Energie-, Stoff-, Informationsfluss

5. Ökosysteme: Energie- Stoffund Informationsfluss
Drei Definitionsteile „Ökologie“:
- Interaktionen zwischen Organismen
(Individuen, Populationen, Lebensgemeinschaften)
- abiotische und biotische Umwelt
- Energie-, Stoff- und Informationsfluss
215
5.1 Energiefluss
Solarkonstante
Erde
Globalstrahlung
Ökosystem
Produktivität
jährlich
300 – 800
KJ cm-2
216
Photosynthese → Kohlenhydrate
17 KJ/g
diverse weitere Stoffwechselwege
→ Fette
40 KJ/g
→ Aminosäuren/Proteine 17 KJ/g
Kohlenhydrate:
Hauptenergiespeicher der Pflanzen
• nur in Samen Öl / Fett
Fette:
Hauptenergiespeicher von Tieren
• Unterhautfettgewebe der Säugetiere
• Fettkörper der Arthropoden
• ideal für Zugvögel / Winterschlaf
217
Energieverlust
Reflexion
Evapotranspiration
Konvektion
geringer Wirkungsgrad
217
Biomasse eines Ökosystems =
Σ autotropher + heterotropher Organismen
Bruttoprimärproduktion BPP =
Σ photosynthetische + chemosynthetische Produktion
inklusive Atmungsverluste
Nettoprimärproduktion NPP = BPP – Atmungsverluste
Nettoproduktion eines Ökosystems =
NPP – Frass durch Herbivoren (das was übrig bleibt)
Bestandesbiomasse = standing crop
(Alter des Ökosystems: Maisfeld vs. Wald)
218
Produktivität weltweit
Unterschiede
- terrestrisch
- marin
- innerhalb Gebiet
Gründe
- terrestrisch
Niederschläge
Kälte
- marin
Licht in Meerestiefe
Nährstoffe an Oberfläche
Meeresströmungen
219
Nahrungskette und Nahrungsnetz
Was macht ein Individuum
mit der aufgenommenen Energie?
220
Σ Individuen
+ trophische Ebenen:
Energieflussschema
in einem Ökosystem
2 Grundtypen
Herbivorennahrungskette
Destruentennahrungskette
(Bäche, Wüsten,
Höhlen, Tiefsee)
221
Nahrungsketten haben energetische Basis
• trophische Ebenen
• ökologische Effizienz
• Akkumulation von Verlusten
• begrenzt Länge der Ketten
221
Konsumptionseffizienz I2/P1
50 % Zooplankton vom Phytoplankton
25 % Herbivore in Graslandökosystemen
1-5 % Herbivore in Wald gemässigter Zone
Assimilatorische Effizienz A2/I2
fast 100 % viele Bakterien und Pilze
ca. 80 %
Carnivore
bis 70 %
Herbivore: Samen + Früchte
bis 50 %
Herbivore: Blätter
15 %
Herbivore: Holz
20 – 40 % Detritivore
222
Energetische Kosten sind grössenabhängig
- Volumen – Flächenrelation
- energetische Untergrenze von Säugetieren
- kleine Organismen sind poikilotherm
- wegen grösserer Körperoberfläche Probleme
mit Wasserhaushalt
metabolische
Kosten und
thermische
Zusatzkosten
224
5.2 Stofffluss
wichtigste Flüsse für Organismen: H20, C, N, P, S, …
exemplarisch: Kohlenstoff (nur 0,1 % der Erdmasse)
Drei Ebenen:
- wozu brauchen Organismen Kohlenstoff?
