

  • C-Speicher ↓ (Biomasse + Boden), Mikroklima verändert

• Boden:

  • Erosion ↑, Nährstoffverluste ↑, Wasserhaushalt verändert (Infiltration/Abfluss)

• Dispersal filter: kommt die Art überhaupt an? (Barrieren, Distanz, Vektoren)

• Environmental filter: passen Standortbedingungen? (Klima, Boden, Struktur, Totholz)

• Interaction filter: biotische Wechselwirkungen (Konkurrenz, Prädation, Mutualismus)

• Zuordnungsregel:

  • Problem = „kommt nicht hin“ → Dispersal

  • Problem = „überlebt nicht“ → Environmental

  • Problem = „wird verdrängt/gefressen“ → Interaction

1) Unterstützende Dienste: Lebensraum & Biodiversität

• direkt lebensnotwendig: obligat xylobionte Arten nutzen es als Lebensraum und Ressource

• indirekte Vorteile (fakultativ xylobiont): Totholz liefert Struktur, Schutz, Mikroklima und Nahrung

• hohe Naturschutzrelevanz: 28% der >1000 Totholzkäferarten in Deutschland stehen auf der Roten Liste

2) Unterstützende Dienste: Nährstoffkreisläufe durch Zersetzung

• Abbau von organischem Materials führt zur Rückführung von Nährstoffen (Mineralisation)

• Prozesse sind stark abhängig von Zersetzergemeinschaften und der Region

• holzzersetzende Pilze können baumarten-spezialisiert sein

3) Regulierende Dienste: Beitrag zu Klima- und Wasserhaushalt (Hinweis aus Forschungskontext)

• entscheidender Steuerfaktor im Zusammenhang mit Kohlenstoffspeicherung im Boden und Wasserhaushalt in naturnahen Buchenwäldern

1) Grundstruktur: Wer steht mit wem „in Beziehung“?

• Produzenten bauen durch Primärproduktion organische Substanz auf („Basis“ des Netzes)

• Konsumenten (Chemoheterotrophe) nutzen Biomasse; hohe Produzenten-Biomasse ermöglicht hohe Biomasse in höheren trophischen Ebenen

  -> trophische Ebenen

2) Die wichtigsten Beziehungstypen im Nahrungsnetz

• Herbivorie (Pflanzenfressen)

• Prädation: Räuber–Beute-Beziehungen

• Parasitismus: Parasit nutzt Wirt (meist ohne sofortige Tötung)

3) Richtung der Wirkung: bottom-up vs. top-down

Trophische Beziehungen wirken in beide Richtungen:

• Bottom-up: Ressource/Primärproduktion bestimmt, wie viel „nach oben“ möglich ist

• Top-down: Räuber/Parasiten regulieren darunterliegende Ebenen und verändern dadurch indirekt Pflanzen

• Herbivorie: Auswirkungen top-down und bottom-up

4) Indirekte Beziehungen: trophische Kaskaden

Weil viele Arten mehrfach verknüpft sind, gibt es Kaskaden-Effekte:

• Beispiel top-down cascade Yellowstone:

  • Wiedereinführung (Prädatoren) → Rückgang/Verhaltensänderung von Herbivoren → geringerer Verbiss → Zunahme der Vegetation

• Störungen können auch Kaskaden auslösen

5) Sonderfall: „stark interagierende“ Arten (Keystone)

• Keystone species = Arten mit großem Top-down-Effekt auf Artenvielfalt/Konkurrenz relativ zu ihrer Biomasse-Dominanz

6) Noch ein Nahrungsnetz-Thema: Stoffe „wandern mit“

• entlang trophischer Ebenen kann es zur Bioakkumulation/Biomagnifikation kommen