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Biologie (Subject) / Ökologie I (Lesson)
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- Grundbegriffe: Ökosystem Biosphäre Biozönose Biotop Lebensgemeinschaft von Organismen und ihre physikalische Umwelt (in Europa teils durch den Menschen verändert und sogar neue erschaffen: Kulturlandschaft wie Äcker, Weiden, etc.) Gesamtheit der Ökosysteme → von Lebewesen besiedelter Teil der Erde Lebensgemeinschaft der Organismen eines begrenzten Lebensraumes Lebensraum einer Biozönose in einem bestimmten Gebiet → kleinste Einheit der Biosphäre
- Bereiche der Ökologie Autoökologie Synökologie Populationsökologie
- Bereiche der Ökologie → Autoökologie → Synökologie → Populationsökologie Wechselwirkungen zwischen Individuum und Umwelt Arten können nur in bestimmten Toleranzbereichen der jeweiligen Umweltfaktoren überleben → spezielle Anpassung einer Art an eine ökologische Nische untersucht biologische Systeme: Wechselwirkungen innerhalb einer Biozönose und Abhängigkeit vom Biotop gewinnt Erkenntnisse über Energiefluss im Nahrungsnetz (Produktion von neuer Biomasse, wiederkehrende Spaltung in anorganische Substanzen, um dann erneut aufgenommen zu werden) → Arten werden in Produzenten, Konsumenten und Destruenten eingeteilt tierische und pflanzliche Populationen – Wechselwirkungen innerhalb der Population sowie zwischen Populationen und Populationen und Umwelt qualitative und quantitative Aspekte der Entwicklung von Lebewesen in einer Population untersucht teilweise auch Wechselwirkungen wie Konkurrenz, Räuber-Beute-Beziehungen, Wirt-Parasit-Verhältnisse
- Faktoren in einem Ökosystem biotische Faktoren abiotische Faktoren Einflüsse, die von anderen Lebewesen ausgehen (z.B. Wirkungen von Feinden und Prasiten, intra- und interspezifische Konkurrenzphänomene), z.B. Regenwald hauptsächlich von biotischen Faktoren bestimmt Einflüsse der unbelebten Umwelt auf den Organismus (z.B. Temperatur, Licht, Feuchtigkeit), überwiegen z.B. im Hochgebirge
- Fallbeispiel: Ökosystem Teich im Wasser schwebende Algen (Phytoplankton) betriben Fotosynthese → bauen aus anorganischen organische Stoffe auf (Primärproduzenten = grüne Pflanzen) Ernährung anderer Organismen von dieser Biomasse Pflanzenfresser (Zooplankton, z.B. Rotatoria, Kleinkrebse) → Konsumenten 1. Ordnung Fleischfresser → Konsumenten 2. Ordnung Abbau von Ausscheidungen und abgestorbenen Organismen zu anorganischen Stoffen ab → Destruenten dadurch sind wiederum Nährstoffe für Pflanzenwachstum vorhanden Stoffkreislauf ↑ Teich = offenes System mit Fähigkeit zur Selbstregulation – Art und Zahl der Organismen einigermaßen konstant (biologisches Gleichgewicht) Störung des Gleichgewichts z.B. durch Düngung → Eutrophierung eines Gewässers → Veränderung der Lebensgemeinschaft → Artenarmut und Vermehrung anaerober Bakterien, welche Schwefelwasserstoff bilden → Faulschlammbildung
- Vegetationsökologie Beziehungen innerhalb und zwischen Pflanzengesellschaften Abhängigkeit der Vegetation von der Umwelt (Standort und menschliche Nutzung)
- Vegetationsökologie: Faktoren, von denen die pflanzliche Entwicklung abhängig ist abiotische Faktoren (Pflanzen sessil → als Standortfaktoren bezeichnet): Sonnenlicht, verfügbare Wassermenge, Salzgehalt, Verfügbarkeit von Sauerstoff und Kohlendioxid, Temperaturverhältnisse und Art/Menge der Mineralstoffe im Boden biotische Faktoren: Bestäubung durch Wind oder Insekten, Verbiss durch Pflanzenfresser, Parasitenbefall ökologische Toleranz: Bereich der Umweltfaktoren, in dem ein Lebewesen überleben kann ökologische Potenz: Bereich der Umweltfaktoren, den ein Lebewesen nutzt, um zu überleben, zu wachsen und sich fortzupflanzen → Gedeihfähigkeit physiologisches Optimum: Vorzugsbereich → Bereich der Umweltfaktoren, in dem sich ein Lebewesen optimal entwickeln und fortpflanzen kann Pessimum: Bereich, in dem ein Organismus noch überlebt, sich aber nicht mehr fortpflanzen kann → bei Unterscheitung eines Minimalwerts bzw. Überschreitung eines Maximalwerts ist die Grenze der Toleranz erreicht → Tod oft komplex, da sich verschiedene Faktoren gegenseitig beeinflussen (Wasserspeicherung des Bodens ist abhängig von Beschaffenheit des Bodens, der Wassergehalt des Bodens wiederum beeinflusst den Wärmehaushalt)
