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Ökologie für UmweltwissenschaftlerVorlesung 1: Ökologie Intro Was ist Ökologie Ernst Haeckel (Zoologe, Philosoph): ...gesamte Wissenschaft von Beziehungen des Organismus

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Ökologie für Umweltwissenschaftler Vorlesung 1: Ökologie Intro • Was ist Ökologie? → Ernst Haeckel (Zoologe, Philosoph): „...gesamte Wissenschaft von Beziehungen des Organismus zur umgebenden Außenwelt...“ → aktuelle Definition: „Ökologie ist die Wissenschaft von den Wechselwirkungen zwischen Organismen und ihrer belebten und unbelebten Umwelt, sowie vom Stoff- und Energiehaushalt der Biosphäre und ihrer Ökosysteme“ → wird auch auf gesellschaftliche Zusammenhänge übertragen • Bioökologie: → zählt zu den Biowissenschaften/Lebenswissenschaften → Objekte/Beziehungen sind hier Organismen und Umwelt → z.B. Zebra ⬌ Nahrung • Geoökologie: → zählt zu den Geowissenschaften/Umweltwissenschaften → Objekt ist hier die Umwelt, also abiotische Beziehungen • Organisationsstufen der Ökologie: 1. Organismus/Individuum/Art: → Lebenszyklus eines Organismus (Giraffe), → ihrem Stoffwechsel und → Beziehung zur Umwelt 2. Population: → die Gesamtheit der Individuen (alle Giraffen) in einer Region, → ihre Populationsgröße und deren Veränderung (Demographie), → Beziehung der Population zur Umwelt 3. Lebensgemeinschaft/Biozönose: → Beziehungen unterschiedlicher Populationen zueinander (Räuber-Beute-Beziehungen) 4. Ökosystem: → Beziehungsgeflecht zwischen Organismen und ihrer Umwelt → muss vom Betrachter definiert sein (z.B. Grasland, See, Baum) → Alles wird beeinflusst von der Biogeographie und Evolution (Lage der Grasländer abh. von Klima) → Emergenz: Hinzukommen immer neuer Prozesse mit zunehmender Komplexität

Was ist ein Organismus? → wesentliche Einheiten der Ökologie (funktionelle Elemente ökologischer Systeme) → hierarchisch gegliedert und zielgerichtet → individuelle Lebewesen (Tier, Pflanze, Mikroorganismus) → Aufbau aus Zellen → Reaktion auf Reize → Stoffwechsel → Wachstum, Entwicklung, Vermehrung und Tod → Weitergabe genetischer Information an nächste Generation • Unitare Organismen: → Aussehen ist in einem genetisch vorgegeben Rahmen vorbestimmt (Löwe sieht von Geburt an mehr oder weniger gleich aus, Fell kann sich aber verändern) • Modulare Organismen: → Struktur und Entwicklungsprogramm sind undeterminiert → nicht klar abgrenzbar, entwickeln sich nicht in eine vorhersehbare Richtung (Gras) → viele Grashalme bilden erst das Individuum, andere Individuen können dazwischen wachsen → viele Organismen wachsen in Kolonien → Bspw. können sich Bäume Form je nach Standort, Umweltbedingungen,... von Individuum zu Individuum unterscheiden Was sind Arten? → Arten sind Gruppen von sich tatsächlich und potentiell kreuzenden Populationen (biologische Art) → stimmt nicht immer mit dem taxonomischen Artenbegriff überein → Trennung des Genflusses durch reproduktive Isolation (Nachkommen sind steril) • Verhinderung von Kreuzung: Geographische Isolation: → Trennung einer Arte in zwei Arten

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• Taxonomie: → beschreibt Verwandschaftsbeziehungen zwischen Organismen

• Reiche der Organismen: → Bakterien → Archaeta → Protisten (einzeller mit Zellkern) → Pflanzen -ca 1,5 Millionen Arten aus diesen Reichen bekannt -800.000 davon Insekten -Schätzungen gehen bis zu 50 Millionen Arten

