Systemökologie 1 : Zusammenfassung der Vorlesung im Wintersemester 2020/21 PDF

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Zusammenfassung der Vorlesung anhand der Folien und der VL; ausführlich; Wintersemester 2020/21...

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Systemökologie 1. Analyse von ÖS Grundregeln für Analyse von ÖS a) Problemstellung und nicht Methodik entscheidet über Wert einer ökologischen Untersuchung b) Bezugspunkt aller Untersuchungen muss immer wieder das Freiland sein c) Versuche lieber weniger exakt, dafür mehrere Parallelen und Wiederholungen dabei d) Langzeitreihen für Beurteilung der Gesamtentwicklung wichtig e) Anzustreben sind komplexe Versuchsansätze unter Kooperation mit verschiedenen Fachdisziplinen und die Integration der Ergebnisse f) Optimale ÖS- Analysen bestehen aus einer Kombi von Freilandbeobachtungen, Freilandanalyse, Freilandexperiment und Laborexperiment Freilanduntersuchungen sollten stets Ausgangspunkt von ökologischen Untersuchungen sein: Von ihnen leiten sich verschiedenste Verfahrensweisen ab : a) Beschreibung - Vermittelt erste Einblicke in Zusammenhänge eines ÖS und lässt Ableitung spezieller Fragestellungen zu - Beinhaltet : Erfassung vorhandener Organismen, Struktur Lebensraum und Ablauf von Vorgängen ( z.B. Entstehung, Besiedlung und Austrocknung eines Tümpels) b) Vergleich - Beschrieben und verglichen werden analoge Sachverhalte wie z.B. Biologie der Feldmaus im Grünland und in Heckenlandschaft, die Tier- und Pflanzenwelt in der Stadt und in offenen Landschaften c) Experimente - Bedingungen vereinfacht und auf die entsprechende Fragestellung zugeschnitten - Vielzahl an Möglichkeiten - Einsatz abhängig von Fragestellung, beteiligten Arten, Größe Lebensraum und von untersuchten ökologischen Ebene a) Isolierte Teile : z.B. einzelne Populationen, Teilbiozönosen ( z.B. Wettbewerb von Mäusearten in umzäunten Arealen) b) Defektsetzung : Nach Entfernung einer oder mehrere Komponenten wird die Entwicklung der noch verbleibenden untersucht ( z.B. Herbizideinsatz, Auswirkung von Mahd) c) Implantation : Analyse der Veränderung von ÖS nach Einsatz von Arten und/oder Nährstoffen ( z.B. Ausbringen Dünger; Aussetzen Räuber o.ä.) d) Transplantation : Veränderung des ÖS z.B. durch Fruchtfolge in Landwirtschaft FAZIT : Für Gesamtanalyse eines ÖS reichen Analysen nicht aus, da ÖS offenes System ( unterliegen ständigen Veränderungen und Entwicklungen. Die Erfassungen dieser und der Ausschluss von zufälligen Wechselwirkungen kann nur über Langzeitreihen erfolgen. Gründe : -

Unterschiedliche Betrachungszeiträume können zu unterschiedlichen Ergebnissen führen

Bsp. Für Motive

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Bsp. Aquatisches ÖS o Vorkommen von Seegras 1. Landnutzungsänderung : plötzlich Hartsubstrat wo es sonst nur Weichsubstrat gab –> Vorkommen Algen statt Seegras  Zunahme Besiedlungsdichte 2. Bau Klärwerk : Veränderung Nährstoffeintrag/ Minimiert : schnell replizierende Arten ( Fucus etc.) verdrängt = bleibende Veränderung 3. Fucus everneces : Einwanderung  Veränderte Entwicklung Kein historischer Bezug mehr möglich  ÖS nur zu verstehen wenn man Geschichte davor auch versteht  Irreversible Entwicklungen prägen aktuellen Zustand