- Vegetationsökologie: Anpassungen der Pflanzen an Umweltfaktoren (Modifikationen) Fotomorphogenese Fotoperiodismus Gestaltbildung der Pflanze unter Lichteinfluss → z.B. Kartoffelknolle: bei Licht entstehen normal gesaltete Pflanzen, im Dunkeln bleiche lange Triebe mit kleinen Blätter → sobald Pflanzen mit Licht in Kontakt kommen, wachsen Blätter und Chloroplasten heran, da die Nährstoffe nun in ihnen gut investiert sind (Farbstoff Phytochrom hierfür verantwortlich) Abhängigkeit der Blütenbildung von der Tageslänge (während einer bestimmten lichtempfindlichen Entwicklungsphase artspezifischen Dunkelphase für Zeit der Blütenentstehung entscheidend → durch Phytochromsystem Tages- und Nachtlänge registriert, wodurch sich die Pflanze den Jahreszeiten anpassen kann Langtagpflanzen: Nachtlänge unterschreitet die kritische Dunkelphase, z.B. Spinat, Getreide Kurztagpflanzen: Nachtlänge überschreitet die kritische Dunkelphase, z.B. Reissorten, Soja tagneutrale Pflanzen: lassen sich nicht von der Fotoperiode beeinflussen, z.B. Mais, Tomaten
- Vegetationsökologie: Anpassungen der Pflanzen an Umweltfaktoren Zeigerpflanzen bezüglich einiger Umweltfaktoren hohe ökologische Potenz → durch ihr Auftreten lassen sich Rückschlüsse auf die Beschaffenheit des Lebensaums ziehen Pflanzengesellschaften = Arten mit ähnlichen Ansprüchen, die daher gemeinsam auftreten Stickstoffzeiger: bevorzugen/tolerieren hohen Stickstoffgehalt; können bei starker Stickoxidverschmutzung andere Pflanzen verdrängen; z.B. Brennnessel, Bärenklau, Schwarzer Holunder Salzzeiger: Standorte mit hohem Salzgehalt (Meer, Salzsteppe), z.B. Salzkresse, Strand-Aster Kalkzeiger: zeigen kalkreiche Böden (z.B. Huflattich, Alpenrose) oder kalkarme Böden (z.B. Heidelbeere) an Schwermetallzeiger: auf schwermetallhaltigen Böden nur wenige Arten, z.B. Flechten → sind wiederum sehr empfindlich gegenüber Schwefeloxid (Indikatoren für fehlende Luftbelastung mit SO2)
- Vegetationsökologie: Höhenzonierung der Vegetation in den Bergen: Veränderung der Standortbedingungen je nach Höhenlage → daher Enstehung von Höhenzonierung, am auffälligsten ist die Waldgrenze (trennt montane und subalpine Stufe) durch Almwirtschaft Waldgrenze nach unten verschoben → Krummholzzone breiter geworden Baumgrenze → bis hier kommen einzelne, verkrüppelte Bäume vor je höher, desto küruzer die Dauer der Vegetationszeit (Bäume können nicht mehr gedeihen, weil Stoffproduktion nicht mehr ausreicht)
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- Populationsökologie allgemein Wachstum von Populationen Gesamtheit der in einem Gebiet vorkommenden Lebewesen einer Art, die sich untereinander fortpflanzen können und so einen gemeinsamen Genpool besitzen exponentielles Wachstum logistisches Wachstum Überlebenskurven Populationswachstum des Menschen
- Populationsökologie: Wachstum von Populationen exponentielles Wachstum logistisches Wachstum kommt vor, wenn Ressourcen im Überfluss vorhanden sind: Größe der Population nimmt konstant zu z.B. Bakterienkultur: Anzahl von Bakterien in einem Nährmedium → Teilung der Bakterien unter günstigen Bedingungen → jede Generation verdoppelt die Anzahl der Individuen kurze Anfangsphase exponentielles Wachstum in der Vermehrungsphase begrenztes Wachstum in der Verzögerungsphase sobald der Lebensraum an seine Kapazitätsgrenze stört tritt die stationäre Phase ein (Absterben und Entstehung halten sich die Waage) Absterbephase (es sterben mehr Lebewesen, als entstehen) z.B. durch innerartliche Konkurrenz oder Stress durch zu hohe Populationsdichte