• Lebensgeschichte von Organismen: → umfasst Lebenszyklus von Organismen (Unterschiede beim Lebenszyklus) → Lebenszyklus: Geburt-Entwicklung-Reproduktion-Tod (Dauer ist oft ausschlaggebend) → Mensch: diploid (Aufwachsen), haploid (Befruchtung, Embrio) diploid unterteilt sich in juvenil und adult → Larven/Puppen: Unterscheidung der Stadien des Entwicklungszyklus → Insekten im Puppenstadium: holometabole Insekten → Insekten ohne Puppenstadium: hemimetabole Insekten Energie und Trade-off Prinzip: • Chemoheterotropher Stoffwechsel / Energiestoffwechsel → Verbrennen von organischem Material (Kohlenwasserstoffe) • Synthese organischem Materials → Energiegewinnung durch Photosynthese Energie ist limitiert und kann nur einmal verwendet werden! • weitere Energiestoffwechsel: → Methanogenese → Desulfurikation → Denitrifikation

Vorlesung 2: Ökofaktoren: • Was ist eine ökologische Nische einer Art? → wird von allen Umweltfaktoren und Ressourcen bestimmt → “Die ökologische Nische ist ein n-dimensionales Hypervolumen von Umweltfaktoren und Ressourcen.” → Ressourcen werden verbraucht, Umweltfaktoren nicht → Zwei Arten in einem Gebiet haben keine vollkommene Nischenüberlappung → Unterscheidung in mind. einem Faktor → Je weniger sich die Arten unterscheiden, desto größer die potentielle Konkurrenz → Konkorrenzausschlussprinzip: bei voller Nischenüberlappung → Konkurrenzschwächere stirbt aus • Minimumgesetz: → Wenn eine Ressource fehlt, kann die Pflanze nicht wachsen. → Bei Zugabe der Ressource wächst die Pflanze weiter

• Ökofaktoren: → Beeinflussung der Wachstumsrate durch Ökofaktoren Letal ⬌ Stress ⬌ GÜNSTIG ⬌ Stress ⬌ Letal Thermoregulation: → Allen´sche Regel: Fläche der Körperanhänge sinkt mit abnehmender Temperatur → Bergmann´sche Regel: Körpervolumen erhöht sich mit abnehmender Temperatur → Anpassung; Gewöhnung oder Akklimatisation → Phänologie: Jährlich wiederkehrende Entwicklungserscheinungen der Natur Anpassung an den Salzgehalt: → Abhängig vom Gradienten des Salzgehaltes können sich die individuen ausbreiten • Habitat: zeitlich definierbarer Lebensraum eines Organismus mit allen Umweltfaktoren • Biotop: Lebensstätte einer Lebensgemeinschaft, kann mehret Habitate beinhalten

• Verbreitungsmuster → arktisch-alpine Verbreitung: diskontinuierliche Verbreitung durch Änderung des Klimas • Arealmuster: → diskontinuierlich (kein geschlossenes Verbreitungsgebiet), afrotropisch → historisch bedingt, durch geologische Faktoren (Plattentektonik) → Landbrücken (Isthmus von Panama, Verbindung zwischen Nord- und Südamerika) • Faktoren, die die Verbreitung bedingen: → Klimafaktoren (Temp., Niederschlag,…) → Geomorphologische Faktoren (Höhen- und Tiefenstufen) → Geologische Faktoren (Bodentyp, Gesteinstyp) → Historische - geographische Faktoren (Plattentektonik, Eisbedeckung, Meereshöhen) → Historisch - biologische Faktoren (Ausbreitung und Extinktion) → Biotische Faktoren: (Konkurrenz, Symbiosen, Nahrung)

