Ökologie und Diversität A - Exam

Aufgabe 1)

Energiefluss und Stoffkreisläufe: In einem Ökosystem findet eine Weitergabe von Energie durch verschiedene trophische Ebenen (Nahrungsketten) statt. Auf jeder Ebene nimmt die Energie gemäß dem 10% Gesetz ab. Primärproduzenten, wie Pflanzen, wandeln Sonnenenergie durch Photosynthese in chemische Energie um. Konsumenten und Destruenten sind für die Weitergabe und den Abbau von Energie verantwortlich. Zusätzlich gibt es wichtige Stoffkreisläufe wie den Kohlenstoffkreislauf, den Stickstoffkreislauf und den Wasserkreislauf. Der Kohlenstoffkreislauf wird durch Prozesse wie Photosynthese und Zellatmung angetrieben, während der Stickstoffkreislauf Umwandlungen wie Nitrifikation, Denitrifikation und Ammonifikation umfasst. Der Wasserkreislauf beinhaltet auch Prozesse wie Verdunstung, Kondensation und Niederschlag.

a)

1. Erkläre das 10% Gesetz im Energiefluss von ökologischen Systemen und beschreibe, wie dieses Gesetz die Struktur und Dynamik von Nahrungsketten beeinflusst.

Lösung:

10% Gesetz:

Das 10% Gesetz besagt, dass in einem ökologischen System etwa 90% der Energie, die von einer Trophiestufe zur nächsten weitergegeben wird, verloren geht, meist in Form von Wärme. Nur etwa 10% der Energie wird tatsächlich in Biomasse umgewandelt und somit an die nächste trophische Ebene weitergegeben.

Mechanismen des Energieverlustes:

• Ein großer Teil der Energie wird durch Zellatmung und damit verbundene Stoffwechselprozesse als Wärme abgegeben.
• Nicht alle Teile eines Organismus werden von den Fressfeinden konsumiert (z.B. Knochen, Haare), wodurch Energie in der Nahrungspyramide verloren geht.
• Ein Teil der Energie wird durch Ausscheidung und Zersetzung von totem organischen Material verloren.

Folgen des 10% Gesetzes:

• Die Anzahl der Trophiestufen in einem Ökosystem ist begrenzt, meist auf maximal 4-5 Ebenen, da nicht genug Energie vorhanden ist, um mehr Ebenen aufrechtzuerhalten.
• Primärproduzenten wie Pflanzen haben eine große Biomasse im Vergleich zu höheren trophischen Ebenen wie sekundären und tertiären Konsumenten.
• Die Individuendichte nimmt mit steigender trophischer Ebene ab, da jeder Konsument einen erheblich größeren energetischen Bedarf hat.

Struktur und Dynamik von Nahrungsketten:

• Das 10% Gesetz sorgt dafür, dass die Struktur von Nahrungsketten pyramidenförmig ist: Eine breite Basis von Primärproduzenten trägt eine kleinere Anzahl von Herbivoren, die wiederum als Nahrung für noch weniger Karnivoren dienen.
• Es gibt eine starke Abhängigkeit von Primärproduzenten, da diese die Grundlage der gesamten Energiepyramide bilden.
• Störungen in einer trophischen Ebene, z.B. durch Überfischung oder Habitatverlust, können daher erhebliche Auswirkungen auf das gesamte Nahrungsnetz haben, da jede Ebene miteinander verbunden ist.

b)

2. Betrachte ein Ökosystem, in dem die Primärproduzenten pro Jahr 10,000 kJ Sonnenenergie in chemische Energie umwandeln. Berechne die Energiemenge, die für die Konsumenten erster Ordnung, zweiter Ordnung und dritter Ordnung verfügbar ist. Zeige alle Berechnungen und Formeln.

Lösung:

Berechnung des Energieflusses nach dem 10% Gesetz:

Gegeben ist, dass die Primärproduzenten pro Jahr 10,000 kJ an Sonnenenergie in chemische Energie umwandeln.

Das 10% Gesetz besagt, dass von einer trophischen Ebene zur nächsten nur etwa 10% der Energie weitergegeben werden.

Wir berechnen die Energiemenge für die Konsumenten erster Ordnung, zweiter Ordnung und dritter Ordnung.