- Populationsökologie: Wachstum von Populationen Überlebenskurven Populationswachstum des Menschen Auftragung der Sterberate einer Population im Verlauf der Zeit → Einteilung in Altersklassen → drei idealisierte Überlebenskurven Typus 1 – Tod erst im hohen Alter (Mensch, Haustiere) Typus 2 – gleich bleibende Sterberate bei allen Altersklassen (Vögel) Typus 3 – besondere Sterblichkeit in den Jungstadien (Eier, Larven, Keimlinge) hyperexponentielles Wachstum, vor allem dank Fortschritt der Medizin und Hygiene vermutlich wird 2050 mit acht bis zehn Milliarden Menschen die stationäre Phase erreicht Bevölkerungspyramiden = Alterspyramiden Pyramidenform → Wachstum der Bevölkerung (z.B. Asien) Glockenform → Gleichbleiben der Bevölkerung Urnenform → Schrumpfen der Bevölkerung (z.B. Europa)
- Populationsökologie: Fortpflanzungsstrategien Beispiele, Größe der Lebewesen, Generationszeit, Fruchtbarkeit, Sterberate, Anzahl der Nachkommen, Zeitpunt der ersten Reproduktion, Elterliche Fürsorge/Brutpflege Konzepte r-Strategie (opportunistische Strategie): Bakterien, Pilze, Insekten – vergleichsweise klein, kurz, hoch, hoch, viele, früh, keine → Maximierung der Pro-Kopf-Wachstumsrate K-Strategie (ausbalancierte Strategie): viele Säugetiere, größer werdend, lang, gering, gering, wenige, meist später, ausgeprägt → Population lebt an Kapazitätsgrenze des Lebensraumes, Größe über lange Zeit konstant
- Populationsökologie: Anassungen der Populationen ökologische Nische Konkurrenzausschlussprinzip Konvergenz charakteristische Weise einer Art, die Ressourcen ihrer Umwelt zu nutzen → durch Einnischung können verschiedene Arten nebeneinander existieren in einem Lebensraum nie zwei Arten mit denselben Ansprüchen → schlechter angepasste würde aussterben in geografisch getrennten Gebieten können verschiedene Arten auftauchen, die ähnliche Bedürfnisse haben, da sie dieselbe ökologische Nische besetzen → nicht unbedingt Verwandtschaft, sondern einfach nur Parallelentwicklung
- Populationsökologie: Regulation der Populationsdichte Größe der Population in Bezug auf Fläche dichteabhängige Faktoren: intraspezifische Konkurrenz um Nahrung, Lebensraum, Paarungspartner; Stress; Druck durch Fressfeinde; Krankheiten, Parasiten; z.B. Mäusepopulation kann nicht ewig weiterwachsen → zu hohe Dichte führt zu Stress und damit Aggressivität, verminderter Fruchtbarkeit und sogar Kannibalismus dichteunabhängige Faktoren: Temperatur & Feuchtigkeit (Wetter), Katastrophen
- Populationsökologie: Populationsdynamik Räuber-Beute-Systeme Diversität ein Räuber ernährt sich vor allem von einer Art als Beute mehr Tiere dieser Art → mehr Räuber mehr Räuber → weniger Tiere dieser Art Sterben der Räuber durch negative Rückkopplung → Vermehrung der Tiere usw. → dadurch Populationsschwankungen, auch wenn die Populationszahl auf lange Sicht hin konstant bleibt Ökosysteme unterscheiden sich durch ihre Artenvielfalt (Anzahl der in ihnen lebenden Arten) Artenreichtum + Populationsgröße steigen mit Größe des Ökosystem bis zu bestimmter Grenze Populationsgröße + Artenreichtum sinken in kleineren Ökosystemen
