Lösungen zu Check-up Ökologie
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Abiotische Umweltfaktoren
Aufgabe 1
a 1 = Toleranzbereich; 2 = (physiologisches) Optimum; 3 = Minimum; 4 = Maximum
b Das Minimum und das Maximum sind die Grenzwerte, die von einem Organismus langfristig ertragen werden. Bei Temperaturen darunter oder darüber verfällt die Echse zunächst in eine Starre, bei noch niedrigeren oder höheren Temperaturen stirbt sie. Die Spanne zwischen Minimum und Maximum ist der Toleranzbereich, innerhalb dessen die Temperaturbedingungen für die Echse günstig sind. Den Punkt oder Bereich, in dem die Intensität der Lebensvorgänge am höchsten ist, nennt man (physiologisches) Optimum.
c Die Körpertemperatur wechselwarmer Tiere folgt der Umgebungstemperatur. Gleichwarme Tiere hingegen sind in der Lage, ihre Körpertemperatur weitgehend unabhängig von der Umgebungstemperatur in einem gewissen Bereich konstant zu halten. Ihre Temperaturtoleranzkurve zeigt also durchschnittlich sowohl einen größeren Toleranz- als auch Optimumsbereich.
d Gleichwarme Tiere einer Art oder nahe verwandter Arten sind in kalten Gebieten oft größer als in warmen (Bergmann‘sche Regel) und haben Körperanhänge von relativ geringerer Länge (Allen‘sche Regel).
e Kennt man die Toleranzkurve einer Art in Bezug auf einen Umweltfaktor, kann man aus dem Auftreten der Art an einem bestimmten Ort auf die Intensität dieses Umweltfaktors schließen. Vor allem stenöke Arten mit engem Toleranzbereich können deshalb als Zeigerarten für bestimmte Umweltfaktoren verwendet werden. So sind beispielsweise Heidelbeeren Indikatoren für saure Böden oder Eintagsfliegenlarven für wenig verschmutzte Gewässerbereiche.
Aufgabe 2
a Der grundlegende Aufbau beider Laubblatttypen ist identisch: Sie sind nach außen von einer Epidermis begrenzt, auf der eine Cuticula aufliegt. Unter der oberen Epidermis liegt das Palisadengewebe und darunter das Schwammgewebe, beide enthalten Chloroplasten. In der unteren Epidermis befinden sich Spaltöffnungen. Bei Lichtblättern, die hohen Lichtintensitäten ausgesetzt sind, ist das Palisadengewebe dichter und auch dicker, häufig ist es mehrschichtig. Auch das Schwammgewebe ist dicker als bei Schattenblättern, die weniger intensiv von Licht bestrahlt werden. Dadurch sind Lichtblätter dicker und satter grün gefärbt als Schattenblätter. Auch die Cuticulae können bei Lichtblättern dicker sein. Außerdem haben Lichtblätter im Durchschnitt eine kleinere Fläche als Schattenblätter.
b Der Lichtsättigungspunkt ist die Lichtintensität, ab der sich die Fotosyntheseleistung einer Pflanze oder eines Laubblatts durch Erhöhung der Lichtintensität nicht weiter steigern lässt. Der Lichtkompensationspunkt bezeichnet die Lichtintensität, bei der die Fotosyntheseaktivität einer Pflanze oder eines Laubblatts der Zellatmungsaktivität entspricht, also genauso viel Kohlenstoffdioxid aufgenommen wie abgegeben wird.
c Durch die dünneren chloroplastenhaltigen Gewebe besitzen Schattenblätter weniger Chloroplasten und erreichen daher schon bei geringerer Lichtintensität ihren Lichtsättigungspunkt. Höheren Lichtintensitäten sind sie selten ausgesetzt. Lichtblätter können auch bei höherer Lichtintensität noch ihre Fotosyntheseleistung steigern. Auch der Lichtkompensationspunkt von Schattenblättern liegt niedriger. Sie können also schon bei weniger Lichteinstrahlung mehr Kohlenstoffdioxid aufnehmen, als sie abgeben, also mehr Fotosynthese betreiben als Zellatmung. Grund dafür ist, dass der Energiebedarf, der durch die Zellatmung gedeckt werden muss, bei den dünnen Schattenblättern geringer ist. So sind beide Blatttypen an die Lichtverhältnisse, denen sie ausgesetzt sind, angepasst: Schattenblätter haben auch bei geringer Lichtintensität eine positive Energiebilanz. Lichtblätter benötigen dafür höhere Lichtintensitäten, können dann aber auch deutlich mehr Fotosynthese betreiben und ihre Energiebilanz bis hin zu sehr hoher Lichteinstrahlung noch verbessern.
d Beispiele sind Wasser, Temperatur, pH-Wert des Bodens, Salzgehalt des Bodens.
