Ökosysteme: Definition, Struktur und Funktionen

Ökosysteme: Definition und Struktur

Ein Ökosystem kann als eine Biozönose definiert werden, ein offenes System, bestehend aus einem physikalisch-chemischen Teil (Biotop) und einigen biotischen, oder einer Gruppe von Lebewesen in ihm. Natürlich sind beide Parteien in Beziehungen etabliert.

Trophische Beziehungen

Trophische Beziehungen repräsentieren den Mechanismus der Energieübertragung und des Materialtransfers über andere Stellen in Form von Essen.

• Hersteller: Das sind die erste trophische Ebene, weil sie autotrophe Organismen sind, d.h. sie erzeugen organische Materie aus anorganischer Materie und einer Energiequelle. Die wichtigsten Autotrophen sind die Photosynthetischen.
• Verbraucher: Ein Teil der von den Produzenten produzierten organischen Substanz wird von den Verbrauchern durch die Zellatmung aufgenommen, um ATP zu gewinnen, sich zu vermehren und zu wachsen.
• Destruenten: Wenn organische Substanz, die beim Aufbau der Pflanzen aus anorganischer Materie entsteht, nicht wieder in anorganische Substanz umgewandelt würde, würden Böden und aquatische Ökosysteme an anorganischer Materie verarmen, bis hin zur Gefährdung der Pflanzenwelt und damit des Restes des Ökosystems.
• Transformierer: Heterotrophe Organismen sind Saprophyten, die sich von toter organischer Substanz ernähren. Zu dieser Gruppe gehören Pilze und Bakterien im Boden und Bakterien im Wasser.
• Mineralisierer: Autotrophe Bakterien. Sie ernähren sich nicht, sondern wandeln organische in anorganische Materie um, die von den Prozessoren ausgeschieden wird.

Sobald wir die Stellen auf verschiedenen trophischen Ebenen suchen, können Nahrungsketten gebaut werden, die trophische Beziehungen linear darstellen, d.h. wie Ebenen die organische Substanz von Organismen aus verschiedenen trophischen Ebenen passieren.

Die Nahrungskette beginnt bei den Herstellern, deren Stiele den Fluss der organischen Substanz darstellen, der durch die verschiedenen Arten von Verbrauchern fließt.

Biomasse und Produktion

• Biomasse: Die Biomasse ist die Menge an Trockenmasse pro Flächeneinheit oder Volumen eines Körpers oder auf einer bestimmten trophischen Ebene. Sie liefert ein Maß für die Menge der Energie, die den Körper oder die trophische Ebene ausmacht, da nach dem Entfernen von Wasser 99% der Trockenmasse organisches Material ist und die Verbindungen dieser, wo chemische Energie angesammelt ist.
• Produktion: Die Produktion ist das Verhältnis zwischen der Zunahme der Biomasse und der Zeiteinheit. Da die Biomasse eines Organismus, einer Population oder einer trophischen Ebene über die Zeit variieren kann (z.B. die Menge an Gras eines Feldes variiert mit den Jahreszeiten), gibt uns dieser definierte Parameter eine wirkliche Vorstellung vom Fluss durch ein Ökosystem.
• Primärproduktion (PP): Die Energie, die durch die Autotrophen festgelegt wird.
• Sekundärproduktion (SP): Die Energie, die der sonstigen trophischen Ebene entspricht. Obwohl die einzigen Organismen, die organische Substanz aus anorganischer Materie produzieren, Produzenten sind, haben Konsumenten auch Produktionsagenturen, in dem Sinne, dass sie organische Substanz assimilieren und mit ihr wachsen.
• Bruttoproduktion: Die Biomasse, die pro Zeiteinheit von einer Einzelperson oder trophischen Ebene produziert wird, einschließlich dessen, was durch die Atmung verbraucht wird.
• Nettoproduktion: Die Produktion, die nach Abzug der Verluste durch die Atmung von der Bruttoproduktion übrig bleibt. PN = PB - A

Lindeman-Regel oder 10%-Regel

Die Energie, die von einem Glied (trophische Ebene) zu einem anderen übergeht, beträgt etwa 10% der angesammelten Energie. Ein Teil des Lichts, das die Pflanzen erreicht, wird von ihnen nicht bei der Photosynthese verwendet. Mit dem Licht, das gesetzt wird, ist die SP vieler Pflanzen selbst reduziert, nachdem sie atmen. Die PP wird die Energie sein, die den Pflanzenfressern zur Verfügung steht.

Produktivität

Die Messungen, die an Arten in der Produktion von zwei verschiedenen Arten durchgeführt wurden, sind unterschiedlich, und zwar für die gleiche Fläche, Zeit und Biomasse. Dies ist auf die erhöhte Biomasseproduktion mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten zurückzuführen. Wir definieren die Produktivität als das Verhältnis der Nettoproduktion und der Biomasse. Wir können sagen, dass die Produktivität die Rate ist, mit der Biomasse erzeugt wird, d.h. die Rate, mit der Biomasse erneuert wird, daher wird sie auch als Erneuerungsrate bezeichnet.

