Ökosysteme und Populationsdynamik: Eine Einführung

Konzept des Ökosystems

• System: Eine Menge von miteinander verbundenen Elementen.
• Ökosystem: Ein System, bestehend aus einem Biotop (ein Substrat mit physikalischen und chemischen Eigenschaften) und einer Biozönose (alle Organismen), die viele komplexe Interaktionen zwischen den Komponenten aufweisen.

Typen von Ökosystemen

1. Terrestrische Ökosysteme: Geprägt durch das Klima; ökologische Faktoren hängen von den Wetterbedingungen ab. Es besteht eine große Vielfalt an terrestrischen Ökosystemen.
2. Aquatische Ökosysteme: Werden nach dem Salzgehalt des Wassers unterschieden (Salzwasser/Meerwasser und Süßwasser). Diese können wiederum nach der Dynamik ihrer Gewässer klassifiziert werden: stehende Gewässer (Seen) oder fließende Gewässer (Flüsse).

Interaktionen im Ökosystem

Biotop-Biozönose-Interaktionen

Die Eigenschaften des Biotops beeinflussen die Lebewesen. Es gibt große Unterschiede zwischen Lebewesen verschiedener Umwelten. (Z.B. Pflanzen in ariden Regionen haben oft kleine Blätter zur Reduzierung der Verdunstung, während Wasserpflanzen wie Seerosen große Blätter haben können.) Im terrestrischen Bereich werden Faktoren durch klimatische und edaphische (Boden-) Bedingungen beeinflusst. In Gewässern hängt dies von den physikalischen und chemischen Eigenschaften der gelösten Stoffe ab. Die Eigenschaften der Lebewesen können das Biotop verändern. Das bedeutet, dass die ursprüngliche Atmosphäre Sauerstoff durch Bakterien erhielt, die Photosynthese betreiben.

Wechselwirkung zwischen abiotischen Faktoren

Jeder abiotische Faktor beeinflusst andere. Z.B.: Wind begünstigt die Dynamik von Wasser- und Meeresströmungen sowie die Austrocknung. Erhöhte Temperaturen können große Mengen Wasser verdunsten lassen und erhöhten Salzgehalt verursachen.

Interaktionen zwischen Organismen

Im Ökosystem treten Beziehungen zwischen Organismen derselben Art auf, können aber auch zwischen verschiedenen Arten vorkommen.

Die Population

• Habitat: Der Ort, an dem eine Art typischerweise lebt.
• Ökologische Nische: Die Rolle einer Art im Ökosystem. Z.B.: Luchse jagen Hasen. Ihre ökologische Nische umfasst alle Bedingungen, die sie zum Überleben benötigt.

Konzept einer Population

Eine Population ist eine Gruppe von Organismen derselben Art, die zur gleichen Zeit und am gleichen Ort leben, sodass sie mit hoher Wahrscheinlichkeit zur Paarung kommen und Gene austauschen. Im Unterschied zu Individuen ist die Population unsterblich, da die Fortpflanzung ihre Weiterführung sichert.

Beziehungen in der Population

Die repräsentativsten Beziehungen sind die zwischen Individuen. Die Beziehungen, die entstehen, sind Wettbewerb und intraspezifische Vereinigungen:

1. Intraspezifischer Wettbewerb: Die Hauptinteraktion innerhalb von Populationen. Z.B.: Eichenindividuen konkurrieren um Licht und Nährstoffe im Boden.
2. Intraspezifische Vereinigungen:
   1. Familiengruppierungen: Dienen der Fortpflanzung und dem Schutz der Nachkommen. Bei der geschlechtlichen Fortpflanzung werden Gene gemischt, was die genetische Vielfalt beeinflusst. Paarungssysteme können sein:
      • Monogam: Ein Männchen und ein Weibchen.
      • Polygam: Ein Geschlecht mit mehreren Partnern des anderen Geschlechts. Polygamie kann wiederum sein:
        • Polygyn: Ein dominantes Männchen mit mehreren Weibchen.
        • Polyandrisch: Ein Weibchen mit zwei oder mehr Männchen.
   2. Gesellige Gruppierungen: Bieten zeitlich begrenzte Vorteile, z.B. bei der Nahrungssuche, Verteidigung oder Aufzucht der Jungen.
   3. Kolonien und Gesellschaften: Dies sind komplexe Organisationsformen von Populationen. In Kolonien bilden Individuen eine physische Einheit und stammen von denselben Eltern ab. In Gesellschaften sind Individuen in Kasten organisiert.

