Grundlagen der Ökologie: Biodiversität, Ökosysteme & Umweltprobleme

Faktoren der geografischen Verbreitung von Arten

Zu den Faktoren, die die geografische Verbreitung von Arten beeinflussen, gehören:

• Breitengrad: Der Artenreichtum nimmt von den Polen zum Äquator hin zu. Die Breitengrade beeinflussen klimatische Bedingungen, die wesentliche Elemente für lebende Organismen sind, wie z.B. Temperatur, Niederschlag und Beleuchtung.
• Höhenlage: Die Biodiversität nimmt mit zunehmender Höhe ab.
• Wasserverfügbarkeit: Die Biodiversität steigt von extrem ariden Gebieten zu Gebieten mit reichlich und gleichmäßig über das Jahr verteilter Feuchtigkeit.
• Heterogenität der Lebensräume: Orte mit größerer Vielfalt hinsichtlich Lithologie, Bodentypen, Mikroklima usw. weisen eine höhere Artenvielfalt auf.
• Inseln: Der Artenreichtum auf Inseln ist geringer als auf dem Festland, was durch die Präsenz endemischer Arten bedingt ist (ein Begriff aus der Biologie, der anzeigt, dass die geografische Verbreitung eines Taxons auf ein kleines, natürliches Gebiet beschränkt ist und es nirgendwo sonst auf der Welt vorkommt).
• Größe des Gebiets: Je größer die Region, desto mehr Arten beherbergt sie.

Umweltstabilität und Artenvielfalt

Extreme Umgebungen begrenzen die Vielfalt der Organismen. In den Tropen variiert die durchschnittliche Jahrestemperatur sehr wenig, was die große Vielfalt der feuchten äquatorialen Wälder erklären könnte.

Grundlagen von Ökosystemen und Biomen

Definition des Ökosystems

Ein Ökosystem wird definiert als die Gesamtheit aller Lebewesen, die eine Umgebung bewohnen, zusammen mit den physikalisch-chemischen Umweltfaktoren und den vielfältigen Beziehungen, die zwischen ihnen bestehen.

• Biotop: Dies umfasst alle abiotischen Faktoren, aus denen sich das Ökosystem zusammensetzt, d.h. alle chemischen Komponenten (Wasser, Salzgehalt, pH-Wert, Nährstoffe, Gesteinsarten...) und physikalischen Faktoren (Temperatur, Licht, Höhe, Wind...), die das Ökosystem charakterisieren.
• Biozönose: Sie besteht aus den biotischen Komponenten des Ökosystems, d.h. allen Lebewesen im Ökosystem und den Beziehungen zwischen ihnen. Die Lebensgemeinschaft ist auch als Biozönose bekannt.

Biom und Ökosphäre

Ein Biom ist ein spezifischer Teil des Planeten, der Klima, Vegetation und Fauna teilt. Es ist die Gesamtheit der charakteristischen Ökosysteme, und eine biogeografische Zone wird durch die Vegetation und Tierarten definiert, die sie dominieren.

Die Ökosphäre ist das globale Ökosystem des Planeten Erde, das von den Organismen gebildet wird, die die Biosphäre formen, sowie den Beziehungen zwischen ihnen und ihrer Umwelt.

Trophische Ebenen in Ökosystemen

Unter Berücksichtigung der trophischen Beziehungen können wir verschiedene Lebewesen in einem Ökosystem in folgende trophische Ebenen gruppieren, die ihren Platz in einer Nahrungskette oder einem Nahrungsnetz entsprechend ihrer Methode zur Produktion organischer Stoffe bestimmen:

• Produzenten: Autotrophe Organismen, in der Regel Photosynthese betreibend, die den Stoff- und Energiefluss durch die Nahrungsketten im Ökosystem gewährleisten.
• Konsumenten: Dies sind Lebewesen, die sich von anderen ernähren. Dazu gehören Pflanzenfresser, die sich von Produzenten ernähren, und Fleischfresser. Detritivoren sind ebenfalls Konsumenten, die sich von toten Überresten oder Kot ernähren. Bei den Konsumenten gibt es verschiedene Ebenen, abhängig von der Länge der Nahrungsketten:
  • Die höchste Ebene wird kaum von einem anderen Tier verzehrt: der Spitzenprädator oder tertiäre Konsument (Superkarnivore).
• Destruenten (Zersetzer): Obwohl sie in Nahrungsketten und Nahrungsnetzen oft nicht explizit dargestellt werden, sind sie in allen Ökosystemen vertreten, wo sie eine wichtige Rolle spielen: Sie ernähren sich von organischen Stoffen und wandeln die Abfälle der Konsumenten in anorganische Materialien um, wodurch der Stoffkreislauf in Ökosystemen geschlossen wird.

Die Darstellung dieser trophischen Zusammenhänge in einem Ökosystem wird als Nahrungsnetz bezeichnet, welches die Gesamtheit aller miteinander verbundenen Nahrungsketten darstellt.