- C-Fluss im System
- anthropogene Veränderungen
228
geologisch: C via Vulkanismus aus
Erde (CO2, CO, CH4)
Gase in Wasser gelöst
als Carbonate gefällt
(Haeckel)
biogen: aquatische Organismen
entziehen Wasser Carbonat:
Algen, Foraminiferen (unten), Korallen,
Bryozoa (oben), Muscheln
Sedimentation: Calcit, Kreide,
Kalkstein, Marmor
geologische Faltungen: Alpen,
Pyrenäen, Himalaja
228
4 grosse Speicher
Gestein
Carbonate
Weltmeer
CO2
Atmosphäre
CO2
Biosphäre
C organisch
H2CO3
biologische und geologische Prozesse eng gekoppelt
- im wesentlichen Gaskreislauf
- zentral: Photosynthese
229
Biomasse
Abbau
tote Biomasse
CO2 + Niedermolekulares
Kreislaufgedanke
Humus
Huminsäure, Fulvosäuren
Torfbildung
Kohlebildung
Erdöl, Erdgas
→ fossile Energieträger
→ Entzug C aus aktivem Fluss
Aber: der weitaus grösste Teil der Biomasse
wird wieder abgebaut (> 99,9 %)
229
1015 g C a-1
230
CO2 als Treibhausgas
Temperaturerhöhung
Klimawandel
232
Weltklima war immer variabel
aktuelle Änderung in kürzester Zeit extreme Werte
232
5.3 Informationsfluss
Sender
Empfänger
Nachricht
spezifisch: Signal
unspez.: Hintergrundrauschen /noise
Kehlkopf
Integument
Duftorgane
Antheren
Schallwellen
Farbe
Moleküle
Pollen
Ohr
Auge
Rezeptoren
Stigma / Narbe
trotz Energiegehalt steht Informationsgehalt
im Vordergrund
239
physikalisch übertragene Information
optisch
akustisch
magnetisch
elektrisch
infrarot
chemisch übertragene Information
Pheromone
Allomone
Kairomone
Synomone
239
Optischer Informationsfluss:
Optische Ähnlichkeit giftiger Tiere:
Vespidae (Wespen, Hornisse), Sphecidae (Grabwespen)
Apidae (Bienen, Hummeln), Mutillidae (Ameisenwespen)
(auch orange, rot, blau…)
239
Optischer Informationsfluss:
Optische Ähnlichkeit ungiftiger Tiere:
Syrphidae
Schwebfliege
Asilidae
Raubfliege
Lepidoptera, Sesiidae: Cerambycidae
Hornissenschwärmer Bockkäfer
Stratiomyidae
Waffenfliege
Tabanidae
Bremse
239
Optische Ähnlichkeit giftiger Tiere
profitieren von Vermeideverhalten
gemeinsamer Prädatoren (Lernhilfe)
Warnfarbe = aposematische Färbung
echte Mimikry = Müller‘sche Mimikry
Optische Ähnlichkeit ungiftiger Tiere
profitieren von Schutz durch MM
unechte Warnfarbe (Verwechslung)
Bates‘sche Mimikry
Vorbild – Nachahmer
echte und falsche Information
239
kein Signal aussenden
Tarntracht, Krypsis
Mimese
Wandelndes Blatt
Singzikade, Tintenfisch
Somatolyse
Schwärmer, Seepferd
falsches Signal
zur Körperposition
Pinzettfisch, Zipfelfalter
Thecla
239
falsches Signal aussenden zum Beutefang
aggressive Mimikry, Peckham‘sche Mimikry
Geierschildkröte
Fangheuschrecke
Leuchtkäfer
239
akustische Information: Vogelgesang
Ultraschall: Wale, Fledermäuse, einige Vögel
Magnetfeld: Zugvögel, Honigbienen
elektrisches Feld: Haie, elektrische Fische
Infrarot: Zecken, Schlangen, Prachtkäfer
240
Chemisch übertragene Information
Innerartlich:
Pheromone
Zwischenartlich: Allomone (Vorteil Sender)
Kairomone (Vorteil Empfänger)
Synomone (Vorteil Sender und
Empfänger)
241
Innerartliche Information: Pheromone
Primer-Pheromone: langlebig, Kasten sozialer
Insekten, Entwicklungshemmstoff Arbeiterin
Sexuallockstoffe (*)
Territorialmarkierung: Parasitoide, Kirschfruchtfliege
Alarmsubstanzen
Aggregationssubstanzen (Borkenkäfer)
*
*
241
Zum Vorteil des Senders: Allomone
Verteidigungssubstanzen
Wehrsekrete, Toxine,
Pflanzeninhaltstoffe, Antibiotika
Locksubstanzen
Ameiseninquilinen
Orchidee
Ophrys sphecodes
Spinnenragwurz
Wildbiene
Andrena nigroaenea
241
Zum Nachteil des Senders: Kairomone
(unvermeidbare Abgabe)
Chemische Signale (Pheromone, Allomone)
werden verwendet, um Sender zu finden
Spezialisierte Herbivore finden Pflanzen im
Duftgradienten ihrer Verteidigungsstoffe
Beutetiere nutzen Signalstoffe eines Räubers, um
ihn zu meiden
243
Vorteil für Sender und Empfänger: Synomone
komplexe, tritrophische Interaktionen
243