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Biologie
Ist die Wissenschaft vom Lebendigen, seinen Erscheinungsformen und Gesetzmäßigkeiten.
Ökologie
Untersucht die Beziehungen der Lebewesen untereinander und zu ihrer abiotischen (unbelebten) Umwelt.
Ökosystem
Ist die funktionelle Einheit aus Biozönose und Biotop.
Biozönose
Ist die Gesamtheit aller in einem geographisch abgrenzbarem Raum lebenden Organismen, d.h. Pflanzen, Tiere, Pilze, Bakterien, Viren. Ein anderes Wort für die Biozönose ist die Lebensgemeinschaft.
Biotop
Ist der geographisch abgrenzbare Lebensbereich einer Biozönose. Er bedingt die abiotischen Faktoren.
abiotische Faktoren
Die Faktoren der unbelebten Umwelt. Dazu zählen: Lichtverhältnisse, Nähstoffgehalt von Boden, Wasser und Atmosphäre, sowie Wärme, Feuchtigkeit und Zusammensetzung der Luft.
biotische Faktoren
Die Faktoren der belebten Umwelt. Dazu zählen sämtliche Organismen einer Art und die anderer Arten, d.h. Pflanzen, Tiere, Pilze, Bakterien, Viren und andere Einzeller.
Population
Umfasst alle Angehörigen einer Art, die in einem bestimmten Biotop vorkommen. Gleichzusetzen mit der Fortpflanzungsgemeinschaft.
Biosphäre
Gesamtheit aller Ökosysteme.
Autökologie
Betrachtet den Einzelorganismus und untersucht den Einfluss der auf sie einwirkenden Faktoren. Grundeinheit ist das Individuum, der Einzelorganismus.
Populationsökologie
Befasst sich mit den Umweltbeziehungen von Populationen.
Synökologie
Komplexeste Fragestellung der Ökologie und untersucht die Lebensgemeinschaften (Biozönose).
Biom
Sammelbezeichnung für Ökosysteme oder Lebensgemeinschaften, die sich ähneln, aber an geographisch unterschiedlichen Standorten angesiedelt werden. Zum Beispiel das Biom Wüste: Trägt charakteristische Merkmale, ist aber sowohl in Afrika als auch in Australien und Asien zu finden.
euryök
Als euryök bezeichnet man Organismen, die einen engen Toleranzbereich für mehrere Umweltfaktoren besitzen.
stenök
Als stenök bezeichnet man Organismen, die einen weiten Toleranzbereich für mehrere Umweltfaktoren besitzen.
See
Eins See ist ein natürlich entstandenes Gewässer. Es besitzt sowohl Litoral als auch Profundal.
Weiher
Ein Weiher ist ein See ohne Tiefe. Aufgrund einer Wassertiefe von oftmals nur 2m, besitzt der Weiher kein Profundal, das gesamte Wasserbecken ist lichtdurchflutet. Dadurch ist im Gegensatz zum See auch der Gewässerboden pflanzenbewachsen. Der Weiher ist das artenreichste Gewässer in Deutschland. Hohe Tiefentemperaturen.
Teich
Ein Teich ist ein künstlich durch Aufschüttung von Dämmen ect. entstandenes Gewässer. Wie der Weiher besitzt auch er aufgrund geringer Wassertiefe kein Profundal. Auch hier ist der Gewässerboden pflanzenbewachsen.
Hydro-Biosphäre
Umfasst die Wasseroberfläche der Erde. Sie macht ungefähr drei Viertel der gesamten Biosphäre aus.
Geo-Biosphäre
Umfasst die Erdoberfläche und macht ungefähr einen Viertel der gesamten Biosphäre aus.
Toleranzkurven
Toleranzkurven geben für einen bestimmten Umweltfaktor wie zum Beispiel die Temperatur, die Lebensfähigkeit bzw. die Intensität der Lebensfunktionen eines Organismus, in Abhängigkeit von der Änderung dieses Umweltfaktors an. Jede Toleranzkurve eines lebenden Organismus verläuft in Form einer umgedrehten Parabel. Das heißt man findet ein Optimum, ein Maximum und ein Minimum.
