215

5. Ökosysteme: Energie- Stoff- und Informationsfluss

Drei Definitionsteile „Ökologie“:- Interaktionen zwischen Organismen

(Individuen, Populationen, Lebensgemeinschaften)- abiotische und biotische Umwelt- Energie-, Stoff- und Informationsfluss

216

5.1 Energiefluss

SolarkonstanteErde

GlobalstrahlungÖkosystem

Produktivität

jährlich300 – 800KJ cm-2

217

Photosynthese → Kohlenhydrate 17 KJ/gdiverse weitere Stoffwechselwege → Fette 40 KJ/g → Aminosäuren/Proteine 17 KJ/g

Kohlenhydrate:Hauptenergiespeicher der Pflanzen

• nur in Samen Öl / Fett

Fette:Hauptenergiespeicher von Tieren

• Unterhautfettgewebe der Säugetiere• Fettkörper der Arthropoden• ideal für Zugvögel / Winterschlaf

217

Energieverlust ReflexionEvapotranspirationKonvektion

geringer Wirkungsgrad

218

Biomasse eines Ökosystems = Σ autotropher + heterotropher Organismen

Bruttoprimärproduktion BPP = Σ photosynthetische + chemosynthetische Produktion inklusive Atmungsverluste

Nettoprimärproduktion NPP = BPP – Atmungsverluste

Nettoproduktion eines Ökosystems = NPP – Frass durch Herbivoren (das was übrig bleibt)

Bestandesbiomasse = standing crop (Alter des Ökosystems: Maisfeld vs. Wald)

219

Produktivität weltweit

Unterschiede- terrestrisch- marin- innerhalb Gebiet

Gründe- terrestrisch Niederschläge Kälte- marin Licht in Meerestiefe Nährstoffe an Oberfläche Meeresströmungen

220

Nahrungskette und Nahrungsnetz

Was macht ein Individuum mit der aufgenommenen Energie?

221

Σ Individuen + trophische Ebenen:

Energieflussschemain einem Ökosystem

2 Grundtypen

Herbivorennahrungskette

Destruentennahrungskette (Bäche, Wüsten, Höhlen, Tiefsee)

221

Nahrungsketten haben energetische Basis• trophische Ebenen• ökologische Effizienz • Akkumulation von Verlusten• begrenzt Länge der Ketten

222

Konsumptionseffizienz I2/P1

50 % Zooplankton vom Phytoplankton 25 % Herbivore in Graslandökosystemen 1-5 % Herbivore in Wald gemässigter Zone

Assimilatorische Effizienz A2/I2

fast 100 % viele Bakterien und Pilze ca. 80 % Carnivore bis 70 % Herbivore: Samen + Früchte bis 50 % Herbivore: Blätter 15 % Herbivore: Holz 20 – 40 % Detritivore

224

metabolische Kosten undthermische Zusatzkosten

Energetische Kosten sind grössenabhängig- Volumen – Flächenrelation- energetische Untergrenze von Säugetieren- kleine Organismen sind poikilotherm- wegen grösserer Körperoberfläche Probleme mit Wasserhaushalt

228

5.2 Stofffluss

wichtigste Flüsse für Organismen: H20, C, N, P, S, …

exemplarisch: Kohlenstoff (nur 0,1 % der Erdmasse)

Drei Ebenen:- wozu brauchen Organismen Kohlenstoff?- C-Fluss im System- anthropogene Veränderungen

228

geologisch: C via Vulkanismus aus Erde (CO2, CO, CH4) Gase in Wasser gelöstals Carbonate gefällt

biogen: aquatische Organismen entziehen Wasser Carbonat: Algen, Foraminiferen (unten), Korallen, Bryozoa (oben), MuschelnSedimentation: Calcit, Kreide, Kalkstein, Marmorgeologische Faltungen: Alpen, Pyrenäen, Himalaja

(Hae

ckel

)

229

4 grosse Speicher

Gestein Carbonate

Weltmeer CO2 H2CO3

Atmosphäre CO2

Biosphäre C organisch

biologische und geologische Prozesse eng gekoppelt

- im wesentlichen Gaskreislauf - zentral: Photosynthese

229

Biomasse tote BiomasseAbbau CO2 + Niedermolekulares

Kreislaufgedanke

HumusHuminsäure, Fulvosäuren TorfbildungKohlebildungErdöl, Erdgas → fossile Energieträger → Entzug C aus aktivem FlussAber: der weitaus grösste Teil der Biomasse wird wieder abgebaut (> 99,9 %)