Veränderungen in der Population

Populationswachstum

Die Größe einer Population ist die Anzahl der Individuen und wird oft mit dem Buchstaben N dargestellt. Die Veränderung der Populationsgröße (ΔN/Δt) über einen bestimmten Zeitraum wird berechnet, indem die Anzahl der Geburten (B) und Immigranten (I) addiert und die Anzahl der Todesfälle (M) und Emigranten (E) subtrahiert wird:

ΔN/Δt = B + I - M - E

Die Wachstumsrate der Population (r) wird berechnet, indem die Populationszunahme (ΔN/Δt) in einem bestimmten Zeitraum durch die aktuelle Populationsgröße (N) geteilt wird.

Wenn die Umweltbedingungen günstig sind, wächst die Population im Laufe der Zeit; die Wachstumsrate ist positiv (r > 0). Je größer die Anzahl der reproduzierenden Individuen, desto höher ist die effektive Wachstumsrate. Eine Population kann jedoch nicht unbegrenzt wachsen, da es einen Umweltwiderstand gibt: Mangel an Nahrung, Wettbewerb um Raum usw. Dann stoppt die Wachstumsrate (r = 0) oder die Population schrumpft (r < 0).

Tragfähigkeit (K)

Die Tragfähigkeit (K) ist die maximale Anzahl von Individuen einer bestimmten Population, die ein Ökosystem dauerhaft erhalten kann. Diese Grenze wird durch Umweltfaktoren und Widerstände bestimmt.

Populationsstrategien

Das Wachstum variiert stark von Art zu Art. Einige Populationen neigen dazu, sich zu stabilisieren, wie z.B. die Eichen des Mittelmeerraums, die über einen längeren Zeitraum reifen. Andere Populationen schwanken stark und hängen von Faktoren wie saisonalen Veränderungen und der Verfügbarkeit von Nährstoffen ab, dazu gehören Insekten und Gräser. Es gibt zwei Haupttypen:

1. Stabile Populationen (K-Strategen): Befinden sich im Gleichgewicht mit der Umwelt, und ihre Populationsgröße (N) nähert sich der Tragfähigkeit (K). Sie werden als "K-Strategen" bezeichnet und umfassen typischerweise große Organismen mit einer geringen Wachstumsrate (r).
2. Opportunistische Populationen (r-Strategen): Ihre Populationsgröße (N) ist durch starke Schwankungen gekennzeichnet. Im Allgemeinen sind dies kleine Tiere mit einer hohen Wachstumsrate (r), die als "r-Strategen" bezeichnet werden.

Interagierende Populationen im Ökosystem

Die Interaktion zwischen Individuen verschiedener Arten ist unvermeidbar. Diese interspezifischen Beziehungen haben unterschiedliche Auswirkungen und können vorteilhaft, nachteilig oder neutral sein.

Interspezifischer Wettbewerb

Dieser tritt auf, wenn zwei oder mehr Arten dieselben Ressourcen und Lebensräume nutzen. Sind die Ressourcen knapp, kann eine Art die andere verdrängen.

Konsument-Ressource-Interaktionen

Die wichtigsten Vertreter sind Räuber und Parasiten. Dabei profitiert der Konsument, während die Ressource geschädigt wird.

1. Räuber (Prädatoren): Sind Organismen, die andere Lebewesen als Nahrung nutzen. Diese werden als Beute bezeichnet.
2. Parasiten: Lebewesen, die andere nutzen, ohne sie zu töten. Diese werden als Wirte bezeichnet. Sie leben entweder auf der Oberfläche des Wirts (z.B. Zecken als Ektoparasiten) oder im Inneren des Wirts (Endoparasiten).

Kommensalismus und Inquilinismus

Dies sind Wechselwirkungen, die für eine Art vorteilhaft, für die andere jedoch neutral sind.

1. Kommensalismus: Eine Art profitiert von Nahrungsresten, die ein Räuber zurücklässt.
2. Inquilinismus: Eine Art erlangt Vorteile, indem sie in einer anderen Art Unterschlupf findet, ohne diese zu beeinflussen. Z.B.: Eine Krabbe, die in den Hohlräumen eines Schwamms lebt.

Mutualismus und Symbiose

Zwei Arten arbeiten zusammen, um einen Vorteil zu erzielen.

1. Mutualismus: Die Beziehung zwischen zwei Arten ist nicht zwingend. Z.B.: Pflanzen entwickeln Früchte, die von Tieren gefressen werden; die unverdauten Samen werden ausgeschieden und helfen bei der Verbreitung.
2. Symbiose: Keine der beiden Arten kann getrennt leben. Z.B.: Mykorrhiza (Pilze, die mit Pflanzenwurzeln verbunden sind): Der Pilz liefert den Wurzeln Nährstoffe und hilft im Gegenzug bei der Nährstoffaufnahme.