Biotische Umweltfaktoren
Aufgabe 3
a A = Parasitismus und Räuber-Beute-Beziehung; B = Symbiose; C = Konkurrenz
b A: Bei Parasitismus lebt eine Art, der Parasit (Lebewesen 2), auf Kosten einer anderen, des Wirts (Lebewesen 1). Der Wirt wird zwar vom Parasiten nicht unbedingt getötet, aber er erleidet Nachteile. Bei einer Räuber-Beute-Beziehung wird die Beute (Lebewesen 1) vom Räuber (Lebewesen 2) getötet und gefressen. Der Räuber schadet also der Beute und zieht selbst einen Nutzen daraus.
B: Symbiose bezeichnet die Vergesellschaftung von Lebewesen zweier Arten zum beiderseitigen Vorteil.
C: Eine Konkurrenzsituation zwischen zwei Individuen derselben Art (intraspezifische Konkurrenz) oder verschiedener Arten (interspezifische Konkurrenz) ist für beide Lebewesen nachteilig, da jeder der Konkurrenten dem anderen eine Ressource streitig macht.
c Die ökologische Nische einer Art ist die Gesamtheit ihrer Ansprüche an ihre Umwelt. Dabei besitzt die Art für jeden Umweltfaktor eine bestimmte Potenz, das ist der Toleranzbereich für verschiedene Ausprägungen des Umweltfaktors. Mit der physiologischen Potenz wird der theoretisch mögliche Toleranzbereich ohne Konkurrenz bezeichnet. Die physiologischen Potenzen für alle Umweltfaktoren, die die ökologische Nische einer Art definieren, bilden zusammen die Fundamentalnische der Art.
Der reale Toleranzbereich unter Berücksichtigung der Konkurrenz durch andere Arten, also das tatsächliche Vorkommen unter Konkurrenz, kann der physiologischen Potenz entsprechen, muss aber nicht. Er ist die ökologische Potenz einer Art. Die Gesamtheit der ökologischen Potenzen einer Art bezeichnet man daher als realisierte ökologische Nische.
Durch Ausbildung realisierter ökologischer Nischen können Konkurrenten im selben Lebensraum koexistieren. Ist das nicht möglich, weil die Fundamentalnischen zweier Arten identisch sind, wird eine der Arten durch die andere verdrängt. Das nennt man Konkurrenzausschluss.
Aufgabe 4
a
*** Bild folgt in Kürze. Danke für deine Geduld. ***
b In der lag-Phase vermehren sich die Bakterien nur langsam. Dann tritt die Population in die log-Phase ein, in der sie exponentiell wächst. Werden die Ressourcen, beispielsweise Nahrung, knapp, gleichen sich Vermehrungs- und Sterberate aus und die stationäre Phase beginnt. Sie dauert an, bis die Ressourcen erschöpft sind und die Bakterien in größerer Zahl absterben als sich teilen. In dieser Absterbephase sinkt die Populationsgröße.
c Da r-Strategen eine hohe Vermehrungsrate haben, können ihre Populationen sehr schnell wachsen. Durch eine kurze Lebensdauer, variable Umweltbedingungen und häufige Katastrophen sind Populationswachstum und -größe von r-Strategen aber starken Schwankungen unterworfen.