1. Energie für Konsumenten erster Ordnung:Von den 10,000 kJ, die Primärproduzenten umwandeln, sind 10% für die Konsumenten erster Ordnung verfügbar.

\[\text{Energie für Konsumenten erster Ordnung} = 10\% \times 10,000 \ \text{kJ} = \frac{10}{100} \times 10,000 \ \text{kJ} = 1,000 \ \text{kJ}\]

2. Energie für Konsumenten zweiter Ordnung:Von den 1,000 kJ, die für die Konsumenten erster Ordnung verfügbar sind, sind wiederum 10% für die Konsumenten zweiter Ordnung verfügbar.

\[\text{Energie für Konsumenten zweiter Ordnung} = 10\% \times 1,000 \ \text{kJ} = \frac{10}{100} \times 1,000 \ \text{kJ} = 100 \ \text{kJ}\]

3. Energie für Konsumenten dritter Ordnung:Von den 100 kJ, die für die Konsumenten zweiter Ordnung verfügbar sind, sind schließlich 10% für die Konsumenten dritter Ordnung verfügbar.

\[\text{Energie für Konsumenten dritter Ordnung} = 10\% \times 100 \ \text{kJ} = \frac{10}{100} \times 100 \ \text{kJ} = 10 \ \text{kJ}\]

Zusammenfassung:

• Primärproduzenten: 10,000 kJ
• Konsumenten erster Ordnung: 1,000 kJ
• Konsumenten zweiter Ordnung: 100 kJ
• Konsumenten dritter Ordnung: 10 kJ

Aufgabe 2)

Populationsdynamik und Wachstumsmodelle: Die Populationsdynamik bezieht sich auf die Veränderungen in der Größe und Zusammensetzung von Populationen im Laufe der Zeit. Zwei der wichtigsten Wachstumsmodelle, die in der Ökologie verwendet werden, sind das exponentielle und das logistische Wachstum. Das exponentielle Wachstum kann durch die Gleichung \[ N(t) = N_0 e^{rt} \] beschrieben werden, während das logistische Wachstum durch die Gleichung \[ N(t) = \frac{K}{1 + \left(\frac{K-N_0}{N_0}\right) e^{-rt}} \] dargestellt wird, wobei

• N(t): die Populationsgröße zur Zeit t
• N₀: die anfängliche Populationsgröße
• r: die intrinsische Wachstumsrate
• K: die Umweltkapazität

Die Änderungsrate der Population, dN/dt, wird sowohl von dichteabhängigen (z.B. Nahrung, Krankheiten) als auch von dichteunabhängigen Faktoren (z.B. Wetter, Naturkatastrophen) beeinflusst. Zusätzlich spielen Geburtenrate, Sterberate, Immigration und Emigration eine Rolle.

a)

Exponentielles Wachstum: Angenommen, Du untersuchst eine Population von Kaninchen in einem geschützten Gebiet mit einer anfänglichen Populationsgröße von 100 Kaninchen und einer intrinsischen Wachstumsrate von 0.05 pro Monat.

1. Berechne die Populationsgröße nach 12 Monaten. Für die Berechnung kannst Du die Gleichung des exponentiellen Wachstums verwenden.
2. Erkläre, unter welchen Bedingungen das exponentielle Wachstum realistisch ist und welche Faktoren es begrenzen könnten.

Lösung:

Exponentielles Wachstum: Beispielrechnung und ErklärungAngenommen, Du untersuchst eine Population von Kaninchen in einem geschützten Gebiet mit einer anfänglichen Populationsgröße von 100 Kaninchen und einer intrinsischen Wachstumsrate von 0.05 pro Monat.

1. Berechne die Populationsgröße nach 12 Monaten.

Für die Berechnung verwenden wir die Gleichung des exponentiellen Wachstums:

N(t) = N_0 e^{rt}

Setze die gegebenen Werte ein:

• N₀ = 100
• r = 0.05
• t = 12

Die Gleichung wird also zu:

N(12) = 100 \times e^{0.05 \times 12}

Berechne den Wert:

N(12) = 100 \times e^{0.6}

Da e^{0.6} ≈ 1.82212, ergibt sich:

N(12) = 100 \times 1.82212 ≈ 182.21

Demnach beträgt die Populationsgröße nach 12 Monaten ungefähr 182 Kaninchen.

1. Erkläre, unter welchen Bedingungen das exponentielle Wachstum realistisch ist und welche Faktoren es begrenzen könnten.

Bedingungen für exponentielles Wachstum:

• Unbegrenztes Ressourcenangebot: Ressourcen wie Nahrung, Wasser und Lebensraum müssen ausreichen, um das Wachstum zu ermöglichen.
• Geringer Einfluss von räuberischen Aktivitäten: Die Räuberpopulationsdichte darf nicht hoch genug sein, um das Wachstum der Beutepopulation zu behindern.
• Keine oder geringe Krankheiten und Parasitenbefall: Krankheiten und Parasiten dürfen keinen großen Einfluss auf das Überleben und die Reproduktion der Population haben.
• Stabile Umweltbedingungen: Die Umwelteinflüsse wie Temperatur und Niederschlag sollten sich nicht drastisch ändern.