Das Optimum bezeichnet den Punkt, an dem sich der jeweilige Organismus voll entfalten kann und seine Lebensfunktionen optimale Werte zeigen. Den Bereich, der um das Optimum angesiedelt ist, bezeichnet man als Präferendum. Dies ist der Vorzugsbereich, das heißt der Bereich, in dem die Organismen bevorzugt leben.
Punkte, die stark vom Optimum abweichen, lieben im Toleranzbereich. In diesem Bereich ist der betreffende Organismus nur noch bedingt lebensfähig. Er ist zwar überlebensfähig, aber die Intensität der Lebensfunktionen ist nicht optimal. Im Toleranzbereich liegen das Maximum und das Minimum. In Bezug auf den Umweltfaktor Temperatur bezeichnet das Maximum, die maximale Temperatur, bei deren Überschreitung es zum Hitzetod kommt (Denaturieren der Proteine). Das Minimum bezeichnet diesbezüglich die tiefste Temperatur, bei deren Unterschreitung es zum Kältetod kommt (Wasser in den Zellen gefriert, wodurch dieselben platzen).
RGT-Regel
Die RGT-Regel besagt, dass bei Steigerung der Temperatur um 10°C die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen um das 2- bis 3-fache zunimmt. Dies allerdings gilt nur im Toleranzbereich der Organismen.
Arten der Kälteresistenz
1. abkühlungsempfindliche Organismen: Diese Organismen können Schwankungen in der Außentemperatur nur schwer aushalten. Zu den abkühlungsempfindlichen Organismen zählen unter anderem Insekten.
2. gefrierempfindliche Organismen: Diese Organismen können Abkühlung in gewissen Grenzen ertragen, nicht aber die Eisbildung im Körper. Diese Organismen bilden häufig Stoffe, die die Eisbildung i Körper verzögern (Glycerin). Dazu zählen Muscheln und Fische nördlicher Meere.
3. gefriertolerante Organismen: Diese Organismen können sowohl Abkühlung als auch Eisbildung im Körper ertragen. Dazu zählen Süßwasseralgen, Moose, Nadelbäume und ähnliches.
Gliederung eines Sees
Der See lässt sich in zwei große Zonen einteilen: Das Benthal und das Pelagial. Das Benthal, die Bodenzone, wiederum umfasst das sogenannte Profundal, die lichtlose Tiefenzone, und das sogenannte Litoral, die Uferzone. Das Litoral wird gegliedert in: Schilfrohrzone, Schwimmpflanzenzone und Unterwasserpflanzenzone.
Das Pelagial ist das gesamte freie Wasser. Dieses lässt sich gliedern in: Epilimnion, das Oberflächenwasser, das Metalimnion, die Sprungschicht und das sogenannte Hypolimnion, das Tiefenwasser.
Temperaturverhältnisse im See in Abhängigkeit von der Jahreszeit
Im Übergang vom Herbst zum Winter fängt das Epilimnion an, immer wieter auszukühlen und bildet letztendlich eine Eisschicht. Wenn Wasser gefriert, dann ändert sich seine Struktur sprungartig. Die Wassermoleküle lagern sich zu einem Gittersystem mit geringer Dichte zusammen. Aufgrund der geringen Dichte schwimmt Eis immer oben und aufgrund dessen, dass das 4°C kalte/warme Wasser immer nach unter sinkt, friert ein See immer von oben zu. Einerseits weil der Wind durch die Eisschicht keinen Einfluss auf das Wasser nehmen kann und andererseits weil beim abkühlen die Clustergröße steigt und eine Durchmischung erschwert, kommt es zu einer Temperaturschichtung, der sogenannten Winterstagnation.
Im Frühling fängt die Eisschicht an aufzutauen. Durch die steigenden Temperaturen wird die Oberfläche des Sees immer weiter erwärmt. Bei 4°C schließlich erreicht das Wasser wieder seine größte Dichte. Das Wasser sinkt ab und es kommt zu einer Durchmischung. diese Durchmischung wird durch den Wind forciert. Den Zustand des Sees im Frühling bezeichnet man als Frühlingsvollzirkulation, da das gesamte Wasser einmal durchgemischt wird. Dabei gelangen Nährstoffe, die sich in der Zehrschicht angesammelt haben nach oben und der Sauerstoff, der durch das Phytoplankton gebildet wurde, gelangt in die Zehrschicht.
