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Ökologie Inhalt 5. Ökologie ......................................................................................................................................................... 2 5.1 Abiotische und biotische Faktoren + 5.2 Experimente zur Überprüfung der ökologischen Potenz ....... 2 5.3 Abiotischer Faktor Temperatur bei Tieren .............................................................................................. 2 5.4 Thermoregulierer und Thermokonformer .............................................................................................. 4 5.5 Abiotischer Faktor Wasser....................................................................................................................... 4 5.6 Angepasstheit von Pflanzen an Wassermangel....................................................................................... 5 5.8 Abiotischer Faktor Licht ........................................................................................................................... 5 5.9 Wechselwirkungen zwischen Lebewesen ............................................................................................... 6 5.10 Ökologische Nische und Koexistenz, Konkurrenzvermeidung .............................................................. 6 5.11 Interspezifische Konkurrenz und vorkommen von Lebewesen ............................................................ 6 5.12 Populationswachstum: exponentiell und logistisch .............................................................................. 7 5.13 Regulation der Populationsdicht ........................................................................................................... 7 5.14 Räuber-Beute-Beziehungen................................................................................................................... 7 5.15 Das Lotka-Volterra-Modell und seine Grenzen ..................................................................................... 8 5.16 Symbiose und Parasitismus ................................................................................................................... 8 6. Ökologie ......................................................................................................................................................... 9 6.1 Stoffkreislauf in Ökosystemen ................................................................................................................. 9 6.2 Die Kohlenstoffbilanz einer Pflanze (unrelevant) .................................................................................... 9 6.3 Produktivität verschiedener Ökosysteme (unrelevant) .......................................................................... 9 6.4 Energiefluss in Ökosystemen ................................................................................................................. 10 6.6 Der Stickstoffkreislauf............................................................................................................................ 10 6.7 Ökosystem Wald: Biotop und Biozönosen ............................................................................................ 11 6.8 Biologische Aktivität im Waldboden (unrelevant)................................................................................. 12 6.9 Ökosystem Wald: Sukzession ................................................................................................................ 12 6.10 Ökosysteme Wald: Bioindikatoren für Bodeneigenschaften .............................................................. 12 6.13 Ökosystem Wiese: Biotop und Biozönosen......................................................................................... 12 6.14 Ökosystem Wiese: biotische und abiotische Einflüsse ........................................................................ 13 7.Ökologie........................................................................................................................................................ 14 7.1 Interessenkonflikt zwischen Menschen und dem Naturschutz............................................................. 14 7.3 Der Treibhauseffekt ............................................................................................................................... 14 7.4 Einflüsse auf den globalen Kohlenstoffkreislauf ................................................................................... 14 7.5 Kohlenstoffdioxid- Bilanz und Nachhaltigkeit ....................................................................................... 15 7.7 Invasion von Arten und Folgen für Ökosysteme (unrelevant) .............................................................. 15 7.8 Bedeutung der Biodiversität.................................................................................................................. 15 1

5. Ökologie 5.1 Abiotische und biotische Faktoren + 5.2 Experimente zur Überprüfung der ökologischen Potenz

Biotische Umweltfaktoren: Faktoren die von Lebewesen ausgehen (Konkurrenz durch gleiche Art) Abiotische Umweltfaktoren: Faktoren der unbelebten Umwelt • Umweltfaktoren liegen in unterschiedlicher Intensität vor • Überleben, Wachstum und Reproduktion des Organismus nur innerhalb bestimmter Grenzen eines Umweltgradienten möglich Physiologische Potenz: Toleranzbreite eines Organismus gegenüber verschiedenen Intensitäten eines Umweltfaktors - Einwirkung von Konkurrenz wird nicht mit einbezogen Ökologische Potenz: Toleranzbreite eines Organismus gegenüber verschiedenen Intensitäten eines Umweltfaktors - Einwirkung von Konkurrenz wird mit einbezogen • Optimalbereich = ökologisches Optimum • Abweichungen des ökologischen Optimums vom physiologischen Optimum ist auf interspezifische Konkurrenz zurück zu führen Euryök: Großer Toleranzbereich Stenök: Geringer Toleranzbereich Präferendum = Präferenzbereich Toleranzkurve