Faktoren, die exponentielles Wachstum begrenzen könnten:

• Nahrungsmangel: Ein Anstieg der Population führt dazu, dass die Nahrung knapp wird, wodurch das Wachstum verlangsamt wird.
• Erhöhte Konkurrenz: Sowohl innerartliche (zwischen Individuen derselben Art) als auch zwischenartliche (zwischen verschiedenen Arten) Konkurrenz kann das Wachstum hemmen.
• Krankheiten und Parasiten: Die Ausbreitung von Krankheiten und Parasiten kann mit zunehmender Populationsdichte zunehmen, was das Wachstum beeinträchtigt.
• Räuber: Eine erhöhte Populationsdichte kann Räuber anziehen, was ebenfalls das Wachstum reduziert.
• Umweltkapazität (K): Die Umweltkapazität ist die maximale Populationsgröße, die von der Umgebung nachhaltig unterstützt werden kann. Überschreitet die Population diese Kapazität, wird das Wachstum negativ beeinflusst.

b)

Logistisches Wachstum: Nehmen wir an, dieselbe Kaninchenpopulation wird durch dichteabhängige Faktoren beeinflusst, insbesondere durch die Begrenzung der Nahrung, wodurch die Umweltkapazität auf 500 Kaninchen beschränkt ist.

1. Bestimme die Populationsgröße nach 12 Monaten unter der Annahme eines logistischen Wachstums. Verwende dazu die logistische Wachstumsformel und die vorherigen Parameter: N₀=100, r=0.05, und K=500.
2. Diskutiere, wie dichteabhängige Faktoren wie Nahrungsknappheit die Populationsgröße im Laufe der Zeit beeinflussen könnten.

Lösung:

Logistisches Wachstum: Beispielrechnung und ErklärungDieselbe Kaninchenpopulation wird nun durch dichteabhängige Faktoren beeinflusst, insbesondere durch die Begrenzung der Nahrung, wodurch die Umweltkapazität auf 500 Kaninchen beschränkt ist.

1. Bestimme die Populationsgröße nach 12 Monaten unter der Annahme eines logistischen Wachstums.

Verwende dazu die logistische Wachstumsformel:

N(t) = \frac{K}{1 + \left(\frac{K-N_0}{N_0}\right) e^{-rt}}

Setze die gegebenen Werte ein:

• N₀ = 100
• r = 0.05
• t = 12
• K = 500

Die Gleichung wird also zu:

N(12) = \frac{500}{1 + \left(\frac{500-100}{100}\right) e^{-0.05 \times 12}}

Vereinfache den Bruch im Nenner:

N(12) = \frac{500}{1 + 4 e^{-0.6}}

Berechne den Wert von \( e^{-0.6} \) ≈ 0.5488:

N(12) = \frac{500}{1 + 4 \times 0.5488} = \frac{500}{1 + 2.1952} = \frac{500}{3.1952}

Somit ergibt sich nach 12 Monaten:

N(12) ≈ 156.46

Die Populationsgröße beträgt nach 12 Monaten also ungefähr 156 Kaninchen.

1. Diskutiere, wie dichteabhängige Faktoren wie Nahrungsknappheit die Populationsgröße im Laufe der Zeit beeinflussen könnten.

Einfluss dichteabhängiger Faktoren auf die Populationsgröße:Dichteabhängige Faktoren wie Nahrungsknappheit spielen eine entscheidende Rolle bei der Regulation der Populationsgröße. Hier sind einige Aspekte, wie diese Faktoren die Population beeinflussen könnten:

• Konkurrenz um Ressourcen: Mit wachsender Populationsgröße wird es zunehmend schwieriger für jedes einzelne Kaninchen, genügend Nahrung zu finden. Dies führt zu verstärktem Wettbewerb und kann das Wachstum der Population begrenzen.
• Verminderte Geburtenrate: Wenn Nahrung knapp wird, könnten die Fruchtbarkeit und die Geburtenraten sinken, da die individuellen Tiere weniger Energie für die Fortpflanzung aufwenden können.
• Erhöhte Sterberate: Nahrungsknappheit kann zu erhöhtem Stress führen und die Anfälligkeit für Krankheiten erhöhen, was die Sterblichkeit in der Population steigen lässt.
• Auswanderung: Einige Individuen der Population könnten gezwungen sein, auf der Suche nach besseren Lebensbedingungen auszuwandern, was die Populationsdichte im ursprünglichen Gebiet verringern könnte.
• Veränderung der sozialen Strukturen: Hohe Dichten können zu aggressiverem Verhalten und sozialen Spannungen führen, was ebenfalls die Überlebenswahrscheinlichkeit und die Reproduktionsraten beeinflusst.
• Umweltkapazität (K): Das Modell des logistischen Wachstums berücksichtigt die Umweltkapazität, die die maximale Populationsgröße darstellt, die unter den gegebenen Umweltbedingungen nachhaltig unterstützt werden kann. Sobald die Population nahe an diese Kapazität heranwächst, verlangsamt sich das Wachstum stark und die Populationsgröße stabilisiert sich.

