Ökologie Zusammenfassung PDF

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Ausführliche Mitschrift...

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Ökologie – Zusammenfassung Vorlesungen Populationsökologie 

VO 1

Population = die Summe der Individuen einer Art (die zu einer bestimmten Zeit einen konkreten Raum (=Populationsareal, Siedlungsgebiet) bewohnen) - Genetischer Austausch überwiegend innerhalb der Population

Beschreibung von Populationen: -

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Abundanz: Individuenzahl oder -dichte bzw. Biomassendichte Verteilungsform: Verteilung der Individuen innerhalb des Siedlungsgebiets Struktur: Geschlechterverhältnis, Alterszusammensetzung Dynamik: Veränderung der Abundanzen in der Zeit Persistenz: Überleben oder Aussterben Populationsgenetik: Genetische Charakteristik

Anwendung: Naturschutz, Schädlingsbekämpfung, Nutzung, Vorhersagen Unitare Organismen (meist Tiere): Form, Entwicklung, Wachstum,.. genetisch fixiert Modulare Organismen: - meist sessil - aus Bauelementen, Funktionseinheiten zusammengesetzt - Entwicklungsprogramm stark von Umwelteinflüssen abhängig - Bildung von selbständigen Einheiten (Ramets) möglich (z.B. vegetative Vermehrung) → Bsp. Erdbeere – bilden Ausläufer, nie neue Pflanzen bilden - Summe Ramets = Genet (Klon) = Kollektiv von Pflanzen (Pilzen), die unter der Erde durch z.B. ein Rhizom verbunden sind oder waren → Bsp.: Frauenschuh: einzelne Individuen sind unterirdisch mit Ausläufern verbunden

Individuenzahl Relative Individuenzahl:  

z.B. Anzahl Individuen in Pheromonfallen oft ausreichend, um Veränderungen in der Zeit festzustellen; z.B. wann Schädlingsbekämpfung

Absolute Individuenzahl:   -

Durch Zählen bestimmbar (seltene, große Arten z.B. Steinadler) Oft auf Schätzungen angewiesen - z.B. Markierungswiederfang: Tag 1: Fangen, Markieren, Entlassen von Individuen Tag 2: Fangen von Individuen und zählen, wie viele davon bereits markiert sind

Indiv . geschätzt Indiv .markiert Tag 1 Individuen geschätzt:

=

Ind gefangenTag 2 markierte Ind gefangenTag 2

Ind markiert Tag 1 x Ind gefangen Tag 2 markierte Ind gefangen Tag 2 1

Confidence Intervall: wie wahrscheinlich die Daten in diesem Intervall liegen

Populationsdichte und -verteilung 

drei mögliche Varianten wie Individuen im Raum verteilt sind:

(DI= Dispersionsindex = Mittelwert/ Varianz)

Reguläre Verteilung - Mittelwert > Varianz -

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DI > 1

Z.B.: 4+4+4+4+4 Mittelwert = 4 Varianz =0 Vermeidung von innerartlicher Konkurrenz (um Ressourcen) z.B. Bäume im Wald Territorien (Kosten: Verteidigung)

Zufällige Verte -

Mittelwert ≈ Varianz DI ≈ 1 Z.B.: 2+3+5+4+5 Mittelwert =3,8 Varianz= 1,7

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Mittelwert < Varianz

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Opportunistisch; selten Interaktionen zwischen Individuen haben keinen Einfluss auf Verteilung

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Heterogene Umweltbedingungen bzw. Ressourcenverteilung Z.B. Asseln unter feuchten Steinen, Beschattung von Bäumen, Bodeneffekt Ausbreitungslimitierung

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DI < 1

Z.B.: 6+0+4+11+12 Mittelwert= 6,6 Varianz= 24,8

Territorien bzw. Gruppen bei Tieren → wenn Nutzen > Kosten Analyse der Populationsverteilung: - Wichtig für Bestimmung der Population - Erlaubt Rückschlüsse auf Biologie und Umwelt der untersuchten Arten Beispiel – Territorialität von Kolibris: - Nachteile Territorialisierung/ Kosten: müssen Territorium verteidigen, weil nur spezielle Pflanzen für Nahrungsaufnahme möglich - Nutzen: Nektar (Tier kann nicht unendlich Nektar aufnehmen, deswegen flacht Nutzenkurve nach einer Zeit ab) (Kolibris essen auch Insekten etc., da nicht alle Nährstoffe im Nektar vorhanden sind) - Wenn Kosten > Nutzen → keine Territorialität - Optimale Ressourcennutzung: bei mittelgroßem Territorium Kosten-Nutzen optimal

