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5.1 Ökosysteme erfassen
Ein Ökosystem entsteht aus Lebensraum und Lebensgemeinschaft; Toleranz und Vielfalt lassen sich messen.
- Ökosystem:Beziehungsgefüge aus Biotop (Lebensraum mit abiotischen Faktoren) und Biozönose (Lebensgemeinschaft aller Populationen); offen für Energie und Stoffe.
- Abiotische Faktoren:unbelebte Umwelt: Temperatur, Licht, Wasser, pH-Wert, Salzgehalt, Mineralstoffe, O₂-Gehalt.
- Biotische Faktoren:gehen von Lebewesen aus: Nahrung, Konkurrenz, Fressfeinde, Parasiten, Symbiosepartner.
- Population:alle Individuen einer Art, die zur selben Zeit in einem Gebiet leben und sich miteinander fortpflanzen.
- Toleranzkurve:Vitalität gegen die Intensität eines Faktors; Minimum und Maximum begrenzen den Toleranzbereich, dazwischen Optimum und Präferendum, an den Rändern das Pessimum (Überleben ohne Fortpflanzung).
- Steno- und euryök:enger bzw. weiter Toleranzbereich (z. B. stenotherm, euryhalin); stenöke Arten eignen sich als Zeigerarten.
- Minimumgesetz:Wachstum wird vom Faktor begrenzt, der am weitesten vom Optimum entfernt ist (LIEBIG).
- Biodiversität:drei Ebenen: genetische Vielfalt, Artenvielfalt, Vielfalt der Ökosysteme; Artenvielfalt = Artenzahl + Gleichmäßigkeit (Evenness).
- Arten erfassen:Probeflächen (Quadrate) und Linientaxierung für Pflanzen, Bodenfallen für Laufkäfer, Kescher und Klopfschirm, Fang-Wiederfang-Methode für mobile Tiere.
- Stichprobe:mehrere zufällig verteilte Flächen, gleicher Aufwand je Fläche; Ergebnisse als Häufigkeit, Deckungsgrad oder Diversitätsindex.
Erfassen und Auswerten
\(N=\dfrac{M\cdot C}{R}\) · \(H_S=-\sum p_i\cdot\ln p_i\)
Fang-Wiederfang: M markierte Tiere im 1. Fang, C Tiere im 2. Fang, R markierte darunter · Shannon-Index mit \(p_i=\tfrac{n_i}{N}\); Evenness \(E=\tfrac{H_S}{\ln S}\) (S = Artenzahl, E zwischen 0 und 1).
Diversität ist mehr als Artenzahl
Zwei Flächen mit gleicher Artenzahl unterscheiden sich im Shannon-Index, wenn die Individuen ungleich verteilt sind. Beim Vergleich immer Artenzahl und Evenness nennen.
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5.2 Populationen und Beziehungen
Populationen wachsen, bis Rückkopplungen sie bremsen — Konkurrenz, Räuber, Parasiten und Symbionten sind ein Teil davon.
- Exponentielles Wachstum:bei unbegrenzten Ressourcen: konstante Zuwachsrate r, Zunahme proportional zu N; J-förmige Kurve.
- Logistisches Wachstum:S-förmig: Zuwachs sinkt, je näher N der Kapazität K kommt; größter Zuwachs bei N = K/2; danach Schwankungen um K.
- Dichteabhängige Faktoren:wirken umso stärker, je dichter die Population: intraspezifische Konkurrenz, Räuber, Parasiten, Krankheiten, Stress → negative Rückkopplung.
- Dichteunabhängige Faktoren:wirken unabhängig von N: Frost, Hitze, Hochwasser, Dürre — keine Regulation, sondern Schwankungen.
- r-Strategen:viele kleine Nachkommen, kaum Brutpflege, kurze Generationsdauer; besiedeln schnell instabile Lebensräume.
- K-Strategen:wenige, große Nachkommen mit Brutpflege, lange Lebensdauer; Populationen nahe K in stabilen Lebensräumen.
- Konkurrenz:intraspezifisch (gleiche Art) oder interspezifisch (verschiedene Arten) um begrenzte Ressourcen; beide Partner werden geschädigt (−/−).
- Konkurrenzausschluss:zwei Arten mit gleichen Ansprüchen an dieselben begrenzten Ressourcen können nicht dauerhaft koexistieren (GAUSE).
- Konkurrenzvermeidung:durch Einnischung: andere Nahrung, andere Zeit, anderer Bereich des Biotops; über Generationen durch Selektion.
- Physiologische Potenz:Toleranzbereich ohne Konkurrenz (Reinkultur); ökologische Potenz: Bereich unter Konkurrenz im Freiland — meist schmaler oder verschoben.
- Ökogramm:zeigt das Vorkommen von Arten gegen zwei Faktoren (z. B. Feuchte und pH); konkurrenzschwache Arten weichen an die Ränder aus.
- Ökologische Nische:Gesamtheit der Beziehungen einer Art zu biotischen und abiotischen Faktoren — kein Ort, sondern eine „Rolle“ im Ökosystem.
- Räuber-Beute:LOTKA-VOLTERRA: 1. periodische, phasenverschobene Schwankungen; 2. Mittelwerte bleiben konstant; 3. nach gleich starker Dezimierung erholt sich die Beute schneller.
- Modellgrenzen:gilt streng nur für ein isoliertes Räuber-Beute-Paar; im Freiland wirken Nahrung der Beute, Ausweichbeute, Krankheiten und Wetter mit.
- Parasitismus:Parasit nutzt den Wirt als Nahrungsquelle und Lebensraum (+/−); Ekto- und Endoparasiten, oft mit Wirtswechsel über Zwischenwirte.
