Ökologie (BIO-Eco) — Biologie · Matura-Zusammenfassung

Ökosystem, Trophie-Ebenen und Energiefluss#

~4 Min LesezeitStandardBIO-Eco-5.1

Ein Ökosystem ist die funktionale Einheit der Ökologie: das Zusammenspiel der Lebensgemeinschaft (Biozönose) mit ihrem Lebensraum (Biotop) und dessen abiotischen Faktoren - Licht, Wasser, Temperatur und Nährstoffen. Es ist mehr als die blosse Summe seiner Arten, denn zusammengehalten wird es durch Stoff- und Energieflüsse.

Diese Flüsse laufen über Trophie-Ebenen (): Produzenten (Pflanzen, Algen, Cyanobakterien) bauen mit Lichtenergie organische Substanz auf; Konsumenten 1. Ordnung (Pflanzenfresser) fressen sie, Konsumenten 2. und 3. Ordnung sind Fleischfresser bis zum Spitzenprädator. Destruenten (Bakterien, Pilze) zersetzen totes Material und schließen den Kreislauf - sie sind KEINE höhere Konsumentenordnung, sondern eine eigene Kategorie.

Nahrungsnetz (See-Ökosystem)

Abb. 1Produzenten -> Konsumenten 1.-3. Ordnung -> Destruenten; viele parallele Energiepfade.

Abb. 1 ↓

In der Natur verzweigen sich diese Beziehungen: Eine lineare Nahrungskette ist nur die Idealisierung, das realistische Bild ist das Nahrungsnetz, in dem viele Ketten verflochten sind und die meisten Arten mehrere Nahrungsquellen haben. Diese Vernetzung macht ein Ökosystem stabiler gegen den Ausfall einzelner Arten.

Der Energiefluss ist gerichtet und verlustreich (): Nach der 10-%-Regel gelangt im Mittel nur etwa ein Zehntel der Energie einer Stufe in die nächste, der Rest geht als Stoffwechselwärme (Atmung) verloren. Daraus folgt zwingend, warum Nahrungsketten selten mehr als vier bis fünf Glieder haben - für eine sechste Stufe bliebe schlicht zu wenig Energie übrig.

Ökologische Pyramide - Energiefluss

Abb. 2Nur ca. 10 % der Energie werden pro Trophiestufe weitergegeben (10000 -> 1000 -> 100 -> 10).

Abb. 2 ↓

Diesen Energieschwund veranschaulichen ökologische Pyramiden. Die Energiepyramide nimmt IMMER nach oben ab. Die Biomassepyramide ist meist absteigend, kann aber invers sein (im Ozean wiegt das schnell wachsende Phytoplankton momentan weniger als das Zooplankton, das davon lebt). Die Individuenpyramide zählt nur Köpfe und kann ebenfalls auf dem Kopf stehen - ein einziger Baum trägt unzählige Raupen.

Wo eine Art im Gefüge steht, beschreibt ihre ökologische Nische - die Gesamtheit aller abiotischen und biotischen Beziehungen, die sie eingeht. Man unterscheidet die Fundamentalnische (der potenziell nutzbare Raum) von der kleineren Realnische, die nach Abzug der Konkurrenz tatsächlich übrig bleibt.

Daraus folgt das Konkurrenzausschlussprinzip (Gause): Zwei Arten mit identischer Nische können nicht dauerhaft koexistieren - die konkurrenzstärkere verdrängt die andere, oder beide weichen in Teilnischen aus. Dieses Prinzip erklärt, warum sich ähnliche Arten so fein einnischen.

Querverbindung zur Biochemie: Den Energiefluss speisen die Produzenten über die Photosynthese, und der Verlust pro Stufe ist letztlich die in der Zellatmung freigesetzte Wärme (vgl. Thema Biochemie). Ökologie und Stoffwechsel sind damit zwei Blicke auf dasselbe Energiebudget.

Vokabeln

→ Kartei

ProduzentAutotropher Organismus am Anfang der Kette.
KonsumentHeterotropher Organismus, der andere verzehrt.
DestruentZersetzer, der organisches Material mineralisiert.
TrophieebenePosition in der Nahrungskette.
NettoprimärproduktionBruttoproduktion abzüglich Eigenatmung.
BiomassepyramideDarstellung der Biomasse je Trophieebene.

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Musterbeispiel

Energieverlust in der Nahrungskette

Eine Wiese fixiert pro Jahr 10000 kJ/m2. Wie viel Energie steht einem Greifvogel (4. Trophiestufe) bei 10 % Wirkungsgrad pro Stufe zur Verfügung?

Produzenten
10000 kJ/m2.
Konsumenten 1 (Herbivor)
10 % von 10000 = 1000 kJ/m2.
Konsumenten 2
10 % von 1000 = 100 kJ/m2.
Konsumenten 3 (Greifvogel)
10 % von 100 = 10 kJ/m2.

Ergebnis: Dem Greifvogel stehen nur 10 kJ/m2 zur Verfügung - Erklärung, warum Spitzenprädatoren selten sind.

