Biologie (Fach) / Ökologie FU Berlin (Lektion)

WS13/14, alte Stud.-Ordnung, Prof. Dr. Rillig

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• Sampling-Kurven
• Interspezifische Interaktionen
• Mechanismen Positive Interaktionen Fraßschutz • Pflanzen in der Nähe ungenießbarer Pflanzen erhöhte Resourcen-Verfügbarkeit• Mykorrhiza-Symbiosen reduzierter physikalischer Stress• Beschattung Transport• Verbreitung von Sporen durch Insekten
• Blattschneideameisen (attine ants) fressen Blätter die sie ernten nicht “halten” sich Pilze und fressen geschwollene HyphenendenKönigin nimmt ein Pellet Pilz mitParasit (Pilz) – nur bei diesen AmeisenAmeisen bekämpfen Parasiten mit weiterem Symbionten (Bakterium)  
• Kommensalismus (0/+) Beispiele – Phoresie; vorübergehende Transportgesellschaft – Ein Partner (Kommensale) benutzt den Nahrungsrückstand eines anderen Organismus  – Facilitation (z.B. Schatten spenden)
• Parasitismus/ Prädation (+/-) • Mechanistisch unterschiedliche Prozesse; grob zusammengefasst in dieser Kategorie • Mathematische Beschreibung im Lotka-Volterra-Räuber-Beute Modell – Phasenverschobene Abundanz-Fluktuationen
• Mutualismus (+/+) – See-Anemone, Anemonenfische – Blattschneideameisen – Mykorrhiza-Symbiosen – Bestäubersystem
• Konkurrenzausschlussprinzip • Gausesches Prinzip• (1) wenn zwei konkurrierende Arten in einer stabilen Umwelt koexistieren, dann muss Nischendifferenzierung stattgefunden haben • (2) wenn nicht, schließt eine konkurrierende Art die andere aus Nische ohne interspezifische Konkurrenz ist die fundamentale Nische; mit Konkurrenz werden Arten auf realisierte Nische zurückgedrängt 
• Alternative Erklärungen für Koexistenz ähnlicher Arten • Derzeit aktive Konkurrenten; Koexistenz aufgrund von Nischendifferenzierung • Konkurrenz und Entwicklung der Nischendifferenzierung in der Vergangenheit (‚ghost of competition past‘) • Arten haben im Laufe der Evolution unterschiedlich auf natürliche Selektion geantwortet; es gibt Arten mit unterschiedlichen Nischen; keine Konkurrenz in der Vergangenheit oder Gegenwart
• Amensalismus (0/-) • Beispiel: – Stoffwechsel(abfall-)produkt schädigt einen anderen Organismus
• Neutralismus  (0/0) • Keine Auswirkungen der Organismen aufeinander
• Clements und Gleason organismisches vs. individualistisches Konzept
• Sukzession Zeitliche Abfolge ineinander kontinuierlich übergehender Systemzustände an einem Standort, Störung am Anfang – Primär- und Sekundärsukzession (Überleben von Diasporen, armes Substrat) • Untersuchungsmethoden – Space for time Substitution – Direkte Beobachtung (Zeitreihe) wenn möglich
• Störung (disturbance) diskrete Ereignisse, Ressourcen werden frei, strukturelle/ qualitative Veränderungen einer LebensgemeinschaftAbgrenzung zu Grazing, Parasitismus Unterscheidung nach Intensität. Frequenz, Umfang, akut vs. chronisch
• Intermediate disturbance hypothesis (IDH) Bei minimaler oder maximaler Störungsintensität oder -häufigkeit liegt minimale Diversität vor; also ist die Richness maximal bei einem ‚mittleren‘ Störungsregime auch anwendbar auf Zeit nach einer Störung (nicht nur auf die Störungsintensität oder –frequenz als x-Achse)
• Top-down vs bottom-up Kontrolle • Die Welt ist grün weil Karnivoren die Herbivoren in Schach halten • Die Welt ist grün weil sie stachelig ist und schlecht schmeckt
