Ökologie

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Außentemperaturen konstant Abiotischer Faktor Temperatur • langfristige Anpassung an z.B. extrem kalte Umgebung durch Isloierung (Fell, Fett, Fedeen, ...) Wärmeverlust minimiert, weniger Energie zur Haltung der Körpertemperatur ▶ • kurzfristige Anpassung an z.B. Kälte (Muskelzittern, ...) ● Anpassung an heiße Umgebungen (Absonderung von Schweiß -> Kühlung des Körpers, Schutz vor Überhitzung) • Wärmeabgabe durch Körperoberfläche • Wärmeproduktion durch Stoffwechsel Bergmannsche Regel: • In kalten Regionen sind Tiere einer Art oder naher Verwandter oft größer als in wärmeren Regionen, da ihre Oberfläche im Verhältnis zum Körpervolumen dann kleiner ist (→> weniger Wärmeabgabe) ● Allensche Regel Körperanhänge (z.B. Ohren) gleichwarmer Tiere sind in kalten Regionen oft kleiner als bei Verwandten in wärmeren Umgebungen Wechselwarme Tiere (Thermokonformer, poikilotherm) • Körpertemperatur passt sich an die der Umwelt an und ist somit von ihr abhängig → RGT-Regel • Regulation passiv, durch aufsuchen wärmerer oder kälterer Orte • Kältestarre bei Temperaturen unter 5 Grad -> kein Ortswechsel mehr möglich Frost: Eiskristalle in Zellen -> Zellmembranen zerstört -> Tod Manche Tiere können „Frostschutzmittel" in ihre Körperflüssigkeiten und Zellen anreichern und so dem Problem entgehen • Zu hohe Temperaturen: Hitzetod (Enzyme denaturieren, Stoffwechsel stoppt) - Hitzestarre: keine Bewegung bei zu hohen Temperaturen, damit keine zusätzliche Wärmeenergie entsteht • Radiation (Strahlung): Übertragen von Energie in Form von Licht und Wärme auch ohne Kontakt zwischen zwei Objekten, z.B. wenn Echse von der Sonne erwärmt wird • Evaporation = Verdunstung • Kunduktion: Übertragen von Wärme auf ein andererseits Objekt bei direktem Kontakt, z.B. Sitzen einer Echse auf einem Stein • Konvektion: Abgabe von Wärme durch die Bewegung von Luft, z.B. wenn Wind über die Haut der Echse streicht und die Luft dabei erwärmt wird • Stoffwechselrate der Thermoregulierer deutlich höher, da Regelungsprozesse viel Energie benötigen • Thermoregulierer können weitgehend unabhängig von Temperaturschwankungen stets gleichmäßig aktiv sein Abiotischer Faktor Wasser Landtiere • Wüstentiere decken Wasserbedarf hauptsächlich durch Wassersynthese bei der Zellatmung (Oxidationswasser) • Nachtaktiv • Keine Schweißdrüsen Pflanzen • wechselfeuchte/poikilohydre Pflanzen (Moose) Wassergehalt variiert mit Umgebungsfeuchte Bei großer Trockenheit kommt Stoffwechsel zum Stillstand Bei erneuter Feuchtigkeit quellen Zellen auf uns Stoffwechsel läuft • eigenfeuchte/homoihydre Pflanzen Weitestgehend unabhängig von der Luftfeuchtigkeit wandlungsfähige Pflanzen/Tropophyten • Trockenpflanzen/Xerophyten Feuchtpflanzen/Hygrophyten • Wasserpflanzen/Hydrophyten Minimumgesetz Das Wachstum von Pflanzen wird die knappste Ressource eingeschränkt. Der Faktor, der am meisten vom Otimum entfernt ist, bestimmt am stärksten das Gedeihen einer Art. Wärme Wasser Phosphor Kalium Produktion Licht Stickstoff 02 CO2 Calcium Wechselwirkungen zwischen Lebewesen Wechselwirkungen zwischen Lebewesen Intraspezifische Wechselwirkung Konkurrenz um Nahrung, Revier, Lebens- raum, Geschlechtspartner, Rangordnung, Ressourcen