c)

Populationsdynamik und Umwelteinflüsse: Die Kaninchenpopulation ist nicht nur von internen Faktoren beeinflusst, sondern auch von externen, wie extremen Wetterbedingungen.

1. Beschreibe, wie sowohl dichteabhängige als auch dichteunabhängige Faktoren die Änderungsrate der Kaninchenpopulation (\frac{dN}{dt} ) beeinflussen könnten.
2. Gib ein Beispiel für einen dichteunabhängigen Faktor und diskutiere, wie dieser die Population kurzfristig und langfristig beeinflussen könnte.

Lösung:

Populationsdynamik und Umwelteinflüsse: Beispiel und Erklärung

1. Beschreibe, wie sowohl dichteabhängige als auch dichteunabhängige Faktoren die Änderungsrate der Kaninchenpopulation (\frac{dN}{dt}) beeinflussen könnten.

Dichteabhängige Faktoren:

• Konkurrenz um Ressourcen: Mit zunehmender Populationsgröße steigt der Wettbewerb um begrenzte Ressourcen wie Nahrung, Wasser und Lebensraum. Dies kann das Wachstum der Population verlangsamen und zu einer erhöhten Sterberate führen.
• Krankheiten und Parasiten: Bei einer hohen Populationsdichte verbreiten sich Krankheiten und Parasiten schneller, was die Gesundheit und Reproduktionsrate der Kaninchen beeinträchtigen kann.
• Räuberische Aktivitäten: Eine dicht besiedelte Kaninchenpopulation kann vermehrt Raubtiere anziehen, was die Mortalitätsrate erhöht.
• Soziale Interaktionen: Hohe Dichten können zu sozialem Stress führen, der die Fruchtbarkeit und das Überleben der Individuen beeinträchtigt.

Dichteunabhängige Faktoren:

• Wetterbedingungen: Extremes Wetter, wie Dürren oder Kältewellen, kann die Kaninchenpopulation unabhängig von ihrer Dichte stark beeinflussen. Solche Bedingungen können die Verfügbarkeit von Nahrung und Wasser drastisch reduzieren und die Sterberate erhöhen.
• Naturkatastrophen: Ereignisse wie Waldbrände, Überschwemmungen oder Erdbeben wirken sich unabhängig von der Populationsdichte aus und können erhebliche Verluste in der Population verursachen.
• Anthropogene Einflüsse: Aktivitäten wie Landwirtschaft, Urbanisierung oder Umweltverschmutzung können die Lebensräume der Kaninchen zerstören oder fragmentieren, was zu einem plötzlichen Rückgang der Population führen kann.

1. Gib ein Beispiel für einen dichteunabhängigen Faktor und diskutiere, wie dieser die Population kurzfristig und langfristig beeinflussen könnte.

Beispiel: Extreme KältewelleKurzfristige Auswirkungen:

• Sterberate: Eine extreme Kältewelle kann zu einem plötzlichen Anstieg der Sterberate führen, da die Kaninchen möglicherweise nicht in der Lage sind, sich ausreichend zu schützen oder genug Nahrung zu finden.
• Reproduktion: Bei extremen Temperaturen kann die Fortpflanzungsaktivität verringert werden, da Energieressourcen für das Überleben anstatt für die Reproduktion verwendet werden.
• Migration: Die Kaninchen könnten versuchen, in weniger betroffene Gebiete zu migrieren, was zu einer Verringerung der Populationsdichte in den betroffenen Gebieten führt.

Langfristige Auswirkungen:

• Genetische Variation: Wiederholte extreme Wetterereignisse könnten zu einer Verringerung der genetischen Vielfalt führen, wenn nur wenige robuste Individuen überleben. Dies könnte die Population langfristig anfälliger für Krankheiten machen.
• Ökosystemveränderungen: Wenn extreme Kältewellen häufig auftreten, könnten sich die gesamten Ökosystemstrukturen verändern, was auch andere Tiere und Pflanzen betrifft – zum Beispiel könnten sich die bevorzugten Pflanzenarten der Kaninchen verändern.
• Adaptation: Auf lange Sicht könnten sich die Kaninchen an die neuen Umweltbedingungen anpassen und widerstandsfähigere Nachkommen hervorbringen. Dies könnte zu einer Veränderung von Verhalten, Physiologie oder genetischen Merkmalen führen.

