Ökologie - Grundlagen für das Abitur

Diese Zusammenfassung behandelt alle wichtigen Ökologie-Themen für deinen Biologie-Leistungskurs. Du findest hier kompaktes Wissen zu ökologischen Grundprinzipien, Stoffkreisläufen, Energiefluss und den Wechselbeziehungen zwischen Organismen.

Die Ökologie gehört zu den häufig geprüften Bereichen im Biologie Abitur. Mit diesem Überblick bist du gut auf Klausuren und die Abiturprüfung vorbereitet.

💡 Tipp für deine Prüfungsvorbereitung: Erstelle dir Mindmaps zu den Hauptthemen und verbinde sie mit konkreten Beispielen aus der Natur. Das hilft dir, Zusammenhänge besser zu verstehen und zu behalten.

Umweltfaktoren und ökologische Potenz

Die Ökologie erforscht die Wechselwirkungen zwischen Organismen und ihrer Umwelt – sowohl der belebten (biotischen) als auch der unbelebten (abiotischen) Umgebung.

Abiotische Umweltfaktoren umfassen Temperatur, Licht, Wasser, Sauerstoffgehalt, Nährstoffe, pH-Wert und Schadstoffe. Biotische Faktoren sind dagegen Einflüsse durch andere Lebewesen, wie Konkurrenz um Nahrung, Fressfeinde oder Symbiosen.

Jede Art kann Umweltfaktoren unterschiedlich gut tolerieren. Die Toleranzkurve zeigt, wie ein Organismus auf verschiedene Intensitäten eines Umweltfaktors reagiert:

• Das Optimum ist der Bereich, in dem die Art am besten gedeiht
• Im Präferendum hält sich der Organismus bevorzugt auf
• Im Pessimum ist nur kurzfristiges Überleben ohne Fortpflanzung möglich
• Minimum und Maximum markieren die Grenzen des Überlebens

Die ökologische Potenz beschreibt, wie gut eine Art Schwankungen verkraften kann:

• Euryöke Arten haben einen breiten Toleranzbereich
• Stenöke Arten haben einen engen Toleranzbereich

💡 Merke: Die ökologische Nische einer Art wird nicht nur durch einen, sondern durch alle relevanten Umweltfaktoren bestimmt. Je spezialisierter eine Art, desto anfälliger ist sie für Umweltveränderungen.

Temperatur als abiotischer Umweltfaktor

Die Temperatur beeinflusst alle Stoffwechselprozesse. Nach der RGT-Regel verdoppelt sich die Reaktionsgeschwindigkeit bei einer Temperaturerhöhung um 10°C. Ab 40°C denaturieren jedoch Proteine, unter 0°C gefriert Wasser, was die biologischen Strukturen zerstört.

Es gibt zwei grundlegende Strategien mit Temperatur umzugehen:

• Homoiotherme (gleichwarme) Tiere halten ihre Körpertemperatur konstant
• Poikilotherme (wechselwarme) Tiere passen ihre Körpertemperatur an die Umgebung an

Für homoiotherme Tiere gelten wichtige Klimaregeln:

• Bergmann'sche Regel: In kälteren Regionen sind Tiere größer (Verhältnis von Volumen zu Oberfläche)
• Allen'sche Regel: In kälteren Regionen haben Tiere kürzere Körperfortsätze (Ohren, Schwänze)
• Hesse'sche Regel: In kälteren Regionen haben Tiere größere Herzen (erhöhter Stoffwechsel)
• Gloger'sche Regel: In feuchteren Gebieten sind Tiere dunkler gefärbt (Schutz vor Bakterien)

Vorteile der Homoiothermie: konstante Leistungsfähigkeit, Besiedlung unterschiedlicher Standorte Nachteile: hoher Energieaufwand, ständige Nahrungszufuhr nötig

Vorteile der Poikilothermie: energiesparend, geringerer Nahrungsbedarf Nachteile: eingeschränkte Aktivität bei ungünstigen Temperaturen

💡 Prüfungstipp: Bei Klimaregeln immer auf die Begründung eingehen! Der Zusammenhang zwischen Körpergröße und Wärmeabgabe (Volumen-Oberflächen-Verhältnis) ist besonders wichtig.

