215 5. Ökosysteme: Energie- Stoff- und Informationsfluss Drei Definitionsteile „Ökologie“:...

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5. Ökosysteme: Energie- Stoff- und Informationsfluss

Drei Definitionsteile „Ökologie“:- Interaktionen zwischen Organismen

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

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5.1 Energiefluss

SolarkonstanteErde

GlobalstrahlungÖkosystem

Produktivität

jährlich300 – 800KJ cm-2

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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

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Energieverlust ReflexionEvapotranspirationKonvektion

geringer Wirkungsgrad

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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)

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Produktivität weltweit

Unterschiede- terrestrisch- marin- innerhalb Gebiet

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

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Nahrungskette und Nahrungsnetz

Was macht ein Individuum mit der aufgenommenen Energie?

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Σ Individuen + trophische Ebenen:

Energieflussschemain einem Ökosystem

2 Grundtypen

Herbivorennahrungskette

Destruentennahrungskette (Bäche, Wüsten, Höhlen, Tiefsee)

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

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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

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metabolische Kosten undthermische Zusatzkosten

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

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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

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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

)

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4 grosse Speicher

Gestein Carbonate

Weltmeer CO2 H2CO3

Atmosphäre CO2

Biosphäre C organisch

biologische und geologische Prozesse eng gekoppelt

- im wesentlichen Gaskreislauf - zentral: Photosynthese

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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 %)

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1015 g C a-1

232

CO2 als Treibhausgas Temperaturerhöhung Klimawandel

232

Weltklima war immer variabelaktuelle Änderung in kürzester Zeit extreme Werte

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Sender EmpfängerNachrichtspezifisch: Signalunspez.: Hintergrundrauschen / noise

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

trotz Energiegehalt steht Informationsgehaltim Vordergrund

5.3 Informationsfluss

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physikalisch übertragene Information optisch akustisch magnetisch elektrisch infrarot

chemisch übertragene Information Pheromone Allomone Kairomone Synomone

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Vespidae (Wespen, Hornisse), Sphecidae (Grabwespen)

Apidae (Bienen, Hummeln), Mutillidae (Ameisenwespen)

Optischer Informationsfluss:Optische Ähnlichkeit giftiger Tiere:

(auch orange, rot, blau…)

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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

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kein Signal aussendenTarntracht, KrypsisMimeseWandelndes BlattSingzikade, Tintenfisch

SomatolyseSchwärmer, Seepferd

falsches Signal zur KörperpositionPinzettfisch, Zipfelfalter Thecla

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falsches Signal aussenden zum Beutefangaggressive Mimikry, Peckham‘sche Mimikry

Geierschildkröte Fangheuschrecke Leuchtkäfer

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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)

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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

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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

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Vorteil für Sender und Empfänger: Synomone

komplexe, tritrophische Interaktionen