„ÖKOSYSTEME“

„ÖKOSYSTEME“
Erstellt von:
Matthias Rauh
Sara Moltmann
Holger Arntzen
Grobgliederung
1. Teil (Holger Arntzen)
Seite
Definitionen und Begriffsbestimmungen
2
Klassifizierung von Ökosystemen
4
2. Teil (Sara Moltmann)
Gleichgewicht im Ökosystem
7
Artenwechsel
8
Nahrungskette
9
Stoff- und Energiekreisläufe
11
Störungen im System
13
3. Teil (Matthias Rauh)
Die Gaia-Hypothese
14
Eigenschaften von Systemen
15
Global-Brain-Hypothese
16
Quellennachweis
17
1
Teil 1

Ökologie

abiotisch

biotisch

Biozönose

Biotop

Biom

Ökosystem

Klassen von Ökosystemen
Definitionen:
Ökologie:
Ökologie ist der Teil der Biologie, der sich mit dem Haushalt der Natur,
d.h. den Wechselbeziehungen der Organismen zu ihrer Umwelt befasst.
(Oikos = Haus/Platz zum Leben, d.h. Studium der Organismen „zu
Hause“)
Als wissenschaftliches Untersuchungsgebiet verwendet Ökologie den
hypothetisch-deduktiven Ansatz. Das heißt, sie benützt Beobachtungen
und Experimente, um Hypothesen als Erklärungen für ökologische
Phänomene zu überprüfen.
Ökologie
ist auch aufgrund
Herausforderung: Ökologische
ihrer interdisziplinären
Natur eine
Fragestellungen verschmelzen mit
solchen anderer biologischer Gebiete, einschließlich der Genetik,
Physiologie, und der Evolutions- und Verhaltensforschung. Andere
Wissenschaften, wie Chemie, Physik, Geologie und Meteorologie sind
mit der Ökologie eng verknüpft.
Kurzfassung: Ökologie = Umweltbiologie
abiotische Faktoren: Umwelteinflüsse wie Licht, Temperatur, Wasser oder
Nährstoffe (Bodenstruktur, Durchlüftung, -Nährsalze, Spurenelemente,
ph-Wert, Wasserfaktor, CO2 Faktor)
2
biotische Faktoren:
alle Organismen in der Umgebung eines Individuums und
(Veränderlichkeit des Erbgutes, Plastizität des Erscheinungsbildes der
Individuen , Konkurrenzvermögen der Arten)
Population: In der Ökologie umfasst der Begriff Population Gruppen von
Individuen gleicher Organismenarten.
Biozönose: (Lebensgemeinschaft) ist die räumliche und zeitliche Vergesellschaftung verschiedener Populationen, die durch unterschiedliche
Eigenschaften
wie
Populationsdichte,
Geschlechterverhältnis,
Altersstruktur, Geburts- oder Sterberate geprägt sind. Die Biozönologie
beschäftigt sich mit der Erforschung dieser Zusammenhänge und
Gesetzmäßigkeiten
die
sich
aus
den
vielfältigen
inter-
und
intraspezifischen Verknüpfungen ergibt. Es hat sich gezeigt dass eine
solche Lebensgemeinschaft mehr ist als die Summe ihrer Mitgliedsarten.
Biozönotische Grundprinzipien (nach Thienemann) je variabler die
Lebensbedingungen,
desto
Lebensbedingungen
vom
artenreicher
Optimum
+
dann
entfernen
wird
die
sich
die
Biozönose
artenärmer, aber die Arten stärken in größerer Stückzahl auf.
Die Begriffe Biozönose, Zönose,
Biogeozönose, Gemeinschaft und
Ökosystem werden in der Literatur oftmals gleichwertig gebraucht.
Biotop :
Der
Biotop
bedingt
die
abiotischen
Umweltfaktoren
einer
Lebensgemeinschaft. (Klima + Lage + Boden = Standort)
Biom:
Der Begriff
Ökosysteme,
Biom bezieht sich auf die Lebensgemeinschaften und
die
für
ausgedehnte
geographische
Regionen
charakteristisch sind.
Nadelwälder, Wüsten, der Regenwald, die Tundra und die größten
Binome, die aquatischen (limnische/marine), sind Beispiele hierfür.
Einstufungen der Biome erfolgen u.a. nach der Nettoprimärproduktion
oder der erntbaren Biomasse pro Flächeneinheit. Innerhalb eines
Binoms kann man jedoch ausgeprägte Fleckenbildung mit anderen
Lebensgemeinschaften beobachten.
3
Das Ökosystem: Jede Einheit, die alle Organismen in einem gegebenen Gebiet
umfasst und die mit der physikalischen und chemischen Umwelt
im Austausch steht, Energieflüsse hat, also klar definierte
Nahrungsketten, Vielfältigkeit der biologischen Beziehungen und
Stoffkreisläufe schafft, ist ein ökologisches System oder auch
Ökosystem.
Solch
ein
Ökosystem
ist
die
grundlegende
Funktionseinheit in der Ökologie, es umschließt beides, die
Organismen und die Umwelt. Jedes beeinflusst die Eigenarten
des anderen und beide sind notwendig für die Erhaltung des
Lebens auf der Erde. In gewissen Grenzen ist ein ÖS zur
Selbstregulation (Homöostasie (homeo-gleich; stasis-stehend))
fähig. Da der Mensch diese Mechanismen schädigt, kommt der
4
Kybernetik (Kybernetes-Steuermann), der Wissenschaft von den
Steuerungen, steigende Bedeutung zu.
Die Ökosysteme können je nach Sichtweise eingestuft oder
unterteilt werden.
Zum Beispiel:
Komponenten des Ökosystems aus trophischer Sichtweise (Nahrung)