Schritt-für-Schritt Erklärung3 Schritte

1
Ein Ökosystem ist mehr als die Summe seiner Arten - es ist ein Netzwerk aus Stoff- und Energieflüssen.
Nahrungsnetz (See-Ökosystem)
Abb.Produzenten -> Konsumenten 1.-3. Ordnung -> Destruenten; viele parallele Energiepfade.
2
Die 10 %-Regel ist eine Faustregel - in der Realität variiert es zwischen 5 und 20 %.
Ökologische Pyramide - Energiefluss
Abb.Nur ca. 10 % der Energie werden pro Trophiestufe weitergegeben (10000 -> 1000 -> 100 -> 10).
3
Zwei Arten mit identischer Nische können nicht koexistieren - eine wird verdrängt (Gause).

SRDP-Aufgaben

SelbsttestAus der Fragenbank5 Punkte

Aufgabenstellung

Erläutere am Beispiel eines Seeökosystems den Aufbau eines Nahrungsnetzes und den Energiefluss durch die Trophie-Ebenen.

Deine Antwortwird nicht automatisch bewertet

Typische Fehler

Energie wird als im Ökosystem kreisend beschrieben.
Die Zehnprozentregel wird als exakte Größe angegeben.
Destruenten werden vergessen.
Brutto- und Nettoprimärproduktion werden vermengt.
Nahrungskette und Nahrungsnetz werden gleichgesetzt.

Aktive Wiederholung

Erläutere, warum eine Nahrungskette typischerweise nicht mehr als fünf Glieder hat.

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Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

Quellen: Campbell Biology, Kap. 55 Ecosystems (Pearson)

Nährstoffkreisläufe - Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor#

~4 Min LesezeitStandardBIO-Eco-5.2

Während Energie ein Ökosystem nur einmal durchfließt, werden die chemischen Elemente immer wieder verwendet - sie zirkulieren in Stoffkreisläufen. Der Kohlenstoffkreislauf verbindet Atmosphäre und Lebewelt: Pflanzen binden

\ce{CO2}

in der Photosynthese, Konsumenten übernehmen den Kohlenstoff mit der Nahrung, und die Zellatmung aller Organismen sowie die Destruenten geben

\ce{CO2}

wieder frei. Langfristige Speicher sind Biomasse, Boden, der Ozean und die fossilen Energieträger.

Genau hier greift der Mensch ein (): Durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe und die Entwaldung ist die

\ce{CO2}

-Konzentration von rund 280 ppm (vorindustriell) auf über 420 ppm gestiegen. Dieser zusätzliche Kohlenstoff stammt aus Speichern, die über Jahrmillionen aufgebaut wurden - er ist der unmittelbare Treiber des Klimawandels.

Globale CO2-Konzentration (Mauna Loa) - Jahresmittel

Abb. 4Anstieg von ca. 315 ppm (1960) auf über 420 ppm (2024).

Abb. 4 ↓

Der Stickstoffkreislauf ist komplexer, weil sein Hauptspeicher schwer nutzbar ist (): Die Luft besteht zu 78 % aus

\ce{N2}

, dessen Dreifachbindung die meisten Lebewesen jedoch nicht knacken können. Erst die Stickstofffixierung durch Bakterien - frei lebende sowie symbiontische Rhizobium in den Wurzelknöllchen von Hülsenfrüchtlern - macht den Stickstoff als Ammonium verfügbar.

Stickstoffkreislauf

Abb. 3N2-Fixierung, Nitrifikation (NH4+ -> NO2- -> NO3-), Assimilation, Denitrifikation, Ammonifikation.

Abb. 3 ↓

Weiter geht es über die Nitrifikation: Nitrosomonas oxidieren

\ce{NH4+}

zu Nitrit

\ce{NO2-}

, Nitrobacter dieses weiter zu Nitrat

\ce{NO3-}

. Pflanzen nehmen Nitrat auf (Assimilation) und bauen daraus Aminosäuren - so gelangt der Stickstoff in die Nahrungskette. Die Denitrifikation durch anaerobe Bakterien gibt schließlich

\ce{N2}

an die Atmosphäre zurück und schließt den Kreis.

Der Phosphorkreislauf unterscheidet sich grundlegend: Er hat KEIN gasförmiges Reservoir. Phosphat stammt aus der Verwitterung von Gestein, gelangt in Boden und Wasser, wird von Pflanzen aufgenommen und nur langsam über Sedimente zurückgeführt. Weil Phosphor so schwer nachgeliefert wird, ist er in vielen Ökosystemen - besonders in Süssgewässern - der limitierende Faktor.

Stört der Mensch die N- und P-Kreisläufe, kommt es zur Eutrophierung: Überschüssiger Dünger, Gülle und Abwasser lösen ein massenhaftes Algenwachstum aus. Sterben die Algen ab, zehren die Destruenten beim Abbau den Sauerstoff auf - es entstehen sauerstofffreie Zonen und Fischsterben (klassisch in der Ostsee). „Mehr Nährstoffe" bedeutet hier also nicht „mehr Leben", sondern ein Umkippen des Gewässers.

