Ökologische Grundlagen

Das Ökosystem und seine Komponenten

Das Zusammenspiel von Lebewesen und ihrem Lebensraum prägt jedes Ökosystem.

• Biotop: Der unbelebte Lebensraum, definiert durch abiotische Faktoren wie Licht, Wasser und Temperatur.
• Biozönose: Die Gemeinschaft aller lebenden Organismen im Biotop, beeinflusst durch biotische Faktoren wie Nahrung und Konkurrenz.
• Ökosystem: Die funktionelle Einheit aus Biotop und Biozönose.

Wechselwirkungen und Einteilungen

Beziehungen werden nach ihrer Artzugehörigkeit und Untersuchungsebene unterschieden.

• Intraspezifisch: Wechselwirkungen zwischen Individuen der gleichen Art.
• Interspezifisch: Beziehungen zwischen Vertretern verschiedener Arten.
• Autökologie: Konzentriert sich auf die Wechselwirkungen einer einzelnen Art mit ihrer Umwelt.

💡 Tipp: Merk dir den Unterschied: intraspezifisch bedeutet „innerhalb“ einer Art, interspezifisch heißt „zwischen“ verschiedenen Arten.

Toleranz und ökologische Potenz

Grenzen der Anpassung

Jedes Lebewesen reagiert individuell auf Schwankungen von Umweltfaktoren.

• Toleranzbereich: Die gesamte Spanne eines Umweltfaktors, in der ein Organismus überleben kann.
• Optimum: Der absolut günstigste Wert eines Umweltfaktors für maximales Wachstum und Fortpflanzung.
• Pessimum: Grenzbereich, in dem ein Überleben zwar möglich ist, aber keine Fortpflanzung mehr stattfindet.

Ökologische Nischentypen

Je nach Konkurrenzdruck unterscheidet man zwei Formen der ökologischen Potenz.

• Fundamentalnische: Die theoretisch maximale ökologische Potenz einer Art ohne Konkurrenz (physiologische Potenz).
• Realnische: Der tatsächlich genutzte Teil unter Einfluss von Konkurrenz (ökologische Potenz).

💡 Tipp: Stenöke Arten sind extrem empfindlich gegenüber Schwankungen, während euröke Arten sehr tolerant auf Veränderungen reagieren.

Temperatur und tiergeographische Regeln

Wärmehaushalt bei Tieren

Tiere nutzen unterschiedliche Strategien, um ihre Körpertemperatur zu regulieren.

• Wechselwarm (poikilotherm): Die Körpertemperatur gleicht sich der Umgebung an; die Aktivität folgt der RGT-Regel.
• Gleichwarm (homoiotherm): Die Körpertemperatur bleibt dank hohem Stoffwechsel und Isolation (Fett, Federn) konstant.

Die tiergeographischen Regeln

Zwei wichtige Naturgesetze beschreiben die Anpassung gleichwarmer Tiere an das Klima.

• Bergmann'sche Regel: Tiere in kalten Regionen sind größer als verwandte Arten in warmen Gebieten, da große Körper Wärme besser speichern.
• Allen'sche Regel: Körperanhänge (Ohren, Schwänze) sind in kalten Regionen kleiner, um den Wärmeverlust zu minimieren.

💡 Tipp: Die RGT-Regel besagt, dass sich die Reaktionsgeschwindigkeit bei einer Temperaturerhöhung um $10\text{ K}$ ($10^\circ\text{C}$) etwa verdoppelt bis vervierfacht.

Ökologische Nische und Konkurrenz

Die ökologische Nische

Die Nische ist kein Ort, sondern das komplexe Beziehungsgefüge einer Art.

• Ökologische Nische: Die Gesamtheit aller Umweltansprüche (abiotisch und biotisch), die das Überleben einer Art sichern.
• Einnischung: Das Besetzen einer freien ökologischen Planstelle in einem Ökosystem.
• Minimumgesetz: Der am weitesten vom Optimum entfernte Faktor (Minimumfaktor) begrenzt das Wachstum am stärksten.

Konkurrenz im Lebensraum

Zwei Arten können dauerhaft nicht exakt dieselbe Nische besetzen.

• Konkurrenzausschluss: Arten mit identischen Ansprüchen stehen in direkter interspezifischer Konkurrenz.
• Konkurrenzvermeidung: Die unterlegene Art weicht langfristig aus, um eine Koexistenz zu ermöglichen.

💡 Tipp: Denk beim Minimumgesetz an ein Holzfass mit unterschiedlich langen Latten: Das Wasser läuft immer bei der kürzesten Latte aus.

Dynamik von Populationen

Formen des Populationswachstums

Das Wachstum einer Population wird durch Ressourcen und Umweltfaktoren limitiert.

• Exponentielles Wachstum: Ungebremster Anstieg unter idealen Bedingungen ohne einschränkende Faktoren.
• Logistisches Wachstum: Das Wachstum flacht ab und pendelt sich bei der maximalen Umweltkapazität $K$ ein.
• K-Strategen: Setzen auf Langlebigkeit und wenige Nachkommen (z. B. Säugetiere); leben in stabilen Umweltbedingungen.
• r-Strategen: Setzen auf eine hohe Vermehrungsrate ($r$) und Kurzlebigkeit; besiedeln schnell neue Lebensräume.

Regulation der Populationsdichte

Die Dichte einer Population wird durch zwei Faktorenklassen gesteuert.

• Dichteabhängig: Faktoren wie Nahrungsmangel, ansteckende Krankheiten oder artspezifische Feinde.
• Dichteunabhängig: Faktoren wie Klimaeinflüsse, Katastrophen oder nicht ansteckende Krankheiten.