wie Wasser, Mineralsalze, Licht.... Interspezifische Wechselwirkung Wechselwirkungen Konkurrenz Nahrungs- beziehungen Nahrung, Licht... Räuber-Beute-Beziehungen Symbiose Intraspezifische Konkurrenz • Individuen einer Art können in unterschiedlichen Wechselbeziehungen zueinander stehen Parasitismus Interspezifische Konkurrenz • Individuen verschiedener Arten stehen untereinander in o Räuber-Beute-Beziehung • Nahrungsbeziehungen (endet nicht unbedingt mit Tod (Pferd frisst Gras, O Gras wächst nach)) o Symbiose (für beide Vorteil) O Parasitismus (einer Vorteil, einer Nachteil) • dichteabhängig Regulation durch negative Rückkopplung: Räuberpopulation, ● Räuber-Beute-Beziehungen Beute population Je mehr Räuber, desto weniger Beute -Je weniger Beute, desto weniger Räuber • Je weniger Räuber, desto mehr Beute - Je mehr Beute, desto mehr Räuber gleichsinnige Beziehung gegensinnige Beziehung Lotka-Volterra-Modell Regel der periodischen Zyklen Die Populationsdichten von Räuber und Beute schwanken periodisch, wobei Maxima und Minima des Räubers denen der Beute phasenverzögert folgen • Regel der konstanten Mittelwerte Die Populationsdichten schwanken langfristig jeweils um konstante Mittelwerte. Dabei liegen die Individuenzahlen der Beute durchschnittlich höher • Regel der Störung der Mittelwerte Werden die Individuenzahlen von Räuber und Beute gleichstark proportional zu ihren Ausgangswerten vermindert, so erholt sich die Population der Beute schneller als die des Räubers Problem: Unter natürlichen Umständen weitaus komplexer, da Räuber oft Inicht nur eine Beuteart hat und die Beute nicht nur einen Fressfeind Räuber-Beute-Schema 0000 ↑ Anzahl der Individuen Beute Räuber Zeit Populationswachstum • Wachstum findet nur statt, wenn Geburtenrate größer als Sterbetate ist Exponentielles/ungebremstes Wachstum • bei gleichbleibenden Vermehrungsrate und dem Fehlen von Faktoren, die das Wachstum der Populatioin einschränken können, wächst diese um einen gleichbleibenden Prozentsatz • oft bei konkurrenzloser Neubesiedlung Logistisches/gebremstes Wachstum • Sterberate erhöht sich und Geburtenrate sinkt im Verlauf bis beide Raten in etwa gleich groß sind Kapazität K wurde erreicht ● A Populationsgröße (Individuenzahl) 0 exponentielle Wachstumskurve R-Stratege • zeigen hohe Vermehrungsrate und Kurzlebigkeit • Erreichen nur selten den K-Wert stationäre Phase (Grenzwert der Populationsdichte K) logistische Wachstumskurve K-Stratege • setzen auf geringe Vermehrungsrate, Langlebigkeit und Sicherung der Nachkommen durch Brutpflege • Spezifische Umweltkapazität wird erreicht • Finden sich in Lebensräumen mit reaktiv konstanten Bedingungen • In Lebensräumen mit schwankenden Bedingungen • Veränderungen der Umwelt können sie durch rasches Populationswachstum nutzen Zeit Populationsdichte • Anzahl der Individuen innerhalb einer Population dichteabhängige Faktoren Nahrungsmenge, Lebensraumgröße Geburtenrate Populationsdichten der Fressfeinde Regulation der Poulationsdichte Sterberate gleichsinnige Beziehung (je mehr..., desto mehr ...; je weniger ..., desto weniger...) Populationsdichte: Anzahl der Individuen in einer Population Populationsdichten von Parasiten und