Grundlagen des Ökosystems: Definition, Komponenten und Energiefluss

Ökosystem: Definition und Komponenten

Betrachten wir die klassische Definition, so wird ein Ökosystem oft als die Einheit aus Biotop (dem unbelebten Lebensraum) und Biozönose (der Lebensgemeinschaft) beschrieben. Wir müssen jedoch weitere Faktoren wie die Wechselwirkungen berücksichtigen. Daher betrachten wir die folgende Definition:

„Eine Gemeinschaft, die mit ihrer physischen Umgebung interagiert und dabei Materie und Energie austauscht.“

Wichtige Konzepte der Ökologie

• Biosphäre: Das Stoffsystem aller Lebewesen auf dem Planeten Erde.
• Biom: Ein bestimmter Teil des Planeten, der Klima, Vegetation und Fauna teilt. Die Menge charakteristischer Ökosysteme in einer biogeografischen Zone.
• Population: Alle Individuen einer Art, die in Raum und Zeit koexistieren.
• Gemeinschaft (Biozönose): Eine Gruppe von Populationen, die in Raum und Zeit koexistieren.
• Lebensraum (Habitat): Der Raum, der die Bedingungen erfüllt, unter denen eine Art leben und sich fortpflanzen kann, um ihre Anwesenheit zu verewigen.

Abiotische Faktoren (Unbelebte Umwelt)

• Licht: Die wichtigste Energiequelle für alle Organismen. Ohne Licht gäbe es kein Leben auf der Erde.
• Temperatur: Die Arten eines Ökosystems sind in der Regel an einen bestimmten Temperaturbereich angepasst.
• Luftfeuchtigkeit/Wasser: Lebewesen benötigen Wasser zum Leben, aber es gibt auch Anpassungen an trockene Standorte.
• pH-Wert: Hängt von der Zusammensetzung der Elemente ab, aus denen sich der Boden und die im Wasser gelösten Stoffe zusammensetzen.

Biotische Faktoren (Beziehungen zwischen Lebewesen)

Dies sind die Beziehungen zwischen den Lebewesen. Sie können in zwei Haupttypen unterteilt werden:

• Intraspezifische Beziehungen (innerhalb derselben Art)
• Interspezifische Beziehungen (zwischen verschiedenen Arten)

Intraspezifische Beziehungen

Diese finden zwischen Individuen der gleichen Spezies statt. Sie umfassen kooperative Beziehungen, die es ihnen ermöglichen, Tätigkeiten zu übernehmen, die allein sehr kostspielig oder unmöglich wären (z. B. Fortpflanzung, Futtersuche, gegenseitiger Schutz und Arbeitsteilung). Wir unterscheiden vier Hauptformen:

1. Familie

   Eine Gruppe von Individuen, die durch eine Verwandtschaftsbeziehung verbunden sind. Zweck: Reproduktion und Pflege der Nachkommen.

   Arten:

   • Elterliche monogame Familie: Männchen, Weibchen und Nachkommen (wie die meisten Vögel).
   • Elterliche polygame Familie: Männchen, mehrere Weibchen und deren Nachkommen (wie Rehe).
   • Matriarchale Familie: Weibchen und Nachkommen (wie Hühner oder Skorpione).
   • Patriarchale Familie: Männchen und Nachkommen (wie Seepferdchen).
   • Kindliche Familie: Nur Nachkommen (wie Fische).

2. Gesellige Vereinigung (Gregaria)

   Eine Gruppe von Individuen, die sich nur für einen bestimmten Zeitraum treffen, um zu jagen, zu migrieren oder sich zu verteidigen, und sich danach wieder trennen. Beispiel: Fischschwärme oder Herden von Säugetieren.

3. Kolonie

   Eine Gruppe von Individuen, die durch ungeschlechtliche Fortpflanzung gebildet wird. Sie haben eine Arbeitsteilung: Einige sind für die Zucht, andere für die Fütterung zuständig. Beispiel: Korallen und Algen der Gattung Volvox.