anorganische Substanzen

organische Verbindungen

klimatische Faktoren

Produzenten

Makrokonsumenten

Mikrokonsumenten
Funktionelle Unterteilung des Ökosystems
1. Energieflüsse
2. Nahrungsketten
3. Mannigfaltigkeitsmuster in Raum und Zeit
4. Nahrungszyklen
5. Entwicklung und Evolution
6. Kybernetik (Regelungsmechanismen)
Auch die Unterscheidung als Biome ist üblich.
Das größte und nahezu unabhängige Ökosystem von dem wir Menschen Kenntnis
haben, bezeichnen wir als Biosphäre oder auch Ökosphäre. Sie ist die Summe aller
Lebensgemeinschaften und Ökosysteme auf unserem Planeten, alle auf der Erde
lebenden Organismen sind darin eingeschlossen. Diese stehen als Einheit in steter
Wechselwirkung mit ihrer physikalischen Umwelt, im Fluss der Energie zwischen der
Intensität der Sonneneinstrahlung und der niedrigen Temperatur im Weltraum halten
sie ein „steady-state System“ aufrecht. (Die Aspekte der Energie und der
Wechselbeziehungen werden im 2. und 3. Teil weiter erläutert.)
5
6
Teil 2
2.1
2.2
2.3
2.4
2.4.1
2.4.2
2.4.3
2.5
2.6
Gleichgewicht im Ökosystem
Artenwechsel
Nahrungskette
Stoff- und Energiekreisläufe
Energiekreislauf
Mineralstoffkreislauf
Weitere Kreisläufe
Störungen im System
In Kürze
2.1 Gleichgewicht im Ökosystem

Ökosysteme sind offene Systeme.

Alle Glieder des Ökosystems sind in die stattfindenden Kreisläufe einbezogen.

Biochemische Kreisläufe aus biotischen und abiotischen Komponenten (z.B.
Nahrungsangebot, Nahrungsverbrauch) sind mit der Zeit ausgeglichen, so dass
sich ein dynamisches Gleichgewicht (Flußgleichgewicht) einstellt. Änderungen
können das Gleichgewicht empfindlich stören und, da Beziehungen bestehen,
auch das Gleichgewicht benachbarter Ökosysteme beeinflussen.

Ökosysteme sind in ihrem Aufbau und ihrer Funktion stabil, aber nicht starr.