Biogeochemische Kreisläufe

Kohlenstoffkreislauf

Der Kohlenstoff befindet sich in der Atmosphäre als CO₂, in der Lithosphäre in Form von Karbonatgestein, in der Hydrosphäre als Bikarbonat und CO₂ in organischen Molekülen gelöst, und in der Biosphäre ist er in organische Moleküle integriert, sowie als Bikarbonat und Karbonat in Skeletten und Strukturen verschiedener Organismen gelöst. Durch Photosynthese, Atmung und Zersetzungsprozesse befindet er sich im Gleichgewicht. Wie man sehen kann, ist ein Teil des Kohlenstoffkreislaufs in Form von organischen Verunreinigungen nach Zersetzungsprozessen metamorphen Bedingungen ausgesetzt worden, um Kohle und Öl zu bilden. Es gibt eine weitere Senke für Kohlenstoff: Kohlendioxid löst sich leicht in Wasser und bildet Kohlensäure, die mit Karbonatgesteinen reagieren kann, wodurch Bikarbonat und Kalzium in Wasser gelöst werden, und Kalziumionen können mit Bikarbonat von Tieren reagieren, um ihre Kalkskelette zu bilden. Nach ihrem Tod unterliegen die Skelette Akkumulations- und Zementierungsprozessen und führen zu Kalksteinen. Riesige Mengen an Kohlenstoff wurden auf zweierlei Weise aus der Atmosphäre entfernt, was den allmählichen Rückgang des CO₂ in der Atmosphäre erklärt. Der Mensch greift in den Kreislauf ein. Einerseits gefährdet der Mensch die Artenvielfalt, wobei die Produktions- und Konsumgesellschaft derzeit den Treibhauseffekt verstärkt, indem sie riesige Mengen an CO₂ durch die Verbrennung von Kohle, Erdöl und Erdgas in die Atmosphäre freisetzt. Beide Themen werden später besprochen.

Stickstoffkreislauf

Stickstoff befindet sich in der Atmosphäre als N₂ und in viel geringerem Maße in den Molekülen NO, NO₂, NO₃, die allgemein als NO_x bekannt sind und auf natürliche Weise von Vulkanen freigesetzt und während Stürmen gebildet werden können. In der Lithosphäre findet man ihn in Gesteinen, die Nitrate freisetzen. In der Hydrosphäre erscheint er in Form von Nitrat und Nitrit gelöst, und in der Biosphäre wird er in Form von Nitrat aufgenommen, durch Photosynthese in organische Moleküle eingebaut und auf diese Weise an die Verbraucher weitergegeben. Im Stickstoffkreislauf ist es notwendig, die Rolle der mineralisierenden Bakterien (Nitrosomonas und Nitrobacter) hervorzuheben, die die bei der Zersetzung durch Pilze und Bakterien freigesetzten Ammoniakveränderungen in Nitrit und dann in Nitrat umwandeln, wodurch der Kreislauf dieses Elements wieder geschlossen wird. Ebenso gibt es Algen und Bakterien, die in der Lage sind, den atmosphärischen Stickstoff zu fixieren und in organische Moleküle einzubauen. Es handelt sich um stickstofffixierende Bakterien, Blaualgen und Bakterien, die in Symbiose in den Wurzeln von Leguminosen leben: Kichererbsen, Linsen, Bohnen, Luzerne usw. Es gibt auch andere Bakterien, denitrifizierende Bakterien, die das Nitrat des Bodens in N₂ umwandeln, so dass dieses Gas in die Atmosphäre zurückgeführt wird. Die Überreste toter Meeresorganismen sinken zu Boden, vermischen sich mit Meeressedimenten und gehen schwer seitlich verloren. Irgendwann kehren sie in Form von Sedimentgesteinen auf das Festland zurück. Allerdings ist dieser Verlust kein Problem, da die Fülle an Stickstoff in der Atmosphäre groß ist und es Mikroorganismen gibt, die ihn fixieren können. Der Mensch greift durch übermäßige Verwendung von Düngemitteln durch Landwirte ein, die ihre Ernten mit Nitrat düngen, das in Flüsse und Seen gelangt. Es gibt einen ausgezeichneten Nährstoff für Algen, die schnell gedeihen. Wenn sie auf den Boden fallen, sterben sie und Zersetzer wachsen exponentiell, da reichlich Material vorhanden ist, das anderen Organismen in diesen Ökosystemen Sauerstoff entzieht. Diese Form der Umweltverschmutzung ist die Eutrophierung, die überschüssige Nahrung bedeutet. Auch die industrielle Tätigkeit, die NO_x freisetzt, trägt zusammen mit den von Vulkanen freigesetzten Stoffen zur Bildung von saurem Regen bei, wenn sie in Regentropfen zu Salpetersäure gelöst werden. Diese beiden Probleme werden später in den Einheiten der Hydrosphäre und Atmosphäre diskutiert.