Größe von Territorien (Empirischer Befund) 2

Aggregation in Gruppen: 

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Aggregation= Ansammlung von Tieren einer oder verschiedener Arten, die sich zu einem bestimmten Zeitpunkt zufällig bzw. durch einen äußeren Anlass verursacht am selben Ort einfinden, ohne dass ein soziales Band zwischen ihnen besteht Individuen in Gruppen geringeres Mortalitätsrisiko als Alleinlebende Mögliche Ursachen: 1. Erhöhte Wachsamkeit der Beute: Räuber nutzt Überraschungseffekt – Beute Konfusionseffekt (= durch Vielzahl bewegter Individuen, kann sich Räuber schwer auf ein Beutetier konzentrieren) 2. Verdünnung und Deckung (Verdünnungseffekt: wenn mehr Individuen an einem Ort, ist die Wahrscheinlichkeit für ein Individuum geringer von Räuber erwischt zu werden) - Bsp.: Zikaden – schlüpfen alle 13 oder 17Jahre oder Bambus - Gruppenverteidigung 3. Gruppenverteidigung: - Gemeinsam lässt sich Räuber oft vertreiben - Z.B.: ,,Hassen“ Verteidigungsmanöver von Möwen - Z.B.: Wachholderdrosseln (Hassen) – (Angriff+ bespritzen mit Kot, verklebt Flügel der Gegner) - Größere Erkennbarkeit der Gruppe durch hohe Individuenzahl hat keine nachteiligen Auswirkungen 4. Kolonien als Informationszentrum (z.B. Auffinden geeigneter Nahrungsressourcen – zum Teil ist Nahrung nur kurzzeitig, ergiebig vorhanden, wie Samen, Früchte) – Vögel mit Nahrung im Schnabel werden zur Futterquelle verfolgt 5. Aufschluss problematischer Beute: z.B. Gruppe von Löwen erlegt Beute leichter gemeinsam Gruppenvorteile z.T. konditional – daher nicht starr, sondern dynamisch (z.B. Schwarmgröße steigt mit zunehmendem Prädationsdruck, Guppis) Beispiel Klippenschwalbe: - Vorteile der Gruppenbildung: Kolonien als Informationszentrum für Futterquellen - Nachteile der Gruppenbildung: Wanzenbefall der Nestlinge (diese bleiben kleiner und schwächer durch Wanzen) - Ohne Insektizid heben sich Kosten und Nutzen gegenseitig auf Kosten und Nutzen von Gruppen oft fallspezifisch → gute Kenntnisse des Systems notwendig für KostenNuten Abschätzung

Populationsstrukturen: (Mensch) - Demographie Kohorten= Individuen die zur gleichen Zeit geboren sind     

Absolute Populationsgröße= alle Individuen einer Population Effektive Populationsgröße= nur die Individuen, die an der Reproduktion teilnehmen Geschlechterverhältnis Altersklassen-Aufbau, Schicksal einzelner Kohorten Struktur bei Menschen wird in Alterspyramiden dargestellt: - ,,Pyramide“ → hoher Zuwachs (je kleiner die Kohorte, desto größer die Individuenzahl) - ,,Reckteckt“ → Zuwachs ≈ Abgang: präproduktive & postreproduktive Kohorte +/- gleich, stabil aber störanfällig - Pyramide auf Spitze → postreproduktive Kohorten > Zuwachs, instabil durch Überalterung – Extinktion bei Tieren (Populationsgröße wird sinken)

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Demographischer Übergang: beschreibt Wechsel von hoher Geburten-, Streberate zu niedrigem Niveau und niedriger zu hoher Bevölkerungsgröße Geburtenrückgang durch: Empfängnisverhütung, Soziale Rentensysteme (früher waren Kinder Rentenversicherung für Eltern), Ausbildung von Frauen Sinkendes Sterbealter: gute Ernährung, Gesundheitssystem, Hygiene Trotz höherer Sterberate und sinkender Geburtenrate steigt Bevölkerungszahl an, weil die Geburten und Sterberate zeitverzögert reagieren – wichtig Prüfung Bevölkerungszahl entwickelt sich in Entwicklungsländern viel schneller, als in Industrieländern

3 Typen von Mortalitätsraten/ Überlebenskurven (in welchem Alter sterben Individuen primär): - Typ I : hohe Altersmortalität (Individuen sterben nah am Maximalalter) - Typ II : altersunabhängige, konstante Mortalität - Typ III : hohe Jugendmortalität: die meisten Individuen sterben bereits im jungen Alter Bei Pflanzen ist Mortalitätsrate sehr stark von Entwicklungsstadium abhängig

