Ökosysteme: Biozönose, Stoffkreisläufe und Biodiversität

Grundlagen der Ökologie: Biozönose und Biotop

Ein Ökosystem besteht aus der Biozönose, welche alle Lebewesen umfasst, und dem Biotop, das die physikalisch-chemischen Bedingungen der Umwelt beschreibt, in der diese Lebewesen bewohnen.

Toleranzbereiche und limitierende Umweltfaktoren

Der Toleranzbereich definiert die chemisch-physikalischen Werte des Mediums, in dem sich eine Art entwickeln und vermehren kann. Die Grenzen dieses Bereichs bilden die Toleranzmargen, innerhalb derer es optimale Werte für das Wachstum der Arten gibt. Ein limitierender Faktor ist ein Umweltfaktor, der über das Vorhandensein oder Fehlen eines Organismus entscheidet. Dabei unterscheidet man:

• Euryöke Organismen (Euri): Diese besitzen eine breite Toleranz gegenüber Umweltfaktoren.
• Stenöke Organismen: Diese weisen eine knappe bzw. enge Toleranz auf.

Anpassungen an die Umweltbedingungen

Anpassungen sind morphologische oder Verhaltensreaktionen von Organismen, um günstige Umweltbedingungen zu nutzen. Hierbei spielen adaptive Strategien eine Rolle, also Verhaltensweisen und morphologische Strukturen, die das Überleben sichern.

Temperaturregulation: Ektotherme und Endotherme Tiere

• Ektotherme Tiere (Wechselwarm): Ihre Lebensaktivität hängt von der Umgebungstemperatur ab, da sie diese nicht selbst regulieren können. Sie sind poikilotherm und steuern ihre Körpertemperatur durch die Kontrolle der Wärmeaufnahme oder die Verringerung der Aktivität.
• Warmblüter (Endotherm): Sie erzeugen innere Hitze. Wetterbedingungen beeinflussen ihre Aktivität kaum, da sie ihre Temperatur präzise regulieren können (homöotherm).

Lichtzonen im Meer und marine Organismen

Die Meeresbereiche werden nach Lichteinfall unterteilt:

• Photische Zone: Der beleuchtete Bereich bis 200 m Tiefe, der marinen Organismen das Leben ermöglicht.
• Oligophotische Zone: Bereich zwischen 100 m und 500 m mit sehr geringem Lichteinfall.
• Aphotische Zone: Bereich unter 500 m in völliger Dunkelheit, bewohnt von heterotrophen Organismen wie Tiefseefischen.

Anpassungen an Wasserverfügbarkeit

In ariden Regionen absorbieren Organismen so viel Wasser wie möglich, wenn es regnet. Um Austrocknung zu vermeiden, sind Tiere oft nachtaktiv und verbergen sich tagsüber. Pflanzen entwickeln lange, tiefe Wurzeln, Wachsschichten, Dornen und Wasserreserven. In feuchten Regionen entwickeln Organismen Mechanismen, um überschüssiges Wasser zu beseitigen. Pflanzen besitzen hier eine hohe Zahl an Spaltöffnungen, Haaren sowie ausgeprägte Wurzel- und Stammstrukturen.

Energiefluss und Stoffkreisläufe im Ökosystem

Organismen nutzen unterschiedliche Energiequellen:

• Autotrophe: Nutzen anorganische Moleküle als Materialquelle.
• Photosynthetische Organismen: Nutzen Sonnenlicht als Energiequelle.
• Chemosynthetische Organismen: Nutzen anorganische Stoffe als Energiequelle.
• Heterotrophe Organismen: Nutzen organische Moleküle als Energiequelle.

Die Energie fließt in einem offenen System durch das Ökosystem, während das Material in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert. Der offene Energiefluss treibt den geschlossenen Stoffkreislauf an, wodurch Nährstoffe von der unbelebten Umwelt zu lebenden Organismen und zurück gelangen.

Der Kohlenstoff- und Stickstoffkreislauf

Im Kohlenstoffkreislauf absorbieren Pflanzen CO2 aus der Atmosphäre oder dem Wasser und wandeln es durch Photosynthese in organische Moleküle um. Über die Nahrung gelangt der Kohlenstoff in heterotrophe Organismen und Zersetzer, bevor er durch Atmung oder fossile Brennstoffe wieder freigesetzt wird.

Im Stickstoffkreislauf kann atmosphärischer Stickstoff (N2) nur durch bestimmte Bakterien (Clostridium, Rhizobium, Azotobacter) und Blaualgen (Anabaena, Nostoc) in Ammoniak (NH3) umgewandelt werden. Nitrifizierende Bakterien wandeln NH3 in Nitrat um, das von Pflanzen genutzt wird. Nach dem Tod der Organismen wandeln chemosynthetische Bakterien die Abfälle wieder in Nitrat um.

Nahrungsketten und trophische Ebenen

Die Nahrungskette beschreibt die Übertragung von Energie durch eine Reihe von Organismen. Ein Nahrungsnetz ist ein komplexes Geflecht dieser Beziehungen. Die trophischen Ebenen gliedern sich wie folgt:

• Erzeuger (Produzenten): Photosynthetisch aktive Autotrophe, die organische Stoffe synthetisieren.
• Primärkonsumenten (Niveau 2): Pflanzenfresser.
• Sekundärkonsumenten (Niveau 3): Fleischfresser, die Pflanzenfresser fressen.
• Tertiärkonsumenten: Jagen andere Fleischfresser oder leben als Parasiten.
• Destruenten (Zersetzer): Bakterien und Pilze, die Kot und Tierkörper abbauen. Chemosynthetische Bakterien oxidieren anorganische Moleküle und verwandeln sie zurück in anorganische Materie.

Man unterscheidet zudem die Pflanzenfresserkette (Erzeuger und Konsumenten) und die saprophytische Kette (Detritus-Kette aus Zersetzern).

Biomasse, Produktivität und ökologische Pyramiden

Die Biomasse ist die Menge an organischer Substanz in einem Ökosystem (gemessen in Gramm pro Fläche oder Volumen). Die Produktion ist die Biomassezunahme pro Zeiteinheit. Die Produktivität gibt die Menge der erzeugten Energie an. Innerhalb der ökologischen Pyramide gilt: Die Energie, die durch eine trophische Ebene fließt, entspricht etwa dem zehnten Teil der Energie der vorherigen Ebene, da 90 % der Energie verloren gehen.

Bedeutung und Schutz der biologischen Vielfalt

Die Biodiversität umfasst die genetische Vielfalt, die Artenvielfalt und die Vielfalt der Ökosysteme. Sie spiegelt die interne Komplexität wider. Die Vielfalt geht verloren durch die Zerstörung oder Fragmentierung von Lebensräumen durch Industrie, Landwirtschaft, Stadtentwicklung, Verschmutzung sowie Übernutzung (Jagd, Fischerei). Der ökologische Wert der biologischen Vielfalt ist immens: Sie beeinflusst das Wetter, die Bodenbildung und ermöglicht durch eine hohe Zahl an Wechselwirkungen ein stabiles Ökosystem über lange Zeiträume.