230

1015 g C a-1

232

CO2 als Treibhausgas Temperaturerhöhung Klimawandel

232

Weltklima war immer variabelaktuelle Änderung in kürzester Zeit extreme Werte

239

Sender EmpfängerNachrichtspezifisch: Signalunspez.: Hintergrundrauschen / noise

Kehlkopf Schallwellen OhrIntegument Farbe Auge Duftorgane Moleküle RezeptorenAntheren Pollen Stigma / Narbe

trotz Energiegehalt steht Informationsgehaltim Vordergrund

5.3 Informationsfluss

239

physikalisch übertragene Information optisch akustisch magnetisch elektrisch infrarot

chemisch übertragene Information Pheromone Allomone Kairomone Synomone

239

Vespidae (Wespen, Hornisse), Sphecidae (Grabwespen)

Apidae (Bienen, Hummeln), Mutillidae (Ameisenwespen)

Optischer Informationsfluss:Optische Ähnlichkeit giftiger Tiere:

(auch orange, rot, blau…)

239

Syrphidae Lepidoptera, Sesiidae: CerambycidaeSchwebfliege Hornissenschwärmer Bockkäfer

Asilidae Stratiomyidae TabanidaeRaubfliege Waffenfliege Bremse

Optischer Informationsfluss:Optische Ähnlichkeit ungiftiger Tiere:

239

Optische Ähnlichkeit giftiger Tiereprofitieren von Vermeideverhaltengemeinsamer Prädatoren (Lernhilfe)Warnfarbe = aposematische Färbungechte Mimikry = Müller‘sche Mimikry

Optische Ähnlichkeit ungiftiger Tiere profitieren von Schutz durch MM

unechte Warnfarbe (Verwechslung) Bates‘sche Mimikry

Vorbild – Nachahmerechte und falsche Information

239

kein Signal aussendenTarntracht, KrypsisMimeseWandelndes BlattSingzikade, Tintenfisch

SomatolyseSchwärmer, Seepferd

falsches Signal zur KörperpositionPinzettfisch, Zipfelfalter Thecla

239

falsches Signal aussenden zum Beutefangaggressive Mimikry, Peckham‘sche Mimikry

Geierschildkröte Fangheuschrecke Leuchtkäfer

240

akustische Information: Vogelgesang

Ultraschall: Wale, Fledermäuse, einige Vögel Magnetfeld: Zugvögel, Honigbienen

elektrisches Feld: Haie, elektrische Fische

Infrarot: Zecken, Schlangen, Prachtkäfer

241

Chemisch übertragene Information

Innerartlich: Pheromone

Zwischenartlich: Allomone (Vorteil Sender)

Kairomone (Vorteil Empfänger)

Synomone (Vorteil Sender und

Empfänger)

241

Innerartliche Information: Pheromone

Primer-Pheromone: langlebig, Kasten sozialer Insekten, Entwicklungshemmstoff Arbeiterin

Sexuallockstoffe (*)Territorialmarkierung: Parasitoide, KirschfruchtfliegeAlarmsubstanzenAggregationssubstanzen (Borkenkäfer)

* *

241

Zum Vorteil des Senders: Allomone

Verteidigungssubstanzen Wehrsekrete, Toxine, Pflanzeninhaltstoffe, Antibiotika LocksubstanzenAmeiseninquilinen

OrchideeOphrys sphecodesSpinnenragwurzWildbieneAndrena nigroaenea

243

Zum Nachteil des Senders: Kairomone (unvermeidbare Abgabe)

Chemische Signale (Pheromone, Allomone) werden verwendet, um Sender zu finden

Spezialisierte Herbivore finden Pflanzen im Duftgradienten ihrer Verteidigungsstoffe

Beutetiere nutzen Signalstoffe eines Räubers, um ihn zu meiden

243

Vorteil für Sender und Empfänger: Synomone

komplexe, tritrophische Interaktionen