Kompensatorische Wechselwirkung verschiedener Arten finden statt, wenn eine
Art verschwindet (z.B. durch Schädlingsbefall oder Verdrängung). Diese
ökologische Nische wird dann von einer anderen Art besetzt.

Die Lebewesen können ihre Umwelt beeinflussen (Bsp.: Wälder werden in
Ackerland umgewandelt: Veränderung von Bodenstruktur und Wasserhaushalt,
stärkere Sonneneinstrahlung, Austrocknung, Niederschlag fließt schneller ab,
Auswaschung, schlechte Durchlüftung des Bodens.)

Der Arten- und Individuenreichtum eines Lebensraumes hängt von der
Vielgestaltigkeit eines Lebensraumes und der Produktivität einer Lebensgemeinschaft (also der Produktivität der photosynthetischen Pflanzen, Produzenten) ab.

Biomasseproduktionswerte stellen charakteristische, konstante Größen dar, die
zur Einteilung in Systeme mit geringer, mittlerer und hoher Produktivität genutzt
werden können. (z.B. Wüste: 0-200 g/m2 jährlich, intensiv bewirtschaftetes
Ackerland in den Tropen: > 7000 g/m2 jährlich)
7
2.2 Artenwechsel
Durch die Veränderung von Standortfaktoren kommt es in einem Ökosystem zu einer
zeitlichen Aufeinanderfolge verschiedener (Pflanzen-)Gesellschaften. Dies ist ein
natürlicher Vorgang (autogene Sukzession), kann aber auch durch äußere Einwirkungen hervorgerufen oder verändert werden (allogene Sukzession).
1. Pioniergesellschaften (niedrige Vegetation, die ersten Pflanzen, die sich z.B. auf
frisch aufgeschütteter Erde ansiedeln.)

nicht sehr artenreich

Die Pflanzen sind sehr genügsam. Sie sind lichtbedürftig, haben aber geringe
Nährstoffansprüche.

Das System ist empfindlich, da eine geringe Vielfalt besteht. (Wie z.B. auch
Monokultur aus diesem Grund besonders störungsanfällig sind.)

Photosyntheseleistung > Atmung: Überschuss an Biomasse

z.B. zuerst Klatschmohn, Kamille, später siedeln sich auch z.B. Löwenzahn,
Holunder und Birke an, die die Pioniergesellschaft verdrängen.
2. Klimaxgesellschaften, Schlussgesellschaften (Wälder)

artenreich

Das System bleibt für lange Zeit kaum verändert erhalten.

Photosyntheseleistung = Atmung: Das System ist im Gleichgewicht.

Puffermechanismen werden entwickelt (Bsp.: Wald: geringere
Temperaturschwankungen als auf den Wiesen, guter Wasserspeicher).
3. Sub-Klimaxgesellschaften

Das Erreichen des Endstadiums wird in regelmäßigen Abständen verhindert (z.B.
durch Umwelteinflüsse wie Überflutungen, Trockenheiten, ...).

Dies führt zu einer regelmäßigen Verjüngung der Lebensgemeinschaft.

Es werden keine Puffermechanismen entwickelt.

Sonstige Merkmale sind denen der Pioniergesellschaft ähnlich.
Parallel zu den Pflanzengesellschaften siedeln sich auch Tiere in den jeweiligen
Lebensräumen an. Anfangs die Artenvielfalt jedoch ebenfalls gering und speziell an
den nährstoffarmen Lebensraum angepasst. Später können mehr ökologische
Nischen besetzt werden und die Artenvielfalt steig.
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2.3 Nahrungskette
Zwischen den Pflanzen und Tieren bilden sich Nahrungsketten (oft auch verknüpft zu
Nahrungsnetzen). Dies bestehen aus voneinander abhängigen Organismen (der
Biozonöse), die sich in drei Gruppen einteilen lassen:

Produzenten: Photosyntetische (autotrophe) Pflanzen, die Sonnenenergie
binden können. Von ihnen hängt die Energieversorgung der Ökosysteme ab.

Konsumenten: Mittelglied(er) der Kette; Pflanzenfresser (Konsumenten 1.
Ordnung, die sich von den Produzenten ernähren) und Fleischfresser
(Konsumenten 2. Ordnung, die sich von Konsumenten 1. Ordnung ernähren).