4. Staat/Gesellschaft

   Ein Verband von Individuen, der nach sozialen Gruppen oder Kasten organisiert ist, wobei jede Kaste eine spezifische Funktion hat. Beispiel: Soziale Insekten wie Ameisen, Wespen, Bienen (Königin, Arbeiter, Soldaten und Drohnen).

Spezielle Intraspezifische Beziehungen

• Kainismus: Wenn Geschwister gegenseitig kämpfen oder sich töten, um eine Ressource (meist Nahrung) zu erlangen. Charakteristisch bei Raubvögeln: Das zuerst geborene Küken wächst schneller und verdrängt oder tötet die später geborenen. Dies hängt oft von der Nahrungsverfügbarkeit ab.
• Kannibalismus: Wenn Individuen der gleichen Art einander fressen. Dies kommt beispielsweise bei Salamander- und Molchlarven oder zwischen Haifisch-Embryonen vor, die sich bereits im Mutterleib gegenseitig verschlingen.

Interspezifische Beziehungen (Zwischen verschiedenen Arten)

Diese Beziehungen finden zwischen Individuen verschiedener Arten statt. Sie können in Kooperations-, Negativ- und Intermediärbeziehungen unterteilt werden.

1. Beziehungen der Kooperation (Positiv)

• Mutualismus: Die Vereinigung von Individuen zum gegenseitigen Nutzen, wobei die Möglichkeit besteht, getrennt zu leben. Beispiel: Das Nashorn und die Vögel, die Parasiten fressen.
• Symbiose: Ein extremer Fall von Mutualismus. Die verbundenen Individuen ziehen gegenseitigen Nutzen, können aber nicht getrennt voneinander leben. Beispiel: Flechten, bestehend aus einem Pilz und einer Alge.
• Phoresie: Eine Art nutzt eine andere für den Transport (z. B. die Biene beim Transport von Pollen oder einige Milben).

2. Negative Beziehungen

• Parasitismus (Schmarotzertum): Ein Individuum, der Parasit, lebt auf Kosten des Wirts, dem er schadet.
  • Endoparasiten: Leben im Inneren des Wirts (z. B. Viren, Bakterien, Bandwürmer).
  • Ektoparasiten: Leben auf der Außenseite des Wirts (z. B. Zecken, Flöhe, Läuse).
• Wettbewerb: Gekennzeichnet durch den Kampf der Individuen um eine Ressource (z. B. Pflanzen um Licht, Hyäne und Geier um Aas).
• Prädation (Räubertum): Eine Art (Räuber) ernährt sich von einer anderen (Beute), z. B. der Luchs und der Hase.

3. Intermediäre Beziehungen

• Inquilinismus: Eine Art sucht Zuflucht und Schutz in einer anderen, ohne diese zu verletzen. Beispiel: Epiphytische Pflanzen oder Vogelnester in Bäumen.
• Kommensalismus: Ein Individuum erhält Nahrung, indem es die Reste von Lebensmitteln oder Körperprodukten einer anderen Art nutzt (z. B. Mistkäfer, die sich von Mist ernähren, oder Lotsenfische, die Reste von Haien fressen).
• Thanatokresis: Ein Sonderfall des Inquilinismus. Ein Organismus nutzt den Körper oder die Überreste eines anderen Tieres als Unterschlupf. Beispiel: Der Einsiedlerkrebs, der leere Meeresschneckengehäuse bewohnt.

Organismen eines Ökosystems (Trophische Ebenen)

Autotrophe Organismen (Produzenten)

• Sie ernähren sich von anorganischen Nährstoffen.
• Sie können ihre eigenen organischen Moleküle entwickeln.

Heterotrophe Organismen

Sie ernähren sich von organischen Stoffen, die zuvor von anderen Lebewesen synthetisiert wurden.