Krankheitserregern Sterberate dichteunabhängige Faktoren günstige Temperaturen ungünstige Temperaturen günstige Wasserversorgung ungünstige Wasserversorgung gegensinnige Beziehung (je mehr..., desto weniger... je weniger ..., desto mehr...) Konkurrenz und Ökologische Nische Koexistenz • Die Fähigkeit zweier Arten, im gleichen Lebensraum zu existieren Ökologische Nische • Gesamtheit aller Wechselbeziehungen (biotische u. abiotische Faktoren) die auf eine Art einwirken Konkurrenzausschlussprinzip • verschiedene Arten können nicht langfristig in einem Lebensraum koexistieren, wenn sie die gleiche ökologische Nische besetzen (übereinstimmende Ansprüche an ihre Umwelt haben) • Besetzung verschiedener ökologischer Nischen vermeidet Konkurrenz Ökologische Planstelle • noch unbesetzte ökologische Planstelle • Kann von einem Organismus mit entsprechendem Potenz-/Toleranzmuster besetzt werden . Wird diese besetzt -> Einnischung Bio zonose interspezifische Faktoren Ökosystem Gesamtheit aller biotischen Faktoren Faktoren ausgehen von der eigenen Art Öcosystem intraspezifische Faktoren Faktoren ausgehend von anderen Arten Biotop ↓ Gesamtheit aller abiotischen Faktoren Biosphäre = Gesamtheit aller Ökosysteme Produzenten = autotrophe Organismen = Fotosynthese betreibend heterotroph = nicht fotosynthetisch aktiv Konsumenten = nehmen die von den Produzenten gebildeten energiereichen Stoffe direkt oder indirekt auf erzeugen organische Stoffe aus anorganischen Stoffen Trophieebene = alle Organismen mit einer ähnlichen Hauptnahrungsquelle Primärkonsumenten = Pflanzenfresser Sekundärkonsumenten = Fleischfresser, die sich von Pflanzenfressern ernähren Tertiärkonsumenten = Fleischfresser, die sich von Sekundärkonsumenten ernähren Destruenten = bauen abgestorbene Biomasse zu anorganischen Stoffen ab Freiwasser zone Nährschicht FS > ZA viel 0₂ licht Kompensationsschicht FS=2A Zehrschicht FS<ZA sehr wenig Oz Minu- alstoffe Ökosystem See Epilimnion wenig 0₂ Metalimnion Hypolimnion Boden (Benthal). Verankerung o Profundal/Tiefenboden Tiefenboden (Profundal) o Tauchblattzone ▸ Vollständig untergetauchte Wasserpflanzen ► Auch unterhalb der Wasserlinie Blätter Tauch- pflanzen- zone Blätter vollständig untergetaucht ▸ Blätter und Stängel mit luftgefüllten Gewebe ausgestattet Schwimmen auf Wasseroberfläche • Uferzone/Litoral o Röhrichtzone Pflanzen, deren Stängel und Blätter ragen größtenteils über Wasserspiegel hinaus Angepasstheit zur Förderung des Gasaustauschs und Transpiration o Schwimmblattpflanzenzone Kaum Pflanzen Schlamm Faulgase Sauerstofffrei -> anaerobe Organismen Schwimm- blatipflan- zenzone Röhricht- zone Uferzone / Litoral Blätter zergliedert -> Oberflächenvergrößerung -> Stoffaustausch Hohlräume in Stängeln und Wurzeln ▸ Wurzeln konkurrieren mit Pflanzen der Schwimmblattpflanzenzone m • Freiwasserzone/Pelagial Nährschicht/Epilimnion • ▶ Lichtintensität stark Bildung von Biomasse und Freisetzung von 02 durch Produzenten größer als Verbrauch von Biomasse und O2 durch ZA der Tiere und Pflanzen • Kompensationsschicht/Metalimnion/Sprungschicht ▶ Lichtintensität nimmt ab ▸ FS = ZA • Zehrschicht/Hypolimnion/Tiefenschicht Sehr geringe Lichtintensität Kaum oder keine FS möglich Wenig