Destruenten, Reduzenten: Bakterien und Pilze, die dafür sorgen, dass die
Mineralstoffe nach dem Tod eines Lebewesens wieder im Boden gelöst werden
und dass die gebundene Energie die Nahrungskette verläßt.
Sonnenenergie wird durch
Photosynthese gebunden
Produzenten
Nahrung
Konsumenten
1. Ordnung
Nahrung
Konsumenten
2. Ordnung
Nahrung
Destruenten
9

Es gibt keine geradlinig verlaufenden Nahrungsketten.

Die wenigsten Konsumenten lassen sich in genau eine Kategorie (z.B. nur
Pflanzen- oder nur Fleischfresser) einordnen.

Allesfresser können in Nahrungsknappen Zeiten ihre Stellung in der Nahrungskette verschieben.

Aufgrund des Energieverlusts in der Nahrungskette entsteht eine Nahrungspyramide: Die Gruppe der Produzenten ist recht groß, die Endpopulation der
Konsumenten vergleichsweise klein.

Die Anwendung von Pestiziden kann eine Nahrungskette unterbrechen und so zu
einer sehr starken Vermehrung einzelner Glieder führen.

Durch verschiedene Stufen in der Nahrungskette reichern sich auch Umweltgifte
(z.B. Schwermetalle, radioaktive Stoffe oder chlorierte Kohlenwasserstoffe) an,
deren Konzentration im Laufe der Zeit immer weiter zunimmt (Bioakkumulation).
Dies kann vor allem für die Arten am Ende der Nahrungskette (wie z.B. der
Mensch) unangenehme Folgen haben.
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2.4 Stoff- und Energiekreisläufe
Sonnenenergie wird durch
Photosynthese gebunden
Produzenten
Mineralstoffe
Nahrung
Konsumenten
1. Ordnung
Energieverluste
Nahrung
Wärmestrahlung
Konsumenten
2. Ordnung
Nahrung
Energie wird wieder aus der
Nahrungskette gelöst
Destruenten
Energie
Fossile Brennstoffe
Mineralstoffe
11
2.4.1 Energiekreislauf
Energie wird direkt über Photosynthese gebunden, indem in Form von Zucker und
Särke Kohlenstoffketten gebildet werden. Sie wird auch indirekt über die
Nahrungskette weitergegeben oder als Wärmestrahlung aufgenommen. Die Energie
verläßt den Kreislauf als Wärme Schritt für Schritt, so dass es nicht zu einer
energetischen Überladung des Systems kommt. (Pro Stufe beträgt dieser Verlust ca.
90%) Verluste entstehen durch Bewegungsvorgänge, Aufrechterhaltung der Körpertemperatur und andere Lebensvorgänge. Aufgrund dessen können in der Nahrungskette maximal ca. fünf Stufen hintereinander geschaltet sein. (Pyramiden-artiger
Aufbau)
Außerdem wird die Energie von den Desturenten durch aufspalten der
langkettigen Kohlenstoffe wieder aus der Nahrungskette gelöst. Vollzieht sich keine
vollständige Zersetzung, entstehen durch abiotische Umwandlungsprozesse energiereiche Stoffe wie Torf, Kohle, Erdöl und Erdgas.
2.4.2 Mineralstoffkreislauf
Minearlstoffe sind die Baustoffe der Organismen. Sie sind im Boden gelöst, dort aber
meist nur bis zu einer Tiefe von einigen Zentimetern nutzbar. Ökosysteme müssen
so angelegt sein, dass diese Minearalstoffe nach dem Tod der Organismen wieder
für die nachfolgenden Generationen verfügbar gemacht werden. Auch dies ist die
Aufgabe der Destruenten.
Es kann zu Substanzverlusten kommen, wenn Mineralien durch Auswaschung in
tiefere Bodenschichten gelangen. Substanzgewinn entsteht durch Gesteinsverwitterung, durch angewehten Staub oder im Regenwasser gelöste Stoffe.
2.4.3 Weitere Kreisläufe
Kohlenstoffkreislauf: Er beruht fast ausschließlich auf den PhotosyntheseKreisläufen von Planzen und Algen (Kohlenstoffspeicher: Ozeane, langlebige
Pflanzen, Atmosphäre, Lager von Kalk, Dolomit und anderen Carbonaten,
Lagerstätten fossiler Brennstoffe).