VO 3

Populationsdynamik:

Diskrete Population

Kontinuierliche Population

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Generationen überlappen nicht: Fortpflanzung findet nur zu bestimmten Zeiten statt

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Bsp.: solitäre Wildbienen (ein Weibchen allein baut ein Nest und kümmert sich um den Nachwuchs) Larven schlüpfen erst im nächsten Jahr Bedingungen zum Zeitpunkt t bestimmen Dichte zum Zeitpunkt t+1 Populationsdichte zu bestimmten Zeitpunkt im nächsten Jahr t+1

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Generationen überlappen, da ständig Individuen geboren werden und sterben Beispiel Mensch

Diskrete Generation -

Generationen überlappen – Fortpflanzung nur zu bestimmten Zeiten

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Beispiel Rothirsch: Brunftzeit September-Oktober, Setzzeit Mai- Juni Elterngeneration leben mit Nachw.

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Wetterbedingungen während der ganzen Zeit relevant

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Prozesse der Populationsdynamik: (wenn es nur Geburten und Sterbefälle gibt)

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Populationsgröße zum Zeitpunkt t+1: N/t+1) = N(t) + Geburten – Sterbefälle

Daraus ableitbar: 

Wachstumsrate der Population = N(t+1) – N(t)= Geburten – Sterbefälle

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Individuelle Wachstumsrate = = -

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N (t +1 )−N (t ) N (t) Geburten− Sterbefälle Geburten = N (t) N (t )

Sterbefälle N (t)

g: pro Kopf Geburtenrate (N(t) aus Geburten/N(t)) s: pro Kopf Sterberate (N(t) aus Sterbefälle N(t))

Populationsgröße (N) zu bestimmtem Zeitpunkt, wenn Anfangspopulationsgröße ind. Wachstumsrate (R) bekannt ist – Formel: - N (t+1) – N (t) = R x N(t) - N (t+1) = N (t) x R N(t) - N (t+1) = N(t) x (1+R) → Formel verallgemeinert: -

N(0)= anfängliche Populationsgröße, dann N(1), N(2),… N(1) = N(0) x (1+R) N(2) = N(1) x (1+R) = N(0) + (1+R) = N(0) x (1+R)²

→ N(t) = N(0) x (1+ R)T

– beschreibt exponentielles Wachstum

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Weltbevölkerung hat sich innerhalb von 40 Jahren verdoppelt – Gründe: - Erschließung neuer Ressourcen durch technischen Fortschritt - Nutzung fossiler Ressourcen (z.T. zur Düngerherstellung) → Erhöhtes Nahrungsmittelangebot

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Exponentielles Wachstum ist dauerhaft unmöglich: - Beispiel mit Kühen: würden diese sich die Population exponentiell weiterentwickeln, würde es in 150 Jahren so viele Kühe geben, dass deren Gewicht, das der Erde übertreffen würde. individuelle Wachstumsrate unabhängig von Populationsgröße (N) - nur der Fall, wenn es zu keiner intraspezifischen Konkurrenz kommt (z.B.: wenn es keine Ressourcenlimitierung gibt) dann kann es Wachstum ohne Sättigung geben - Exponentielles Wachstum nur für kurzfristige Beschreibung v.a. für Laborkulturen (Mikrobiologie) oder Initialphasen geeignet

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Realistischer: Individuelle Wachstumsrate (R) nimmt mit Populationsgröße (N) ab (intraspezifische Konkurrenz): je mehr Individuen desto weniger Ressourcen R > 0: positives Wachstum

R = 0: Gleichgewicht R< 0: negatives Wachstum K= Tragfähigkeit (Kapazität) des Lebensraums

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Logistisches Wachstum= Art des Populationswachstums unter natürlichen Bedingungen mit begrenzten Ressourcen: exponentielle Phase: zunächst vermehrt sich Population noch exponentiell, vorhandene Ressourcen reichen für die wenigen Tiere noch aus, Vermehrung hat keine Grenzen lineare Phase: je größer die Populationsdichte desto weniger Ressourcen, nicht alle Individuen können optimal ernährt werden – Fortpflanzungsrate wird immer kleiner, Bevölkerung nimmt noch stetig zu Sättigungsphase: Ressourcen sind knapp – Konkurrenzkampf größer, Wachstumsrate nähert sich dem Nullwert – es überleben nur so viele Nachkommen, wie im Durchschnitt sterben → Populationsgröße pendelt sich bei Kapazitätsgrenze ein, ist bei der Kapazitätsgrenze maximal - Steigung ist am größten bei K - (auch für Landwirtschaft und Fischerei bedeutend – Optimierung des Ertrags) - Population wächst nicht unendlich, weil intraspezifische Konkurrenz wächst durch Nahrungsknappheit - Individuelle Wachstumsrate sinkt → Individuelle Wachstumsrate sinkt mit steigender Populationsgröße