Die drei Kreisläufe zeigen dasselbe Muster: Natürliche Kreisläufe sind weitgehend geschlossen, doch menschliche Eingriffe (Haber-Bosch-Dünger, fossile Verbrennung) haben die Stoffflüsse drastisch beschleunigt - mit Folgen von der Grundwasserbelastung bis zum Klima. Das verbindet die Ökologie direkt mit der Umweltkunde.

Vokabeln

→ Kartei

StickstofffixierungUmwandlung von Luftstickstoff in nutzbare Verbindungen.
NitrifikationOxidation von Ammonium über Nitrit zu Nitrat.
DenitrifikationRückführung von Nitrat zu Luftstickstoff.
MineralisierungFreisetzung anorganischer Nährstoffe durch Zersetzer.
EutrophierungNährstoffüberangebot mit Sauerstoffzehrung.
SenkeSpeicher, der einen Stoff dauerhaft bindet.

Musterbeispiel

Netto- und Bruttoprimärproduktion

Ein Wald bindet pro Jahr eine Bruttoprimärproduktion (BPP) von 24000 kJ/m2. Die Pflanzen veratmen 60 % davon. Wie groß ist die Nettoprimärproduktion (NPP), die als Biomasse für Konsumenten verfuegbar wird?

Definition
$\mathrm{NPP} = \mathrm{BPP} - R$ , wobei $R$ die Respiration der Produzenten ist.
Respiration
$R = 0{,}60\cdot 24000 = 14400\ \mathrm{kJ/m²}$ .
NPP berechnen
$\mathrm{NPP} = 24000 - 14400 = 9600\ \mathrm{kJ/m²}$ .
Bedeutung
Nur die NPP steht Herbivoren als Energie zur Verfügung; sie bestimmt die Tragfähigkeit des Ökosystems.

Ergebnis: Die Nettoprimärproduktion beträgt 9600 kJ/m2 pro Jahr (40 % der BPP) und bildet die Energiebasis aller Konsumenten.

Schritt-für-Schritt Erklärung3 Schritte

1
Nährstoffe sind die Währung der Ökosysteme - C aus Atmosphäre, N großteils aus Bakterien, P aus Gestein.
Stickstoffkreislauf
Abb.N2-Fixierung, Nitrifikation (NH4+ -> NO2- -> NO3-), Assimilation, Denitrifikation, Ammonifikation.
2
Der Mensch hat den N-Kreislauf durch Haber-Bosch verdoppelt - mit Folgen für Grundwasser und Klima.
3
$\ce{CO2}$ ist seit 1750 um 50 % gestiegen - das ist der unmittelbare Klimatreiber.
Globale CO2-Konzentration (Mauna Loa) - Jahresmittel
Abb.Anstieg von ca. 315 ppm (1960) auf über 420 ppm (2024).

SRDP-Aufgaben

SelbsttestAus der Fragenbank5 Punkte

Aufgabenstellung

Erläutere den Stickstoffkreislauf und die ökologische Bedeutung von Knöllchenbakterien in der Landwirtschaft.

Deine Antwortwird nicht automatisch bewertet

Typische Fehler

Nitrifikation und Denitrifikation werden vertauscht.
Pflanzen wird die direkte Nutzung von Luftstickstoff zugeschrieben.
Der Phosphorkreislauf erhält ein Gasreservoir.
Die Rolle der Destruenten bleibt unerwähnt.
Eutrophierung wird ohne begrenzenden Nährstoff erklärt.

Aktive Wiederholung

Erläutere am Stickstoffkreislauf, welche Bakteriengruppen welche Reaktion katalysieren.

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Quellen: IPCC AR6 Working Group I (2021) (IPCC)

Populationsdynamik - exponentiell, logistisch, Lotka-Volterra#

~4 Min LesezeitVertiefungBIO-Eco-5.3

Exponentielles Wachstum (r=0.15)

Abb. 6

N(t) = N_0 \cdot e^{rt}

; ungebremster Anstieg.

Wie verändert sich die Grösse einer Population über die Zeit? Das einfachste Modell ist das exponentielle Wachstum: Solange Ressourcen unbegrenzt scheinen, ist die Zuwachsrate proportional zur Individuenzahl,

\dfrac{dN}{dt} = rN

, mit der Lösung

N(t) = N_0 \cdot e^{rt}

. Das beschreibt Bakterien im frischen Nährmedium oder invasive Arten in der Anfangsphase - eine J-förmige Kurve, die ins Unendliche strebt ().

Exponentielles vs. logistisches Wachstum

Abb. 5Exponentiell ohne Grenze; logistisch nähert sich der Kapazität K = 1000.

Abb. 5 ↓

Reale Ressourcen sind aber endlich, deshalb geht exponentielles in logistisches Wachstum über:

\dfrac{dN}{dt} = rN\left(1 - \dfrac{N}{K}\right)

. Der Bremsterm

\left(1 - \tfrac{N}{K}\right)

wird mit Annäherung an die Umweltkapazität

K

immer kleiner; die Population folgt einer S-Kurve und nähert sich

K

asymptotisch - sie stoppt also nicht abrupt, sondern flacht ab.