Sauerstoffkreislauf: Er ist eng an den Kohlenstoffkreislauf gekoppelt, da bei
Photosynthese in gleichem Maße Sauerstoff aus Wasser entsteht, wie
Kohlenstoff gebunden wird. (Sauerstoffspeicher > Kohlenstoffspeicher: Ozeane,
Atmosphäre, in Silikaten und Metalloxiden)

Stickstoffkreislauf, Phosphorkreislauf, Schwefelkreislauf
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2.5 Störungen im System:


Ursachen
-
menschliches Einwirken (Belastung von Luft, Wasser, Boden, Rodungen etc.)
-
natürliche Umwelteinflüsse (Klima, Überflutungen...)
Auswirkungen
-
Bioakkumulation (Anreicherung von Umweltgiften)
-
Artenwechsel (allogene Sukzession, regressive Sukzession: Aufeinanderfolge
von Pflanzengesellschaften, die von einer bereits bestehenden Klimaxgesellschaft wegführt.)
-
länger anhaltende Ungleichgewichte
-
durch weitreichende Vernetzungen Rückwirkungen auch auf andere
Ökosysteme
2.6 In Kürze

Ein Ökosystem ist ein stabiles, aber nicht starres System.

Es findet im Laufe der Zeit ein natürlicher Artenwechsel statt.

Das Ökosystem besteht aus Kreisläufen.

Je ausgeglichener das System, desto weniger anfällig ist es für Störungen.