Konsumenten:

• Primärkonsumenten: Pflanzenfresser.
• Sekundärkonsumenten: Fleischfresser.
• Tertiärkonsumenten: Fleischfresser, die Sekundärkonsumenten fressen.

Zersetzer (Destruenten):

• Bakterien und Pilze.

Energiefluss und Stoffkreislauf im Ökosystem

Zusammenfassung der Strömungen:

• Energiefluss: Unidirektional, azyklisch, offen.
• Stoffkreislauf: Zyklisch, geschlossen.

Die Ökosysteme werden nicht nur durch den Energiefluss, sondern auch durch die Bewegung der Materie aufrechterhalten. Materie und Energie bewegen sich zusammen in Form von organischen Stoffen durch das Ökosystem.

Trophische Parameter

Biomasse (B)

Die Menge der produzierten organischen Substanz.

• Bezogen auf: Eine Fläche (in terrestrischen Ökosystemen) oder ein Volumen (in aquatischen Ökosystemen).
• Ausgedrückt in t/km² oder g/m².
• Primäre Biomasse: Von Produzenten erzeugt.
• Sekundäre Biomasse: Von Konsumenten entwickelt.

Produktion (P)

Die Menge an Biomasse, die pro Zeiteinheit produziert wird. Ausgedrückt in t/km²/Jahr oder g/m²/Jahr.

• Brutto-Primärproduktion (BPP): Die Gesamtmenge der von den Produzenten produzierten Biomasse.
• Brutto-Sekundärproduktion (BSP): Die von den Konsumenten entwickelte Produktion.
• Netto-Primärproduktion (NPP): Die Biomasse der Produzenten, die zur nächsten trophischen Ebene gelangt.
• Netto-Sekundärproduktion (NSP): Die Biomasse der Konsumenten, die zur nächsten trophischen Ebene gelangt.

BPP = NPP + R (R = Zellatmung)

Die Netto-Produktion (NPP) entspricht der BPP abzüglich des Anteils, der durch Zellatmung verbraucht wird. Diese NPP wird:

• Teilweise von der nächsten trophischen Ebene konsumiert.
• Teilweise geht sie dem Ökosystem verloren, da sie nicht genutzt wird.
• Teilweise wird sie von Destruenten genutzt.

Produktivität (p) und Erneuerungszeit (tr)

Die Produktivität ist das Verhältnis zwischen Produktion und Biomasse. Sie gibt Aufschluss über die Erneuerungsrate der Biomasse.

p(BPP) = BPP / B

p(NPP) = NPP / B

Die Erneuerungszeit (Umsatzzeit) ist die Zeit, die benötigt wird, um eine trophische Ebene oder ein Ökosystem zu erneuern.

tr = B / NPP

Hohe Produktivität bedeutet eine kurze Erneuerungszeit.

Ökoeffizienz

Die Menge an Biomasse oder Energie, die von einer trophischen Ebene zur nächsten übertragen wird.

Ökoeffizienz = NPP / BPP

Die Variation der Ökoeffizienz schwankt zwischen 5 % und 30 %.

Die 10%-Regel des Energieflusses

Die Energie, die von einer Ebene zur nächsten übertragen wird, beträgt nur etwa 10 % der darin akkumulierten Energie. Aus diesem Grund ist die Anzahl der Glieder in einer Nahrungskette begrenzt und hängt von der Primärproduktion und der Effizienz ab.

Zusammenfassende Schlussfolgerungen zum Energiefluss

• Der Energiefluss ist unidirektional, offen und azyklisch; das Ökosystem benötigt eine externe Energiezufuhr, um erhalten zu bleiben.
• Als wir in den trophischen Ebenen aufsteigen, nimmt die Energiemenge, die im Stoffwechsel verbraucht wird, progressiv ab.

Ein sehr hoher Prozentsatz der verfügbaren Energie in jeder trophischen Ebene wird nicht genutzt.