Vorlesung 3: Evolution: • Evolutionstheorien von Charles Darwin und Alfred Russel Wallace / Artbildung (Radiation) → Arten aus gemeinsamen Vorfahren entwickelt → Genotyp (Erbbild eines Organismus), Phänotyp (Erscheinungstyp) → Erkenntnis: Variation → Individuen haben unterschiedlichen Phänotyp → Erkenntnis: Selektion-Mutation, Mechanismen der Evolution → Prozess einer Population mit… → … Variation unter den Individuen → … eindeutigem Zusammenhang zwischen der Merkmalsausprägung und Reproduktionserfolg → Vererbung der Eltern zu Nachkommen künstliche und natürliche Selektion • → Konkurrenten erzeugen Selektionsdruck (natürlich, Schnabelform, Größe und Härte von Samen) → Menschen erzeugen zielgerichteten Selektionsdruck ⬌ Kühe-viel Milch (künstliche Zuchtwahl) ⬌ Resistenzbildung → Genetischer Drift → drastische, zufällige Reduktion der Population → Veränderung des Genpols → Neue Gene nach erneutem Anwachsen der Population → Geographische Isolation → adaptive Radiation → aus einer Stammform entwickeln sich viele verschiedene Arten, die sich alle in eine neue ökologische Nische anpassen (Darwin-Finken; Hawaii)

• Koevolution → Eine Entwicklungsrichtung zweier Lebewesen → z.B. Anwachsen des Hirnvolumens von Jägern und Beutetieren • sexuelle Selektion: → natürliche Selektion stellt markante Merkmale bei Männchen und Weibchen her → Statussymbole, z.B großes Geweih → Wettbewerb zwischen Männchen → Männchen räumen das Sperma vom Vorgänger weg • Artbildungsprozesse: → Allopatrische Artbildung (geographisch isolierte Population) → Sympatrische Artbildung (überlappende Population) Vorlesung 4: Populationsökologie • Population: → Eine Gruppe einer Art, die zur selben zeit am gleichen Ort leben und sich miteinander fortpflanzen • Abundanz: → Anzahl Individuen einer Art • Dichte (nur Schätzungen, Anzahl pro m²) → Anzahl Individuen einer Art pro Flächeneinheit • Bilanz der Populationsgröße N innerhalb von Teilpopulation: → Anzahl vorhandener Individuen zum Zeitpunkt t → Fertilitätsrate (Populationsintern) → Mortalitätsrate (Populationsintern) → Immigration (Populationsextern) → Emigration (Populationsextern) • Populationswachstum: → Populationsgröße N → Ressourcen R, sind variabel → Kapazitätsgrenze K, über R vorgegeben, beeinflusst Wachstum → Veränderung über die Zeit ist also von K abhängig (K auch “carrying capacity” genannt) → Populationswachsum verringert sich, wenn wenn K erreicht ist → Regulation N ist dichteabhängig → Allee-Effeckt: negative individuelle Wachstumsrate, Populationsgröße muss anfangs stärkt wachsen, um Reproduktion gewährleisten zu können

• Trade off in Populationen → Populationen unterschiedlicher Art, nutzen unterschiedliche Strategien → K-Strategen: Überschreiten Kapazitäten nur selten langlebig, wenig Nachkommen viel Konkurrenz, stabile Umwelt → R-Strategen: Hohe Reproduktion sehr kurzlebig hohes Neu- und Wiederbesiedlungspotential, instabile Umwelt • Aussterben einer Population: → Aussterberisiko steigt… … mit sinkender N … mit der Zeit … mit zunehmender Stochastizität der Umwelt • Kohorte: Jahrgänge oder Gruppen von Jahrgängen, definiert durch zeitlich gemeinsames Sartereignis • Generation: Die Gesamtheit aller Individuen, die zu anderen Individuen, in aufsteigender oder absteigender Linie durch Abstammung verbunden sind und im selben Abstand stehen. • Metapopulationskonzept: Lebensräume von Arten sind nicht gleichmäßig über die Landschaft verteilt. Es existieren also Teilpopulationen, die miteinander im Austausch stehen • passive Ausbreitung: → Anemochorie (durch Wind) → Hydrochorie (durch Wasserströumgen) → Phoresie (durch andere Organismen) • Migration: → einfache Hinfahrt, ohne Rückfahrschein → einfache Hinfahrt, mit Rückfahrschein → Dauerfahrkarten

Vorlesung 5: Interaktionen I: • Lebensgemeinschaft (Interaktion zwischen Mitgliedern) → Mutualismus (Form der Lebensgemeinschaft zwischen Tieren oder zwischen Pflanzen mit gegenseitigem Nutzen) → Konkurrenz → Parasitismus (+/-, eng)