Homoiothermie, Poikilothermie und weitere Umweltfaktoren

Homoiotherme (gleichwarme) Tiere:

• Körpertemperatur bleibt unabhängig von der Umgebungstemperatur konstant
• Dazu gehören Vögel und Säugetiere
• Haben wirksame Regulationsmechanismen wie Schweißbildung oder isolierende Körperbedeckung
• Bei extremen Temperaturen: Winterschlaf oder Winterruhe

Poikilotherme (wechselwarme) Tiere:

• Körpertemperatur passt sich der Umgebung an
• Dazu gehören Fische, Amphibien, Reptilien und Wirbellose
• Regulieren Temperatur durch Verhalten (Sonnenbaden, Schattensuche)
• Bei extremen Temperaturen: Kälte- oder Wärmestarre

Licht ist ein weiterer wichtiger abiotischer Faktor:

• Aktiviert Lebensrhythmen (Tag-Nacht-Rhythmus)
• Dient zur Orientierung und Reviermarkierung
• Beeinflusst den Saisondimorphismus (jahreszeitlich unterschiedliche Erscheinung)
• Bietet Schutz durch Tarnung

Wasser ist lebenswichtig für alle Organismen:

• Notwendig für Stoffwechselprozesse
• Reguliert Osmoseprozesse und Zellinnendruck
• Transportiert wasserlösliche Stoffe
• Unterstützt die Ausscheidung von Abfallstoffen
• Reguliert die Körpertemperatur durch Verdunstung

💡 Zusammenhang verstehen: Die ökologische Potenz einer Art wird durch ihren Umgang mit Temperatur, Licht und Wasser maßgeblich bestimmt. Arten mit hoher Anpassungsfähigkeit an wechselnde Bedingungen können mehr Lebensräume besiedeln.

Biotische Umweltfaktoren: Tarnung und Warnung

Die Interaktionen zwischen Organismen haben zu faszinierenden Anpassungen geführt. Besonders im Räuber-Beute-Verhältnis haben sich verschiedene Strategien entwickelt:

Tarnstrategien:

• Tarntracht: Anpassung an die Umgebung im Erscheinungsbild (z.B. Schneehase)
• Schrecktracht: Auffällige Körperzeichnung, die größere Tiere vortäuscht (z.B. Schmetterlinge mit Augenflecken)
• Mimese: Nachahmung von Teilen des Lebensraums
  • Zoomimese: Nachahmung anderer Tiere
  • Phytomimese: Nachahmung von Pflanzen (z.B. Wandelndes Blatt)
  • Allomimese: Nachahmung von Gegenständen (z.B. Lithops/Lebende Steine)

Warnstrategien:

• Warntracht: Auffällige Färbung, die Fressfeinde abschreckt (z.B. Wespe)
• Mimikry: Verschiedene Formen der Nachahmung:
  • Bates'sche Mimikry: Harmlose Arten imitieren gefährliche (z.B. Wespenschwebfliege)
  • Müller'sche Mimikry: Mehrere ungenießbare Arten ähneln sich gegenseitig
  • Merten'sche Mimikry: Gefährliche und ungefährliche Arten ahmen mittelgefährliche nach
  • Peckham'sche Mimikry: Anpassung zum Anlocken von Beute oder Partnern

Diese Anpassungen sind durch Koevolution entstanden – einen evolutionären Prozess, bei dem Arten sich gegenseitig beeinflussen und Selektionsdruck aufeinander ausüben.

💡 Prüfungstipp: Für das Abitur ist es wichtig, die verschiedenen Mimikry-Formen unterscheiden zu können. Lerne dazu konkrete Beispiele, die du in der Prüfung nennen kannst!

Interspezifische Lebensgemeinschaften

Für das Überleben in Ökosystemen sind Wechselbeziehungen zwischen Arten entscheidend. Sie werden durch zwei wichtige Gesetze beeinflusst:

Minimumgesetz (Liebig): Der am stärksten vom Optimum abweichende Umweltfaktor begrenzt die Überlebensfähigkeit.

Optimumgesetz (Liebscher): Je näher alle anderen Faktoren am Optimum sind, desto negativer wirkt sich der limitierende Faktor aus.