vorhandene vollständig verbraucht wird von heterotrophen Organismen nahezu • Temperaturverhältnisse hängen von drei Faktoren ab O Sonneneinstrahlung • Wasserbewegung o Dichteanomalie des Wassers Sommer • Stabile Schichtung durch unterschiedliche Dichte • Schichtung bleibt ganzen Sommer über erhalten (Sommerstagnation) Dichte nimmt bei Abkühlung bis zu 4 Grad zu Kühlt man es unter 4 Grad weiter ab verringert sich Dichte wieder o Epilimnion Warmes, leichtes Wasser geringfügige Umwälzungen durch Wind und Temperaturwechsel von Tag und Nacht • Metalimnion ▶ ▶ Gekennzeichnet durch rasche Abnahme der Wassertemperatur • Hypolimnion Ca. 4 Grad kaltes Wasser ganz unten, weil größte Dichte, am schwersten Wird von Sonne nicht erreicht • Epilimnion hat Gasaustausch mit Luft -> O2-Verhältnisse ausgeglichen • Gase und Mineralsalze können nicht mit Hypolimnion ausgetauscht werden • Absinken des 02-Gehalts in Zehrschicht, da abgestorbene Pflanzenreste oder Tiere nach unten sinken und von Destruenten unter 02-Verbrauch zu Mineralsalzen und CO2 abgebaut werden Wind Epilimnion Metalimnion Нуро- limnion war Temperatur (°C) 5 10 15 20 25 Sommer- stagnation Herbst ● vollständige Durchmischung des Wassers (Vollzirkulation) Sonneneinstrahlung wird geringer Epilimnion kühlt ab -> sein Wasser dichter und schwerer Sinkt in größere Tiefe Noch sommerwarmes, leichtes Wasser steigt auf ▶ Wasserkreislauf ► Unterstützt von starken Winden So lange bis gesamter Wasserkörper ca. 4 Grad hat 02 wird bis zum Seeboden transportiert Von Destruenten freigesetzte Mineralstoffe gelangen an Seeoberfläche Wind ▶ Winter • Winterstagnation Oberflächenwasser kühlt unter 4 Grad ab ▸ Dichte verringert sich, leichter Leichter als Tiefenseewasser, bleibt an Oberfläche Tiere können überwintern Frühling • Frühjahrszirkulation Oberflächenwasser erwärmt sich wieder ▸ Dichte nimmt zu ► Sinkt nach unten Von Wind unterstützt 02 und Mineralstoffe im See verteilt ▶ ➤ 5 Temperatur (°C) 5 10 15 20 25 Herbst- zirkulation Wind Eis Temperatur (°C) 0 5 10 15 20 25 Winter- stagnation See Eutrophierung Oligotrophe Seen • niedriger Mineralstoffgehalt • Niedrige Produktion neuer Biomasse durch Produzenten • Geringe Individuendichte • artenreich • Klares Wasser • Licht reicht bis zu 10m Wassertiefe -> viel FS • Enthält genügend 02 • Dünne Sedimentschicht Phosphathaltiger im Sediment ● Eutrophe Seen • mineralsalzreich • Hohe Biomasse Produktion • artenarm • Hohe Individuendichte • Wenig 02 • Trübes Wasser • Licht reicht bis zu 0,5m Wassertiefe • Anaeroben Abbauprozesse zersetzen nicht vollständig →> Faulgase und Faulschlamm • Phosphatfalle im Sediment löst aus -> erhöht bereits hohen Phosphatgehalt 0₂ Sauer- stoff CO₂ Kohlen- stoffdioxid Eintrag N ↓ NH. (Ammonium) 0₂ Sauerstoff Abbildung 3: Sommerprofil im oligotrophen See NO₂ Eintrag P PO, (Phosphat) mit Fe NO, (Nitrit) Nitrobacter- Bakterien, aerobe Bedingungen Nitrosomonas- Bakterien, 0. CO₂ Kohlen- stoffdioxid 0₂ Aufnahr M wird con anaeroben. Diganisman Aufnahme Zersetzung Phosphatfalle! aerobe Bedingungen Aufnahme NH₂ Zersetzung NH, (Ammoniak) PO,³- lebende Biomasse Tod, Aus- scheidung tote Biomasse NO, lebende Biomasse Tod, Aus- scheidung tote Biomasse PO, FePO, (unlösliches