4.1 Wechselbeziehungen zwischen Lebewesen und ihrer Umwelt

UV-Anpassung arktischer Makroalgen
Die Arktis hat eine fundamentale Bedeutung für die Austauschprozesse zwischen Ozean, Meereis und Atmosphäre, welche
das Klimageschehen auf der Erde bestimmen. Eines der zentralen Themen ist der Ozonabbau in der Stratosphäre, das
sogenannte "Ozonloch", und die daraus resultierende UV-Belastung für aquatische Pflanzen und Tiere. Polare Ökosysteme
reagieren aufgrund ihrer Anpassung an Extrembedingungen besonders empfindlich auf Veränderungen der Umwelt.
UV-Strahlung kann aufgrund ihrer hohen Energie zu starken Schäden auf molekularer und zellulärer Ebene von Makroalgen
führen. Auf molekularer Ebene sind vor allem Nukleinsäuren und Proteine betroffen. Schäden am Reaktionszentrum-Protein
(D1) im Photosystem II oder am CO2 fixierenden Enzym des Calvin-Zyklus (RuBisCO) führen zu Beeinträchtigungen der
Photosynthese und somit zu einer Verringerung der Primärproduktion. Die ökologischen Konsequenzen für die MakroalgenLebensgemeinschaft und der mit ihr assoziierten Fauna ist wenig untersucht.
Zahlreiche Makroalgenarten sind jedoch in der Lage, sich gegenüber UV-Strahlung durch die Synthese und Akkumulation
von photoprotektiven Substanzen (UV-Sunscreens), z. B. von mykosporin-ähnlichen Aminosäuren (MAAs), zu schützen. Die
Fähigkeit zur Bildung von MAAs ist insbesondere bei Flachwasser-Rotalgen nachgewiesen worden. Im Zentrum der
Forschung steht der MAA-Metabolismus und seine Beeinflussung durch abiotische und biotische Faktoren.
Die dafür notwendigen Untersuchungen werden sowohl im Feld an der Koldewey-Station des Alfred-Wegener Institutes für
Meeres-und Polarforschung, Bremerhaven, als auch unter kontrollierten Bedingungen an Laborkulturen durchgeführt.
Bei der globalen Betrachtung haben wir die Biosphäre als Ganzes gesehen. Nun wollen wir die abiotischen
Auswirkungen am unteren Ende der Hierarchie betrachten.

Organismus
einzelnes Lebewesen mit den Kennzeichen des Lebens

Spezies
Population von Individuen die sich fortpflanzen können

Population
Anzahl Spezies an einem Ort

Biozönose
Gruppe von Organismen (Pflanze/Tier), die eine bestimmte Rolle im System
spielen, gemeinsam zusammenleben und miteinander in Wechselwirkung stehen

Ökosystem
eine natürliche Einheit von Lebewesen, und Umwelt

Biom
ein großes geographisches Gebiet mit einheitlichen klimatischen Bedingungen,
einem Komlex von Biozönosen charakterisiert durch bestimmte Vegetation

Biosphäre
der Teil der Erdkruste, Wasser und Atmospäre wo Organismen leben
Alle Lebewesen benötigen einen bestimmten Temperaturbereich. Der mittlere Bereich ist der Beste. Man
nennt ihn Temperaturoptimum. Zu niedrige und zu hohe Temperaturen führen zum Absterben ( siehe
Pessimum-Gesetz weiter unten)
Wechselwarme Lebewesen (Wirbellose, Fische, Amphibien, Reptilien) können ihre Körpertemperatur nicht
kontrollieren. Sie müssen deshalb in einem engeren Temperaturbereich leben wie Gleichwarme (Vögel,
Säugetiere).
In nördlichen Klimazonen sind viele gleichwarme Vögel und Säugetiere aktiv, wenn wechselwarme
Amphibien und Reptilien überwintern müssen.