Im Übergang zum Sommer steigen die Außentemperaturen. Die oberen Wasserschichten werden erwärmt. Die unteren Wasserschichten jedoch nehmen nur wenig Wärme auf, da Wasser ein schlechter Wärmeeiter ist. Das Epilimnion erwärmt sich, die Clustergröße sinkt und es erfolgt eine durch den Wind forcierte Durchmischung. Im Metalimnion erfolgt ein Temperatursprung. Innerhalb von oft nur wenigen Metern fällt die Temperatur um mehrere Grad ab. Da hier die Clustergröße noch relativ groß ist, kommt es zu keiner Durchmischung. Im Hypolimnion findet sich wiederum das 4°C kalte/warme Wasser wieder, da es die größte Dichte besitzt. Den Zustand des Sees im Sommer bezeichnet man als Sommerstagnation, das heißt Temperaturschichtung im Sommer.
Während im Übergang zum Herbst die Außentemperaturen wieder sinken, kühlt auch das Oberflächenwasser wieder aus. Dasselbe nähert sich der 4°C-Grenze und sinkt ab, dabei kommt es wie im Frühling zu einer durch den Wind forcierten Durchmischung. Man spricht hier von der Herbstvollzirkulation. Es erfolgt ein Austausch der Nährstoffe und Sauerstoff zwischen der Nähr- und Zehrschicht.
Physikalische Eigenschaften von Wasser (Cluster, Dichteanomalie, Wärmespeicherung, Viskosität, Oberflächenspannung)
Bei sinkenden Temperaturen lagern sich die Wassermoleküle zu sogenannten Cluster zusammen (Assoziation der Wassermoleküle). Je näher die Temperatur dem Gefrierpunkt ist, desto größer sind diese Cluster.
Wenn Wasser gefriert, dann kommt es zu einer sprunghaften Änderung seiner Struktur. Es bildet sich ein Gittersystem mit geringer Dichte aus. Daher schwimmt Eis immer an der Wasseroberfläche.
Wasser hat bei 4°C seine größe Dichte und damit sein größtes Gewicht. Daher sinkt 4°C warmes/kaltes Wasser im nach untern, befindet sich folglich immer am Grund eines Sees.
Wasser hat eine hohe spezifische Wärme, ´jedoch nur eine geringe Leitfähigkeit. Daher kommt es zur Wärmespeicherung.
Cluster setzten dem fließenden Wasser einen Widerstand entgegen. Diese "innere Reibung" wird als Viskosität bezeichnet.
Klimaregeln
Man unterscheidet die Bergmann´sche, die Allen´sche und die Gloger´sche Regel.
Die Bergmann´sche Regel besagt, dass gleichwarme Organismen einer Art in kälteren Gebieten größer sind, als ihre Artgenossen in wärmeren Gebieten. Dies liegt in dem physikalischen Grundsatz begründet, dass ein großes Volumen eine relativ gesehen kleinere Oberfläche bietet, als ein kleines Körpervolumen. Aufgrund dieser Tatsache, geben größere Tiere relativ weniger Wärme ab, als ihre kleineren Artgenossen.
Beispiel: Pinguine
Während der Kaiserpinguin, der in der Antarktis lebt, eine Körpergröße von 120cm und ein Gewicht von 40kg aufweist, ist sein Artgenosse, der Galapagospinguin, nur 48cm groß und wiegt lediglich 2,2kg.
Die Allen´sche Regel besagt, dass gleichwarme Organismen einer Art oder eines Verwandtschaftskreises in kälteren Gebieten kleinere Körperanhänge (Ohren, Nase, Rüssel, Schwanz) besitzen als ihre Artgenossen und Verwandten in wärmeren Gebieten. Denn Körperanhänge bieten eine relativ große Oberfläche und kühlen so leichter aus.
Beispiel: Wüsten- und Eisfuchs
Während der Wüstenfuchs ziemlich große Ohren hat, die er zur Wärmeregulation nutzt, hat der Eisfuchs nur sehr kleine Ohren. Da der Eisfuchs nämlich in nördlichen Gebieten lebt, würde er über die Ohren sonst Wärme verlieren.
Die Gloger´sche Regel besagt, dass bei Organismen, die in sonnigen und warmen Gebieten leben, mehr Farbstoffe in Haut, Fell und Federn eingelagert werden. Dies dient als UV-Schutz.