→ Prädation (Beziehung zwischen Räuber 2 und Beute) → trophische Struktur (Nahrungsnetz) → Biotische Interaktion → Verhältnis mit +(profitiert) -(geschädigt) o(neutral) → enge und lockere Beziehung • Konkurrenz: → “Die Individuen einer Art erleiden Nachteile in Fekundität (Fruchtbarkeit), Überlebenswahrscheinlichkeit oder Wachstum weil durch die Individuen einer zweiter Art” → Intraspezifische Konkurrenz: Interaktion innerhalb einer Art → Interspezifische Konkurrenz: Interaktion zwischen zwei Arten • Mechanismen der Konkurrenz → Interferenz (direkte Interaktion zwischen Organismen → Ausbeutungskonkurrenz (indirekte Konkurrenz durch limitierte Ressource) → Apparente Konkurrenz (indirekte Konkurrenz über gemeinsamen Fressfeind) → Konkurrenzausschlussprinzip: → Konkurrenzstärkere Art schließt schwächere Art aus der Nische aus → Art stirbt aus → Arten entwickeln sich anders → Koexistenz möglich • Sukzession (zeitliche Veränderung von Lebensgemeinschaften) → von der Wiese zum Wald

• Prädation (Fressen anderer Organismen durch Prädatoren, auch Pflanzenfresser) → Herbivore Prädatoren: fressen Pflanzen → Karnivore Prädatoren: fressen andere Tiere (Räuber) → Omnivore Prädatoren: fressen Pflanzen und Tiere → Detrivitore Prädatoren: fressen Bestandsabfall und tote Körper → Kannibalismus: fressen von Individuen eigener Art → intragulid predation: fressen innerhalb einer Gilde (Fleischfresser sich selbst) → Nettoenergieausbeute ausschlaggebend bei Wahl der Nahrung → Formen der Prädationsvermeidung: → Dornen → Tarnung (Mimese) → Gifte und Warnfarben → Mimikri (ähneln einer anderen Art) → Verhalten

→ geringe Aktivität → Weglaufen, Verstecken → Verteidigung • Bottom up

• Bottom down

Vorlesung 6: Interaktionen II (enge Beziehungen, Symbiosen) • Symbiose: enge Beziehung zwischen verschiedenen Arten • Eusymbiose: obligatorisches Zusammenleben zweier (mehrerer) Arten. Partner alleine nicht lebensfähig • Parasitismus: Parasit erhält Ressourcen von Wirt. Er schädigt den Wirt, tötet ihn aber nicht → Parasit nutzt Wirt als Habitat → von mindestens einem Nährstoff abhängig → schlecht adaptiertet Schädling tötet Wirt → Die meisten natürlichen Populationen haben (mehrere) Parasiten → Mortalität durch irrtümliche Besiedlung → Verbreitung von Krankheiten in Vektoren → Mikropasariten (lEndoparasiten, eben im Körper bzw. Körperzellen)

→ Makroparasiten (Ektoparasiten, können im/am Körper leben) → Brutparasitismus • Epidemie: stark gehäuftes Auftreten einer Krankheit innerhalb einer bestimmten Region/ Bevölkerung • Pandemie: gleich einer Epidemie, aber nicht örtlich beschränkt • Endemie: Dauerdurchseuchung einer Gesellschaft, Erreger können nicht restlos beseitigt werden • Mutualismus: Verbindung zwischen Individuen unterschiedlicher Art, die beiden Partner schützt → Fortpflanzungssymbiosen → zum Schutz vor Feinden → zur gegenseitigen Versorgung

Vorlesung 7: Lebensgemeinschaften: → Lebensgemeinschaften bestehen aus einer Reihe von Arten, absolute Anzahl unterschiedlich • Taxonomische Kovarianz → Steigen die Artenzahlen analog an? • Welche Faktoren beeinflussen der Artenreichtum? → Inselfläche und -isolation bedingen Besiedlungs- und Aussterbungraten → Equilibrium Hypothese → Alter der Insel: junge Inseln (Besiedlung als Effekt), Aussterberate steigt an, wenn GleichgewichtsArtenanzahl erreicht ist → Erreichbarkeit der Insel vom Festland → Störungen und Habitatdiversität → Typ der Insel: kontinentale Insel bringen Grundausstattung an Arten mit , ozeanische Inseln müssen komplett besiedelt werden → Auch Zusammenhang zwischen Größe von Habitaten und Artenzahlen • Habitatdiversität/Strukturdiversität → Viele Mikrohabitate (=Strukturen) im Habitat→viele Arten → Zusammenhang zwischen Höhenlage/Niederschlag und Artenvielfalt → hohe Temperaturen