Beispiel 1 Verbreitung von Pinguinen
Pinguine sind flugunfähige Vögel, die nur auf der Südhalbkugel vorkommen. Es gibt 17 Arten, die zwischen
den Galapagos-Inseln und dem antarktischen Kontinent leben. Man findet sie ebenfalls in Afrika, Australien
und Neuseeland.
Systematik:
Reich:
Tiere
Stamm:
Chordata (Chordatiere)
Klasse:
Aves (Vögel)
Ordnung:
Sphenisciformes (Flossentaucher)
Familie:
Spheniscidae (Pinguine)
Sie werden in 6 Gattungen eingeteilt. Die mittlere Körpergröße schwankt von 39 cm bis 130cm je nach
Gattung.
Die größte Gattung, die Kaiserpinguine ( bis 130 cm) leben auf dem antarktischen Kontinent entlang der
Küste bei teilweise -40 °C.
Die kleinste Gattung, die kleinen blauen Pinguine ( bis 40 cm) sind an den südlichen Küsten Australiens und
Neuseelands beheimatet.
Die nördlichste Gattung ist der Galapagos-Pinguin ( 55 cm) am Äquator.
Interessant ist, daß im Wesentlichen die Pinguine umso größer sind, je südlicher sie vorkommen.
Abb. 21 enthält eine kleine Auswahl von Gattungen. Die Darstellung zeigt auch, daß die Abhängigkeit von
Verbreitung und Körpergröße eine gewisse Abweichung aufweist. Das Verbreitungsgebiet der Pinguine
umfaßt einen Temperaturbereich von 16-28° C (Seetemperatur Galapagos) bis - 40° auf dem antarktischen
Kontinent.
Die Körpermasse des kleinen blauen Pinguins ist 1 Kg, die des Galapagos-Pinguins beträgt im Mittel 2,2
Kg, die des Kaiser-Pinguins 30 Kg. Der Unterschied ist ca. das 30-fache. Vergleichen wir jedoch die
Oberfläche und das Volumen erhält man eine interessante Beziehung:
Das Verhältnis Oberfläche zu Volumen beim Kaiser-Pinguin ist nur ca. 1/3 wie der beim kleinen blauen Pinguin, d.h.
der Kaiserpinguin verliert durch seine Körperfläche wesentlich weniger Energie als der kleine blaue Pinguin. Die
Nahrungsaufnahme zur Energieproduktion kann deshalb auch geringer sein.
Diese Anpassung an die Temperatur ist typisch für viele Säuger und Vögel, sie entspricht der Bergmannschen Regel.
Dieses Prinzip findet man auch beim Vergleich anderer Körpereigenschaften z.B. Körperextremitäten wie Ohren sind
bei Arten kalter Gebiete meist kleiner wie bei Tieren warmer Gebiete.
Wechselwarme Tiere ( z. B. Insekten oder Reptilien) sind dort in großer Artenzahl und mit teilweise extremer
Körpergröße vorhanden, wo die Temperatur gleichbleibend hoch ist: in den
Tropen.
2.1.3 Pessimum-Gesetz
Abiotische Faktoren wie die Temperatur bestimmen also, welche Typen
von Lebewesen in der speziellen Umwelt leben. In der Wüste, wo es nur
wenig Wasser und einen starken Temperaturwechsel von heiß zu kalt
gibt, können nur stark anpassungsfähige Pflanzen überleben, wie z. B.
Kakteen.
Den Bereich eines Umweltfaktors, innerhalb dessen eine Art lebt,
bezeichnet man als ökologische Potenz gegenüber dem Umweltfaktor. Sie
kann eng (stenök) oder weit (eurök) sein. Bären und Ratten sind eurök bezüglich der Temperatur, die Bachforellen sind
stenök, denn sie brauchen eine bestimmte Wassertemperatur.
Die Population wird durch den ungünstigsten Faktor bestimmt (Wirkungsgesetz der Umweltfaktoren): Pessimum-Gesetz
(Minimumgesetz).
Die Abbildung links gibt den Zusammenhang wieder:
Die ökologische Potenz ist der Bereich, in dem sich die Art noch fortpflanzt.