- Symbiose:Zusammenleben zum gegenseitigen Nutzen (+/+): Mykorrhiza (Pilz–Baumwurzel), Flechte (Pilz–Alge), Knöllchenbakterien–Leguminosen.
Populationswachstum
\(\dfrac{\Delta N}{\Delta t}=r\cdot N\) · \(\dfrac{\Delta N}{\Delta t}=r\cdot N\cdot\dfrac{K-N}{K}\)
links exponentiell, rechts logistisch; r = Zuwachsrate (Geburtenrate − Sterberate), K = Kapazität. Konkurrenz (−/−) · Räuber–Beute (+/−) · Parasitismus (+/−) · Symbiose (+/+).
Regulation begründen
Dichteabhängig heißt: Die Wirkung nimmt mit der Dichte zu. Ein Faktor, der unabhängig von N gleich viele Prozent tötet, reguliert nicht.
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5.3 Stoffflüsse und Nutzung
Energie fließt durch die Nahrungsketten, Kohlenstoff und Stickstoff kreisen — und der Mensch greift in alles ein.
- Trophiestufen:Produzenten (Fotosynthese) → Primär-, Sekundär-, Tertiärkonsumenten; Destruenten bauen tote Biomasse zu anorganischen Stoffen ab.
- Nahrungsnetz:verknüpfte Nahrungsketten; Allesfresser stehen auf mehreren Stufen; Ausweichnahrung macht das Netz stabiler.
- Primärproduktion:die gesamte Fotosyntheseleistung ist die Bruttoprimärproduktion (BPP); Nettoprimärproduktion (NPP) = BPP minus Atmung der Produzenten.
- Energiefluss:je Stufe gelangen nur etwa 10 % (5–20 %) in die nächste; der Rest geht als Wärme (Zellatmung) oder mit Kot und toten Resten an die Destruenten.
- Pyramiden:Energie- und meist auch Biomassepyramiden verjüngen sich nach oben; deshalb haben Nahrungsketten selten mehr als 4–5 Glieder.
- Stoffkreislauf:Stoffe werden von Destruenten mineralisiert und wiederverwertet; Energie fließt nur einmal durch und verlässt das System als Wärme.
- Kohlenstoffkreislauf:Fotosynthese bindet CO₂; Zellatmung, Zersetzung und Verbrennung setzen es frei; Speicher: Ozean, Böden und Torf, Biomasse, fossile Lager, Kalkgestein.
- Stickstofffixierung:N₂ → NH₃/NH₄⁺ durch Bakterien mit Nitrogenase (Knöllchenbakterien, Cyanobakterien, Frankia an Erlen); sehr energieaufwendig.
- Ammonifikation:Destruenten setzen aus Proteinen und Harnstoff Ammonium (NH₄⁺) frei.
- Nitrifikation:Chemosynthese: Nitrosomonas oxidiert NH₄⁺ zu NO₂⁻, Nitrobacter NO₂⁻ zu NO₃⁻; die Energie dient der CO₂-Fixierung ohne Licht; nur mit O₂.
- Denitrifikation:unter O₂-Mangel nutzen Bakterien Nitrat statt O₂ und reduzieren es zu N₂ (Nebenprodukt N₂O); Stickstoff verlässt den Boden.
- Biomagnifikation:fettlösliche, schwer abbaubare Stoffe (PCB, DDT, TBT) reichern sich von Stufe zu Stufe an; hormonartig wirkende Stoffe stören Fortpflanzung und Entwicklung der Endglieder.
- Treibhauseffekt:CO₂, CH₄ und N₂O absorbieren Wärmestrahlung; fossile Brennstoffe, Rodung und Moorentwässerung verstärken den natürlichen Effekt.
- Nachhaltige Nutzung:nur so viel entnehmen, wie nachwächst; größter Dauerertrag bei mittlerer Bestandsdichte mit höchstem Zuwachs.
- Drei Säulen:Ökologie, Ökonomie, Soziales; Schutz- und Renaturierungsmaßnahmen lokal und global, kurz- und langfristig abwägen.
- Ökologischer Fußabdruck:biologisch produktive Fläche (globale Hektar), die ein Mensch für Konsum und CO₂-Aufnahme braucht; Vergleich mit der Biokapazität zeigt Übernutzung.
Energie, Kohlenstoff, Stickstoff
\(\text{NPP}=\text{BPP}-R\) · \(\ce{NH4+ -> NO2- -> NO3-}\)
Energie je Stufe ≈ 10 % · Nitrifikation liefert Energie für die Chemosynthese · Anreicherungsfaktor = Konzentration im Räuber : Konzentration in der Beute.
Chemosynthese sauber benennen
Nitrifizierer sind Produzenten ohne Licht: Sie oxidieren anorganische Stoffe und bauen mit der Energie aus CO₂ Glucose auf. Denitrifikation ist dagegen eine Atmung mit Nitrat statt Sauerstoff.
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Die Regeln, an denen die Punkte hängen
Diese drei Stellen kosten in der Klausur am häufigsten Punkte.
Diagramme erst beschreiben, dann deuten
Achsen, Einheiten und Kurvenverlauf mit Zahlen nennen, bevor Sie erklären. Wer sofort deutet, vergisst die Belege aus dem Material.
Nische ist kein Ort
Die ökologische Nische beschreibt Beziehungen zu Faktoren, nicht den Wohnort. Der Wohnort heißt Habitat.
Bewerten heißt abwägen
Bei Nutzung und Schutz alle drei Perspektiven — ökologisch, ökonomisch, sozial — mit Material belegen und zu einem eigenen, begründeten Urteil kommen.