- Ökologischer Faktor: Temperatur – Klimaregeln Van't Hoffsche Regel Wechselwarme (Ektotherme) Gleichwarme (Endotherme) bei Erhöhung um 10°C beschleunigt sich eine chemische Reaktion um das 2- bis 4-fache alle Tiere außer Vögel & Säuger Körpertemperatur passt sich der Außentemperatur an → leben hauptsächlich in Wärmezone durch Anpassungen in polaren Gebieten und Wüsten: z.B. dunkle Hautfärbung verbessert Aufnahme der Sonnenenergie bei Insekten in kalten Gebieten; in heißen Lebensräumen eher glänzende Oberfläche – Flügelschwirren und Wassereintragen → Abkühlung der Nester, intensive Bewegung der Flugmuskulatur → Temperaturerhöhung im Bau tolerieren größere Schwankungen der Körpertemperatur benötigen weniger Nahrung frostsicherer Ort zur Überwinterung in Winterstarre Vögel & Säuger Körpertemperatur unabhängig von der Außentemperatur Fell oder Federn, um Wärmeverlust zu verhindern (Sommer- und Winterfell) hoher Stoffwechsel zur Erhaltung der Körpertemperatur → benötigen viel Energie/Nahrung darum Überwinterung in Winterschlaf und Winterruhe (keine Nahrung vorhanden) → hormonelle Steuerung, wird durch schwindende Tageslänge ausgelöst
- Ökologischer Faktor: Temperatur – Klimaregeln Allen-Regel Bergmann'sche Regel Länge der Körperanhänge nimmt bei gleichwarmen Tieren ab, je kälter es in einem Lebensraum ist → um zu verhindern, dass über die Oberfläche zu viel Wärme abgegeben wird z.B. Polarfuchs und Fennek Körpergröße bei gleichwarmen Tieren in polaren Gebieten größer als bei Verwandten in wärmeren Gebieten kleine Tiere haben relativ großes Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis (Oberfläche², Volumen³) z.B. Pinguine Richtung Südpol
- Nahrungsbeziehungen in Ökosystemen: Nahrungskette Nahrungsnetz Nahrungspyramide Energiepyramide gebildet von Organismen, die durch Produktion und Konsum von Biomasse verknüpft sind z.B. von der durch die NPP der Pflanzen erzeugten Biomasse ernähren sich Konsumenten und Destruenten komplexes Netzwerk aus Nahrungsbeziehungen in einer Nahrungskette nimmt die Biomasse von Stufe zu Stufe um ca. 10% ab (variiert) außerdem ist ein Rückgang der Individuenzahl zu verzeichnen Gründe: ein Teil der Nahrung wird nicht aufgenommen (Fraßabfall)/ist unverdaulich und gelangt gleich zu den Destruenten; großer Teil der Nahrung nicht Körperaufbau, sondern Energiequelle (Energie als Wwärme abgegeben) Energiemenge nimmt von Stufe zu Stufe um 1/10 ab Grund: bei jeder Energieumwandlung wird ein Teil der Energie als nicht nutzbare Wärme umgesetzt
- Probleme der Welternährung Fleisch & Pflanzen Anbau Weltbevölkerung ernährt sich mehrheitlich von Reis Getreideanbau größteils in Tiermägen → aufgrund der durch die Energiepyramide und Nahrungspyramide veranschaulichenbare Abnahme von Biomasse und Energie mit jeder Stufe wird klar, dass die Ernährung von Primärproduzenten auf lange Sicht ökologisch betrachtet besser ist (zur Produktion einer Ernährungseinheit Fleisch wird das Vielfache an pflanzlichem Material gebraucht) Monokulturen: Rodung, Be- und Entwässerung, künstliche Düngung, chemische Schädlingsbekämpfung, maschinelle Bearbeitung → Vernichtung natürlicher Pflanzen- und Tiergesellschaften, Austrocknnung, Überdüngung, Anreicherung von Giftstoffen im Boden → »grüne Gentechnik« als Lösung... Problem ist nicht Produktionsmenge, sondern ungleiche Nahrungsverteilung (in Wien wird täglich so viel Brot weggeworfen, wie Graz verbraucht)
- Probleme der Welternährung: Entwicklungsländer – Export und Import Ansätze zu globalem Umdenken Entwicklungsländer exportieren Rohstoffe müssen teure Fertigprodukte ankaufen extrem hohe Verschuldung im Ausland → um Devisen zu erwirtschaften werden Exportprodukte angebaut, die dann in Konkurrenz zur Versorgung der ansessigen Bevölkerung notwendigen Flächen stehen billige Importfuttermittel → kein notwendiger Beitrag zur Nahrungsversorgung der Menschen in Industrieländern Förderung kleiner und mittlerer Betriebe biologischer Landbau (Verzicht auf chemisch-synthetische Pestizide, synthetische Wachstumsförderer & Düngemittel sowie Gentechnik) Fairtrade-Marken Bio-Gütesiegel
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