5.3 Abiotischer Faktor Temperatur bei Tieren Hitzetod (hohe Temperatur): Denaturierung der Enzyme in den Zellen -> Erliegen des Stoffwechsels niedrige Temperatur -> Stoffwechselvorgänge langsamer wegen verminderter Enzymaktivität 2

Bergmannsche Regel (Größenregel) -> In kaltem Klima ist die Körpergröße gleichwarmer Tiere größer als in wärmeren Klima • Gleichwarme Tiere (Säugetiere, Vögel); Beispiel: Pinguin • Tierarten in kalten Gebieten sind größer als verwandte Tierarten in warmen Gebieten • Große Körper haben im Verhältnis zum Volumen eine kleinere Oberfläche und verlieren dadurch weniger wärme als kleine Körper • Wärmeproduktion von Körpervolumen abhängig - Wärmeabgebe von Körperoberfläche Allensche Regel (Proportionsregel) -> Je kälter das Klima, umso kleiner sind die Körperanhänge (z.B. Ohren) • Gleichwarme Tiere (Säugetiere, Vögel); Beispiel: Füchse, Elefanten, Hasen • Die Körperanhänge von Tierarten in kalten Gebieten sind kleiner ausgebildet als die der verwandten Tierarten in warmen Gebieten • In warmen Gebieten sind Körperanhänge groß, um überschüssige Wärme an die Umgebung abzugeben, aber in kalten Gebieten sind sie klein um zusätzlichen Energieverlust zu vermeiden 3

5.4 Thermoregulierer und Thermokonformer Radiation (Strahlung): Übertragen von Energie in Form von Licht und Wärme auch ohne Kontakt zwischen zwei Objekten Evaporation (Verdunstung): Wärmeverlust an der Oberfläche einer Flüssigkeit beim Übertritt von Molekülen aus der Flüssigkeits- in die Gasphase. Wasser, das auf der Eidechse verdunstet, übt einen kühlenden Effekt aus (Verdunstungskälte). Konduktion: Übertragen von Wärme auf ein anderes Objekt bei direktem Kontakt, z. B. beim 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. Thermokonformer= wechselwarm (poikilotherm) Thermoregulierer= gleichwarm (homoiotherme)

5.5 Abiotischer Faktor Wasser Einfluss auf Landtiere: • Wasser… • dient als Transportmittel • ist Voraussetzung damit Stoffwechselvorgänge optimal ablaufen • ist beteiligt an der Regulation der Körpertemperatur • -Schwankungen können Leistungsfähigkeit stark einschränken • Wasseraufnahme durch Nahrung, Trinken, Oxidationswasser • Angepasstheit: ➔ Bildung von Wasser bei Zellatmung -> Kängururatte ➔ In kühlen Höhlen vergraben -> Schutz vor Überhitzung und einem zu großen Wasserverlust ➔ Fortbewegung: Springen -> kaum Kontakt mit heißen Oberflächen ➔ Keine Schweißdrüsen -> keine Transpiration möglich Einfluss auf Pflanzen: • Moose, Algen, einige Farne keine Regulationsmöglichkeit ihres Wasserhaushaltes ➔ wechselfeuchte, poikilohydre Planzen • Bei großer Trockenheit: ➔ Stillstand der Stoffwechselvorgänge -> fast das ganze Wasser aus Zellen ist verdunstet ➔ Bei neuer Feuchtigkeit quellen Zellen auf -> Stoffwechselprozesse laufen wieder normal ab • Gegensatz: eigenfechte, homoiohydre Pflanzen -> Wassergehalt in Zellen fast konstant (egal ob extrem nass oder extrem trockene Standorte) • Xerophyten (Trockenpflanzen) • Mesophyten (wandlungsfähige Pflanzen) • Hygrophyten (Feuchtpflanzen) • Hydrophyten (Wasserpflanzen) • Fechte Standorte -> Luft mit Wasserdampf gesättigt -> Schwierigkeit Wasserdampf abzugeben  Angepasstheit: transpirationsfördernde Strukturen wie herausgehobene Spaltöffnungen • Trockenpflanzen -> Luftfeuchtigkeit sehr gering  Angepasstheit: transpirationseinschränkende Strukturen wie stark ausgeprägte Cuticula oder eingesenkte Spaltöffnungen

