Ökologie

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Einleitung

Ökologie, Lehre von den Wechselbeziehungen der Lebewesen untereinander und mit ihrer Umwelt.

Zur belebten Umwelt eines Lebewesens gehören sowohl seine Artgenossen als auch die Lebewesen anderer Arten. Die Beziehungen beschränken sich nicht nur auf Pflanzen und Tiere, sondern schließen auch Pilze und Mikroorganismen ein. Die unbelebte Umwelt umfasst die Nährstoffe im Boden, im Wasser und in der Atmosphäre sowie das Klima. Beim Klima relevant sind Licht und Wärme bzw. Sonneneinstrahlung, Feuchtigkeit, Wind und die Zusammensetzung der Luft. Wichtig sind dabei vor allem die Anteile von Sauerstoff und Kohlendioxid.

Die Ökologie wird in mehrere Teilbereiche gegliedert: Gegenstand der Autökologie sind die Beziehungen einzelner Organismen zu den Umweltfaktoren. Im Gegensatz dazu untersucht die Synökologie Ökosysteme, in deren Lebensgemeinschaften (Biozönosen) und Lebensräumen (Biotope) alle Bewohner auf vielfältige Art miteinander verknüpft sind. Schwerpunkt der Populationsökologie (auch Demökologie genannt) sind die Wechselbeziehungen zwischen Individuen derselben Art innerhalb einer Population. Eine andere Gliederung unterscheidet Tier- und Pflanzenökologie.

Aufgrund der verschiedenen wissenschaftlichen Ansätze, mit denen man Organismen in ihrer Umwelt studieren kann, ist die Ökologie eine stark interdisziplinäre Wissenschaft: Neben der Biologie spielen insbesondere Chemie, Physik, Geologie, Klimatologie, Hydrologie, Ozeanographie, Vegetationskunde und Bodenkunde eine große Rolle. Um die Wechselwirkungen zwischen Organismen zu untersuchen, nutzt die Ökologie Erkenntnisse aus Verhaltensforschung, Physiologie, Biochemie, Systematik und Statistik. Wichtige Teilgebiete der Ökologie sind die Limnologie und die marine Ökologie (Ökologie der Meere; beide werden oft als aquatische Ökologie zusammengefasst), die terrestrische Ökologie als deren Gegenstück, die Evolutionsökologie und die Verhaltensökologie. Stark anwendungsorientierte Zweige sind die Geoökologie, die Landschaftsökologie und die Stadtökologie.

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Grundlagen

2.1

Die Biosphäre der Erde

In der dünnen belebten äußeren Schicht der Erde laufen alle ökologischen Prozesse ab. Sie wird Biosphäre genannt und umfasst sowohl die Erdoberfläche als auch die tieferen Schichten der Atmosphäre. Die Biosphäre kann auf verschiedene Weise unterteilt werden. Als Biom bezeichnet man einen großen, einheitlichen Lebensraum, der unter bestimmten Klimaverhältnissen entstanden ist und über eine charakteristische Pflanzenwelt (Flora) und Tierwelt (Fauna) verfügt. Große Vegetationseinheiten wie der tropische Regenwald heißen Pflanzenformationen. Da Pflanzen die Grundlage der Nahrungsnetze sind und Lebensräume entscheidend gestalten, werden die Biome in der Regel nach dem vorherrschenden Bewuchs eingeteilt.

Die Biome variieren von den Tropen bis zur Arktis. Sie werden durch die geographische Lage sowie die Höhe über dem Meeresspiegel und die entsprechenden Klimaverhältnisse beeinflusst. Biome umfassen verschiedene Formen von Wäldern, Grasländern, Wüsten sowie die Tundra. Sie schließen auch die in ihnen liegenden Süßwasserbiotope wie Flüsse, Bäche, Seen, Weiher, Tümpel und andere Feuchtgebiete ein. Die Lebensräume der Meere werden von manchen Ökologen ebenfalls als Biome angesehen. Sie umfassen das offene Meer (Pelagial), die Küstengebiete, den Meeresgrund (Abyssal), die Tiefwasserzone (Benthal), Fels- und Sandküsten, Flussmündungen wie Ästuare und Deltas sowie Wattenmeere.

2.2

Ökosysteme

Um die ökologischen Prozesse in einem Lebensraum (Biotop) zu verstehen, muss man ihn als Ökosystem betrachten. Diesen abstrakten Begriff prägte 1935 der britische Pflanzenökologe Sir Arthur George Tansley. Gemeint ist damit die Vorstellung eines Lebensraumes als zusammengehöriges Ganzes, dessen Teile als Einheit funktionieren und sich in wechselseitigem Austausch befinden. Ein Ökosystem besteht aus Produzenten (Pflanzen und autotrophen Mikroorganismen), Konsumenten (Pflanzenfressern und Fleischfressern), Destruenten (Organismen wie Pilzen und Bakterien, die tote Biomasse zersetzen) sowie abiotischen Faktoren, z. B. Nährstoffen.