K-Strategen mit einer niedrigen Vermehrungsrate zeigen ein schwächeres Populationswachstum. Dieses unterliegt aber wie die Populationsgröße geringeren Schwankungen, bedingt durch eine lange Lebensdauer, konstante Umweltbedingungen und seltene Katastrophen bei den K-Strategen.
d Am Anfang ist die Zahl der Räuber verhältnismäßig hoch und die der Beutetiere verhältnismäßig niedrig. Die Räuber haben Schwierigkeiten, genügend Beute zu finden. Viele von ihnen sterben, ihre Anzahl sinkt. Dadurch verbessern sich die Bedingungen für die Beutetiere, denn sie werden nicht mehr so stark bejagt. Sie können sich stark vermehren, ihre Anzahl steigt. Somit haben die Räuber nun wieder mehr Nahrung zur Verfügung. Sie pflanzen sich in großer Zahl fort, ihre Population vergrößert sich. Das wiederum verschlechtert die Bedingungen für die Beutetiere, von denen viele den Räubern zum Opfer fallen. Ihre Anzahl sinkt wieder. Das wiederum beeinflusst die Räuber und ein neuer Zyklus beginnt. Durch dieses Prinzip der negativen Rückkopplung schwanken die Populationsgrößen von Räuber und Beute periodisch um einen Mittelwert, der langfristig konstant ist. Dabei folgt die insgesamt niedrigere Populationsgröße der Räuber jener der Beutetiere.
e Werden Räuber und Beute gleich stark vermindert, so erholt sich die Population der Beute schneller als die der Räuber.
f Beispiele: Bejagung der Beute durch andere Räuber, größeres Nahrungsspektrum der Räuber, Beeinflussung der Nahrungsmenge für die Beute durch abiotische Umweltfaktoren
g Parasiten und ihre Wirte beeinflussen ihre Populationsgrößen gegenseitig vermutlich durch eine ähnlich negative Rückkopplung wie Räuber und Beutetiere, da Parasiten ihren Wirten schaden und die Wirte den Parasiten nutzen. Allerdings besteht dieser Schaden im Allgemeinen nicht darin, dass der Wirt getötet wird, es wird eher seine Vermehrungsfähigkeit eingeschränkt. Die Anzahl an Wirten wird durch eine hohe Parasitenanzahl also wahrscheinlich nicht so stark vermindert. Außerdem sind die Populationsgrößen von Parasiten im Allgemeinen höher als die ihrer Wirte.
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Aufgabe 5
a Produzenten sind autotrophe Organismen, z. B. Pflanzen, die Fotosynthese betreiben. Damit stellen sie den heterotrophen Konsumenten energiereiche organische Verbindungen als Nahrung zur Verfügung. Konsumenten nehmen diese Verbindungen durch den Verzehr der Biomasse der Produzenten oder durch den Verzehr anderer Konsumenten auf. Die Rolle der Destruenten besteht darin, organische Stoffe aufzunehmen und zu zersetzen, wobei die Abbauprodukte dann wieder den Produzenten zur Verfügung stehen.
b Am Anfang einer Nahrungskette steht ein Produzent, der von einem Konsumenten 1. Ordnung gefressen wird. Dieser wiederum wird von einem weiteren Konsumenten verzehrt, so wird die Nahrungskette fortgeführt, an deren Ende der Endkonsument steht. Die Konsumenten ernähren sich jedoch nicht nur von Organismen einer Art, sondern haben im Allgemeinen ein größeres Nahrungsspektrum. Dadurch verzweigen sich Nahrungsketten, sodass letztlich alle Nahrungsketten eines Ökosystems zusammen ein Nahrungsnetz bilden.
c Alle Organismen eines Nahrungsnetzes bestehen aus organischen Verbindungen. Destruenten nehmen diese in Form von abgestorbenen Pflanzenteilen sowie in Form von tierischem Kot und Aas auf und zersetzen sie.
d Die Produzenten, Grünalgen und Phytoplankton, dienen den Konsumenten 1. Ordnung, Zooplankton und Weichtieren, als Futter. Dabei können die Konsumenten nur einen geringen Teil der pflanzlichen Biomasse für den Aufbau eigener Biomasse verwenden. Ihre eigene Biomasse ist also geringer als die der Organismen auf der Trophieebene unter ihnen. Dasselbe gilt für die Wattvögel als Konsumenten 2. Ordnung und die Seeadler als Konsumenten 3. Ordnung. Daher nimmt die Biomasse mit jeder Trophieebene ab, es entsteht eine Pyramidenform.