💡 Tipp: Das Wetter ist immer dichteunabhängig – einem Sturm ist es völlig egal, wie viele Mäuse auf dem Feld leben.

Konkurrenz und Parasitismus

Konkurrenzformen

Der Wettbewerb um Ressourcen findet auf zwei Ebenen statt.

• Intraspezifisch: Konkurrenz zwischen Individuen derselben Art um Nahrung, Reviere oder Partner.
• Interspezifische: Konkurrenz zwischen Individuen verschiedener Arten, die oft zur Verdrängung der schwächeren Art führt.

Parasitismus als Lebensweise

Eine spezialisierte Form der interspezifischen Beziehung zum einseitigen Vorteil.

• Parasitismus: Wechselbeziehung, bei der ein Parasit einen Wirt schädigt, ihn aber in der Regel nicht direkt tötet.
• Wirt: Der geschädigte Organismus, dem Nährstoffe entzogen werden oder der durch Gifte belastet wird.

💡 Tipp: Im Gegensatz zum Räuber tötet ein echter Parasit seinen Wirt meistens nicht sofort, da er ihn als dauerhafte Lebensgrundlage braucht.

Lotka-Volterra-Regeln

Die drei Räuber-Beute-Regeln

Diese Regeln beschreiben die periodischen Schwankungen in einer Räuber-Beute-Beziehung unter konstanten Bedingungen.

• 1. Regel (Periodizität): Die Populationsgrößen schwanken periodisch, wobei die Phasen der Räuber denen der Beute zeitverzögert folgen.
• 2. Regel (Konstanz): Die Mittelwerte beider Populationen bleiben langfristig konstant, wobei der Mittelwert der Beute meist größer ist.
• 3. Regel (Störung): Nach einer Dezimierung erholt sich die Beutepopulation immer schneller als die Räuberpopulation.

Beispiel:

• Schritt 1: Ein Anstieg der Hasenpopulation (Beute) führt zeitversetzt zu mehr Luchsen (Räuber).
• Schritt 2: Viele Luchse fressen mehr Hasen, deren Zahl sinkt – woraufhin auch die Luchse wieder dezimiert werden.

💡 Tipp: Merk dir für Klausuren: Die Beute-Kurve eilt der Räuber-Kurve in der Grafik immer ein Stück voraus.

Fotosynthese: Das Blatt

Blattaufbau und Funktion

Das Laubblatt ist das Hauptorgan der Fotosynthese und perfekt an diese Aufgabe angepasst.

• Palisadengewebe: Liegt oben, ist reich an Chloroplasten und dient der primären Lichtaufnahme.
• Schwammgewebe: Lockeres Gewebe für den Gasaustausch und die CO₂-Aufnahme.
• Stomata (Spaltöffnungen): Regulieren die Abgabe von Wasserdampf (Transpiration) und die CO₂-Aufnahme.

Sonnenblatt vs. Schattenblatt

Blätter derselben Pflanze passen sich an die herrschenden Lichtverhältnisse an.

• Sonnenblatt: Klein, dick, mit mehrschichtigem Palisadengewebe und hoher Fotosyntheserate bei viel Licht.
• Schattenblatt: Groß, dünn, optimiert für maximale Lichtausbeute bei geringer Lichtintensität.

💡 Tipp: Der Lichtkompensationspunkt ist der Punkt, an dem CO₂-Aufnahme (Fotosynthese) und CO₂-Abgabe (Zellatmung) genau im Gleichgewicht sind.

Die Fotosynthese im Detail

Die Fotosynthesegleichung

Aus anorganischen Stoffen werden mithilfe von Lichtenergie organische Stoffe aufgebaut.

$\text{6 } CO_2 + 12\text{ } H_2O \xrightarrow{\text{Licht}} C_6H_{12}O_6 + 6\text{ } H_2O + 6\text{ } O_2$

Die zwei Teilschritte

Die Fotosynthese läuft in zwei eng gekoppelten Hauptphasen in den Chloroplasten ab.

• Fotoreaktion: Lichtabhängige Reaktion in den Thylakoiden; spaltet Wasser und erzeugt ATP, $NADPH + H^+$ sowie Sauerstoff.
• Synthesereaktion: Lichtunabhängiger Calvin-Zyklus im Stroma; nutzt ATP und NADPH, um Kohlenhydrate ($C_6H_{12}O_6$) aufzubauen.

💡 Tipp: Das im ersten Schritt gebildete ATP und NADPH dient im zweiten Schritt als Energie- und Wasserstoffquelle für den Zuckeraufbau.

Die lichtabhängige Reaktion

Ablauf der Fotoreaktion

Dieser Prozess findet in der inneren Thylakoidmembran statt und wandelt Licht- in chemische Energie um.

• Fotolyse des Wassers: Lichtspaltung von $H_2O$ in Elektronen, Protonen ($H^+$) und Abfallprodukt Sauerstoff ($O_2$).
• Elektronentransport: Licht regt die Fotosysteme (II & I) an; Elektronen fließen über Redoxsysteme und bilden am Ende $NADPH + H^+$.
• ATP-Synthese: Der aufgebaute Protonengradient treibt die ATP-Synthase an, die ADP zu ATP phosphoryliert.

Beispiel:

• Schritt 1: Anregung von Fotosystem II spaltet Wasser: $2\text{ } H_2O \rightarrow 4\text{ } H^+ + 4\text{ } e^- + O_2$.
• Schritt 2: Der Protonenfluss durch die Membran erzeugt nutzbares ATP.

💡 Tipp: Die Elektronenlücke im angeregten Fotosystem II wird immer durch die Elektronen aus der Spaltung des Wassers wieder aufgefüllt.