Ökosysteme sind sehr unterschiedlich. So kann ein Tümpel oder der Abschnitt eines Flusslaufes ein Ökosystem sein. Aber auch die Gesamtheit aller Wälder eines bestimmten Typs, etwa die borealen Nadelwälder, oder die gesamte Erde gelten – je nach Betrachter – als Ökosysteme. Es sind offene Systeme, d. h., von außen gelangen Sonnenenergie, Wasser, Sauerstoff, Kohlendioxid, Stickstoff und andere chemische Moleküle hinein. Die Lebewesen wiederum entnehmen der Umwelt Nährstoffe, verändern die Zusammensetzung von Luft und Wasser und produzieren durch ihren Stoffwechsel Wärme, Wasser, Sauerstoff, Kohlendioxid und andere Ausscheidungsprodukte.

2.3

Energie und Nährstoffe

Ökosysteme sind auf Energie angewiesen, die dem System von außen zugeführt werden muss. Als Energiequelle dient fast immer Sonnenlicht. Zum Aufbau von Biomasse sind Nährstoffe (u. a. Proteine, Kohlenhydrate, Fette, Nährsalze) nötig. Destruenten zersetzen alle toten Lebewesen und führen dem Boden Nährstoffe zu (siehe Fäulnis und Verwesung). Beide Faktoren, Energie und Nährstoffe, fließen innerhalb eines Ökosystems in verschiedenen Kreisläufen. Ihre Analyse bringt wichtige Erkenntnisse über jedes einzelne System, außerdem lassen sich Ökosysteme miteinander vergleichen. Allgemein gilt, dass in einem Ökosystem die Energie durch die Organismen bestmöglich ausgenutzt wird.

Pflanzen können die Sonnenenergie durch Photosynthese in Form energiereicher Moleküle binden. Erst dadurch wird sie für die anderen Lebewesen verfügbar. Die Pflanzen selbst nutzen die Moleküle, um ihre Zellen und Gewebe aufzubauen und Energie zu speichern. Pflanzen- und Fleischfresser sowie Parasiten nutzen einen Teil dieser Energie. Die meisten geben wiederum einen Teil an andere Organismen weiter, die sich von ihnen ernähren. Dieses System untereinander verknüpfter Nahrungsketten wird als Nahrungsnetz bezeichnet. Durch die Destruenten entsteht Humus. Dieses nährstoffreiche organische Material benötigen wiederum die Pflanzen für ihr Wachstum.

Die pflanzliche Nahrungskette beginnt bei den Pflanzen und verläuft über die Pflanzenfresser (Herbivoren) und eine oder mehrere Ebenen von Fleischfressern (Carnivoren). Die Nahrungskette der Destruenten beginnt dagegen mit der abgestorbenen organischen Substanz (Detritus). Beispiele für Detritus sind Kadaver, abgestoßene Tierhäute, verwelkte Pflanzen, herabgefallene Blätter und tote Baumstümpfe. Von diesen Stoffen ernähren sich die Saprophagen: eine Vielzahl an Bakterien, Einzellern, Pilzen und Kleintieren (siehe Bodenorganismen), die wiederum von anderen Lebewesen gefressen werden. Beide Nahrungsketten sind über Mitglieder miteinander verbunden, die mehrere Nahrungsquellen nutzen oder mehreren Tierarten als Nahrung dienen.

Pflanzen, Pflanzenfresser und Fleischfresser bilden verschiedene so genannte trophische Ebenen eines Nahrungsnetzes. Die Zahl dieser trophischen Ebenen ist begrenzt, weil bei jedem Übergang von einer Ebene zur nächsten ein großer Teil der gespeicherten Energie verloren geht. Dies geschieht vorwiegend als Wärme durch die Atmung und andere Stoffwechselvorgänge, aber auch in Form von Ausscheidungsprodukten. Im Durchschnitt beträgt der Energieverlust jeder Stufe etwa 90 Prozent, d. h., nach vier Übergängen ist nur noch ein Zehntausendstel der ursprünglich gespeicherten Energie verfügbar. Dieser Verlust wirkt sich auf die Biomasse aus, die von den Mitgliedern jeder trophischen Ebene erzeugt wird. Daher gibt es beispielsweise mehr Hirsche als Wölfe oder Luchse. Wegen der abnehmenden Biomasse von der Basis (Pflanzen) zur Spitze des Nahrungsnetzes (Gipfelräuber: Fleischfresser ohne Fressfeinde) spricht man auch von einer Nahrungspyramide.