Das Optimum ist der Bereich, in dem die Art am besten gedeiht.
Der Pessimumbereich ist der Bereich, in dem die Art gerade noch existieren kann, begrenzt durch die Minima oder die
Kardinalpunkte.
Das Pessimumgesetz wurde schon 1840 durch Justus v. Liebig im Zusammenhang mit der Düngung von Pflanzen
aufgestellt. Er nannte es Gesetz vom Minimum. Liebig erkannte, daß immer der Wachstumsfaktor das
Pflanzenwachstum begrenzt, der sich im Minimum befindet. Ist zum Beispiel Stickstoff im Minimum, kann eine Zugabe
anderer Faktoren das Wachstum nicht steigern. Eine Düngung mit Stickstoff dagegen steigert das Wachstum bis wieder
ein anderer Faktor im Verhältnis zum Bedarf im Minimum ist.
4.1 Wechselbeziehungen zwischen Lebewesen und ihrer Umwelt
Lehrplan
Literatur
Medien
Geräte
Chemikalien
Einführung
Einwirken abiotischer und biotischer Faktoren (- Ek, C; - U)
Aufgreifen von Kenntnissen aus früheren Jahrgangsstufen; ggf.
Unterrichtsgang
- Einwirken abiotischer und biotischer Faktoren
Besprechung anhand ausgewählter Beispiele; Hinweis auf Toleranzgrenzen
einer Art und auf das Zusammenspiel einer Vielzahl von Faktoren;
zwischenartliche Konkurrenz und ökologische Einnischung (ca. 4 Std.)
Natura 12 S.104-115
Schroedel: Mat.f.d.Sekundarbereich II - Ökologie
Was ist Ökologie?
Lehre vom Haushalt der Natur - Untersuchung
Wechselwirkungen zwischen Lebewesen und
ihrer Umwelt
der
Zukünftige Probleme durch
- überexponentielles Wachstum der Erdbevölkerung
- Nahrungsmittelverknappung
- Umweltbelastung (Klima, Wasser, Boden, Luft)
- Erschöpfung der Rohstoffe und Energiequellen
Auswirkungen und Rückwirkungen der
menschlichen Tätigkeit?
4.1.1 Einwirken abiotischer und biotischer Faktoren
Umwelteinflüsse
belebte Umwelt (biotisch)
unbelebte Umwelt (abiotisch)
Konkurrenz
- durch eigene Artgenossen
- durch andere Arten
Klima
- Licht
- Wärme
- Wasser
- Wind
Nahrung
Feinde
Lage
- georg. Breite, Höhe
Boden
- Mineralsalze usw.
Einfluss abiotischer Umweltfaktoren
Adaptationen: erbliche Anpassungen
Modifikationen: nicht erbliche Abwandlungen
Licht, Strahlung
Anpassungserscheinung gegen Überhitzung
- Transpirationskühlung
- senkrecht stehende Blätter
- weisse Behaarung
Anpassung an die Wirkungen des Lichts
- Stark- und Schwachlichtpflanzen
- Lichtkeimer (Senf), Dunkelkeimer (Kürbis)
- Langtag-, Kurztagpflanzen
- Steuerung der Entwicklung bei Schmetterlingen
- Laubwald: Anpassungen der Bodenpflanzen
- Aktivitätsrhythmus der Tiere (Wachen, Schlafen)
- Phototaxis
Temperatur als ökologischer Faktor
Experimentelle Bestimmung: aktives Aufsuchen des Präferenzbereiches durch Tiere in der Temperaturorgel
(Skizze)
Gegenüber jedem einzelnen der zusammen wirkenden
ökologischen Faktoren hat jede Art eine gewisse
Reaktionsbreite oder ökologische Potenz.
Die dem Pessimum am meisten genäherten
Umweltfaktoren begrenzen die Dichte einer Art in ihrem
Lebensraum.
