2.

Grundlagen

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.

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.

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.

4.

Störungen des Gleichgewichts

Im Nährstoffkreislauf eines Ökosystems gibt es regelmäßig Verluste, die ausgeglichen werden müssen, damit das System funktionieren kann. Verloren gehen Nährstoffe beispielsweise, indem sie aus dem Boden ausgewaschen, in Flüssen abtransportiert und in tiefer liegenden Gebieten abgelagert werden. Auch Wind und andere Einflüsse können eine solche Erosion bewirken. Der Mensch entzieht Ökosystemen oft zu große Mengen an Nährstoffen, indem er Bäume fällt oder Äcker (künstliche Agrarökosysteme) aberntet. Wird ein übermäßiger Nährstoffverlust nicht ersetzt, kommt es allmählich zu einer Bodenverschlechterung, die bald auch Änderungen in der Artenzusammensetzung der Biozönose zur Folge hat. Aus diesem Grund müssen landwirtschaftlich genutzte Flächen regelmäßig gedüngt werden, um gleich bleibende Erträge zu sichern.

Aufgenommen werden Nährstoffe beispielsweise in Form verwitterten Gesteins oder als gelöste Stoffe in Niederschlägen. Im Allgemeinen können Ökosysteme – vor allem aquatische – durch Selbstreinigung eine dauerhafte Verschiebung ihres Gleichgewichts vermeiden. Die Umweltverschmutzung, die Verunreinigung von Luft, Wasser oder Boden, führt aber in vielen Ökosystemen zu einer zusätzlichen, einseitigen Nährstoffzufuhr. Infolge der Überdüngung landwirtschaftlicher Flächen sowie in Abwässern und Industrieabfällen gelangen Nähr- oder Schadstoffe ins Grundwasser und von dort über Bäche, Flüsse und Seen ins Meer. Diese Stoffe können die Lebewesen eines Ökosystems direkt schädigen oder das Wachstum mancher Arten so stark anregen, dass diese andere Arten schädigen oder verdrängen. Manche Ökosysteme brechen infolge von Eutrophierung zusammen.

Beispiele für direkt schädliche Stoffe sind die mit Schwefeldioxid und Stickoxiden angereicherten Abgase aus Industriegebieten. Mit Niederschlagswasser wandeln sie sich in Schwefel- und Salpetersäure und bilden sauren Regen. Dieser verändert das Verhältnis von Säuren und Basen in Land- und Meeresökosystemen, so dass z. B. Fische und im Wasser lebende wirbellose Tiere absterben können. Der Säuregehalt des Bodens kann ansteigen (siehe Bodenversauerung) und die Zusammensetzung der Pflanzen- und Tierwelt kann sich deutlich verändern. Viele Arten in natürlichen Ökosystemen sind stark auf Umweltbedingungen spezialisiert, d. h., sie sind stenök. Daher sind sie anfällig für Veränderungen und können durch Umweltverschmutzung vom Aussterben bedroht sein.

Siehe auch Kohlenstoffkreislauf; Stickstoffkreislauf