Aufgabe 3)

Ökologische NischenEine ökologische Nische beschreibt die Gesamtheit aller Umweltfaktoren (abiotisch und biotisch), die das Überleben und die Fortpflanzung einer Art beeinflussen.

• Fundamentale Nische: Potenzieller Lebensraum und Ressourcen ohne biotische Interaktionen.
• Realisierte Nische: Tatsächlicher Lebensraum und genutzte Ressourcen inkl. biotischen Interaktionen.
• Grundlegende Umweltfaktoren: Temperatur, Feuchtigkeit, Nahrungsverfügbarkeit.
• Nischenüberlappung: Kann zu Konkurrenz führen, beeinflusst Koexistenz.
• Gause’sches Konkurrenzprinzip: Zwei Arten mit identischen Nischen können nicht dauerhaft koexistieren.
• Nischendifferenzierung: Anpassung von Arten zur Minimierung von Konkurrenz.

a)

Erkläre das Konzept der fundamentalen und der realisierten Nische und gib ein Beispiel für jede Kategorie.

Lösung:

Fundamentale und realisierte Nische

Fundamentale Nische: Die fundamentale Nische beschreibt den potenziellen Lebensraum und die Ressourcen, die einer Art zur Verfügung stehen könnten, wenn keine biotischen Interaktionen wie Konkurrenz, Räuber oder Krankheiten die Verbreitung einschränken würden. Sie umfasst ausschließlich die abiotischen Faktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit und Nahrungsverfügbarkeit.

Beispiel für eine fundamentale Nische: Stellen wir uns eine Pflanzenart vor, die theoretisch in einem breiten Temperaturbereich von 10°C bis 30°C und bei unterschiedlichen Feuchtigkeitsverhältnissen überleben und wachsen kann. Wenn keine anderen Pflanzen vorhanden sind, die mit ihr um Ressourcen konkurrieren, könnte diese Pflanzenart in dieser gesamten Bandbreite existieren – das wäre ihre fundamentale Nische.

Realisierte Nische: Die realisierte Nische hingegen beschreibt den tatsächlichen Lebensraum und die tatsächlich genutzten Ressourcen einer Art, die unter dem Einfluss biotischer Interaktionen wie Konkurrenz, Räuber und Krankheiten steht. Diese Nische ist häufig kleiner als die fundamentale Nische, da die Art gezwungen sein könnte, sich an den Konkurrenzdruck und andere biotische Faktoren anzupassen.

Beispiel für eine realisierte Nische: Nehmen wir dieselbe Pflanzenart aus dem vorherigen Beispiel. In einem natürlichen Ökosystem könnte sie Konkurrenz durch andere Pflanzenarten erfahren, die wirksamere Strategien zur Ressourcennutzung haben. Daher wächst sie vielleicht nur in einem engeren Temperaturbereich von 15°C bis 25°C und unter bestimmten Feuchtigkeitsbedingungen. Dieser eingeschränkte Bereich stellt ihre realisierte Nische dar.

b)

Eine bestimmte Pflanzenart X kann in einem Temperaturbereich von 15 °C bis 25 °C und bei einer Luftfeuchtigkeit zwischen 50 % und 70 % wachsen. Diese Bedingungen definieren ihre fundamentale Nische. Wenn in einem bestimmten Habitat die tatsächlichen Temperaturen oft die 15 °C unterschreiten, bleibt die Pflanze fern. Daraus ergibt sich ihre realisierte Nische. Berechne den Unterschied des Flächenanteils zwischen der fundamentalen und der realisierten Nische, wenn das Habitat 100 km² umfasst und die Temperaturen in 30% des Habitats für die Pflanze zu niedrig sind.

Lösung:

Fundamentale und realisierte Nische

Um den Unterschied des Flächenanteils zwischen der fundamentalen und der realisierten Nische zu berechnen, können wir folgendermaßen vorgehen:

1. Zuerst bestimmen wir die Gesamtfläche des Habitats, die 100 km² beträgt.

2. Die fundamentale Nische entspricht der gesamten Fläche von 100 km², da dies der Bereich ist, in dem die Pflanzenart X unter optimalen Bedingungen wachsen kann.

3. Nun betrachten wir den Einfluss der niedrigen Temperaturen. Da die Temperaturen in 30 % des Habitats regelmäßig unter 15 °C fallen, kann die Pflanzenart X dort nicht überleben. Das bedeutet, diese 30 % gehören nicht zur realisierten Nische.