e Die Energie gelangt in Form von Lichtenergie des Sonnenlichts in das Ökosystem. Sie wird von den Produzenten in chemische Energie umgewandelt und von ihnen über das Nahrungsnetz an die Konsumenten verschiedener Ordnungen und schließlich an die Destruenten weitergegeben. Die Energie abgefallener Pflanzenteile oder unverdauter Biomasse in Kot geht direkt an die Destruenten über. So findet ein Energiefluss durch alle Trophieebenen statt. Die Pflanzen nutzen allerdings nur einen Teil der Lichtenergie zum Aufbau von Biomasse. Der Großteil wird für Stoffumwandlungen verwendet und dann als Wärmeenergie abgegeben. Dasselbe passiert in den Konsumenten, die auch einen großen Anteil der Energie für den eigenen Stoffwechsel nutzen. Die entstehende Wärmeenergie ist biologisch nicht nutzbar. Die Umwandlung nutzbarer in nicht nutzbare Energieformen wird als Energieentwertung bezeichnet. Da ein Großteil der Energie in einem Ökosystem auf diese Weise entwertet wird, muss dem System ständig Energie durch das Sonnenlicht zugeführt werden.
Ausgewählte Ökosysteme
Aufgabe 6
a Die Kompensationstiefe bezeichnet die Tiefe eines Sees, in der der Stoffaufbau durch die Fotosynthese durch den Stoffabbau durch die Zellatmung ausgeglichen wird. Es herrscht ein Gleichgewicht zwischen Sauerstoffherstellung und Sauerstoffverbrauch bzw. zwischen Kohlenstoffdioxid-Fixierung und -Abgabe durch die Pflanzen.
b Im Metalimnion nimmt die Temperatur im Tiefenprofil des Sees innerhalb weniger Meter stark ab. Im Sommer ist daher im Tiefenprofil eine Temperaturschichtung erkennbar. Das Epilimnion mit dem wärmeren und leichteren Wasser liegt auf dem Metalimnion. Nur die Schicht des Epilimnions wird durchmischt, das unter dem Metalimnion liegende kalte Hypolimnion stagniert.
Aufgabe 7
a Produzenten nehmen Kohlenstoffdioxid aus der Luft und dem Wasser auf und speichern den Kohlenstoff in ihrer Biomasse. Diese energiereichen Stoffe werden an die Konsumenten und Destruenten weitergegeben. Wenn Sauerstoff im Kreislauf vorhanden ist, nutzen diese die energiereichen Stoffe und setzen Kohlenstoffdioxid frei. Wenn kein Sauerstoff im Kreislauf vorhanden ist, entstehen aus der toten Biomasse der Produzenten und Konsumenten über Millionen von Jahren fossile Brennstoffe. Die fossilen Brennstoffe werden gefördert und in Kraftwerken oder im Verkehr verbrannt. Dabei entsteht Kohlenstoffdioxid, das in die Luft freigesetzt wird. Entsprechend seiner Löslichkeit im Wasser besteht zwischen dem Kohlenstoffdioxid in der Luft und im Wasser ein Austausch.
b Von einem Kurzzeitkreislauf des Kohlenstoffs spricht man bei Prozessen, die innerhalb von Jahrzehnten ablaufen. Hierzu gehört der Kreislauf der Fixierung von Kohlenstoff durch Produzenten, die Weitergabe über die Trophieebenen bis zu den Destruenten und die Freisetzung des fixierten Kohlenstoffs, wodurch dieses dem Kreislauf wieder zur Verfügung steht. Ein Großteil der Kohlenstoffverbindungen ist allerdings langfristig, d. h. über Jahrmillionen festgelegt. In geologischen Prozessen sind abgestorbene Organismen in Torf, Kohle, Erdöl und Erdgas festgelegt worden. 80 % des Kohlenstoffs der Erde sind in Kalkgestein der Meere gebunden. Durch Verbrennen von Kohlenstoffverbindungen oder Lösen von Kalk wird der Langzeitkreislauf geschlossen.
c Der Mensch greift durch die Nutzung der Ressourcen in den Kohlenstoffkreislauf ein, z. B. durch den Abbau fossiler Brennstoffe wie Kohle, Öl und Gas, durch das Abholzen von Wäldern, die Trockenlegung von Mooren und Sümpfen sowie die Haltung von Nutztieren zur Nahrungsproduktion.