Zu jedem ÖS gehören kurzfristige Katastrophen und Destruktionen, diese gehören zu normalen Entwicklungen von ÖS, können aber wegen der dominierenden Zeitauflösung nur in Ausnahmefällen erfasst werden o Sukzession o 1. Besiedlung durch r- Strategen ( sehr schnell)  Lebensraum erobern; Aufbau biotische Biomasse o 2. Höhere trophische Ebenen können sich etablieren + Zunahme Konkurrenz + Fraßdruck k-Strategen dominieren Klimaxzustand o 3. K-Strategen sehr anfällig für Katastrophen ( Blitzeinschlag etc.)  Release Phase : viele tote Bäume ( kurzfristiges Ereignis) o 4. Ressourcen abgebaut  Seltene Ereignisse wirken sich äußerst stark auf beobachteten Zustand aus

 Langsamere Prozesse

 Erforschung Prozesse mit hoher Variabilität  Komplexe Prozesse und Wirkungsnetze  Politische Zielsetzungen o Umweltveränderungen rechtzeitig Erkennen ( meist negativ ausgelegt : Verlass auf Grundgesetze der Natur für Reproduktion) o Maßnahmen einleiten etc. ( alles soll so bleiben wie es war )  Ressourcenerhaltung o Langzeitbetrachtung für Diskussion o Bsp. Eutrophierung der Ostsee ( auch schon vor eingreifen des Menschen; neue Interpretation; Mensch gemachtes Ziel rational begründen ) o Ökologischer Zustand wie 1850 Ziel ( Präsenzziel)

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Abfall : nur Kurzzeitbetrachtungen Langzeit : Graduation ( Populationsschwankungen) , die durch biotische/ trophische Wechselwirkungen entstehen und ganz normaler Bestandteil des Regulationsprozesses sind Berechtigte Feststellung oder nur Ausschnitt einer längerfristigen Fluktuation des ÖS erfasst ??

Falsches Eingreifen kann zur Ausrottung einer Art führen !! -

Wandertaube Nordamerika o Hohe Anzahl = Verlangen nach Regulation durch Menschen / Abschuss o Zahl war aber während dessen an Minimum ( Zeit zwischen Erkenntnis und Maßnahmen) angekommen  Mensch reduzierte Bestand zusätzlich obwohl Minimum erreicht  Aussterben

Ökosystemstruktur Ökosystemstruktur ist : 1. Physikalisch bedingt durch Gliederung des Raumes 2. Chemisch bedingt durch die Menge und Verteilung anorganischer und organischer Stoffe 3. Biologisch bedingt durch Ernährungsstufen der Produzenten; Konsumenten, Destruenten, durch Spektrum der Lebensformen und den Mannigfaltigkeitsindex der Arten. Strukturen unterliegen ständigen Veränderungen; u.a auch Neubildung von Arten ( vor allem in Gebieten mit günstigen Lebensbedingungen stark ausgeprägt ( tropischer Regenwald, Korallenriffe) und führt hier zu einer großen Mannigfaltigkeit.

Für Struktur eines ÖS ist die taxonomische Stellung und die systematische Herkunft der Bewohner gegenüber fundamentalen Lebensformen ( Pr, Ko, De) von untergeordneter Bedeutung. Die verschiedenen Organismen kommen zufällig zusammen, die Strukturierung zur Biozönose unterliegt aber bestimmten Gesetzmäßigkeiten. 2 biozönotische Grundgesetze 1. Je vielfältiger die Umweltbedingungen und je näher sie dem grundsätzlichen biologischen Optimum sind, um so größer ist die Artenzahl (z.B. Korallenriffe, tropischer Regenwald). 2. Je einseitiger die Umweltbedingungen und je weiter entfernt sie vom grundsätzlichen biologischen Optimum sind (evtl. auch nur zeitweise), um so geringer wird die Artenzahl und um so stärker treten einzelne Arten zahlenmäßig in den Vordergrund (z.B. Wüsten, Geröllfelder, Ästuare). Zeitliche Gliederung eines ÖS ( meist zyklisch durch ihre Steuerung durch klimatische Faktoren) 1. Circadiane Rhythmik - Evolutiv durch Tag/ Nachtwechsel entstanden und als endogene Rhythmik im Organismus festgeschrieben ( d.h. das sie auch ohne Zeitgeber Licht in einem Zeitabstand von 22 bis 28 h abläuft) - Unter natürlichen Bedingungen wird die endogene Rhythmik immer wieder durch LichtDunkel-wechsel synchronisiert