4. Daher sind nur 70 % des Habitats für die Pflanzenart X geeignet, was der realisierten Nische entspricht.

Berechnung der Flächenanteile:

Grundfläche des Habitats: 100 km²

Fläche fundamentale Nische = 100 km²Fläche realisierte Nische = 70 % von 100 km² = 0,70 * 100 km² = 70 km²

Unterschied des Flächenanteils:

Unterschied = Fläche fundamentale Nische - Fläche realisierte NischeUnterschied = 100 km² - 70 km² = 30 km²

Der Unterschied des Flächenanteils zwischen der fundamentalen und der realisierten Nische beträgt somit 30 km².

c)

Diskutiere die potenziellen Konsequenzen einer Nischenüberlappung für zwei Arten in einem gemeinsamen Habitat unter Berücksichtigung des Gause’schen Konkurrenzprinzips. Welche Anpassungen könnten die Arten vornehmen, um Koexistenz zu ermöglichen?

Lösung:

Nischenüberlappung und Konsequenzen nach dem Gause’schen Konkurrenzprinzip

1. Nischenüberlappung: Wenn zwei Arten in einem gemeinsamen Habitat ähnliche ökologische Nischen bewohnen und somit um dieselben Ressourcen wie Nahrung, Raum oder andere grundlegende Umweltfaktoren konkurrieren, spricht man von einer Nischenüberlappung. Diese Konkurrenz kann verschiedene Konsequenzen haben:

• Reduzierte Ressourcenzugänglichkeit für beide Arten.
• Erhöhte Sterblichkeitsrate oder reduzierte Fortpflanzungsrate.
• Verdrängung einer der Arten durch die überlegene Konkurrenzfähigkeit der anderen Art.

2. Gause’sches Konkurrenzprinzip: Das Gause’sche Konkurrenzprinzip besagt, dass zwei Arten mit identischen ökologischen Nischen nicht langfristig koexistieren können. Eine der Arten wird letztendlich durch die Konkurrenz ausgeschlossen oder muss sich anpassen. Die überlegene Art hat einen Konkurrenzvorteil und kann die limitierenden Ressourcen effizienter nutzen, was zur Verdrängung der unterlegenen Art führt.

3. Anpassungen zur Minimierung von Konkurrenz: Um Koexistenz zu ermöglichen und die negativen Konsequenzen der Nischenüberlappung zu vermeiden, können die Arten verschiedene Anpassungsstrategien entwickeln. Diese Prozesse nennt man Nischendifferenzierung:

• Ökologische Spezialisierung: Eine Art spezialisiert sich auf bestimmte Ressourcen oder Lebensräume, die weniger stark umkämpft sind. Zum Beispiel könnte eine Pflanzenart nur in schattigen Bereichen wachsen, während die andere sonnige Plätze bevorzugt.
• Veränderung der Aktivitätsmuster: Die Arten könnten unterschiedliche Tages- oder Jahreszeiten für ihre Aktivitäten nutzen. Eine Art könnte beispielsweise tagsüber und die andere nachts aktiv sein.
• Ernährungsanpassungen: Eine Art ändert ihre Ernährungsgewohnheiten, um andere Nahrungsquellen zu nutzen. Dies könnte durch den Wechsel zu einer anderen Beute oder zu anderen Pflanzenarten geschehen.
• Räumliche Trennung: Die Arten besiedeln unterschiedliche Teile des Habitats. Eine Art könnte sich auf höhere und die andere auf tiefere Lagen spezialisieren.

Zusammenfassung: Nischenüberlappung kann zu intensiver Konkurrenz führen und die Koexistenz von Arten erschweren. Durch Nischendifferenzierung und entsprechende Anpassungen können die Arten jedoch Wege finden, um die Konkurrenz zu verringern und ein stabiles Gleichgewicht zu erreichen.

Aufgabe 4)

Ökosystemstabilität und Resilienz beschreiben die Fähigkeit eines Ökosystems, nach Störungen die Struktur und Funktionen aufrechtzuerhalten oder wiederherzustellen. Neben der Stabilität, die konstante Ökosystemeigenschaften trotz Störungen beschreibt, bedeutet Resilienz die Geschwindigkeit und Fähigkeit eines Ökosystems, nach einer Störung in den ursprünglichen Zustand zurückzukehren. Diese Eigenschaften hängen stark von der Biodiversität und den komplexen Interaktionen zwischen den Arten ab, wobei eine hohe Diversität oft mit höherer Stabilität und Resilienz verbunden ist. Weitere beeinflussende Faktoren sind Klimawandel, menschliche Eingriffe und natürliche Ereignisse. Indikatoren für die Stabilität und Resilienz eines Ökosystems umfassen unter anderem die Artenvielfalt, Biomasse, Produktionsrate und Stoffkreisläufe.

a)

Erkläre, wie eine hohe Biodiversität zur Stabilität und Resilienz eines Ökosystems beiträgt. Betrachte mögliche Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Arten und erläutere anhand eines Beispiels, wie diese Wechselwirkungen die Stabilität eines Ökosystems beeinflussen können.