(vergl. Liebigs Gesetz vom Minimum)
Wirkung der Temperatur allgemein:
RGT-Regel: Erhöhung der Temperatur um 10°C beschleunigt den Ablauf einer chemischen Reaktion um das 2 3-fache
bei Organismen: Optimumskurve enzymkatalysierter Reaktionen
Beispiele:
- O2-Verbrauch von Forelle und Ratte bei verschiedenen
Temperaturen
- Entwicklungsdauer (Insekten, Phänologie)
- Leitungsgeschwindigkeit der Nerven
Einfluss auf die Morphologie
Bergmannsche Regel: Tiere bilden in kalten Gebieten
größere Individuen aus als ihre Verwandten in wärmeren Gebieten
Beispiel: Körpergewicht beim Rotfuchs in Abhängigkeit vom Breitengrad, Diagramm
Allensche Regel: Tiere haben in in kalten Gebieten
kürzere Extremitäten und Körperanhänge)
Beispiel: Eisfuchs (arktische Zone), Rotfuchs
(gemäßigte Zone, Wüstenfuchs (subtropische
Zone)
- Anpassungen bei Pflanzen (Laubfall, Geophyten)
Die ökologische Nische - Konkurrenz und Koexistenz
Beispiel: Einnischung der Wasservögel an den Innstauseen
Tauchenten, Höckerschwan, Gründelenten, langbeinige und kurzbeinige Limikolen, Nahrungsaufnahme von der
Wasseroberfläche
Vermeidung von Konkurrenz um Nahrung,
Nistplätze usw.
ökologische Nische: Jeder Organismus
nutzt in einem bestimmten Lebensraum
ganz bestimmte biotische und abiotische
Faktoren in einer ganz bestimmten Weise
(„Beruf einer Art“)
- nicht mit dem Raum zu verwechseln, der zu besetzen ist!
- Triebfeder der Evolution (Aufspaltung in neue Arten)
Beispiele:
Unterschiedliche Nahrungsnischen von Vögeln des Nadelwaldes
Einnischung der Wasservögel an den Innstauseen
Konkurrenzausschlussprinzip: Zwei Arten mit gleichen Ansprüchen an die Umwelt können auf Dauer nicht
nebeneinander existieren.
Beispiel: Natürliche Verbreitung der Waldbäume (Lärche, Kiefer, Fichte, Rotbuche)
Vermeidung innerartlicher Konkurrenz durch große Unterschiede zwischen den Geschlechtern und
verschiedenen Altersstadien z.B. bei Mücken
Konvergenz: äußere Ähnlichkeit bei nicht näher verwandten Arten, entstanden durch konvergente Entwicklung
unter gleichen Umweltbedingungen
Beispiele: Kakteen, schwimmende Tiere
4.1.2 Entwicklung und Regulation von Populationen: Wachstumsphasen, Bestandsregulierung
Das Wachstum von Populationen
Hinführung: Wachstumsbegriff
Sparstrumpf: lineares Wachstum
(Zuwachsrate konstant)
Bankeinlage: exponentielles Wachstum
(Zuwachs mit ständig steigender
Geschwindigkeit)
Unterschätzung des exponentiellen
Wachstums
- persische Sage vom Schachbrett und den Reiskörnern
Absurditäten bei Hochrechnen der menschlichen Populationsentwicklung (im Jahr 2500: Pausenhof; im Jahr
3000: Gewicht des Erdballs!)
Grundtypen des Populationswachstums
o exponentieller Verlauf
o sigmoider Verlauf mit Annäherung an die Kapazitätsgrenze K
o starke Oszillationen nach exponentiellem Anstieg
mathematisches Modell der Populationsentwicklung:
N/t = Geburten + Einwanderung - Todesfälle - Auswanderung
N/t =
B
+
E
-
D
-
A
Vereinfachung: Population nach außen abgeschlossen: E=0; A=0
Die Anzahl der Geburten B und Todesfälle D hängt von der Gesamtzahl der Individuen N ab:
B = b*N
D = d*N
b und d: durchschnittliche Geburts- und Sterberaten pro Individuum und pro Zeiteinheit
N/t = b*N - d*N
N/t = (b - d)*N
(b - d) = spezifische Zuwachsrate r
N/t = r*N
Zahlenbeispiel: nächstes N = gegenwärtiges N + r*gegenwärtiges N
Beispiel:
Kopfläuse r=0,11 pro Tag
Wie groß ist die tägliche Zuwachsrate bei einer Population von 100 Läusen?