2. Lunarrhythmik - An Mondphasenwechsel gebunden; bei marinen Tieren ausgeprägt ( vielfach Reproduktion daran gebunden)

3. Gezeitenrhythmik - Durch Mondanziehung ausgelöst - Große Bedeutung fürs Überleben im Wattenmeer

4. -

Saisonale Rhythmik Ursache : wechselnde Energiezufuhr während des Jahres In höheren Breiten dominant Organismen können eine zeitweise Emanzipation durch Dormanz ( Stoffwechselreduktion, Ruhephasen) oder durch Rezession ( Ausweichen z.B. Zugvögel) erreichen

5. -

Langfristige Rhythmen 6-7-jähriges Massenfruchten bei Eichen, Buchen, Kiefern 17- Jahreszikaden , die ca. alle 17 Jahre adulte , flugfähige Tiere ausbilden Bewirken Phänomen der Unvorhersehbarkeit  Selektionsvorteil

Ökosysteme ( kaum definiert) : Organismengemeinschaften mit weitgehend geschlossenen Stoffkreisläufen ( damit nicht alles abdeckbar ; Fluss z.B. würde problemlos als ÖS anerkannt werden:

hier erfolgt aber ganz klar ein unidirektionaler Stofftransport, der nie zu einem Kreislauf sondern zu trophischen Spiralen führt ) -

Keine klaren Abgrenzungen

Minimalökosystem PP : Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt/ aufbaut

D : Zurückwandeln chemische Energie in Wärme Närstoffe/ Raum Konsumenten -

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nicht zwangsläufig Bestandteil eines funktionierenden ÖS - ihre Rolle besteht hauptsächlich im Beschleunigen der Stoffkreisläufe - dadurch, dass sie die niederen trophischen Ebenen zum Aussterben bringen, sorgen Sie für eine rasche Wiederauffüllung des Nährstoffpools und vermeiden somit eine bottum-up Limitation der PP; somit können die PP die zur Verfügung stehenden Energien besser verwerten Effizienz PS kann maximal 1 % erreichen; 99 % gehen bereits verloren ( Konsument nicht unbedingt gebraucht) , da PP nicht unbegrenzt Leben  tote organische Substanz  Destruenten : Auffüllen Ressourcenpool ( restliche Energie geht verloren)

Jedes ÖS besteht aus abiotischen und biotischen Komponenten und ist durch Energiefluss gezeichnet, der Stoffkreislauf antreibt.

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ÖS besteht aus Stoffkreislauf von Energiearmen Mineralien zu energiereicher Biomasse und wieder zurück ; Angetrieben durch Energiefluss

Grundcharakteristika eines ÖS : Stoffkreislauf und Energieflus!!!  Konsequenz : Ökologie Annahme „Kreislaufdenken“ : geht davon aus, dass zumindest stofflich gesehen bestenfalls Fluktuation auftreten , die sich mittelfristig ausgleichen  Fluktuation : Jahresperiodik ( biotischer und abiotischer Stoffkreislauf verschoben)  Betrachtungshorizont für ökologische Untersuchungen meist Bereich bis zu einem Jahr , lediglich für terrestrische Sukzessionsstadien wird dieser in Einzelfällen überschritten – mit überraschender Folgen ( Klimax vs. Mosaik-Zyklus Theorie) (jedes Ausbrechen aus Kreislaufdenken führt zu Überraschungen)  Erst in jüngster Vergangenheit kein Kreislaufdenken mehr : „Climate Change“ ( langfristige ( sukkuläre ) Sukzession im ÖS) zu untersuchen obwohl Evolutionsgedanke schon seit Lamark vorhanden ist

Artenzusammensetzung, Mannigfaltigkeit und Verteilung im ÖS Kenngrößen zur Charakterisierung der Struktur Artendichte