Das Phänomen des Sauren Regens

Das Phänomen des sauren Regens beginnt, wenn Schwefel und Stickstoff, die in fossilen Brennstoffen enthalten sind, durch Verbrennungsprozesse (in Kraftwerken, Industrie, Autos...) in die Atmosphäre freigesetzt werden. Der Schwefel und Stickstoff werden dabei als SO₂, SO₃ und NOx emittiert.

Die Schwefel- und Stickoxide reagieren in der Atmosphäre mit Feuchtigkeit und/oder Sauerstoff aus der Luft sowie Sonnenlicht und oxidieren zu Säuren (Schwefelsäure, Salpetersäure usw.). Diese Säuren können mit Luftmassen weite Strecken von ihrem Entstehungsort zurücklegen (was als grenzüberschreitende Umweltverschmutzung bekannt ist), bis sie durch Niederschlag auf der Erdoberfläche abgelagert werden.

Arten der Deposition

• Trockene Deposition: Ablagerung von Gasen oder Aerosolen in der Nähe von Emissionsquellen.
• Nasse Deposition: Die primären Schadstoffe (SO₂ und NOx), die in der Atmosphäre verbleiben, werden dort oxidiert. Schwefel- und Stickoxide (sekundäre Schadstoffe) lösen sich in Wassertröpfchen, die Wolken bilden, werden vom Wind von der Emissionsquelle wegtransportiert und kehren durch Niederschläge auf den Boden zurück.

Auswirkungen des Sauren Regens

• Aquatische Ökosysteme (wie Flüsse und Seen): Die Versauerung führt zu einer Abnahme oder dem Verschwinden von Lebewesen, die empfindlich auf pH-Wert-Änderungen reagieren.
• Böden: Die Versauerung führt zu Veränderungen in ihrer Zusammensetzung und einer schlechteren Qualität: Sie erleichtert die Auflösung von Mineralien und Nährstoffen aus dem Boden und transportiert deren Kationen in tiefere Zonen (Sickerwasser), was die für Pflanzen verfügbaren Nährstoffe reduziert und den Boden unproduktiv macht.
• Vegetation, insbesondere Wälder: Veränderungen führen zum Verlust der Blattfarbe, zur Schädigung der Rinde und zur Verschlechterung der photosynthetischen Kutikula, was eine Abnahme der Photosynthesekapazität, das Absterben von Rinden und weitere Veränderungen zur Folge hat.

Arten der Wasserverschmutzung

Wasserverschmutzung kann durch verschiedene Arten von Schadstoffen verursacht werden:

• Physikalische Schadstoffe (oder Energie)

  Hierbei handelt es sich im Wesentlichen um Wärmestrahlung. Abwärme (thermische Verschmutzung) stammt häufig aus Kraftwerken, die Wasser als Kühlmittel nutzen. Sie führt zu Veränderungen der Wasserqualität (z.B. verminderte Konzentration an gelöstem Sauerstoff im Wasser) und der Lebensgemeinschaften (Wachstums- und Reproduktionszyklen von Organismen sind betroffen, was zum Verschwinden von Arten führen kann) und fördert im Allgemeinen Eutrophierungsprozesse.

• Radioaktive Emissionen

  Sie verursachen schwerwiegende Probleme bei Lebewesen (wie Verbrennungen, Krebs oder DNA-Mutationen). Sie stammen oft aus Lecks in den Kühlkreisläufen von Kernkraftwerken oder aus medizinischen oder industriellen Abfällen.

• Biologische Verunreinigungen

  Pathogene Organismen oder Parasiten (Pilze, Protozoen) können direkt Krankheiten verursachen, giftige Stoffe freisetzen oder einfach die Wasserqualität mindern. Die meisten Ausbrüche sind mit Wasser in Verbindung zu bringen. Diese Schadstoffe können aus der Viehzucht und kommunalen Abwässern stammen.

• Chemische Schadstoffe

  Chemikalien in fester, flüssiger oder gasförmiger Form, die meist aus industriellen, landwirtschaftlichen und städtischen Gebieten stammen:

  • Starke Säuren und Basen: Führen zu pH-Wert-Veränderungen, die die Wasserqualität und das Leben beeinträchtigen. Können aus Industrieabfällen, saurem Regen usw. stammen.
  • Gase: Verbindungen wie CH₄ oder H₂S können in wässriger Lösung vorliegen, diffundieren aber letztendlich in die Atmosphäre. Sie entstehen gewöhnlich durch Fermentation.
  • Schwermetalle (Pb, Zn,...): Sind sehr giftige Stoffe, die sich in Nahrungsketten anreichern (Bioakkumulation), ohne abgebaut zu werden. Sie stammen hauptsächlich aus Bergbau, industriellen Aktivitäten und der Verbrennung fossiler Brennstoffe.
  • Organisches Material: Kohlenhydrate, Proteine, Fette... von lebenden Organismen, die organische Verschmutzung und den Verlust der Wasserqualität verursachen (durch Verbrauch von gelöstem O₂, Eutrophierung...).
  • Nitrate, Nitrite und Phosphate: Schadstoffe aus organischen Abfällen, Düngemitteln, Waschmitteln und Abwasser. Sie tragen zur Eutrophierung bei. Darüber hinaus sind hohe Nitratkonzentrationen giftig.