Arten von Lebensgemeinschaften:

• Symbiose (+/+): Beide Partner profitieren (z.B. Flechten aus Pilz und Alge)
• Parasitismus (+/-): Ein Partner nutzt den anderen aus und schädigt ihn
• Karpose (+/0): Ein Partner hat Vorteile, der andere weder Vor- noch Nachteile
• Episitismus (+/-): Räuber-Beute-Beziehung zur Nahrungsbeschaffung

Arten von Symbiosen:

• Nach Abhängigkeit:

  • Protokooperation/fakultative Symbiose: gelegentliche Zusammenarbeit
  • Eusymbiose/obligate Symbiose: lebenswichtige, dauerhafte Beziehung
  • Mutualismus: regelmäßige, aber nicht überlebensnotwendige Beziehung

• Nach räumlicher Beziehung:

  • Endosymbiose: Symbiont lebt im Wirt
  • Endocytobiose: Symbiont lebt in den Zellen des Wirts
  • Exosymbiose: Kontakt nur über Oberflächen
  • Ektosymbiose: Partner körperlich getrennt

💡 Für die Prüfung: Die ökologische Nische einer Art wird nicht nur durch abiotische Faktoren, sondern auch durch ihre Beziehungen zu anderen Arten definiert. Eine erfolgreiche Einnischung minimiert die direkte Konkurrenz.

Koevolution und Räuber-Beute-Beziehungen

Koevolution ist ein faszinierender Prozess, bei dem zwei stark interagierende Arten sich gegenseitig beeinflussen und aneinander anpassen. Dieser evolutionäre "Wettrüsten" führt zu immer besseren Anpassungen auf beiden Seiten:

• Fressfeinde entwickeln bessere Sinnesorgane, Fangmethoden und Verdauungssysteme
• Beutetiere entwickeln Abwehrstrategien wie Flucht, Tarnung, Schwarmbildung oder Gifte
• Parasiten und ihre Wirte führen ein ständiges Wettrennen von Angriff und Abwehr

Das Lotka-Volterra-Modell beschreibt die zyklischen Schwankungen zwischen Räuber- und Beutepopulationen:

1. Regel der periodischen Zyklen: Die Populationsdichten schwanken periodisch, wobei die Räuberpopulation der Beutepopulation mit Verzögerung folgt
2. Regel der konstanten Mittelwerte: Die Populationsdichten schwanken um konstante Mittelwerte, wobei die Beutepopulation durchschnittlich höher liegt
3. Regel der Störung der Mittelwerte: Nach gleichmäßiger Reduzierung erholt sich die Beutepopulation schneller als die Räuberpopulation

Der typische Zyklus verläuft so:

• Die Beutepopulation wächst → mehr Nahrung für Räuber
• Die Räuberpopulation wächst → erhöhter Jagddruck auf Beute
• Die Beutepopulation nimmt ab → Nahrungsmangel für Räuber
• Die Räuberpopulation nimmt ab → verringerter Jagddruck
• Die Beutepopulation erholt sich → der Zyklus beginnt von vorn

💡 Beachte: Das Lotka-Volterra-Modell ist stark vereinfacht. In der Natur werden die Populationsdynamiken durch viele weitere Faktoren beeinflusst, wie Krankheiten, Konkurrenz oder Umweltveränderungen.

Ökologische Nische und Konkurrenz

Die ökologische Nische ist ein zentrales Konzept der Ökologie. Sie umfasst die Gesamtheit aller biotischen und abiotischen Faktoren, die eine Art zum Überleben braucht – von Nahrung über Lebensraum bis zu Aktivitätszeiten. Wichtig: Eine Nische ist kein Ort, sondern ein Beziehungsgefüge!

Einnischung bezeichnet den evolutionären Prozess, durch den Arten ihre spezifische ökologische Nische entwickeln. Dadurch werden sie ökologisch voneinander getrennt und können koexistieren.

Die Stellenäquivalenz beschreibt, wenn nicht verwandte Arten in getrennten Ökosystemen ähnliche Nischen besetzen. Sie können dann Konvergenz zeigen – ähnliche Anpassungen trotz unterschiedlicher Abstammung.

Wenn Ressourcen begrenzt sind, kommt es zur Konkurrenz:

• Interspezifische Konkurrenz: zwischen verschiedenen Arten
• Intraspezifische Konkurrenz: zwischen Individuen derselben Art

Nach dem Konkurrenzausschlussprinzip können Arten, die exakt dieselbe Nische besetzen, nicht dauerhaft koexistieren – die stärkere Art verdrängt die schwächere.