r*N = 0,11*100 = 11 Läuse pro Tag
nach Integration:
logistische Wachstumskurve (begrenztes Wachstum):
sigmoider Verlauf
K: Kapazität der Umwelt für diese
Population
Regulation der Populationsdichte
Dichteabhängige (Konkurrenz, Räuber)
und dichteunabhängige Einflüsse
(Vulkanausbruch, Kälteeinbruch für
Schwalben, strenge Winter für
Mäusepopulationen) der Umwelt
Darstellung dichteabhängiger Faktoren
in Form von Kausalkreisen:
Begrenzung des Populationswachstums durch Konkurrenz
Gause-Prinzip: Zwei Arten, die sich in ihren
Bedürfnisssen zu ähnlich sind (die gleiche
ökologische Nische besetzen), können nicht
nebeneinander koexistieren.
Begrenzung des Populationswachstums durch
Feinde
Die Lotka-Volterra Gleichungen beschreiben das
zahlenmäßige Verhalten von Räuber und Beute.
idealisierte Kurve: Computersimulation
1. Lotka-Volterra Regel: periodische Zyklen
Ernährt sich eine Art von der anderen, so ergeben sich für
Räuber und Beute phasisch gegen einander verschobene
Häufigkeitskurven.
2. Lotka-Volterra Regel: Erhaltung der
Durchschnittszahlen
Trotz periodischer Schwankungen liegen bei
gleichbleibenden Bedingungen die Populationen von
Räubern und Beute konstant bei einem
Durschschnittswert.
3. Lotka-Volterra Regel: Störung der Durchschnittszahlen
Werden Räuber- und Beutepopulation um den gleichen Prozentsatz vermindert, so nimmt die Zahl der
Beuteorganismen zunächst schneller zu als die der Räuber.
Folgen für die Praxis: Bei Mitvernichtung der natürlichen Feinde  noch höherer Anstieg der
Schädlingspopulation als zuvor
Übergangsmodell der Bevölkerungsentwicklung
Phase I
- hohe Geburtenrate und hohe Sterberate
(Säuglingssterblichkeit, Infektionskrankheiten) - in Europa bis
ins Mittelalter - heute noch bei isoliert lebenden Naturvölkern
- geringes Bevölkerungswachstum, da sich Geburt und Tod
die Waage halten
Phase II
- zunächst sinkende Sterberate (verbesserte hygienische Verhältnisse, medizinische Entwicklung, z.B. Impfprogramme,
verbesserte Nahrungsmittelversorgung) - Geburtenrate bleibt hoch (Traditionen) - starker Bevölkerungszuwachs
Phase III
- mit Verzögerung sinkt die Geburtenrate (Familienplanung, Zugang der Frauen zum Arbeitsmarkt, späteres Heiratsalter) Sterberate nimmt auch noch ab - sehr hoher Bevölkerungszuwachs
Phase IV
- Sterberate auf niedrigem Niveau bei weiter sinkender Geburtenrate - immer noch deutliches Bevölkerungswachstum Phase V
Geburten- und Sterberate auf niedrigem Niveau - Stillstand oder Rückgang der Bevölkerung
Idealtypische Grundformen von Bevölkerungspyramiden
Pagodenform
Entwicklungsländer
relativ hohe Sterblichkeit im
Kindes- und Jugendalter
Dreiecksform
Glockenform
Deutschland 1919
Europa heute
Urnenform
Deutschland 2030
Geburten- und Sterberate
halten sich die Waage
Geburtendefizit