Winterschlaf
Tritt bei gleichwarmen Tieren auf. Gründe für die Bereitschaft der Organismen zum Winterschlaf liegen in exogenen und endogenen Faktoren. Durch abnehmenden Tageslänge und eine jeweils artspezifische kritische Außentemperatur (exogen), kommt es zu einer Umstellung des Hormonhaushaltes (endogen). Wenn die betroffenen Organismen in den Winterschlaf fallen, so fällt ihre Körpertemperatur auf 5°c ab und die Körperfunktionen werden auf Minimum gehalten.
Beim Aufwachen kommt es dann zu einer erhöhten Atemfrequenz und einer intensiven Wärmeproduktion. Dadurch werden Energiereserven, die meistens aus dem angefressenen Fettgewebe stammen, fast vollständig verbraucht. Daher ist ein frühzeitiges Aufwachen des Winterschlaf haltenden Tieres meist tödlich, Denn die Energiereserven werden Verbraucht und durch die Verarmung des Nahrungsangebotes besteht für den Organismus auch keine Möglichkeit den Energieverlust auszugleichen.
Beispiele: Igel, Fledermaus, Siebenschläfer, Haselmaus
Winterruhe
Ruhezustand gleichwarmer Tiere. Aufgrund sinkender Temperaturen und einem sinkenden Nahrungsangebot kommt es zu einem Ruhezustand mit verringertem Energiebedarf. Dabei wird die Körpertemperatur nur um wenige Grad herabgesetzt.
Desweiteren wachen die Tiere mehrfach auf, um Nahrung zu sich zu nehmen, Entweder durch Zehren an gesammelten Vorräten oder durch Jagen.
Beispiel: Dachs, Eichhörnchen
Winterstarre
Tritt bei wechselwarmen Tieren auf.
Dabei passt sich die Körpertemperatur der Außentemperatur an. Um allerdings nicht zu erfrieren, suchen sich die betroffenen Organismen einen frostgeschützten Ort. Die Körperfunktionen sind fast ganz ausgeschaltet.
homöotherm
Homöotherme Organismen sind gleichwarme Organismen. Sie können ihre Körpertemperatur weitgehend unabhängig von der Außentemperatur konstant halten.
Zu den gleichwarmen Organismen zählen die Säugetiere und Vögel.
Um ihre Körpertemperatur konstant zu halten. haben diese Organismen verschiedene Anpassungsmechanismen entwickelt. Zum einen erfolgt eine Isolation durch in die Unterhaut eingelagertes Fett, d.h. durch Fettschichten. Anderseits können gleichwarme Tiere durch Aufstellen der Körperhaare, Luft in das Fell einlagern. Dadurch kommt es ebenfalls zu einer Isolation und zu einer Verringerung des Wärmeverlustes. Desweiteren wird die Temperatur unbeharrter Körperstellen, wie zum Beispiel der Nase, herabgesetzt. Da diese dann der kalten Außentemperatur entspricht, kann keine Wärme abgegeben werden.
Gleichwarme Organismen können daher auch kältere Gebiete bewohnen.
Beispiel: Eisbär
poikilotherm
Poikilotherme Organismen sind wechselwarme Organismen. Ihre Körpertemperatur schwankt mit der Außentemperatur und sind somit von ihr abhängig.
Zu den wechselwarmen Organismen zählen alle Organismen außer Säugetiere und Vögel, d.h. zum Beispiel Reptilien.
Damit ihre Körpertemperatur dennoch nicht abfällt, verbringen die wechselwarmen Tiere, wie zum Beispiel Krokodile, einen Großteil des Tages damit, sich in der Sonne aufzuheizen (heliotherm).
Aufgrund dieser Tatsache, können wechselwarme Organismen keine kälteren Gebiete bewohnen.
Lichtverhältnisse im See
Was passiert mit dem Licht, wenn es auf die Wasseroberfläche auftrifft?
Es gibt drei Arten der Beeinflussung: Reflexion. Streuung und Absorption.