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Links Wachstumsrate der Population: bei der halben maximalen Populationsgröße ist N = K/2 am größten Kapazität auch bei Pflanzen relevant

6

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Allee – Effekt (Alle 1931)= wenn eine höhere Populationsgröße und/oder Dichte von Artgenossen einen positiven Einfluss auf die Fitness eines Individuums der entsprechenden Art hat (→ im Normalfall wäre es für ein Individuum in der Regel immer nachteilig, wenn es von vielen anderen Individuen der gleichen Art umgeben ist, weil Artgenosse sich ökologisch sehr ähnlich sind und dementsprechend ähnliche Bedürfnisse haben und Anforderungen an ihren Lebensraum stellen z.B. kleine Pflanze wird durch starken Wind geschädigt, aber wenn sie in Gruppe steht, ist sie gut geschützt): individuelle Wachstumsrate steigt mit zunehmender Populationsgröße (bei zu großen aber -

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weiterhin Konkurrenz-Effekt) Entscheidend, dass es zusätzlich eine minimale Populationsgröße gibt – ist die Population kleiner als die mini. Populationsgröße, ist die individuelle Wachstumsrate negativ Z.B. Feindabwehr (z.B.: Herdentieren), Reproduktion (Bestäubung, Partnerfindung), Nahrungsaufnahme (Löwenrudel), genetische Variabilität (Drift, Inzucht); Umwelt – Stochastizität → Situationen in denen Allee – Effekt relevant sein könnte Für Naturschutzfragen sehr relevant

WICHTIG: Warum erst labiles und später stabiles Gleichgewicht? - Wachstumsrate der Population positiv, wenn individuelle Wachstumsrate positiv ist, also zwischen K1 (minimale Populationsgröße) und K2 (=Kapazität) - Wachstumsrate der Population ist negativ, wenn die Populationsgröße kleiner als die minimale ist, oder größer, als die Kapazität - Entscheidend – zwei Gleichgewichte: wo individuelle und Wachstumsrate der Population null sind - Labiles Gleichgewicht: ist die Populationsgröße etwas größer als die minimale Populationsgrößer, wird sie sich Richtung K2 (Kapazität) weiterentwickeln → ist die Populationsgrößer etwas kleiner als die minimale Populationsgröße, wird die Population aussterben bzw. noch werden, bis sie letztendlich null ist → labiles Gleichgewicht, wenn Populationsgröße nicht genau K1 ist: sie wird entweder gegen null gehen oder Richtung Kapazität - Stabiles Gleichgewicht: sowohl etwas kleiner Populationsgrößen oder etwas Größere führen dazu, dass sich die Populationsgröße bei K2 einpendeln wird - Allee-Effekt ist wichtig, um minimale Populationsgröße festzustellen und wie groß Populationen mindestens sein müssen, um längere Zeit überdauern zu können - Beispiel – Afrikanischer Wildhund: durch bejagund sehr stark dezimiert, Rudel sehr klein und können nicht mehr effektiv jagen – Populationsgröße ist jetzt schon kleiner, als K1 – darum vermutlich bald ausgestorben

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Prüfungsfrage: Zusammenhang von individueller Wachstumsrate und Wachstumsrate der Population

Individuelle Wachstumsrate Gleichbleibend (und positiv) Steigend (und positiv) Positiv, aber fallend

Wachstumsrate Population Gleichbleibend Sinkend – durch Konkurrenz steigend

Verschiedene Formen von Konkurrenz – 2 Hauptarten: 

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Ausbeutungskonkurrenz (= indirekte Konkurrenz, weil verschiede Organismen nicht direkt miteinander interagieren) - Scramble competition: Individuen gleichmäßig beeinträchtig z.B.: 10 Kühe auf einer Weide haben nicht genug zu essen – führt dazu, dass alle Individuen zu wenig essen und alle sterben - Contest competition: es gibt Gewinner und Verlierer (z.B.: ein Baum nimmt effizienter Wasser auf als andere, oder eine Kuh nimmt alle Ressourcen auf und überlebt) Interferenz (Gewinner und Verlierer) - Direkte Interaktionen z.B. territoriale Vögel (Kolibris) – einige können Territorium besetzen, während es andere nicht können - Sozialer Stress kann wachstumshemmend wirken - Mortalitätsrate des ungeborenen Nachwuchses steigt - Pheromone im Urin von Mäusen verzögern Geschlechtsreife - Krankheiten können auch wachstumshemmend wirken - Interspezifische Interaktionen können sich auch auf Populationsgröße auswirken → Räuber- Beute System