→ mehr Strahlung → mehr Ressourcen → mehr Konkurrenz → Artenvielfalt von Nischengröße abhängig • Intermediate Disturbance Hypothesis: → mittlere Störungshäufigkeit → höchste Artenzahl → Häufigkeit von Ökotonen (Übergangszonen zwischen zwei Lebensräumen, z.B. Wald/ wiese) → Konnektivität (Verbindung zwischen Lebensräumen) • neutrale Theorie von Hubbell: → Gleiche Sterbeahrscheinlichkeit → dominante Art • Artenvielfalt im Regenwald → wenig Störungen / hohe Stabilität → viele Ressourcen (Licht) → Viel Konkurrenz → hohes Alter • Biodiversität wir beeinflusst durch: → Arealgröße → Strukturvielfalt → Klimaeffekte: Niederschlag, Temperatur, Klimastabilität → Höhenlage → Energiemenge, Produktion- Ressourcenmenge → Dynamik und Störungen Vorlesung 8: Ökosysteme • Funktion und Dynamik von Ökosystemen → Biosphäre (auch Ökosphäre): Der Raum des Planeten Erde, in dem Leben vorkommt → Ökosysteme… → sind offene Systeme, die zur Erhaltung einen Energiefluss benötigen → sind dynamisch; es finden auf räumlicher und zeitlicher Ebene Entwicklung statt → haben komplexe biotische und abiotische Elemente und Strukturen,d eis euch Wechselwirkungen miteinander Verbunden sind → funktionelle Bedeutung • Energie und Kohlenstoff: Biomasse Produktion → Biomasse: Masse von Lebewesen pro Einheit von Boden- oder Wasserfläche → Primärproduktion: Rate, mit der die Pflanzen (Primärproduzenten) Biomasse pro Flächeneinheit produzieren. Normalerweise als Energieeinheit angegeben → abhängig von Sonnenstrahlung → Bruttoprimärproduktion (BPP): Gesamte Fixierung von Energie durch Photosynthese

→ Nettoprimärproduktion (NPP): BPP minus von den Pflanzen veratmete Energie. NPP steht den heterotrophen Organismen zur Konsumtion zur Verfügung → steigt mit zunehmender Temperatur und Niederschlag an → Sekundärproduktion: Biomasseproduktion von heterotrophen Organismen Vorlesung 9: Terrestrische Ökosysteme • Drei Typen von Ökosystemen → Marine (Meer) → Limnisch (Süßwasser) → Terrestrisch (Land) → Im Wesentlichen sind Ökofaktoren vom Niederschlag und der Temperatur abhängig (Einteilung in Ökozonen) → wichtigsten Umweltparameter sind von der Sonneneinstrahlung abhängig • Merkmale der Ökozonen → Sonneneinstrahlung → Klima → Vegetation → Pflanzenfressende Tiere → Abbau von Abfällen → Pedossphäre → Landnutzung • Potentielle natürliche Vegetation (PNV) → Endzustand der Vegetation, den man ohne menschliche Eingriffe in einem Gebiet erwarten würde • Moore → Wasserüberschuss → Sauerstoffmangel → unvollständiger Abbau der pflanzlichen Überreste • Ökozonen in Gebirgssystemen → befinden sich entlang eines Höhengradienten

Vorlesung 10: Limnische Ökosysteme • Limnologie: → Bezeichnet in der Ökologie zum Süßwasser gehörende Lebensräume, Prozesse, … → Lebensraumtypen: → Grundwasser → Fließgewässer → Stillgewässer → Künstliche Gewässer

• Fließgewässer: → Tieflandfluss → Gebirgsfluss → Ephemerer Fluss → Wüstenfluss...