Zunächst wird das Wasser an der Wasseroberfläche reflektiert. Der Betrag des reflektierten Lichtes hängt einerseits vom Sonnenstand, andererseits von der Jahreszeit ab: Sommer 3%
Winter: 14%
Beim Durchgang durch die Wasserschichten wird das Licht selektiv gestreut, Das heißt, nicht alle Lichtanteile werden beim vordringen in die Wasserschichten gestreut, Ein Teil wird auch absorbiert. Das heißt, das Licht wird von Partikel , aber auch von den Pflanzen aufgenommen. Der zurückbehaltene Anteil des Lichtes, der absorbierte Teil, wird als Extinktion bezeichnet. Der Lichtanteil, der bis in tiefste Wasserschichten vordringt als Transmission.
Kurzwellige Strahlen werden am stärksten gestreut: das blaue Licht wird am stärksten gestreut (-> reines Wasser erscheint in dickerer Schicht blau)
Durch die Streuung, wird die Strahlungsenergie nicht vermindert, da aber der Weg des Lichtstrahl dadurch verlängert wird, ist die Absorptionsrate höher.
Nur das grün-gelbe Licht erreicht als Transmission den Grund des Bodens: Es ist energiereich, wird von den Pflanzen nicht absorbiert (Grün-Lücke) und ist wiederum nicht so energiereich, dass es allzu stark gestreut wird.
Rot-oranges Licht wird am meisten absorbiert (Photosynthese, aber auch blau).
Zehrschicht
=trophogene Zone
Nährschicht
=thropholytische Zone
Lebensgemeinschaften im See
An der Wasseroberfläche lebt das so genannte Pleuston: Bakterien, Pilze, Insekten. Diese können die Oberflächenspannung des Wassers nutzen und so in der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft leben.
Im Epilimnion leben das Plankton und das Nekton:
Das Plankton kann weiterhin unterteilt werden in Phyto- und Zooplankton. Das Phytoplankton ist in jedem Falle der Produzent, da es autotroph ist. Das heißt, es kann mittels der Fotosynthese aus anorganischen energiearmen Verbindungen, organische energiereiche Verbindungen herstellen. Diese nutzt sie dann zur Selbstversorgung
autotroph = selbsternährend
Das Phytoplankton ist nicht zur aktiven Bewegung fähig. Durch Einlagerung von Öltröpfchen (Auftrieb) oder durch Einlagerung von Wasser (Absinken) ist eine passives Schweben möglich.
Im Gegensatz dazu kann das Zooplankton, das tierische Plankton, durch Schwimmfortsätze, teils eine geringe eigene Antriebskraft erzeugen. Das Zooplankton ernährt sich vom Phytoplankton und ist damit Primärkonsument, es ernährt sich direkt von den organischen Verbindungen der Produzenten, ist also Herbivor (Pflanzenfresser).
Das Nekton, die freischwimmende Organismengruppe, welches ebenfalls im Epilimnion lebt, besteht aus planktonfressenden Organismen (Friedfische). Sie zählen zu den Konsumenten zweiter Ordnung, da sie sich auch (aber nicht nur) vom Zooplankton ernähren. Sie nehmen also indirekt die organischen Substanzen der Produzenten auf. Das Nekton zählt zu den Carnivoren (Fleischfresser).
Im Profundal herrscht eine artenarme aber individuenreiche Fauna vor: Schnecken, Kleinkrebse, Krebse, Würmer und aerob bzw. anaerob lebende Bakterien.
Speicherung von Kohlenstoffdioxid
Kohlenstoffdioxid wird im Wasser in Form von Kohlensäure gespeichert.