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5.6 Angepasstheit von Pflanzen an Wassermangel Xeromorphe Blätter (Bsp.: Oleander in warmen Gegenden): • Kleine Blätter, dicke Kutikula, stark verdickte mehrschichtige Epidermis -> Blattoberfläche gibt wenig Wasser ab • Spaltöffnungen (Wasserdampfabgabe), tief in Blattoberfläche eingesenkt+ haarähnliche Zellausläufer -> Schutz vor austrocknender Luftbewegung • Großteil der Spaltöffnungen befindet sich auf der Blattunterseite -> Schutz vor Sonneneinstrahlung -> möglichst wenig Wasserverdunstung • Z.T. weißliche Färbung der Blätter, glänzende Wachsschicht auf Cuticula -> Reflexion des Sonnenlichts -> möglichst wenig Wasserverdunstung => Vergrößerung der ökologischen Potenz • Spaltöffnungen nehmen auch Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre auf um Fotosynthese zu betreiben ➔ Regulation der Öffnung der Spaltöffnungen abhängig von Temperatur und Luftfeuchtigkeit  Biomasseproduktion verhältnismäßig gering -> während der stärksten Sonneneinstrahlung -> geschlossene Spaltöffnungen -> keine Kohlenstoffdioxidaufnahme möglich -> keine Fotosynthese • Schwaches Sonnenlicht -> geöffnete Spaltöffnungen ->effizientere Nutzung durch chloroplastenreiches Palisadengewebe häufig mehrschichtig • besitzen häufig mehr Spaltöffnungen als Blätter von Arten an kühleren Standorten ➔ wenn Spaltöffnungen geöffnet -> in kürzerer Zeit können sie mehr Kohlenstoffdioxid aufnehmen • oft können sie außerdem zur Einschränkung der Wasserabgabe noch Wasser speichern -> besitzen lockeres, aus kleinen zellen bestehendes Schwammgewebe -> Wasserspeicher ➢ Wasserspeichernde xeromorphen Pflanzen = Sukkulenten •

Laubblatt: keine Angepasstheiten an Transpirationsschutz, da eine hinreichende Wassernachlieferung aus dem Boden gewährleistet ist

5.8 Abiotischer Faktor Licht Licht -> wichtiger abiotischer Faktor Lichtverhältnisse durch Stockwerkbau im (Buchen-) Wald bedingt -> beeinflusst wichtige Vorgänge der Lebewesen, wie Wachstum, Entwicklung und Fortpflanzung 1. Funktion: Licht als Grundlage für Fotosynthese betreibende Organismen ohne die ein Leben auf der Erde nicht möglich wäre 2. Funktion: Licht steuert die Vorgänge wie z.B. die Fortpflanzung von Lebewesen, das Pflanzenwachstum und die Samenkeimung In der Krautschicht dominieren: • Lichtbedürftige Pflanzen im Frühjahr vor bzw. zu Beginn des Laubaustriebs der Buche -> Frühblüher (Frühjahrsgenotypen) • Schattenpflanzen bei voller Belaubung der Buche, z.B. ein immergrüner Bodendecker, Moose, Farne, Waldsauerklee • Sonnenpflanzen schützen sich mit kleinen, wachsüberzogenen Blättern vor starker Sonneneinstrahlung und sind bevorzugt in Steingärten und Trockenrasen zu finden, z.B. Thymian, Heidekraut, Silberdistel Länge des Tages löst bei Pflanzen wichtige Prozesse aus, z.B. die Blütenbildung • Pflanzen teilt man entsprechend der Tageslänge ihrer Blütezeit ein  Kurztagpflanzen, Langtagpflanzen, tagneutrale Pflanzen • Bei Tieren werden viele Vorgänge, z.B. die Fortpflanzung durch die Länge des Tages gesteurt