Arten verfolgen dabei unterschiedliche Strategien. r-Strategen setzen auf Menge: kleine Körper, viele Nachkommen, kurze Lebensdauer, kaum Brutpflege (Bakterien, Insekten, viele Fische). K-Strategen setzen auf Qualität: groß, wenige Nachkommen, lange Lebensdauer und intensive Brutpflege (Elefant, Wal, Mensch). Beide Strategien sind erfolgreich, weil sie zu verschiedenen Umweltbedingungen passen.

Spannender wird es, wenn zwei Arten gekoppelt sind. Das Lotka-Volterra-Modell beschreibt Räuber und Beute mit zwei Gleichungen: Beute

\dfrac{dN}{dt} = rN - aNP

(wächst ohne Räuber, verliert durch Begegnungen) und Räuber

\dfrac{dP}{dt} = bNP - mP

(wächst mit der Begegnungshäufigkeit, stirbt ohne Beute).

Die Lösung sind periodische Schwingungen mit charakteristischer Phasenverschiebung (): Viel Beute lässt die Räuber anwachsen, diese drücken die Beute herunter, woraufhin sie selbst verhungern und sich die Beute erholt. Der Räuber-Peak folgt dem Beute-Peak um etwa eine Viertelperiode. Das klassische Realbeispiel sind Schneeschuhhase und Luchs mit ihren über 200 Jahre dokumentierten 10-Jahres-Zyklen.

Lotka-Volterra-Oszillation (Beute)

Abb. 7Phasenverschobene Schwingung der Beutepopulation; Räuberkurve folgt mit ca. 90 Grad Verzögerung.

Abb. 7 ↓

Was eine Population letztlich begrenzt, lässt sich in zwei Klassen teilen: dichteABHÄNGIGE Faktoren (Konkurrenz, Krankheiten, Prädation) verstärken sich mit wachsender Dichte und regulieren die Population zurück; dichteUNABHÄNGIGE Faktoren (Kälteeinbruch, Dürre, Brand) treffen unabhängig von der Dichte zu. Erst beide zusammen erklären die tatsächlichen Schwankungen in der Natur.

Vokabeln

→ Kartei

KapazitätsgrenzeMaximal dauerhaft tragbare Populationsgröße.
logistisches WachstumWachstum mit Annäherung an die Kapazität.
dichteabhängigWirkung nimmt mit der Populationsdichte zu.
r-StrategeViele Nachkommen, geringe Brutpflege.
K-StrategeWenige Nachkommen, hohe Brutpflege.
Lotka-Volterra-RegelnGesetzmäßigkeiten der Räuber-Beute-Beziehung.

Exponentielles Wachstum

N(t) = N_{0}\,e^{r\,t}

Gilt nur solange Ressourcen unbegrenzt sind - in der Natur also höchstens vorübergehend. Die Konstante $r$ ist die Differenz aus Geburten- und Sterberate je Individuum.

Logistisches Populationswachstum

\dfrac{dN}{dt} = r\,N\left(1 - \dfrac{N}{K}\right)

Der Klammerterm bremst das Wachstum, je näher $N$ der Kapazitätsgrenze $K$ kommt. Bei $N = K$ wird er null und die Population steht still - das ist die S-förmige Kurve.

Lotka-Volterra (Beute)

\dfrac{dN}{dt} = r\,N - a\,N\,P

Die Beute wächst aus sich heraus und wird durch Begegnungen mit Räubern dezimiert; der Term $a\,N\,P$ ist die Begegnungsrate. Ohne Räuber bliebe exponentielles Wachstum.

Lotka-Volterra (Räuber)

\dfrac{dP}{dt} = b\,N\,P - m\,P

Die Räuber leben ausschließlich von diesen Begegnungen und sterben mit fester Rate. Weil beide Gleichungen einander verzögert steuern, laufen die Kurven phasenverschoben - der Räuberberg folgt dem Beuteberg.

Musterbeispiel

Logistisches Wachstum - Zuwachsrate berechnen

Eine Population hat die Wachstumsrate $r = 0{,}5$ pro Jahr und die Umweltkapazität $K = 1000$ . Wie groß ist die momentane Zuwachsrate $dN/dt$ bei $N = 200$ und bei $N = 500$ ?

Modell
Logistisches Wachstum: $\dfrac{dN}{dt} = r\,N\left(1 - \dfrac{N}{K}\right)$ .
Bei N = 200
$0{,}5 \cdot 200 \cdot (1 - 200/1000) = 100 \cdot 0{,}8 = 80$ pro Jahr.
Bei N = 500
$0{,}5 \cdot 500 \cdot (1 - 500/1000) = 250 \cdot 0{,}5 = 125$ pro Jahr.
Deutung
Die Zuwachsrate ist bei $N = K/2 = 500$ maximal und sinkt zu beiden Seiten - das erzeugt die S-Form der logistischen Kurve.

Ergebnis: dN/dt = 80 bzw. 125 Individuen pro Jahr. Das absolute Wachstum ist bei halber Kapazität am grössten, nicht bei kleiner Population.

