Stoffkreisläufe und Populationsökologie: Grundlagen

Stoffkreisläufe

Das Leben hängt von der Verfügbarkeit von etwa 25 chemischen Elementen ab. H, C, O, N, P und S machen 99 % aller lebenden Materie aus und können als biolimitierende Faktoren fungieren. Diese Elemente zirkulieren zwischen Lebewesen und dem geologischen Umfeld (Atmosphäre, Hydrosphäre, Lithosphäre) in sogenannten biogeochemischen Kreisläufen.

Gasförmige Nährstoffkreisläufe

• Hauptreservoir: Atmosphäre
• Wichtigste Elemente: C, N und O

Sedimentäre Nährstoffkreisläufe

• Hauptreservoir: Lithosphäre
• Freisetzung durch langsame Verwitterungsprozesse
• Wichtigste Elemente: P und S
• Die Zirkulation ist wesentlich langsamer; diese Elemente wirken oft als limitierende Faktoren.

Der Kohlenstoffkreislauf

Kohlenstoff-Pfade in die Biosphäre:

• Aufnahme von CO₂ durch Photosynthese in lebende Materie.
• Aufnahme von CO₂ zur Bildung biochemischer Schalen und Skelette.

CO₂-Freisetzung:

• Durch Zellatmung.
• Durch die Umwandlung organischer Verbindungen.
• Durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe und organischer Materie.
• Durch die Auflösung kohlensäurehaltiger Wässer auf Karbonatgesteinen.

Der Stickstoffkreislauf

Atmosphärischer Stickstoff (N₂) kann von den meisten Organismen nicht direkt genutzt werden. Er muss durch Mikroorganismen in Nitrat-Anionen (NO₃⁻) umgewandelt werden.

• Stickstoff-Fixierung: Symbiotische Bakterien (z. B. Rhizobium in Leguminosen) und frei lebende Bakterien (aerob/anaerob) sowie Cyanobakterien.
• Ammonifikation: Umwandlung von Stoffwechselabfällen und organischen Abfällen in Ammoniak (NH₃) durch abbauende Mikroorganismen.
• Nitrifikation: Zweiphasige Umwandlung von Ammoniak zu Nitrat durch chemosynthetische Bakterien (Nitrosomonas zu Nitrit, Nitrobacter zu Nitrat).
• Denitrifikation: Umwandlung von Nitrat (NO₃⁻) zurück in atmosphärischen Stickstoff (N₂) durch denitrifizierende Bakterien unter anaeroben Bedingungen.

Der Phosphorkreislauf

Phosphor ist ein essenzieller Nährstoff für Nukleinsäuren, ATP, Skelette und Schalen.

• Produzenten: Benötigen anorganisches Phosphat (PO₄³⁻), das in organische Moleküle eingebaut wird.
• Zersetzer: Führen Phosphat in den anorganischen Kreislauf zurück.
• Verluste: Phosphor entzieht sich der Nahrungskette durch Sedimentation.

Populationsökologie

Eine Population ist eine Gruppe von Organismen der gleichen Art, die sich in einem bestimmten Gebiet kreuzen können.

Wichtige Faktoren

• Geburtenrate (t): Anzahl der Geburten pro Zeiteinheit.
• Mortalitätsrate (tm): Anzahl der Todesfälle pro Zeiteinheit.
• Populationsgröße (N): Summe der Individuen.
• Ökologische Dichte: Anzahl der Individuen pro Flächen- oder Volumeneinheit.
• Immigration (i) & Emigration (e): Zu- und Abwanderung von Individuen.

Wachstumsrate (TC)

Die Wachstumsrate berechnet sich als: TC = tn - tm + i - e.

Wachstumskurven

• J-Kurve (exponentiell): Geometrisches Wachstum bis zur Erschöpfung der Ressourcen; instabil.
• S-Kurve (logistisch): Phasen (Lag, exponentiell, stationär) mit einer Kapazitätsgrenze (K).

Überlebensstrategien

• r-Strategen: Opportunistisch, hohe Reproduktionsrate, instabile Umgebungen, kleine Körpergröße.
• K-Strategen: Wettbewerbsstark, geringe Nachkommenzahl, hohe Investition in die Brutpflege, stabile Umgebungen.

Überlebens- und Toleranzkurven

• Überlebenskurven: A (geringe Sterblichkeit), B (konstante Sterblichkeit), C (hohe anfängliche Sterblichkeit).
• Toleranz: Spezialisten (stenök) benötigen spezifische Bedingungen; Generalisten (euryök) sind anpassungsfähiger.

Sukzession und Biodiversität

Sukzession ist der geordnete Übergang von einer Lebensgemeinschaft zur nächsten bis hin zur Klimax-Gemeinschaft.

• Primärsukzession: Besiedlung eines bisher unbesiedelten Gebiets (z. B. Dünen).
• Sekundärsukzession: Wiederbesiedlung nach einer Störung (z. B. Waldbrand).

Änderungen während der Sukzession

• Strukturell: Zunahme der Artenvielfalt und Komplexität der Nahrungsnetze.
• Funktionell: Zunahme der Biomasse und Stabilisierung des Stoffwechsels (P/R-Verhältnis nähert sich 1).

Biodiversität

Umfasst genetische Vielfalt, Populationsvielfalt, Artenvielfalt und Ökosystemvielfalt. Gefährdet durch ökologische Regression (natürlich oder anthropogen)" } ).