• Schlüsselarten/ Keystone species • Keystone species sind solche, die durch ihre Abwesenheit ein Nahrungsnetz extrem verändern würden (unscharfe Definition) • Beispiele – Top-Predators – Ecosystem Engineers – Symbiosepartner
• Konzepte zur Stabilität • Elastizität/ resilience; Widerstandsfähigkeit/ resistence • lokal oder global (Effekt einer starken oder einer kleinen Störung)  • Zusammenhang Komplexität und Stabilität – keine einfache Antwort
• Definition Biodiversität “the variability among living organisms from all sources (…) and the ecological complexes of which they are part; this includes diversity within species, between species and of ecosystems.” Für uns: Artenreichtum; in der Ökologie immer Eingrenzung notwendig
• Räumlich und zeitlich variierende Faktoren die richness beeinflussen • Produktivität • Prädationsintensität • Räumliche Heterogenität • Extreme Bedingungen • Klimavariationen • Störung• Alter des Lebensraumes • Areal und Abgelegenheit
• Island biogeography/ Inselbiogeographie MacArthur & Wilson (1967) • Gleichgewichtstheorie – Erklärung der Arten-Areal Beziehung • Größe und Abgelegenheit der Insel und Einwanderung – Aussterben – Seen (Inseln in einem Meer von Land) – Berggipfel (Inseln großer Höhenlage) – Kronen-Lücken in einem Wald 
• Definition Ökosystem System = ein Set von Elementen die miteinander interagieren, Biologische Lebensgemeinschaft (Biozönose) und ihre abiotische Umwelt (Biotop) als Einheit
• Flüsse Bewegung von Stoff (oder Energie) zwischen Kompartimenten   • Flussrate/ flux rate – Menge eines Stoffs die pro Zeiteinheit in ein Kompartiment ein- oder austritt • Umsatzrate/ turnover rate – Anteil des Pools in einem Kompartiment der pro Zeiteinheit ein- oder austritt • Verweilzeit/ turnover time – Zeit die notwendig ist um den Stoff im Kompartiment komplett zu ersetzen
• Flüsse - Beispiele • Kompartiment enthält 100 Tonnen Kohlenstoff, und pro Jahr verlassen das Kompartiment (oder kommen an) 1 Tonne (Gleichgewicht!). Dann: • Flussrate/ flux rate = 1 Tonne/ Jahr  • Umsatzrate/ turnover rate = 1/100 = .01 = 1%/ Jahr  • Verweilzeit/ turnover time = 100/1 = 100 Jahre
• Stoff-/ Energieflüsse Kohlenstoff und Energie sind eng verknüpft– In der Photosynthese wird Lichtenergie dazu benutzt CO2 zu organischen Komponenten zu reduzieren  – Diese C-haltigen Stoffe werden dann zwischen Kompartimenten transferiert und schließlich respiriert
• Stehende Biomasse (standing crop) Körper lebender Biomasse in einem Areal
• Biomasse Masse von Lebewesen in Joule m-2, Trockensubstanz kg pro ha, g C m-2 
• Primärproduktion Rate mit der Biomasse pro Flächeneinheit produziert wird
• Bruttoprimärproduktion Gesamte Fixierung von Energie durch Photosynthese (davon wird ein Teil von den Pflanzen veratment, geht als autotrophe Respiration R verloren)
• Nettoprimärproduktion Produktionsrate neuer pflanzlicher Biomasse; NPP = BPP - Rautotroph
• Sekundärproduktion Rate der Biomasseproduktion der Heterotrophen
• Große Zahlen – Kilo   k   10 3  (Tausend) – Mega  M   10 6  (Million) – Giga   G   10 9  (Milliarde) – Tera   T   10 12  (Billion) – Peta   P   10 15  (Billiarde)  • Oft gebraucht: Gt = Gigatonne = Pg
• Globale Nettoprimärproduktion 105 Pg C pro Jahr– Ungefähr gleich auf Meer und Festland verteilt
