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4.1  Wechselbeziehungen zwischen Lebewesen und ihrer Umwelt

4.1.1 Einwirken abiotischer und biotischer Faktoren

4.1.2 Entwicklung und Regulation von Populationen

4.1  Wechselbeziehungen zwischen Lebewesen und ihrer Umwelt  

Einführung

Was ist Ökologie?

Lehre vom Haushalt der Natur - Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Lebewesen und ihrer Umwelt

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)   Konkurrenz - durch eigene Artgenossen - durch andere Arten   Nahrung   Feinde		unbelebte Umwelt (abiotisch)   Klima - Licht - Wärme - Wasser - Wind   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)

steno- = enger Toleranzbereich

eury-  = weiter Toleranzbereich

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

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

• exponentieller Verlauf

• sigmoider Verlauf mit Annäherung an die Kapazitätsgrenze K

• starke Oszillationen nach exponentiellem Anstieg  

mathematisches Modell der Populationsentwicklung:

DN/Dt = Geburten + Einwanderung - Todesfälle - Auswanderung

DN/Dt =    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

DN/Dt = b*N - d*N

DN/Dt = (b - d)*N    (b - d) = spezifische Zuwachsrate r

DN/D 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

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 à 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 Deutschland 1919

Glockenform Europa heute Geburten- und Sterberate halten sich die Waage

Urnenform Deutschland 2030 Geburtendefizit