Abundanz

Dominanz

Diversität ( Mannigfaltigekeit)

Anzahl der Art pro Fläche oder Raumeinheit angegeben Ziel : Eindruck von der Organismenvielfalt einer Gemeinschaft vermitteln Anzahl der Individuen pro Fläche oder Raumeinheit angegeben Ziel : erlaubt Rückschlüsse auf die Bedeutung der einzelnen Populationen Beim Vergleich sollte allerdings die Größe der beteiligten Organismen angegeben sein Individuenzahl einer Art in Prozent im Bezug auf Gesamtzahl der Individuen aller Arten Ziel : Aussage über relative Häufigkeit der einzelnen Arten in einer untersuchten Biozönose Abhängig von Anzahl der insgesamt vorhandenen Arten und der Gesamtzahl ihrer Individuen Extrembereiche : alle Individuen gehören zu einer Art ( Minimalwert) Jedes Individuum gehört zu einer anderen Art ( Maximalwert = 1) - liegt im Bereich zwischen 0 und 1 - Biozönose mit relativ wenigen Arten, die aber ungefähr gleichhäufig verteilt sind , hat einen relativ hohen Diversitätsindex wohingegen ein System mit großer Artenzahl, in denen jedoch 99% der Individuen zu einer Art gehören nur ein geringen Diversitätsindex hat - Oft als Indikator des menschlichen Einfluss genommen, da der Einfluss zur

Gleichförmigkeit ( Eveness)

Betonung einzelner Faktoren führt und den Diversitätsindex der Biozönose senkt Maß für die gleichmäßige oder ungleichmäßige Beteiligung der Arten Ausgedrückt als Quotient von Diversität und logarithmus naturalis der Artenzahl

Ökologische Klassifizierung ( vereinfachte Ordnungselemente, die stufenweise aufgebaut sind) Bisysteme Biochorion/ Konsortium

Kompartiment ÖS

Biome

Umfassen partnerschaftliche Beziehungen wie z.B. Symbiosen und Räuber-Beute-Beziehungen Vielgliedrige Gemeinschaften, die sich um zentrale, ökologisch mehr oder weniger hervortretende Determinante in ÖS gruppieren z.B. größere Steine, Aas, Wurzeln, Bäume Funktionelle UE des ÖS wie z.B. die Baumschicht, das Pelagial Beziehungsgefüge der Lebewesen untereinander ( Biozönose) und mit ihrem Lebensraum ( Biotop) mit entsprechenden Strukturen und Funktionen Hauptsächlich besteht Verknüpfungsgefüge der Biozönosen durch ernährungsbiologische Abhängigkeiten Lebensgemeinschaft eines durch seinen physiogonomischen Vegetationstyp einheitlichen Großklimabereichs ( Bioregion z.B. Tundra, sommergrüner Laubwald, Steppe )

Energiefluss im ÖS -

Nach ODUM Energiefluss zentrales Band für Zusammenhalt innerhalb der ÖS Verbindet durch Energieweitergabe die Glieder des ÖS in irreversibler Form

Energiefluss unterliegt den Gesetzen der Thermodynamik 1. Hauptsatz - Energie ist in ihren Erscheinungsformen austauschbar kann aber nicht neu erschaffen oder vernichtet werden.

2. Hauptsatz - Prozesse der Energieumwandlung laufen spontan nur in Richtung eines energieärmeren Zustandes ab bzw. die Umwandlung der Energie in potentielle Energie ist stets mit Wärmeverlusten verbunden

 ÖS sind offene Systeme  Als solche können sie zumindest zeitweise Gleichgewichtszustände erreichen, in denen ihre Weiterentwicklung verharrt bzw. zeitunabhängig ist

 Universale Energiequelle der pflanzlichen Produzenten ist die Sonne  Mikrobielle und tierische Konsumenten benötigen spezifische Nahrungsquellen Grundstruktur des Energieflusses Universalmodell der trophischen Struktur eines aquatischen ÖS