Schritt-für-Schritt Erklärung3 Schritte

1
Exponentielles Wachstum ist eine Fiktion - Ressourcen sind endlich, also wird daraus logistisch.
Exponentielles vs. logistisches Wachstum
Abb.Exponentiell ohne Grenze; logistisch nähert sich der Kapazität K = 1000.
2
r-Strategen wetten auf Menge, K-Strategen auf Qualität - beide Strategien sind erfolgreich.
3
Lotka-Volterra zeigt: Räuber und Beute schwingen, aber der Räuber läuft hinterher.
Lotka-Volterra-Oszillation (Beute)
Abb.Phasenverschobene Schwingung der Beutepopulation; Räuberkurve folgt mit ca. 90 Grad Verzögerung.

SRDP-Aufgaben

SelbsttestAus der Fragenbank5 Punkte

Aufgabenstellung

Erläutere das Lotka-Volterra-Modell und seine Aussagen über Räuber-Beute-Dynamiken.

Deine Antwortwird nicht automatisch bewertet

Typische Fehler

Exponentielles Wachstum wird als dauerhaft möglich dargestellt.
Die Phasenverschiebung im Räuber-Beute-Modell wird umgekehrt.
Dichteabhängige und -unabhängige Faktoren werden vermengt.
r- und K-Strategen werden vertauscht.
Die Kapazitätsgrenze wird als feste Naturkonstante gelesen.

Aktive Wiederholung

Erkläre, warum Räuber- und Beute-Populationen im Lotka-Volterra-Modell phasenverschoben oszillieren.

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Quellen: Volterra V (1926) Nature 118:558-560 (Nature)

Biodiversität und Klimawandel#

~3 Min LesezeitStandardBIO-Eco-5.4

Biodiversität ist mehr als eine Artenliste - sie umfasst drei Ebenen: die genetische Vielfalt innerhalb einer Art (die Basis ihrer Anpassungsfähigkeit), die Artenvielfalt in einem Ökosystem und die Ökosystemvielfalt zwischen verschiedenen Lebensräumen. Geht eine Ebene verloren, leiden meist auch die anderen.

Die Vielfalt ist ungleich verteilt: An Biodiversitäts-Hotspots wie tropischen Regenwäldern (Amazonas), Korallenriffen und mediterranen Regionen konzentriert sich ein Großteil der Arten. Verantwortlich sind ein günstiges Klima, geologische Vielfalt und eine lange, ungestörte evolutionäre Geschichte.

Um Vielfalt zu vergleichen, braucht es ein Mass. Der Shannon-Index

H' = -\sum p_i \ln p_i

berücksichtigt nicht nur die Artenzahl, sondern auch, wie gleichmässig die Individuen auf die Arten verteilt sind - je höher der Wert, desto diverser die Gemeinschaft (bei nur einer Art ist

H' = 0

).

Die Vielfalt schrumpft weltweit, und die Ursachen fasst das HIPPO-Schema (E. O. Wilson) zusammen: Habitatverlust (die grösste Ursache, etwa Entwaldung), Invasive Arten, Pollution (Verschmutzung), Population (menschliche Übervölkerung) und Overharvesting (Übernutzung wie Überfischung).

Ein Treiber durchzieht alle anderen - der Klimawandel (): Laut IPCC ist die globale Mitteltemperatur seit 1900 um rund 1,1 K gestiegen, eindeutig verursacht durch die anthropogenen Treibhausgase

\ce{CO2}

,

\ce{CH4}

und

\ce{N2O}

. Die Folgen reichen von schmelzendem Eis und steigendem Meeresspiegel über Wetterextreme bis zur Verschiebung ganzer Vegetationszonen.

Globale CO2-Konzentration (Mauna Loa) - Jahresmittel

Abb. 8Anstieg von ca. 315 ppm (1960) auf über 420 ppm (2024).

Abb. 8 ↓

Für Ökosysteme bedeutet das konkrete Verschiebungen: Korallen stossen bei Hitze ihre Symbiosealgen ab und bleichen aus; phänologische Ereignisse wie Blüte und Insektenflug entkoppeln sich vom Vogelzug; und Verbreitungsgebiete wandern polwärts und in höhere Lagen. Arten, die nicht mitwandern können - alpine und polare -, geraten besonders unter Druck.

Wirksamer Schutz braucht daher mehrere Säulen: Schutzgebiete (Natura 2000, Nationalparks), Renaturierung und gezielte Artenschutzprogramme (Wolf, Bartgeier in Österreich) - vor allem aber Klimaschutz, wie ihn das Pariser Abkommen (2015) mit dem 1,5-K-Ziel anstrebt. Schutzgebiete allein nützen wenig, wenn das Klima im Gebiet selbst kippt.

Vokabeln

→ Kartei

BiodiversitätVielfalt auf genetischer, Arten- und Ökosystemebene.
ArealVerbreitungsgebiet einer Art.
PhänologieZeitliche Abfolge jährlich wiederkehrender Entwicklungsschritte.
EndemitNur in einem Gebiet vorkommende Art.
HabitatverlustZerstörung des Lebensraums.
SchlüsselartArt mit überproportionalem Einfluss auf das Ökosystem.