Eisen(III)- phosphat im Sediment) Abbildung 4: Phosphate im See H₂S NH. NO, (Nitrat) Abbildung 3: Stickstoffverbindungen im See Bakterium ohne 0, NO₂ Bakterium ohne 0, Temperatur 4 °C NO, anaerobe Bedingungen 4 °C Temperatur 20 °C PO,¹ Fe Fe/PO. (lösliches Eisen(II)- phosphat) 20 °C NH, anaerobe Bedingungen lebende Biomasse tote Biomasse lebende Biomasse tote Biomasse vollständiger Abbau & Remineralisierung des betritus unter asuna agad Es entstehen Mineralstoffe : CO₂, NO3- (Nitrat), PO4³- (Phosphat) & SO4²- (Sulfat) Nahrungsketten im See Produzenten (Erzeuger) grüne Pflanzen, Algen, Phytoplankton, ei- nige Bakterien (autotroph) FO- → nutzen Energie des Sonnenlichtes: tosynthese →→ bauen energiereiche Biomasse auf 10% d. Energie wird weitergegeben 90% d. Energie wird als wärme frei Primarkonsumenten (Verbraucher) zooplankton, einige kleine Fischarten & z. B. Bisamratten & Biber → ernähren sich von Pflanzen/Produzen- ten & autotrophen Lebewesen ş 10% d. Energie wird weitergegeben 90% d. Energie wird als Wärme frei { Sekundärkonsumenten kleine Friedfische, Libellenlarven & Am- phibien wie der Teichmolch → ernähren sich von kleinen wür & Insektenlarven, die an Pflanzen & im Boden Leben, & von Primärkonsumenten { 10% d. Energie wird weitergegeben 90% d. Energie wird als Wärme frei { Tetriärkonsumenten größere Raubfische, wie der Fischotter, Hecht & Graureiher → ernähren sich von Sekundärkonsumen- ten: Fische & Amphibien { 10% d. Energie wird weitergegeben 90% d. Energie wird als Wärme frei ş Destruenten (zersetzer) Bakterien, die petritus (totes organi- sches Material) zersetzen anaerobe Bakterien aerobe Bakterien H₂S (Schwefelwasserstoff), NH 3 (Ammoniak) & CH4 (Methan) anaeroben Bedingungen. Es entstehen Schadstoffe: unvollständiger Abbau des betritus & Faulschlammbildung unter 17 Umkippen eines Sees EUTROPHIERUNG Unter der Eutrophierung versteht man ein ungebremstes Was- serpflanzenwachstum aufgrund eines Überangebots an Nähr - stoffen. Beeinflusst wird der Vorgang der Eutrophierung durch die Nährstoffe, die schon gelöst oder gut löslich sind & somit von den Pflanzen leichter aufgenommen werden. Das sind in den meisten Fällen Phosphor- & Stickstoffverbindungen. ABLAUF EINER EUTROPHIERUNG 2. Wasserpflanzen nehmen Nährstoffe auf & wachsen Bildung einer Schicht mit Algen an der Wasserober - fläche (= Algenblüte) 3. Selbstreinigungsfähigkeit d. Sees wird durch anstei - gende Nährstoffe überschritten 5 es entsteht viel Biomasse: tote Biomasse sinkt zu Boden aerobe Bakterien bauen betritus ab (wenn 0₂ vorhan- den ist) ist der Sauerstoff verbraucht, bilden anaerobe Bakterien Faulschlamm & -gase durch die anaeroben Verhältnisse läst ggf. die Phos- phat falle aus -D Phosphat wird frei & steigert das Wachstum der Wasserpflanzen 7. Wasserqualität sinkt weiter & es kommt zum 11 umkip- pen" des Sees 8. Vollzirkulation im Herbst bringt Sauerstoff ins Tiefen- wasser URSACHEN - ungeklärtes Abwasser: enthält viele Phosphate & sorgt für einen starken Überfluss an Nährstoffen 13 - Dünger: durch Überschwemmungen von landwirtschaftlich genutzten & gedüngten Flächen gelangen Nitrate in den See - Fütterung v. Fischen & Wasservögeln: Fischfutter & andere Lebensmittel sind nährstoffreich -Urin: in Badeseen kommt es durch Urin zur Steigerung der natürlichen Nährstoffkonzentration - Phosphatfalle: unter anaeroben Bedingungen wird das zuvor am Grund des Sees gelagerten Eisen-III- Phosphat wieder zu Phosphat reduziert & gelangt in großen Mengen zurück in den Nährstoffkreislauf des Sees. baraus folgt eine Algenblüte FOLGEN -extreme Vermehrung von Algen & anderen Wasserpflanzen - Grünfärbung des Sees durch das Phytoplankton - Vergiftung des Wassers mit Ammoniak, Methan & Schwefel- wasserstoff -Massensterben fast aller Organismen im See (durch Er sticken & Vergiftung) → Verlust der Artenvielfaltig VERLANDUNG & SUKZESSION EINES SEES Die Verlandung ist der Prozess der Auffüllung eines Sees mit organischem Material, wodurch die freie Wasserfläche des Pe- lagials ständig kleiner wird. Dieser Prozess findet in eutrophen Seen statt. - tote pflanzliche & tierische Biomasse sinkt ins profundal - Detritus wird anaerob & unvollständig abgebaut - eine Schicht aus Faulschlamm wächst am Grund → Seebecken verflacht -Eutrophierung führt zu starkem Pflanzenwachstum im Li- toral (vor allem in der Röhrichtzone) - Pflanzen verdichten sich zu einer schwimmenden Matte" (= Schwingrasen) 11 - abgestorbene pflanzl. Fasern sinken nach unten & verot - ten & -filzen dort - es bildet sich eine Torfschicht → es entsteht ein Verlandungsmoor 14 Interventionen: Umkippen eines Sees Maßnahmen, die das umkippen eines Sees verhindern: AUSBAGGERN DES FAUL SCHLAMMS MECHANISCH Pro: einfache Methode; effektiv; Schaden hält sich in Grenzen Kontra: Beschädigung der Uferzone; Entsorgung (?); nicht Nach- haltig, da regelmäßig ausgebaggert werden muss; nicht in jedem See durchführbar; Kosten (?) PHOSPHATFALLE CHEMISCH Bindung der Phosphatfalle mithilfe von Fe³+ (Eisen III-lonen): Eisenphosphat lagert sich am Seegrund & wird durch anaerobe Verhältnisse freigesetzt. Minimum von 0₂ notwendig, damit Phosphat an oxidierte Eisen- ionen binden kann. Pro problemlose Durchführung, effektiv, präventiv ein - setzbar, geringer kostenaufwand Kontra Abhängigkeit von 0₂- Gehalt im See; nur ein Mineral- stoff wird dezimiert; Phosphat ist ein Minimum fak- tor OBERFLÄCHENBELÜFTUNG MECHANISCH zufuhr von 0₂ (seedberfläche) durch Springbrunnen Astethik, kostengünstig Pro: kontra: Brunnen werden Nachts abgestellt, obwohl sie in der zeit am meisten benötigt würden; Absterben von tieri- schen Organismen auf der Oberfläche; Verteilung von O₂ in allen Schichten ist nicht gewährleistet TIEFENBELÜFTUNG MECHANISCH Beförderung des Tiefenwassers in oberen Seeschichten über Säu- Len / Schlausysteme. O₂ wird in die Tiefenschichten eingeblasen Pro: effektive Methode Kontra: Durchmischung mit Mineralstoffen (+ Algenwachstum) & giftigen Abbauprodukten → Tiersterben 16 Bank Kontinentalschelf • oligotroph • Keine Schichtung • globale Strömungen • Salzwasser • CO2-Senke Gefrierpunkt tiefer Riff Ökosystem Meer Kabeljau Festlandabhangi Seeberg • Umgekehrte Biomassenpyramide Hornkoralle Druck Mineral stotk licht Kaiserbarsch Schwarzer Raucher Borstenwürmer o Über chem. Puffer Je wärmer es wird desto schlechter lösen sich Gase im Meer Sprungschicht Epipelagial 200 m Mesopelagial 1000 m Bathypelagial 4000 m Abyssopelagial 6000 m Hadopelagial