Um Konkurrenz zu vermeiden, entwickeln Arten Strategien:

• Konkurrenzvermeidung: Ausweichen in andere Nischen
• Kontrastbetonung: Verstärkung kleiner Unterschiede (z.B. unterschiedliche Schnabellängen)
• Kooperation: Zusammenarbeit statt Konkurrenz, erhöht die biologische Fitness

💡 Prüfungsrelevant: Die ökologische Nische ist ein multidimensionales Konzept! Stelle dir vor, jeder Umweltfaktor ist eine Dimension – eine Art kann dann nur existieren, wenn alle Werte innerhalb ihrer Toleranzgrenzen liegen.

Populationswachstum

Eine Population besteht aus Individuen derselben Art, die zur gleichen Zeit in einem bestimmten Gebiet leben und sich untereinander fortpflanzen können. Die Populationsgröße verändert sich durch vier Prozesse:

• Geburten: neue Individuen durch Fortpflanzung
• Immigration: Einwanderung aus anderen Gebieten
• Todesfälle: Verlust durch natürliche Sterblichkeit
• Emigration: Abwanderung in andere Gebiete

Es gibt zwei grundlegende Wachstumsmodelle:

Exponentielles Wachstum:

• Die Population wächst in gleichbleibenden Zeitabschnitten um denselben Faktor
• Dies ist nur unter idealen Bedingungen möglich (unbegrenzte Ressourcen)
• Die Kurve steigt immer steiler an

Logistisches Wachstum:

• Berücksichtigt, dass Ressourcen begrenzt sind
• Die Wachstumsrate nimmt ab, wenn sich die Population der Kapazitätsgrenze (K) nähert
• Die Kurve ist S-förmig (sigmoid)
• Die Kapazität K ist die maximale Anzahl von Individuen, die ein Lebensraum dauerhaft versorgen kann

Die Populationsdichte wird durch verschiedene Faktoren reguliert:

Dichteabhängige Faktoren (wirken stärker bei hoher Populationsdichte):

• Nahrungsmenge
• Verfügbarer Lebensraum
• Krankheitserreger und Parasiten
• Fressfeinde

Dichteunabhängige Faktoren (wirken unabhängig von der Populationsdichte):

• Temperatur
• Wasserversorgung
• Naturkatastrophen

💡 Verstehe den Unterschied: Exponentielles Wachstum ist unbegrenzt und theoretisch, logistisches Wachstum bildet die Realität besser ab. In der Natur schwankt die tatsächliche Populationsgröße meist um den Wert K.

Energiefluss in Ökosystemen

In Ökosystemen fließt die Energie in eine Richtung – von der Sonne durch die verschiedenen Trophieebenen. Von der ursprünglichen Sonnenenergie (100%) werden nur etwa 5% von Pflanzen absorbiert. Der Rest wird reflektiert oder als Wärme abgestrahlt.

Der Energiefluss verläuft durch folgende Stufen:

1. Primärproduzenten (Pflanzen) wandeln Sonnenenergie durch Fotosynthese in chemische Energie um
2. Konsumenten nehmen diese Energie über Nahrungsketten auf:
   • Primärkonsumenten (Pflanzenfresser)
   • Sekundärkonsumenten (fressen Pflanzenfresser)
   • Tertiärkonsumenten (fressen Sekundärkonsumenten)
3. Destruenten (Zersetzer) bauen abgestorbene Organismen ab

Die 10%-Regel besagt, dass bei jedem Übergang von einer Trophieebene zur nächsten etwa 90% der Energie verloren gehen:

• Durch Atmung (Respiration)
• Als Wärme
• Durch nicht verwertbare Abfallstoffe

Diese Energieverluste bedeuten, dass höhere Trophieebenen immer weniger Energie zur Verfügung haben. Das erklärt, warum es in einem Ökosystem:

• viele Pflanzen
• weniger Pflanzenfresser
• noch weniger Fleischfresser
• sehr wenige Spitzenprädatoren gibt

Im Gegensatz zu Stoffen, die in Kreisläufen zirkulieren, ist der Energiefluss stets gerichtet und einmalig. Energie kann zwar umgewandelt, aber nie erzeugt oder vernichtet werden.

💡 Für das Abitur: Der Unterschied zwischen Stoffkreislauf und Energiefluss ist prüfungsrelevant! Stoffe werden recycelt, Energie fließt durch das System und verlässt es letztlich als Wärme.