Shannon-Diversitätsindex

H' = -\sum_{i=1}^{S} p_{i}\,\ln p_{i}

Berücksichtigt nicht nur die Artenzahl, sondern auch die Gleichmäßigkeit der Verteilung. Zwei Flächen mit gleich vielen Arten können sehr verschiedene Werte haben, wenn eine von einer Art beherrscht wird.

Musterbeispiel

Shannon-Index der Artenvielfalt

Eine Probe enthält drei Arten mit den relativen Häufigkeiten 0,5; 0,3 und 0,2. Berechne den Shannon-Index $H'$ .

Formel
$H' = -\sum p_i \ln p_i$ über alle Arten.
Summanden
$-(0{,}5\,\ln 0{,}5 + 0{,}3\,\ln 0{,}3 + 0{,}2\,\ln 0{,}2)$ .
Logarithmen einsetzen
$-(0{,}5\cdot(-0{,}69) + 0{,}3\cdot(-1{,}20) + 0{,}2\cdot(-1{,}61))$ .
Ausrechnen
$-(-0{,}35 - 0{,}36 - 0{,}32) \approx 1{,}03$ .

Ergebnis: $H' \approx 1{,}03$ . Je mehr Arten und je gleichmässiger sie verteilt sind, desto höher der Index - bei nur einer Art wäre $H' = 0$ .

Schritt-für-Schritt Erklärung3 Schritte

1
Biodiversität schützt nicht aus ästhetischen Gründen - sie ist Versicherung gegen Störungen.
2
Klimawandel ist mehr als wärmer - er ändert Niederschläge, Wetterextreme und Saisonalität.
Globale CO2-Konzentration (Mauna Loa) - Jahresmittel
Abb.Anstieg von ca. 315 ppm (1960) auf über 420 ppm (2024).
3
Das Pariser Abkommen ist ein politischer Rahmen - umgesetzt werden muss er von Wirtschaft und jedem Einzelnen.

SRDP-Aufgaben

SelbsttestAus der Fragenbank5 Punkte

Aufgabenstellung

Diskutiere die Auswirkungen des Klimawandels auf Ökosysteme und nenne drei konkrete Beispiele.

Deine Antwortwird nicht automatisch bewertet

Typische Fehler

Biodiversität wird auf die Artenzahl verkürzt.
Der Klimawandel wird als alleinige Ursache des Artenverlusts genannt.
Phänologie und Areal werden vermengt.
Die genetische Ebene bleibt unerwähnt.
Schutzmaßnahmen werden ohne Bezug auf die Ursache genannt.

Aktive Wiederholung

Erläutere am Beispiel der Korallenriffe drei Wirkungen des Klimawandels auf Ökosysteme.

Passende Aufgaben üben50 Fragen zum Thema

Aktiv abrufen

Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

Quellen: IPCC AR6 Synthesis Report (2023) (IPCC) · WWF Living Planet Report 2024 (WWF)

Ökologische Wechselwirkungen und Nische#

~4 Min LesezeitStandardBIO-Eco-5.1BIO-Eco-5.3

Jede Art lebt eingebettet in ein Netz von Beziehungen - zu ihrer unbelebten Umwelt und zu anderen Arten. Die abiotischen Faktoren (Temperatur, Licht, Wasser, pH, Nährstoffe) wirken nicht beliebig: Für jeden Faktor hat eine Art eine Toleranzkurve mit einem Optimum, in dem sie am besten gedeiht, und Toleranzgrenzen (Pessima), jenseits derer sie nicht überlebt. Die Breite dieser Kurve entscheidet, ob eine Art ein Spezialist oder ein Generalist ist.

Welcher Faktor das Wachstum begrenzt, klärt Liebigs Minimumgesetz: Nicht die Summe aller Faktoren zählt, sondern der KNAPPSTE bestimmt allein den Ertrag - wie die kürzeste Daube eines Fasses den Füllstand begrenzt. Mehr von einem reichlich vorhandenen Faktor bringt nichts, solange ein anderer im Minimum ist.

Konkurrenz tritt in zwei Formen auf: Die intraspezifische Konkurrenz (innerhalb einer Art) ist oft am härtesten, weil alle Individuen exakt dieselben Ansprüche haben; die interspezifische Konkurrenz (zwischen Arten) ist meist schwächer, weil sich die Ansprüche unterscheiden.

Die Beziehungen zwischen Arten lassen sich nach ihrer Wirkung auf beide Partner ordnen (): Konkurrenz schadet beiden (-/-), Räuber-Beute und Parasitismus nützen dem einen und schaden dem anderen (+/-), Mutualismus (echte Symbiose) nützt beiden (+/+), Kommensalismus nützt dem einen ohne Wirkung auf den anderen (+/0), und Neutralismus lässt beide unbeeinflusst (0/0).

Interspezifische Beziehungen

Abb. 9Die fünf Beziehungstypen zwischen Arten, charakterisiert durch ihre Wirkung (+ / 0 / -) auf die beiden Partner A und B.