Abiotische Bedingungen 

Sonnenflecken: ist die Sonnenaktivität niedrig gibt Sonne weniger UV-C ab als wenn sie aktiv ist - UV-C= sehr energiereiche Strahlung im Wellenlängenbereich von 100-280nm - UV-C wirkt sich auf Ozonschicht aus, die in Stratosphäre gebildet wird → Ozon wird durch Photolyse von Sauerstoff gebildet – induziert durch UV-C - Viel Sonnenaktivität – viel UV-C – dicke Ozonschicht → hat Einfluss auf UV-B Strahlung - UV-B= 315-280nm – energiereiche Strahlung, die schädlich ist für Organismen - Geringe Sonnenaktivität – dünner Ozonschicht – viel UV-B - Bsp: Herbstspanner: wenig Sonnenflecken → niedrige Ozonschicht → UV-B hoch → Pflanzen/ Flechten produzieren in Produktion UV-B Schutzpigmente → dadurch weniger Ressourcen um in Herbivorenschutz zu investieren → hohe Entwicklung der Nachtfalter - Populationsdynamik von vielfältigen Faktoren abhängig

Herbivoren = Pflanzenfresser

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Ökologische Strategie einer Art: (weiterer Faktor) = die Summe der Reproduktions-, Lebenszyklus und Überlebensstrategie: Beschreibt Flexibilität und Geschwindigkeit, mit der auf Umweltbedingungen reagiert werden kann: -

Reproduktionsstrategie – 2 Typen von Arten: 1. Semelpare Arten: eine Reproduktionsphase (reproduzieren sich nur einmal im Leben) 8

2. Iteropare Arten: mehrere Reproduktionsphasen -

2 Typen von Organismen K-Strategen (konkurrenzstarke; stabile Umwelt): leben oft an der maximalen Kapazitätsgrenze die ein Lebensraum her gibt – deswegen sehr konkurrenzstark und kommen in stabiler Umwelt vor investieren viel in Überlebensrate der Nachkommen wenige Nachkommen, betreiben intensiv Brutpflege lange Lebensspanne, Fortpflanzungsperiode (iteroparen Reproduktionszyklus)

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konstante Populationsgröße nahe K (Kapazität) z.B. viele Säugetiere, Vögel, Urwaldbäume

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r-Strategen (konkurrenzschwach; instabile Umwelt)  setzten auf hohe, individuelle Wachstumsrate → r oft iteropar, z.T. semelpar   

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viele Nachkommen, kaum Investition in Aufzucht kurze Lebensspanne variable Populationsgröße: exponentielles Wachstum bis K, dann oft Zusammenbruch der Population geringes Körpergewicht z.B. Bakterien, Blattläuse, Pionierpflanzen, Unkräuter

Grenzen zwischen r- und k- Strategen oft fließend

Persistenz Konzept der Metapopulation= Σ(=Summe) lokaler Populationen (Subpopulationen) einer Art:       

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es ist nicht ausreichen eine lokale Population zu untersuchen – man muss mehrere lokale Populationen auf einer regionalen Skala berücksichtigen Von Ilkka Hanski (Finnland), maßgeblich geprägt Populationsdynamik findet in diesen Habitaten unabhängig voneinander statt Diskret, besiedelbare Habitatinseln (patches) Konzept erwartet, dass Populationen Aussterberisiko haben aber dass einzelne patches nach Aussterben wiederbesiedelt werden können Wiederbesiedlung, Zuwanderung essentiell für Persistenzt Klassische Metapopulation: - Geht nicht davon aus, dass einzelne Subpopulationen vorhanden sind - ein Teil der möglichen Habitate, ist mit Subpopulationen besetzt - in anderen möglichen Habitaten, kommt die Tierart nicht vor - Striche um grünen Bereich – innerhalb herrscht eigene Dynamik - Pfeile zeigen, dass trotz eigener Dynamik in Bereichen, Austausch möglich ist (Individuen können von Bereich empfangen und verlassen werden) Kern-Satellit-Modell (source vs. sink): - Eine große Population und mehrere kleine – Austausch von Individuen finden hauptsächlich von der großen zu den kleinen Populationen statt ,,patchy population“: (keine Metapopulation im klassischen Sinn)

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Viele kleine Populationen eigentlich eine große → ständiger Austausch von Individuen findet statt, daher herrscht in den einzelnen Bere...