Um Störungen auszugleichen braucht das System Zeit.
13
Teil 3
Eine mögliche Erklärung von Ökosystemen
3.1 Gaia Hypothese
3.2 Eigenschaften von Systemen
3.3 Global Brain Theorie
3.1 Gaia Hypothese
Die Gaia Hypothese wurde 1972 von dem Klimatologen und Kybernetiker James
Lovelock und der Mikrobiologin Lynn Margulis aufgestellt.
Der Name Gaia kommt aus der griechischen Mythologie.
Sie ist die Erdgöttin, deshalb hat man auch diesen Namen gewählt, da man mit der
Gaia Hypothese das Ökosystem Erde zu beschreiben versucht.
Wichtig: Es handelt sich um eine Hypothese, ist damit letztendlich unbewiesen.
Was sagt die Gaia Hypothese aus?
Nach der Gaia Hypothese verhält sich die Erde (Gaia) wie ein lebendiges Wesen,
das sich selbst steuert.
”Die wichtigste Eigenschaft von Gaia stellt ihr Bestreben dar, die Bedingungen für
das irdische Leben zu optimieren.” Lovelock und Margulis
Das bedeutet, dass die Erde, wie unser eigener Körper, bestrebt ist, den idealen
Zustand für Leben zu
erreichen
oder zu
erhalten. So wie
wir unsere
Körpertemperatur und unsere Atmung steuern, steuert Gaia die Bedingungen auf der
Erde so, dass Leben ermöglicht wird und erhalten bleibt.
Warum ist das so wichtig?
Thermodynamisch gesehen ist die Erde sehr instabil. Würde sich die Erde in einem
thermodynamisch stabilen Zustand befinden, würde es auf der Erde kein Leben
geben, da die Atmosphäre fast nur aus Kohlendioxid bestehen würde.
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Außerdem haben sich die Bedingungen auf der Erde auch in sehr großen
Zeiträumen (Größenordnung: 100 Millionen Jahre) in einem Bereich gehalten, der
Leben ermöglicht, obwohl die Sonnenaktivität seit dem Beginn des Lebens um 25%
gestiegen ist, was zu einer Temperaturerhöhung hätte führen müssen.
Dennoch gibt es lebensfreundliche Bedingungen auf der Erde die durch Gaia
geregelt werden.
Wie erhält Gaia lebensfreundliche Bedingungen auf der Erde?
Das Ökosystem Erde stellt ein komplexes System dar, das die Eigenschaft hat,
gerade diese Bedingungen zu schaffen.
3.2 Eigenschaften von Systemen
Ein komplexes System wie unsere Erde hat als ganzes betrachtet andere
Eigenschaften als die Summe ihrer Teile. Die herausragende Eigenschaft ist die
Aufrechterhaltung lebensfreundlicher Bedingungen.
Dieser Effekt ist bei vielen anderen Systemen zu beobachten, so z.B. bei einem
Ameisenhaufen. Dieser wird erst durch das Zusammenspiel vieler Ameisen zu dem
was er ist, zu einem Superorganismus, bzw. zu einem einzigen Organismus. Durch
die Vernetzung der Ameisen untereinander hat der Ameisenstaat Eigenschaften, die
sich durch die einzelnen Ameisen nicht erklären lassen.
Alle komplexen Systeme haben ein paar Merkmale gemeinsam:
- das System ist mehr als die Summe seiner Teile (s.o.)
- die neue Systemeigenschaft läßt sich oftmals nicht vorhersagen
- das System ist chaotisch und damit nur begrenzt vorhersehbar
- das System ist oftmals nicht berechenbar (z.B. Klima)
-
es gibt keinen klaren Ursache-Wirkungszusammenhang
-
Systeme sind in gewissen (oftmals sehr großen) Rahmen fähig, Störungen
reversibel zu verarbeiten.
Da die Erde ein hoch komplexes System darstellt, besitzt sie als solches die oben
genannten Eigenschaften.
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Die neue Systemeigenschaft die durch das Zusammenspiel der Einzelelemente
auftritt ist der ”Wille” zum Überleben, bzw. zum Schaffen von lebensfreundlichen
Bedingungen auf der Erde, also Gaia.
Der Mensch ist bisher die einzige biotische Komponente in diesem System, die so
handelt, als ob sie diese Systemeigenschaft zerstören möchte und damit das Leben
auf der Erde vernichten möchte.
3.2 Global Brain Theorie von Kurt Russel
Der Tiefenökologe Kurt Russel erweitert die Gaia Hypothese noch um einen weiteren
Schritt.
Er betrachtet zuerst die elementaren Bausteine unserer Welt, die Atome.
10 Milliarden Atome, wenn man sie einzeln betrachtet sind nicht sonderlich
spannend.
Bei 10 Milliarden Atome einer Zelle treten die oben genannten Systemmerkmale aber
auf. Die neue Eigenschaft dieses Systems Zelle, das aus 10 Milliarden Atomen
besteht, nennt sich Leben.
10 Milliarden Zellen zusammen genommen können ein menschliches Gehiren bilden.
Hier entsteht auch wieder eine neue Systemeigenschaft: Intelligenz.
Kurt Russel hat sich nun gefragt was passiert, wenn 10 Milliarden Gehirne
(eine Größenordnung, die wir erreicht haben) zusammenarbeiten und ein neues
System mit einer neuen Systemeigenschaft bilden.
Er behauptet, dass 10 Milliarden menschliche Gehirne, wenn sie eng genug
zusammenarbeiten, ein neues Gehirn bilden können, das Global Brain.
Dieses Global Brain wird das Gehirn der gesamten Erde sein und als solches auch
Bewußtsein und Intelligenz erlangen. Das ist von Kurt Russel nicht bildlich gemeint,
er meint das sehr real.
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Quellennachweis:
Lutz Hafner/Eckard Philipp
Ökologie
I
1978
Brockhaus
Lebensraum Erde
2000
Brockhaus
Enzyklopädie
2001
Eugene P. Odum
Grundlagen der Ökologie 1983
Eugene P. Odum
Prinzipien der Ökologie
1991
M.E. Begon/Harper/Townsend
Ökologie
1996
Neill A. Campbell
Biologie
2000
dtv-Atlas zur Biologie
Biologie
1977
Weiterführende Literatur zum Thema Systeme:
Douglas R. Hofstadter
Gödel, Escher, Bach ein Endloses Geflochtenes Band
DTV 1991
17