Abb. 9 ↓

Mutualismus ist nicht dasselbe wie Kommensalismus - ein häufiger Fehler. Bei der Symbiose profitieren BEIDE Partner (Blüte und Biene, die Flechte aus Pilz und Alge, die Mykorrhiza); beim Kommensalismus zieht nur einer Nutzen, ohne den anderen zu schädigen (die Seepocke, die auf dem Wal mitreist).

Das Konkurrenzausschlussprinzip (Gause) besagt, dass zwei Arten mit identischer Nische nicht koexistieren können. Der Ausweg ist die Nischendifferenzierung (Einnischung): Die Arten teilen die Ressourcen auf - in Raum, Zeit oder Nahrung - und verkleinern so ihre Fundamentalnische zur tatsächlich besetzten Realnische. So koexistieren etwa Singvögel, indem sie in verschiedenen Höhen desselben Baumes jagen.

Schließlich machen Indikatorarten Umweltbedingungen biologisch ablesbar: Ihr Vorkommen verrät pH-Wert, Nährstofflage oder Gewässergüte oft genauer als eine punktuelle Messung (Zeigerwerte, Bioindikatoren) - das verbindet diesen Abschnitt direkt mit der Umweltkunde.

Vokabeln

→ Kartei

ökologische NischeGesamtheit der Ansprüche und Wirkungen einer Art.
ökologische PotenzToleranzbreite gegenüber einem Umweltfaktor.
MutualismusBeziehung mit Nutzen für beide Partner.
KommensalismusNutzen für einen, ohne Schaden für den anderen.
KonkurrenzausschlussZwei Arten mit identischer Nische koexistieren nicht dauerhaft.
ToleranzkurveLeistungsverlauf über einen Umweltfaktor.

Musterbeispiel

Liebigs Minimumgesetz anwenden

Ein Boden bietet Stickstoff für 60 dt/ha Ertrag, Phosphor für 45 dt/ha und Kalium für 80 dt/ha. Welchen Ertrag erlaubt er, und was bringt zusätzlicher Stickstoffdünger?

Prinzip
Nach Liebig begrenzt der KNAPPSTE Faktor das Wachstum, nicht die Summe aller Faktoren.
Minimum suchen
Die drei Werte sind 60 (N), 45 (P) und 80 (K) dt/ha - das Minimum ist Phosphor mit 45 dt/ha.
Ertrag bestimmen
Der mögliche Ertrag liegt bei 45 dt/ha, begrenzt durch Phosphor.
Konsequenz
Mehr Stickstoff bringt nichts, weil N nicht limitierend ist; erst mehr Phosphor hebt den Ertrag.

Ergebnis: Der Ertrag ist auf 45 dt/ha begrenzt (Phosphor im Minimum). Düngung wirkt nur beim limitierenden Faktor - ein Kernprinzip von Ökologie und Landwirtschaft.

Schritt-für-Schritt Erklärung2 Schritte

1
Der knappste Faktor bestimmt das Wachstum - wie das schwächste Glied einer Kette.
Interspezifische Beziehungen
Abb.Die fünf Beziehungstypen zwischen Arten, charakterisiert durch ihre Wirkung (+ / 0 / -) auf die beiden Partner A und B.
2
Zwei Arten mit identischer Nische können nicht dauerhaft nebeneinander leben - eine teilt auf oder verschwindet.

SRDP-Aufgaben

SelbsttestAus der Fragenbank5 Punkte

Aufgabenstellung

Stelle die fünf interspezifischen Beziehungstypen mit ihren Wirkungsvorzeichen dar und erläutere, wie zwei ähnliche Arten durch Nischendifferenzierung koexistieren können.

Deine Antwortwird nicht automatisch bewertet

Typische Fehler

Die ökologische Nische wird als Ort statt als Gesamtheit der Ansprüche beschrieben.
Symbiose wird als Oberbegriff für jede enge Beziehung verwendet.
Fundamentale und realisierte Nische werden vermengt.
Parasitismus und Räuber-Beute werden gleichgesetzt.
Das Konkurrenzausschlussprinzip wird ohne seine Bedingung genannt.

Aktive Wiederholung

Erläutere am Beispiel zweier konkurrierender Arten, wie Nischendifferenzierung Koexistenz ermöglicht.

Passende Aufgaben üben50 Fragen zum Thema

Aktiv abrufen

Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

Sukzession und Biome#

~3 Min LesezeitBasisBIO-Eco-5.3

Ökosysteme sind nicht statisch - sie entwickeln sich. Die Sukzession ist die gerichtete zeitliche Abfolge von Lebensgemeinschaften an einem Standort, die in einem relativ stabilen Endzustand mündet, der Klimaxgesellschaft (). „Gerichtet" heißt: Der Verlauf ist kein Zufall, sondern folgt einem vorhersagbaren Muster, weil jede Stufe die Bedingungen für die nächste schafft.

Primärsukzession

Abb. 10Von Pionierarten (Flechten, Moose) auf nacktem Fels über Gräser und Sträucher bis zur stabilen Klimaxgesellschaft.