Lösung:

Wie trägt eine hohe Biodiversität zur Stabilität und Resilienz eines Ökosystems bei?

Eine hohe Biodiversität trägt zur Stabilität und Resilienz eines Ökosystems auf verschiedene Weisen bei. Hier sind einige wichtige Punkte:

• **Funktionale Vielfalt:** In einem biodiversen Ökosystem erfüllen verschiedene Arten unterschiedliche ökologische Rollen. Wenn eine Art durch eine Störung betroffen ist, können andere Arten ihre Funktion vorübergehend übernehmen, wodurch die Gesamtstabilität erhalten bleibt.
• **Redundanz:** Ähnliche Arten haben oft ähnliche Funktionen (funktionale Redundanz). Dies bedeutet, dass das Fehlen einer Art durch eine andere kompensiert werden kann, was das Ökosystem widerstandsfähiger gegenüber Störungen macht.
• **Kompensatorische Dynamiken:** Arten in einem Ökosystem reagieren unterschiedlich auf Umwelteinflüsse. Wenn die Population einer Art sinkt, kann die einer anderen steigen, wodurch das Gesamtökosystem stabil bleibt.
• **Komplexe Nahrungsketten:** Eine hohe Artenvielfalt führt zu komplexen und verflochtenen Nahrungsnetzen. Dies sorgt dafür, dass die Energie- und Nährstoffflüsse bei Störungen nicht komplett unterbrochen werden.

**Wechselwirkungen und Beispiele:**

Betrachten wir ein konkretes Beispiel: Ein Waldökosystem. In einem solchen Ökosystem gibt es zahlreiche Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Organismen, von Bäumen über Pflanzen bis zu Tieren und Mikroorganismen.

• **Mykorrhizapilze und Bäume:** Mykorrhizapilze leben symbiotisch mit den Wurzeln vieler Baumarten und unterstützen diese bei der Aufnahme von Nährstoffen und Wasser. Diese Beziehung erhöht die Überlebenschancen der Bäume bei Trockenheit oder Nährstoffmangel.
• **Bestäuber und Pflanzen:** Bestäuber wie Bienen und Schmetterlinge sind entscheidend für die Fortpflanzung vieler Pflanzenarten. Eine hohe Diversität an Bestäubern garantiert, dass selbst bei Rückgang einer Bestäuberart die Pflanzen weiterhin bestäubt werden können.
• **Prädatoren und Beutetiere:** In einem stabilen Ökosystem gibt es ein Gleichgewicht zwischen Prädatoren (z.B. Raubtieren) und Beutetieren. Eine hohe Vielfalt an Raubtieren verhindert, dass sich eine Beuteart zu stark vermehrt und das Ökosystem aus dem Gleichgewicht gerät.
• **Beispiel Scenario:** Stellen wir uns vor, ein Wald wird durch einen Sturm teilweise zerstört. In einem biodiversen Wald gibt es Arten wie pionierartige Pflanzen, die schnell wachsen und den offenen Raum wieder besiedeln. Dies verhindert Erosion und fördert die Regeneration des Waldes.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Vielfalt in den Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Arten und die funktionale Redundanz unerlässlich für die Stabilität und Resilienz eines Ökosystems sind. Ein artenreiches Ökosystem hat eine größere Fähigkeit, auf Störungen zu reagieren und sich zu erholen, da viele Arten ähnlich Rollen übernehmen können und verschiedene Ressourcen nutzen.

b)

Berechne die theoretische Resilienz eines Ökosystems, wenn nach einer Störung das Ökosystem innerhalb von fünf Jahren zu 80% des ursprünglichen Zustands wiederhergestellt ist. Verwende die Formel für die Resilienzrate R:

R = \frac{(1-S)}{T}

wobei S der Anteil des Originalzustands (hier 80% oder 0,80) und T die Zeit in Jahren (hier 5 Jahre) ist. Zeige alle Berechnungsschritte und interpretiere das Ergebnis in Bezug auf die Definition der Resilienz.

Lösung:

Berechnung der theoretischen Resilienz eines Ökosystems

Um die theoretische Resilienz eines Ökosystems zu berechnen, verwenden wir die gegebene Formel:

R = \( \frac{(1-S)}{T} \)

wobei S der Anteil des Originalzustands (hier 80% oder 0,80) und T die Zeit in Jahren (hier 5 Jahre) ist.