• Kosumenten, Zersetzer, Detrivoren • Primärproduktion wird teilweise von Herbivoren konsumiert, diese wiederum von Carnivoren: Konsumentensystem (live-consumer system) • NPP die nicht durch Konsumenten läuft geht in das Zersetzersystem (decomposer system) – Zersetzer (decomposers), Bakterien und Pilze – Detrivoren (detritivores), Tiere
• Live-consumer/ decomposer system
• Unterschied Energie- und Stoffflüsse  Energie kann nicht recycelt werden – das ist mit Materie aber möglich Stoffflüsse daher Kreisläufe (Energie als Durchflüsse)
• Nährstoffkreisläufe Bestehen aus – Nährstoffeintrag Input (Verwitterung von Gestein, Fixierung, Düngung) – Nährstoffaustrag Output (Freisetzung in Atmosphäre, Austrag in  Wasserläufe, Erosion, Feuer, Ernte) – internem Transfer innerhalb des Systems (Umwandlung zwischen organischen und anorganischen Formen, biologische Aufnahmeprozesse, (Ionen-)Austauschprozesse an Bodenoberflächen)
• Paradox der N-Limitierung N ist oft das Element das terrestrische NPP limitiert• N2 ist der Hauptbestandteil der Luft (78%) • N fixation is limited by availability of other nutrients – High requirement for ATP: P can be limiting – cofactors of nitrogenase such as molybdenum, iron and sulfur• Grazing of N fixing plantst
• Interner N-Kreislauf
• Prozesse und Organismen • Organismen leisten keinen “Service” für ein Ökosystem • Sie setzen Stoffe um, weil sie so ihren “Lebensunterhalt” verdienen • Aus Ökosystemsicht kann das wie eine “Dienstleistung” aussehen
• Interner Stickstoffkreislauf - Immobilisation/ immobilization Aufnahme (Assimilation) von anorganischem N in (mikrobielle) Biomasse – Braucht Energie, N wird benötigt zum Wachstum
• Interner Stickstoffkreislauf - Mineralisation/ mineralization Umwandlung organisches N in Ammonium (NH4+ ) – auch Ammonifikation genannt – Energieliefernde Reaktion, bei der N in inorganischer Form abfällt
• Interner Stickstoffkreislauf - Nitrifikation Umwandlung (Oxidation) von Ammonium in Nitrat (NO3-) – Energiegewinnung von chemolithoautotrophen Bakterien und Archaeen
• Interner Stickstoffkreislauf - Denitrifikation Umwandlung von Nitrat in gasförmige Produkte – NO3- als terminaler Elektronenakzeptor (weil O2 nicht verfügbar) – Viele verschiedene Mikroorganismengruppen
• Gasförmige N-Verluste • Ammoniakausgasung (NH3)– pH-anhängiger Prozess – Normalerweise gering, außer bei hohen Ammoniumkonzentrationen; Düngung mit Harnstoff • Nitrifikation:  – Gase produziert als Nebenprodukte; “leaky pipe” Modell • Denitrifikation:  – Mikroorganismen benutzen Nitrat (N03- ) als Elektronenakzeptor
• Kausalität vs. Korrelation Korrelation setzt nicht notwenidgerweise kausalen Zusammenhang voraus Bsp.: Nobelpreis je 10 mio Einwohner gegen Schokoladenkonsum pro Kopf pro Jahr -> linearer Zusammenhang, keine Korrelation
• Reaktionskurven – Umweltfaktoren
• Stenök und euryök Stenökie: Art toleriert nur relative enge Spannbreite eines Umweltfaktors –  oft nützlich als Zeigerarten Gegenteil ist euryök, es liegt ein weiter Toleranzbereich vor
• Untersuchung Nahrungsnetze Beobachtung des Fressverhaltens Markierung Stören (bsp. Entfernen einzelner Elemente) Mageninhalte analysieren
• Richness, Abundance, Evenness A A A A B B C Richness: 3 Abundance: A = 4; B = 2; C = 1 Evenness: A = 4/7; B = 2/7; C = 1/7

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