Raubfische Friedfische

Zooplankton

Algenbiomasse Energie

+ -

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Nährstoffe

Durch lineare Verknüpfung mit anderen Populationen entstehen im einfachsten Fall lineare Energieflussketten Grundregel für Weitergaben innerhalb Energieflussketten : etwa 10 % der Energie von einer Stufe zur nächsten Stufe weitergegeben ; bei einem 4-stufigen System hat dies zur Folge, dass auf die vierte Stufe nur noch 0, 1 % der ursprünglich vorhandenen Energiemenge übertragen wird Meisten Energieflusssysteme : drei bis viergliedrig ( Ausnahme 6 – 8-gliedrig )

Junge ÖS -

Einfache Energieflussketten und relativ hohen Energiedurchsatz

Reife und artenreiche ÖS -

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Zunehmende Vernetzung der Energieflüsse und insgesamt verlangsamter Energiedurchsatz

Kleine, kurzlebige Organismen sind aufgrund ihres günstigen Öberflächen-/ Volumenverhältnisses gekennzeichnet durch schnelle Energieumsatzraten und – transporte Große und langlebige Organismen langsameren Energiedurchsatz Wirkungsgrade des Energieflusses können in vielfältiger Weise ausgedrückt werden; eine wichtige Kenngröße ist der ökologische Wirkungsgrad Ökologischer Wirkungsgrad : aus Verhältnis des mit der Nahrung aufgenommenen Energiegehaltes zum energetischen Wert der vorangegangenen Stufe berechnet

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Ökologischer Wirkungsgrad nimmt von Trophiebene zu Trophiebene ab Kurze Nahrungsketten enthalten deshalb am Ende relativ mehr Energie als lange

Nahrungsketten und Nahrungsnetze

Vernetzung Gemeinsamkeit

Nahrungsnetz Nahrungsketten Vernetzt Linear Dienen Weitergabe von Stoffen und der daran gebundenen Energie

Nahrungskette -

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Stellen den direkten und indirekten Zusammenhang der Nahrungsbeziehungen in einem ÖS dar Einzelne Organismen hinsichtlich ihrer Trophieebene im Stoffkreislauf in 3 Gruppen : Produzenten, Konsumenten und Destruenten geteilt ( innerhalb dieser muss noch genauer differenziert werden z.B. Konsument 1 , 2 oder 3 Ordnung) Beginn Nahrungskette stehen immer autotrophe Produzenten ; ihre enorme Biomasse dient in ÖS als Grundlage für die Primärkonsumenten Stellen im Gegensatz zu Nahrungsnetzen die Verbindung nur eindimensional-linear dar Wenig Aussagekraft über ökologische Realität, weil sich Organismen in einem ÖS i.d.R. von mehr als nur einem Beutetier ernähren

4 Nahrungskettentypen differenziert a) -

Weidenahrungskette Endkonsumenten : Pflanzen – und/oder Fleischfresser Anfang : autotrophe Pflanze i.d.R. nimmt Körpergröße der aufeinander folgenden Konsumentengruppen ( Pflanzenfresser, Räuber ) zu, ihre Reproduktionsrate nimmt ab Endkonsument : keine Nahrungsspezialisierung Nahrungsketten werden durch die an mehreren Gliedern ansetzende Kontrolle über den Endkonsumenten kompliziert Bsp. : grüne Pflanze  herbivore Insekten (Blattläuse)  carnivore Insekten (Laufkäfer)  Erdkröte  Endkonsument (Fuchs)

b) Parasitenkette

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Endkonsument : Parasit Charakteristikum : Abnahme Körpergrößen auf höheren Trophiestufe; Reproduktionsraten nehmen zu; fortschreitende Spezialisierung Bsp. Wirbeltier  Flöhe  Darmparasiten der Flöhe; grüne Pflanze  in Pflanzenteilen minierende Insekten  Flagellaten im Darm der Insekten.

c) Detritusnahrungskette - Ausgangspunkt : totes organisches Material unterschiedlicher Herkunft - Bsp. tote Blatteile  Pilze  Insekten  Erdkröte.