Kohlenstoffdioxideintrag durch : Dissimilation, aus der Luft, Zufluss von Wasser
allgemeiner Stoffkreislauf im See
Phytoplankton (Produzenten) und Zooplankton (Konsumenten) sterben ab,
durch Autolyse (teilweise Selbstzersetzung) entsteht der Detritus,
dieser wird von den Destruenten abgebaut,
mithilfe der aeroben Bakterien entsteht : CO2, NO3-, PO43- und SO42- ,
diese Stoffe gelangen direkt zu den Produzenten,
ist der Sauerstoff verbraucht, fangen die anaeroben Bakterien an, den restlichen Detritus abzubauen,
dabei entsteht: CO2, H2PO4-, H2S, CH4, NH3,
diese Stoffe gelangen bei der Frühlingszirkulation in die oberen Schichten,
da Methan, Schwefelwasserstoff und Ammoniak giftig sind, kann dies zur Schädigung der Produzenten und Konsumenten im See führen,
Phosphatfalle
freigesetzte Stoffe können im Sediment des Seebodens eingelagert werden,
Phosphat und Eisen(III)-Ionen reagieren under aeroben Verhältnissen zu schwerlöslichem Eisen(III)-Phosphat,
ist der Sauerstoff verbraucht, so treten reduzierende Verhältnisse auf,
Eisen(III)-Ionen werden zu Eisen(II)-Ionen reduziert,
dabei entstehen lösliche Phosphatverbindungen
Stickstoffkreislauf
Ausgangsstoff für den Stickstoffkreislauf ist die tote Biomasse, die aus pflanzlichem und tierischen Eiweiß besteht. Diese tote Biomasse wird beim Absinken durch die Destruenten unter anderem zu Ammonium abgebaut. Diese Ammonium wiederum wird durch Nitritbakterien (Ammonifikation) zu Nitrit umgesetzt. Im nächsten Schritt wird dieses Nitrit durch Nitratbakterien zu Nitrat umgesetzt. Nun gibt es zwei Möglichkeiten für den weiteren Verlauf des Stickstoffkreislaufes. Auf der einen Seite wird durch denitrifizierende Bakterien das Nitrat zu elementarem Stickstoff umgesetzt. Anschließend wird dieser von den Knöllchenbakterien fixiert und durch nitrifizierende Bakterien wiederum in Ammonium umgesetzt. Damit schließt sich der Kreislauf auf der einen Seite.
Auf der anderen Seite wird das Nitrat in den Seeboden eingelagert. Von dort wird es von den Pflanzen aufgenommen. Man spricht hier von Stickstoffassimilation. Das Stickstoff wird schließlich zu Aminosäuren reduziert, die Bestandteil von Eiweißen sind. Diese Eiweiße werden Teil der Produzenten. Diese werden irgendwann wieder durch die Konsumenten gefressen. und da die Konsumenten wiederum tote Biomasse ergeben, schließt sich auch hier der Kreislauf.
oligotroph
nährstoffarm
eutroph
nährstoffreich
Eutrophierung
Vorgänge, die zur Anhäufung von Pflanzennährstoffen führen und zu einer erhöhten Produktion führen, nennt man Eutrophierung.
Eine anthropogen (durch den Menschen) verursachte Erhöhung des Nährstoffgehaltes eines Sees führt zu einem übermäßigen Wachstum des Phytoplankton und damit auch des Zooplanktons.
Die erhöhte Nährstoffkonzentration kommt durch den Eintrag von Haushalt- und Industrieabwässern zustande. Aber auch überschüssige Düngemittel gelangen über das Grundwasser in den See und führen dort zu einer vermehrten Produktion, d.h. zu einer Vermehrung von Phyto- und Zooplankton.
Stirbt das Zoo- und Phytoplankton ab, so fällt mehr tote Biomasse an, die abgebaut werden muss. Zuerst erfolgt der aerobe Abbau (siehe Stoffkreislauf). Ist der Sauerstoff verbraucht gehen die anaeroben Bakterien ans Werk.
Die dabei entstehenden Stoffe, einerseits Phosphat, das ebenfalls eine produktionssteigernde Wirkung hat, andererseits giftige Substanzen wie Methan oder Schwefelwasserstoff, führen im Zuge der Frühlingszirkulation zu einem wiederum vermehrten Wachstum und Absterben von Biomasse.
Im Extremfall einer Eutrophierung kommt es so zu einem völligem Sauerstoffverbrauch, was zum Aussterben der Organismen führt.
Umkippen
direkte Folge der Eutrophierung. Extremfall der Eutrophierung. Kennzeichnend ist der Übergang vom sauerstoffreichen in den sauerstoffarmen Zustand.
Sauerstoffhaushalt im See
Produzenten nehmen Kohlendioxid auf und geben Sauerstoff ab.
Dieser Sauerstoff wird einerseits von den Konsumenten verbraucht, wobei Kohlenstoffdioxid abgegeben wird (Dissimilation), andererseits wird Sauerstoff von den Destruenten beim Abbau der Biomasse verbraucht, dabei wird unter anderem ebenfalls Kohlenstoffdioxid frei.
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