Aufgabe 8
a Der ökologische Fußabdruck ist die Fläche, die notwendig wäre, um alle von der Weltbevölkerung genutzten Ressourcen zu liefern und deren Emissionen aufzunehmen. Er kann auch für Personen, Produkte oder Dienstleistungen berechnet werden.
b Beispiele: Verzicht auf den Einsatz giftiger Stoffe (ökologisch nachhaltiges Handeln), Recycling von Wertstoffen (wirtschaftlich nachhaltiges Handeln), Verzicht auf den Einsatz gesundheitsgefährdender Produktionstechniken (sozial nachhaltiges Handeln)
c Biodiversität beruht auf der Vielfalt von Allelen, Arten und Ökosystemen. Die Vielfalt von Allelen kommt durch genetische Variabilität zustande. Eine Ursache dafür sind Mutationen, durch die neue Allele entstehen. Pflanzen sich Individuen sexuell fort, finden Rekombinationsvorgänge bei Meiose und Befruchtung statt. Dadurch entstehen Nachkommen mit neuen Kombinationen von Merkmalsausprägungen. Diese Variabilität innerhalb einer Population ist die erste Ebene von Biodiversität. Verändern sich Teile einer Population durch genetische Variabilität so stark, dass Fortpflanzungsbarrieren zwischen den Individuen entstehen, kommt es zur Artaufspaltung. Die Entstehung neuer Arten führt zu einer größeren Artenvielfalt, der zweiten Ebene von Biodiversität. Sie kann nur dann erhalten bleiben, wenn auch die ökologischen Nischen der Arten fortbestehen. Die dritte Ebene von Biodiversität ist die Vielfalt der Ökosysteme. Sie entstehen durch regionale Unterschiede abiotischer Faktoren. So trägt eine Variabilität an Ökosystemen auch zur Artenvielfalt bei.
d Ackerbau kann in einer Weise in Ökosysteme eingreifen, die deren Artenvielfalt verringert. Die Zerstörung natürlicher Landschaften, die Einrichtung von Monokulturen oder der Einsatz von Pflanzenschutzmitteln beispielsweise schränken die Biodiversität immer mehr ein. Gleichzeitig sind viele Bereiche des Ackerbaus auch auf Biodiversität angewiesen, z. B. auf eine gewisse Vielfalt an Bestäubern für Nutzpflanzen oder auf die genetische Variabilität innerhalb einer Art als Grundlage für die Züchtung. Insofern kann man der Aussage zustimmen. Andererseits muss der Eingriff des Ackerbaus in die Ökosysteme nicht derart stark sein. Zwischen Äckern können Bäume, Hecken und Blühstreifen erhalten werden, Pflanzen können in Mischkultur angepflanzt und der Pestizideinsatz vermieden werden. An vielen Stellen wird dies bereits verwirklicht. So kann der Ackerbau mehr Raum für Biodiversität schaffen.
e Der Treibhauseffekt beruht allgemein auf der unterschiedlichen Durchlässigkeit der Atmosphäre für verschiedene Formen der Strahlung. Das Sonnenlicht durchdringt fast ungehindert die Erdatmosphäre, ein Teil der Energie wird als Wärmestrahlung von der Erdoberfläche reflektiert. Diese Wärmestrahlung wird von Wasserdampf und verschiedenen Gasen in der Atmosphäre zurückgehalten und erwärmt so die Erde. Durch den natürlichen Treibhauseffekt hält das die globale Durchschnittstemperatur auf der Erde konstant.
Der anthropogene Treibhauseffekt beruht darauf, dass Emissionen des Menschen die Menge der Treibhausgase in der Atmosphäre erhöhen, vor allem Kohlenstoffdioxid, Methan und Lachgas. So wird ein höherer Anteil der Wärmestrahlung zurückgehalten und der Treibhauseffekt verstärkt. Die globale Durchschnittstemperatur steigt. Folgen sind beispielsweise das Schmelzen von Gletschern, der Anstieg des Meeresspiegels und eine höhere Häufigkeit extremer Wetterereignisse wie Dürren oder Überschwemmungen.