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Länge Nahrungsnetze bzw. – ketten i.d.R. 3 – 5 Trophieebenen , allerdings wird ihre Struktur durch Polyphagie ( entwicklungsbedingte & jahreszeitliche Wechsel ) meist kompliziert Nahrungskonkurrenz durch verschiedene Mechanismen abgemildert z.B. tag-und dämmerungsaktive Tiere Bisherige Vorstellungen heute durch mikrobielles Nahrungsgefüge ergänzt

d) Mikrobielles Nahrungsgefüge - Prinzipielle Bestandteile der ÖS ; laufen über erhebliche Anteile des Stoffumsatzes - Charakteristika a) Bakterien setzen nur bedingt Nährstoffe ( N, P ) frei, vielmehr konkurrieren sie bei Nährstofflimitation mit den Pflanzen um den limitierten Nährstoff b) Wesentlichen Nährstofffreisetzer ( Remineralisierer) sind die heterotrophen Flagellaten und die Ciliaten c) Wegen der kurzen Generationszeiten sind die Umsatzraten außerordentlich hoch - Geringe Größe der beteiligten Organismen im betrachteten Größenbereich von 0,1 – 200 qm erlaubt Aufbau von 4 trophischen Ebenen d.h. der Energiegehalt beim Durchsatz eines solchen Nahrungsgefüge wird von 100 % auf 0, 1 % reduziert und die Energieweitergabemöglichkeiten auf höhere trophische Ebenen somit stark eingeschränkt

Nahrungsnetz -

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Umfassende Zusammenhänge der Nahrungsbeziehung zwischen Organismen in einem ÖS dargestellt Nahrungsbeziehungen mehrdimensional dargestellt : Repräsentieren in einem hohen Maße die tatsächliche ökologische Realität Im Gegensatz zu Nahrungsketten weder Anfangs- noch Schlusspunkt Ordnung von P, K und D gilt analog allerdings liegt der Schwerpunkt auf der Darstellung eines möglich umfassenden Verbindungsnetzwerk der Organismen ( Jeder Pfeil steht stellvertretend für direkte Nahrungsbeziehung) Nahrungsbeziehungen werden in der Regel mit zunehmender Größe des ÖS immer komplexer

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In einem ÖS machen meist nur bestimmte Wege den Hauptumsatz aus  ausbilden dominanter Wege, die sogenannte Schlüsselarten hervorbringen , die wesentlich die Struktur der ÖS bestimmen

Stoffkreisläufe -

Chemische Elemente befinden sich in Biosphäre in charakteristischer Weise in Kreisläufen zwischen Umwelt und Organismus ( biogeochemische Stoffkreisläufe) Unmittelbar lebenswichtige Elemente ( N, P ) in kurzgeschlossenen Nährstoffkreisläufen

Zu jedem Kreislauf gehören 2 Abschnitte oder Pools -

Ein großer, langsam ablaufender, im allgemeinen nicht biologischer Abschnitt, der mit dem Reservoir der Elemente im ÖS verbunden ist Kleiner, aber aktiver Teil des Kreislaufes mit einem sehr schnellen Austausch zwischen Organismen und ihrer unmittelbaren Umwelt

 Schneller Kreislauf d.h. schnelle Umlaufzeit der Stoffe wirkt so also ob diese Stoffe in großen Mengen vorhanden wären ( Düngung)  Langsame Umlaufzeiten wirken wie Nährstoffarmut  Bei der Evolution der ÖS entwickelten sich für die knappen Nährstoffe schnelle Abläufe In Atmosphäre 2 Grundtypen biogeochemischer Kreisläufe a) Gaskreislauf ( C02, H20, 02, N2 ) mit Meer oder Atmosphäre als Reservoir b) Sedimentkreislauf ( P, Fe, K ) mit Erdkruste als Reservoir

Der Wasserkreislauf 1. -

Entscheidend für Erhaltung des Süßwasserbestandes auf der Erde Von Sonne angetrieben Verdunsten und Kondensation Aus Oberflächengewässer...