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5.9 Wechselwirkungen zwischen Lebewesen Intraspezifische (innerartliche) Konkurrenz: Konkurrenz der Lebewesen einer Art untereinander (Ressourcen einer Population sind begrenzt -> mind. eine Ressource reicht bei steigender Populationsdichte nicht mehr um den Bedarf aller Individuen der Population zu decken) Interspezifische (zwischenartliche) Konkurrenz: Konkurrenz der Lebewesen unterschiedlicher Arten miteinander Konkurrenz um Revier, den Geschlechtspartner und die Nahrung Interspezifischen Konkurrenz: Räuber-Beute-Beziehung: • Tier tötet seine tierische Beute Pflanzen konkurrieren um Licht, Mineralsalze, Wasser Tiere konkurrieren um Nahrung und Nistplätze  Wettbewerb um begrenzte Lebensgrundlagen -> hat Nachteile für beide Arten Nahrungsbeziehung: Vertreter der einen Art fressen Vertreter der anderen Art (Pflanzenfresser nehmen häufig nur Teile einer Pflanze auf -> Pflanze stirbt dabei nicht ab) Symbiose: • Lebensgemeinschaft von Organismen zweier Arten, bei der beide Partner einen Nutzen aus der Verbindung ziehen • Getrennt voneinander ist ihre Lebensfähigkeit meistens eingeschränkt Parasitismus: • Beziehung von Organismen zweier Arten, bei der einer der Partner (Parasit) auf Kosten des anderen (Wirt) lebt (z.B. Nahrung beziehen, schädigen, aber nicht unmittelbar töten).

5.10 Ökologische Nische und Koexistenz, Konkurrenzvermeidung •

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Ökologische Nische: Unter einer Ökologischen Nische versteht man die Gesamtheit der abiotischen und biotischen Umweltfaktoren, die einer Tier- oder Pflanzenart das Überleben ermöglichen ➔ müssen sich bei Vertretern verschiedener Arten unterscheiden um dauerhaft gemeinsam in einem Ökosystem zu existieren ➔ Koexistenz Konkurrenzausschlussprinzip: Arten, die die gleichen ökologischen Ansprüche haben, d.h. die dieselbe Nische beanspruchen, können nicht dauerhaft im selben Ökosystem existieren. Oder es kommt zu Koexistenz bzw. Konkurrenzvermeidung: Unterschiedliche Arten können im selben Ökosystem existieren, wenn sie unterschiedliche ökologische Angepasstheiten (entwickelt) haben und unterschiedliche Ansprüche an die Umwelt haben.

5.11 Interspezifische Konkurrenz und vorkommen von Lebewesen Biozönose: Lebensgemeinschaft aller Organismen eines Biotops  hier nutzen Individuen verschiedener Art die gleiche Lebensgrundlage, wie Licht, Wasser, CO2, Mineralsalze  bei begrenzten Ressourcen -> interspezifischen Konkurrenz • Artspezifische Eigenschaften, wie Schattentoleranz o. Toleranz gegenüber Trockenheit und Mineralsalzmangel, beeinflussen die Konkurrenz und machen Bäume unterschiedlich erfolgreich im interspezifischen Wettbewerb  Ob diese Eigenschaften Konkurrenzvorteile oder Nachteile bringen ist abhängig von der Umwelt und dem Entwicklungsstadium der Pflanze Ökogramm: vereinfachte Darstellung des Existenzbereichs einer Pflanzenart in Abhängigkeit von meist zwei Umweltfaktoren

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5.12 Populationswachstum: exponentiell und logistisch Population: • Umfasst alle in einem Gebiet vorkommenden Individuen einer Art, die zeitgleich dort leben, die sich untereinander uneingeschränkt fortpflanzen können (gemeinsamer Genpool). Anzahl der Individuen in einer Population… • Wächst: Grund: hohe Geburtenrate oder Immigration (z.B. aus angrenzenden Gebieten) • Sinkt: Grund: Todesfälle oder Emigration Wachstumsrate: Differenz zwischen Geburten- und Sterberate Exponentielles Wachstum: • Wirkt keiner der Umweltfaktoren im Lebensraum begrenzend (Idealbedingungen, wie ausreichend Ressourcen), verläuft die Wachstumskurve einer ideal vermehrenden Population exponentiell („J-Form“)  Anzahl der Individuen nimmt innerhalb einer Population in jeweils gleich großen Zeitabschnitten um denselben Faktor zu Ressource die am wenigsten vorhanden ist, wenn sie erschöpft ist = Begrenzender Faktor des Wachstums Kapazität K / Tragfähigkeit = die größte Population, die ein Habitat gerade noch versorgen kann, bis der begrenzende Faktor ein weiteres Wachstum verhindert Logistisches Wachstum: • Meist wird die Populationsentwicklung durch einen oder mehrere Umweltfaktoren begrenzt  Reaktion auf Verringerung der Ressourcen ist verlangsamt es Wachstum bis Geburtenrate = Sterberate -> Wachstumskurve, Steigung nimmt vor dem Erreichen der Kapazität ab und nähert sich K an  Kurvenverlauf: S-förmig = sigmoid  Unter natürlichen Bedingungen schwankt die Wachstumskurve um den Wert K (Grund: Mensch)