Abb. 10 ↓

Man unterscheidet zwei Typen nach dem Ausgangszustand. Die Primärsukzession beginnt auf lebensfeindlichem, bodenlosem Untergrund - frischen Lavafeldern, einem Gletschervorfeld, blankem Fels. Hier müssen die Pioniere den Boden erst schaffen, weshalb sie sehr lange dauert.

Die Sekundärsukzession dagegen besiedelt eine gestörte, aber bereits bodenhaltige Fläche neu - nach einem Waldbrand, auf einer Brachfläche oder einem aufgelassenen Acker. Weil der Boden samt Samenbank und Nährstoffen schon vorhanden ist, läuft sie deutlich schneller ab. Die Leitfrage „Ist Boden vorhanden?" ist der Schlüssel zur richtigen Einordnung.

Die beteiligten Arten wechseln charakteristisch: Pionierarten sind anspruchslose r-Strategen (Flechten, Moose, Kräuter), die Extreme ertragen und schnell besiedeln. Mit zunehmendem Boden und zunehmender Beschattung setzen sich dann konkurrenzstarke K-Strategen durch - die Klimaxarten, meist langlebige Bäume.

Welche Klimaxgesellschaft entsteht, bestimmt das Grossklima. Biome sind die großräumigen Lebensräume der Erde, gegliedert nach Temperatur und Niederschlag: tropischer Regenwald, Savanne, Wüste, Steppe, sommergrüner Laubwald, borealer Nadelwald und Tundra. Jedes Biom trägt eine typische, ans Klima angepasste Lebensgemeinschaft.

Ein schöner Zusammenhang: Die Höhenstufen eines Gebirges wiederholen im Kleinen die Biomabfolge vom Äquator zum Pol - vom Laubwald im Tal über den Nadelwald und die alpinen Matten bis zur „Kältewüste" des Gipfels entspricht jede Stufe einem nördlicheren Biom.

Zuletzt ein funktionaler Aspekt: Artenreiche, reife (Klimax-)Ökosysteme sind meist stabiler und resilienter gegen Störungen als junge, artenarme - weil mehr Arten mehr Pufferung und Redundanz bieten. Das verknüpft die Sukzession direkt mit dem Wert der Biodiversität.

Vokabeln

→ Kartei

SukzessionZeitliche Abfolge von Lebensgemeinschaften an einem Standort.
PionierartErstbesiedler mit hoher Ausbreitungsfähigkeit.
KlimaxgesellschaftWeitgehend stabiler Endzustand der Sukzession.
PrimärsukzessionBesiedlung eines zuvor lebensfreien Standorts.
BiomGroßlebensraum mit typischer Vegetation.
StörungEreignis, das die Sukzession zurücksetzt.

Musterbeispiel

Sukzession im Gletschervorfeld ordnen

Bringe die Stadien Klimaxwald, Flechten/Moose, Sträucher und Gräser/Kräuter in die richtige Reihenfolge und begründe, warum die Pioniere zuerst kommen.

1. Pionierphase
Flechten und Moose besiedeln den nackten Fels - sie brauchen keinen Boden und ertragen Extreme (anspruchslose r-Strategen).
2. Krautphase
Aus verwitterndem Gestein und abgestorbenen Pionieren entsteht erster Boden; Gräser und Kräuter siedeln sich an.
3. Strauchphase
Der wachsende Boden trägt Sträucher; Beschattung und Humusgehalt nehmen zu.
4. Klimaxphase
Konkurrenzstarke K-Strategen (Bäume) setzen sich durch und bilden den relativ stabilen Klimaxwald.

Ergebnis: Reihenfolge: Flechten/Moose -> Gräser/Kräuter -> Sträucher -> Klimaxwald. Die Pioniere kommen zuerst, weil nur sie ohne Boden überleben - sie schaffen erst die Voraussetzung (Boden) für die anspruchsvolleren Folgearten.

Schritt-für-Schritt Erklärung2 Schritte

1
Sukzession ist die Selbstheilung der Natur - von Flechten auf nacktem Fels bis zum Wald.
Primärsukzession
Abb.Von Pionierarten (Flechten, Moose) auf nacktem Fels über Gräser und Sträucher bis zur stabilen Klimaxgesellschaft.
2
Biome sind das Klima in lebendiger Form - Temperatur und Regen bestimmen, was wächst.

SRDP-Aufgaben

SelbsttestAus der Fragenbank5 Punkte

Aufgabenstellung

Unterscheide Primär- und Sekundärsukzession und erläutere die Rolle von Pionier- und Klimaxarten.

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Typische Fehler

Primär- und Sekundärsukzession werden vertauscht.
Die Klimaxgesellschaft wird als endgültiger Zustand dargestellt.
Pionierarten werden als konkurrenzstark beschrieben.
Biome werden ohne Klimabezug genannt.
Die Verschiebung der Lebensstrategien bleibt unerwähnt.

Aktive Wiederholung

Beschreibe die Primärsukzession im Gletschervorfeld von der Pionierphase bis zur Klimaxgesellschaft.

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