Populationen und ihre Dynamik

Eine Population ist die Menge der Individuen einer Art, die in einem Ökosystem leben. Da sie Mitglieder einer bestimmten Art sind, können sie sich fortpflanzen. In gewissem Maße ist das Bevölkerungswachstum genetisch determiniert, sowohl die ungefähre Anzahl der Geburten als auch das Alter. Unter optimalen Bedingungen (Nahrungsreichtum, Fehlen von Konkurrenten, ideales Klima usw.) besitzt eine Population eine hohe Geburtenrate (TN) und eine minimale Sterberate (TM), so dass das Wachstum maximal möglich ist (potenzielles Biotikum der Art). Der Unterschied zwischen den beiden Raten (r = TN - TM) wird als intrinsische Wachstumsrate (r) bezeichnet und nähert sich unter diesen Umständen der Tragfähigkeit an. Die Tragfähigkeit hat keinen festen Wert, sondern variiert in Abhängigkeit von der TN und TM der betreffenden Art und der Fähigkeit des beteiligten Ökosystems. N_t+1 = N_t + r N_t [(K - N_t) / K]. Der Term [(K - N_t) / K] steht für den Umweltwiderstand. Wenn die Population niedrig ist, dann hat der Term eher den Wert 1 und das Wachstum in dieser Zeit liegt in der Nähe des exponentiellen Wachstums, aber wenn N_t zunimmt und sich der Tragfähigkeit (K) nähert, dann strebt der Term gegen Null, was bedeutet, dass das Wachstum der Population stoppt. Die Darstellung dieser Gleichung ergibt eine logistische Kurve.

Einflussfaktoren auf den Umweltwiderstand

Die Faktoren, die das Bevölkerungswachstum kontrollieren, sind unterschiedlicher Natur.

• Abiotische limitierende Faktoren (physikalisch-chemisch): Es genügt, dass ein einziger Faktor gering ist, um zu einem limitierenden Faktor des Bevölkerungswachstums zu werden.
• Faktoren, die die Primärproduktion beeinflussen:
  • Licht: Im Gegensatz dazu ist Licht ein knapper Faktor in den Ozeanen, wo es nur wenige Meter tief ist.
  • Die anorganischen Nährstoffe: Feuchtigkeit ist besonders wichtig in Süßwassersystemen, in ariden und semiariden Klimazonen, wo nur die an trockene Bedingungen angepassten Pflanzen gedeihen.
  • Temperatur: Die Photosynthese wird, wie jede andere Art von biochemischer Reaktion, durch Enzyme katalysiert, Proteine, die eine erhöhte Reaktionsgeschwindigkeit ermöglichen, ohne die das Leben, wie wir es kennen, nicht denkbar wäre.
• Biotische limitierende Faktoren: Populationen interagieren miteinander und regulieren so auch ihr Wachstum.
• Intraspezifische Wechselwirkungen: Neben genetischen Faktoren (biotisches Potenzial) der Populationen gibt es Beziehungen zwischen Individuen in einer Population, die zu ihrer Kontrolle beitragen, so dass sie als Selbstregulierung betrachtet werden kann. Es gibt Beziehungen der intraspezifischen Konkurrenz um Nahrung, Territorium oder das Paar, die zur natürlichen Selektion beitragen.
• Interspezifische Wechselwirkungen: Der Faktor, der das Bevölkerungswachstum am meisten kontrolliert, ist die Verfügbarkeit von Nettoproduktion, d.h. Organismen oder Teile davon, die als Nahrung dienen.

Biodiversität

Unter Biodiversität versteht man den Reichtum und die Vielfalt der Arten und ihrer Verwandten. Wenn wir zwei Gemeinschaften in zwei getrennten Ökosystemen vergleichen, sind sie vielfältiger, wenn sie eine größere Anzahl von Arten haben, und in dem unwahrscheinlichen Fall, dass sie die gleiche Anzahl haben, wäre es diejenige, die eine größere Anzahl von Individuen pro Art hat.

Funktionen der Biodiversität

• Beitrag zur Ebene der Gase in der Atmosphäre und zum Gleichgewicht der biogeochemischen Kreisläufe.
• Einfluss auf die Etablierung des Energieflusses und das Recycling der Materie (Bodenbildung).
• Eingreifen in die Regulierung des Klimas.
• Ist der grundlegende Faktor für das Gleichgewicht und die Stabilität von Ökosystemen.