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

5.1 Energiefluss jährlich 300 – 800 KJ cm-2 Solarkonstante Erde Globalstrahlung Ökosystem Produktivität 216

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 217

geringer Wirkungsgrad Energieverlust Reflexion Evapotranspiration Konvektion geringer Wirkungsgrad 217

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) 218

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

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

Herbivorennahrungskette Destruentennahrungskette (Bäche, Wüsten, Σ Individuen + trophische Ebenen: Energieflussschema in 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 221

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 222

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

wichtigste Flüsse für Organismen: H20, C, N, P, S, … 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 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) 228

biologische und geologische Prozesse eng gekoppelt 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 Biomasse Abbau CO2 + 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 %) 229

1015 g C a-1 230

CO2 als Treibhausgas Temperaturerhöhung Klimawandel 232

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

unspez.: Hintergrundrauschen / noise 5.3 Informationsfluss Sender Empfänger 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 239

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

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

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

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

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

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

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, Kirschfruchtfliege Alarmsubstanzen Aggregationssubstanzen (Borkenkäfer) * * 241

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

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 243