5.13 Regulation der Populationsdicht Populationsdichte: Anzahl der Individuen innerhalb einer Population Faktoren, die die Größe einer Population beeinflussen: • dichteabhängige Faktoren: Nahrung, Lebensraum, Konkurrenten, Fressfeinde, Parasiten, Krankheitserreger (v.a. biotische Faktoren) • dichteunabhängige Faktoren: Klima- und Bodenfaktoren, Naturkatastrophen, Einsatz von Pestiziden (v.a. abiotische Faktoren)

5.14 Räuber-Beute-Beziehungen Räuber: • Fleischfresser: Karnivoren -> töten ihre Beute • Pflanzenfresser: Herbivoren ->schädigen der Pflanze, aber töten sie nicht (wie Parasiten) • Allesfresser: Omnivoren Beute: • Beziehung:  ist mehr als die Übertragung von energetischen chemischen Verbindungen von der Beute auf den Räuber  sie ist eine direkte und oft komplexe Interaktion zwischen zwei oder mehr Arten 7

Räuber Kann durch Erhöhung der Sterberate die Beutepopulation regulieren

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als Nahrungsquelle die Wachstumsrate der Räuberpopulation verändern

Beute  Beziehung zwischen Räuber und Beutepopulation beeinflusst die Entwicklung der beiden Populationen  Selektionsdruck auf Beute ist höher als auf den Räuber, da für den Räuber ist nicht jedes Treffen auf ein Beuteindividuum lebensnotwendig, für das Beuteindividuum ist aber jedes Treffen auf einen Räuber lebensgefährlich  Selektionsdruck auf den Räuber wird erst größer, wenn es nicht mehr ausreichend genug leicht zu entdeckende und überwältigende Beute gibt (z.B. Beute tarnt sich besser o. läuft schneller)  Selektionsdruck des Räubers steigt bis hin zu einer effektiven Antwort auf Veränderung der Beute  Beutepopulation reagiert auf den steigenden Selektionsdruck mit weiteren Verbesserungen ➔ Dieser Wettbewerb wird als koevolutives Wettrüsten bezeichnet Am einfachsten wäre der Fall, wenn die Räuber-Beute-Beziehung von der Populationsdichte der Räuber bzw. der Beute abhängt -> die Reglung der Populationsdichte erfolgt in diesem Fall durch eine negative Rückkopplung  je mehr Beute vorhanden ist, desto mehr räuber können sich davon ernähren; je mehr Räuber sich von der Beute ernähren können, desto weniger Beute überlebt Meist sehr viel komplexer, da Räuber sich von mehreren Arten ernährt und Beute auch von anderen Arten gefressen werden

5.15 Das Lotka-Volterra-Modell und seine Grenzen Räuber-Beute-Beziehungen: Lotka-Volterra-Regeln Bedingungen ● Über einen langen Zeitraum hinweg ● Die Arten haben keine andere Räuber-Beute-Beziehungen ● Vernachlässigung abiotischer und biotischer Umweltfaktoren ● = Unrealistisch und dienen nur zur groben Einschätzung Erste Lotka-Volterra-Regel (Periodizität/ periodische Zyklen) • Die Größe der Populationen von Räuber und Beute schwanken bei konstanten Bedingungen periodisch - dabei folgt das Maximum der Räuberpopulation auf das Maximum der Beutepopulation Zweite Lotka-Volterra-Regel (konstanten Mittelwerte)  Die Populationsgrößen beider Einzelpopulationen schwanken konstant um einen festen Mittelwert. Dabei liegen die Individuenzahlen der Beute durchschnittlich höher. Dritte Lotka-Volterra-Regel (Störung der Mittelwerte)  Werden Räuber-, als auch Beutepopulation gleichermaßen in ihrer Populationsgröße dezimiert, so erholt sich die Beutepopulation stets schneller als die Räuberpopulation

5.16 Symbiose und Parasitismus Ergänzungen bei 5.9

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6. Ökologie 6.1 Stoffkreislauf in Ökosystemen Biosphäre: alle Ökosysteme (Land-, Meer-, Süßwas...