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215 5. Ökosysteme: Energie- Stoff- und Informationsfluss Drei Definitionsteile „Ökologie“: -Interaktionen zwischen Organismen (Individuen, Populationen,

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1 Ökosysteme: Energie- Stoff- und Informationsfluss Drei Definitionsteile „Ökologie“: -Interaktionen zwischen Organismen (Individuen, Populationen, Lebensgemeinschaften) -abiotische und biotische Umwelt -Energie-, Stoff- und Informationsfluss

2 Energiefluss Solarkonstante Erde Globalstrahlung Ökosystem Produktivität jährlich 300 – 800 KJ cm -2

3 217 Photosynthese → Kohlenhydrate 17 KJ/g diverse 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

4 217 Energieverlust Reflexion Evapotranspiration Konvektion geringer Wirkungsgrad

5 218 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)

6 219 Produktivität weltweit Unterschiede - terrestrisch - marin - innerhalb Gebiet Gründe - terrestrisch Niederschläge Kälte - marin Licht in Meerestiefe Nährstoffe an Oberfläche Meeresströmungen

7 220 Nahrungskette und Nahrungsnetz Was macht ein Individuum mit der aufgenommenen Energie?

8 221 Σ Individuen + trophische Ebenen: Energieflussschema in einem Ökosystem 2 Grundtypen Herbivorennahrungskette Destruentennahrungskette (Bäche, Wüsten, Höhlen, Tiefsee)

9 221 Nahrungsketten haben energetische Basis trophische Ebenen ökologische Effizienz Akkumulation von Verlusten begrenzt Länge der Ketten

10 222 Konsumptionseffizienz I 2 /P 1 50 % Zooplankton vom Phytoplankton 25 % Herbivore in Graslandökosystemen 1-5 % Herbivore in Wald gemässigter Zone Assimilatorische Effizienz A 2 /I 2 fast 100 % viele Bakterien und Pilze ca. 80 % Carnivore bis 70 % Herbivore: Samen + Früchte bis 50 % Herbivore: Blätter 15 % Herbivore: Holz 20 – 40 % Detritivore

11 224 metabolische Kosten und thermische Zusatzkosten Energetische Kosten sind grössenabhängig - Volumen – Flächenrelation - energetische Untergrenze von Säugetieren - kleine Organismen sind poikilotherm - wegen grösserer Körperoberfläche Probleme mit Wasserhaushalt

12 Stofffluss wichtigste Flüsse für Organismen: H 2 0, C, N, P, S, … exemplarisch: Kohlenstoff (nur 0,1 % der Erdmasse) Drei Ebenen: - wozu brauchen Organismen Kohlenstoff? - C-Fluss im System - anthropogene Veränderungen

13 228 geologisch: C via Vulkanismus aus Erde (CO 2, CO, CH 4 ) Gase in Wasser gelöst als Carbonate gefällt biogen: aquatische Organismen entziehen Wasser Carbonat: Algen, Foraminiferen (unten), Korallen, Bryozoa (oben), Muscheln Sedimentation: Calcit, Kreide, Kalkstein, Marmor geologische Faltungen: Alpen, Pyrenäen, Himalaja (Haeckel)

14 229 4 grosse Speicher Gestein Carbonate Weltmeer CO 2 H 2 CO 3 Atmosphäre CO 2 Biosphäre C organisch biologische und geologische Prozesse eng gekoppelt - im wesentlichen Gaskreislauf - zentral: Photosynthese

15 229 Biomasse tote Biomasse Abbau CO 2 + Niedermolekulares Kreislaufgedanke Humus Huminsäure, Fulvosäuren Torfbildung Kohlebildung Erdöl, Erdgas → fossile Energieträger → Entzug C aus aktivem Fluss Aber: der weitaus grösste Teil der Biomasse wird wieder abgebaut (> 99,9 %)

16 g C a -1

17 232 CO 2 als Treibhausgas Temperaturerhöhung Klimawandel

18 232 Weltklima war immer variabel aktuelle Änderung in kürzester Zeit extreme Werte

19 239 SenderEmpfänger Nachricht spezifisch: Signal unspez.: Hintergrundrauschen / noise Kehlkopf Schallwellen Ohr Integument Farbe Auge Duftorgane Moleküle Rezeptoren Antheren Pollen Stigma / Narbe trotz Energiegehalt steht Informationsgehalt im Vordergrund 5.3 Informationsfluss

20 239 physikalisch übertragene Information optisch akustisch magnetisch elektrisch infrarot chemisch übertragene Information Pheromone Allomone Kairomone Synomone

21 239 Vespidae (Wespen, Hornisse), Sphecidae (Grabwespen) Apidae (Bienen, Hummeln), Mutillidae (Ameisenwespen) Optischer Informationsfluss: Optische Ähnlichkeit giftiger Tiere: (auch orange, rot, blau…)

22 239 Syrphidae Lepidoptera, Sesiidae: Cerambycidae Schwebfliege Hornissenschwärmer Bockkäfer Asilidae Stratiomyidae Tabanidae Raubfliege Waffenfliege Bremse Optischer Informationsfluss: Optische Ähnlichkeit ungiftiger Tiere:

23 239 Optische Ähnlichkeit giftiger Tiere profitieren von Vermeideverhalten gemeinsamer Prädatoren (Lernhilfe) Warnfarbe = aposematische Färbung echte Mimikry = Müller‘sche Mimikry Optische Ähnlichkeit ungiftiger Tiere profitieren von Schutz durch MM unechte Warnfarbe (Verwechslung) Bates‘sche Mimikry Vorbild – Nachahmer echte und falsche Information

24 239 kein Signal aussenden Tarntracht, Krypsis Mimese Wandelndes Blatt Singzikade, Tintenfisch Somatolyse Schwärmer, Seepferd falsches Signal zur Körperposition Pinzettfisch, Zipfelfalter Thecla

25 239 falsches Signal aussenden zum Beutefang aggressive Mimikry, Peckham‘sche Mimikry Geierschildkröte Fangheuschrecke Leuchtkäfer

26

27 240 akustische Information: Vogelgesang Ultraschall: Wale, Fledermäuse, einige Vögel Magnetfeld: Zugvögel, Honigbienen elektrisches Feld: Haie, elektrische Fische Infrarot: Zecken, Schlangen, Prachtkäfer

28 241 Chemisch übertragene Information Innerartlich: Pheromone Zwischenartlich: Allomone (Vorteil Sender) Kairomone (Vorteil Empfänger) Synomone (Vorteil Sender und Empfänger)

29 241 Innerartliche Information: Pheromone Primer-Pheromone: langlebig, Kasten sozialer Insekten, Entwicklungshemmstoff Arbeiterin Sexuallockstoffe (*) Territorialmarkierung: Parasitoide, Kirschfruchtfliege Alarmsubstanzen Aggregationssubstanzen (Borkenkäfer) * *

30 241 Zum Vorteil des Senders: Allomone Verteidigungssubstanzen Wehrsekrete, Toxine, Pflanzeninhaltstoffe, Antibiotika Locksubstanzen Ameiseninquilinen Orchidee Ophrys sphecodes Spinnenragwurz Wildbiene Andrena nigroaenea

31 243 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

32 243 Vorteil für Sender und Empfänger: Synomone komplexe, tritrophische Interaktionen


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