• Schritt 1: Einsetzen der gegebenen Werte

Setze S = 0,80 und T = 5 in die Formel ein:

R = \( \frac{(1-0.80)}{5} \)

• Schritt 2: Subtraktion im Zähler

R = \( \frac{0.20}{5} \)

• Schritt 3: Division

R = \( \frac{0.20}{5} \)

R = 0.04

Daher beträgt die theoretische Resilienz 0,04.

Interpretation des Ergebnisses:

Die Resilienzrate R von 0,04 bedeutet, dass das Ökosystem eine jährliche Rückkehrrate von 4% in seinen ursprünglichen Zustand nach einer Störung hat. Dies ist im Kontext der Definition der Resilienz bedeutend, da es zeigt, wie effizient ein Ökosystem in der Lage ist, sich nach einer Störung zu erholen. Ein niedriger Wert von R kann darauf hindeuten, dass das Ökosystem eine langsame Regenerationsrate hat und möglicherweise weniger widerstandsfähig gegenüber zukünftigen Störungen ist.

c)

Diskutiere die möglichen Auswirkungen des Klimawandels auf die Stabilität und Resilienz eines konkreten Ökosystems Deiner Wahl. Identifiziere mindestens drei spezifische Klimawandel-Faktoren und erläutere, wie diese die Biodiversität und somit die Stabilität und Resilienz des ausgewählten Ökosystems beeinflussen könnten. Stütze Deine Diskussion auf wissenschaftliche Belege oder Hypothesen.

Lösung:

Mögliche Auswirkungen des Klimawandels auf die Stabilität und Resilienz eines Waldökosystems

Ein Waldökosystem dient als hervorragendes Beispiel, um die Auswirkungen des Klimawandels zu diskutieren. Wälder sind komplexe Systeme, deren Stabilität und Resilienz stark von ihrer Biodiversität abhängen. Hier sind drei spezifische Klimawandel-Faktoren, die dieses Ökosystem beeinflussen könnten:

• Erhöhte Temperaturen

Erhöhte Temperaturen können das Wachstum und die Verbreitung von Pflanzen und Bäumen beeinflussen. Einige Baumarten sind an spezifische Temperaturbereiche angepasst, und eine Erhöhung der Temperaturen kann zu Stress und erhöhtem Krankheitsrisiko führen. Dies könnte die Biodiversität verringern, da wärmeempfindliche Arten verschwinden und das gesamte Ökosystem destabilisiert wird. Wissenschaftliche Studien haben gezeigt, dass Temperaturerhöhungen die Verbreitungsgrenzen von Pflanzenarten verschieben und die Zusammensetzung der Wälder verändern können.

• Veränderte Niederschlagsmuster

Der Klimawandel führt zu veränderten Niederschlagsmustern, was sowohl zu extremem Regen als auch zu Dürreperioden führen kann. Beide Extreme können negative Auswirkungen auf die Stabilität und Resilienz eines Waldökosystems haben. Starkregen kann Erosion fördern und die Struktur des Bodens beschädigen, während Dürreperioden das Wachstum und Überleben der Pflanzen beeinträchtigen. Dies könnte die Nährstoffzyklen stören und die Artenvielfalt verringern, was wiederum die ökologische Funktionalität des Systems untergräbt.

• Erhöhte Häufigkeit von Extremwetterereignissen

Eine erhöhte Häufigkeit von Extremwetterereignissen wie Stürmen, Hitzewellen und Feuer kann direkte Schäden an einem Waldökosystem verursachen. Solche Ereignisse können große Flächen von Wäldern zerstören, was zu einem Verlust an Artenvielfalt führt. Die Resilienz des Ökosystems wird getestet, wenn es sich von diesen regelmäßig auftretenden Störungen erholen muss. Studien belegen, dass Wälder, die häufiger extremen Wetterereignissen ausgesetzt sind, eine reduzierte Regenerationsfähigkeit haben könnten, was langfristig die Stabilität beeinträchtigt.

Schlussfolgerung

Die Auswirkungen des Klimawandels auf ein Waldökosystem können zu einer erheblichen Verringerung der Biodiversität führen, was die Stabilität und Resilienz des Systems gefährdet. Erhöhte Temperaturen, veränderte Niederschlagsmuster und eine erhöhte Häufigkeit von Extremwetterereignissen sind nur einige der klimatischen Faktoren, die das Gleichgewicht eines solchen Ökosystems stören können. Es ist wichtig, diese wissenschaftlichen Erkenntnisse zu nutzen, um Strategien zum Schutz und zur Anpassung dieser lebenswichtigen Systeme zu entwickeln.