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Training A: Überlebenskünstler in der Wüste
Aufgabe 1
Trockenwüsten sind gekennzeichnet durch Wassermangel und große Temperaturschwankungen im Tagesverlauf. Tagsüber herrschen eine hohe Sonneneinstrahlung und damit einhergehend hohe Lufttemperaturen. Die relative Luftfeuchtigkeit ist gering, der Wüstenboden heizt sich stark auf. Nachts kann die Wärme wieder ungehindert ins Weltall abstrahlen (keine Wolkenbildung) und die Umgebungstemperaturen sinken um bis zu 50 °C. Aufgrund der starken Abkühlung steigt die relative Luftfeuchtigkeit an. In Trockenwüsten regnet es selten, und wenn, dann so heftig, dass der Boden die Wassermengen nicht mehr aufnehmen kann. Es kommt zu Überschwemmungen mit starker Bodenerosion.
Aufgabe 2
Das Wolfsmilchgewächs und der Säulenkaktus zeigen eine – wie der Name schon sagt – säulenförmige Wuchsform. Der Spross des Ohrenkaktus ist gegliedert, die einzelnen Teile sind abgeflacht und blattartig verbreitert. Auch beim Kugelkaktus ist die kugelförmige Wuchsform namensgebend. Bis auf den Ohrenkaktus zeigen alle Wuchsformen rippenartige Einkerbungen, die sich über die Längsachse des Sprosses ziehen. Das Wurzelsystem der verschiedenen Arten ist weit verzweigt oder aber knollenartig verdickt wie beim Ohrenkaktus. Der Lebensraum Trockenwüste ist gekennzeichnet durch eine starke Sonneneinstrahlung und einen hohen Wassermangel. Ein weitreichendes Wurzelsystem ermöglicht es den abgebildeten Arten, auch in entfernten oder tiefer liegenden Bodenschichten Wasser aufzunehmen. Der Ohrenkaktus speichert hingegen Wasser in den verdickten Wurzeln, was ebenfalls eine Angepasstheit an den Wassermangel am Standort darstellt. Dies gilt auch für die kugelige bzw. säulenartige Wuchsform von Kugelkaktus, Säulenkaktus und Wolfsmilchgewächs. Diese Wuchsformen verweisen auf die Fähigkeit der Pflanzen, Wasser in ihren Sprossen zu speichern. In diesem Fall spricht man von Sprosssukkulenz. Die Wuchsformen der abgebildeten Arten bewirken darüber hinaus eine Verkleinerung der relativen Oberfläche, über die die Pflanzen Wasser verlieren können. Zudem fehlen allen abgebildeten Pflanzen Blätter mit flächig ausgebreiteten Spreiten. Auch diese morphologischen Angepasstheiten senken den Wasserverlust der Pflanzen und stellen somit eine Angepasstheit an den Lebensraum Trockenwüste dar.
Zusatzinformation: Bei den Dornen sukkulenter Pflanzen handelt es sich um umgewandelte Blätter.
Aufgabe 3
Die mehrschichtige Epidermis, deren Zellen teilweise stark verdickte Zellwände zeigen, wird von einer dicken Cuticula bedeckt. Beide Baumerkmale verringern die Transpiration und damit den Wasserverlust über die Oberfläche. Eine Besonderheit ist das Vorhandensein von Schließzellen auf der Sprossoberfläche der Kakteen. Die Schließzellen sind eingesenkt, wodurch kleine, windstille Räume entstehen, in denen die Transpiration ebenfalls herabgesenkt ist. Die Zellen des Rindenparenchyms sind zudem stark vergrößert, was auf ihre Fähigkeit als Wasserspeicher verweist. Alle im Querschnitt sichtbaren Baumerkmale des Säulenkaktus stellen eine Angepasstheit an die geringere Wasserverfügbarkeit am Standort dar.
Aufgabe 4
An der Oberfläche der toten Haare kommt es zu einer Totalreflexion von Sonnenlicht, was die Sprossoberfläche weiß bis silbrig glänzend erscheinen lässt. Durch die Reflexion verringert sich die Erwärmung der Luftschichten unmittelbar über der Sprossoberfläche, was wiederum zu einer geringeren Transpiration führt. Ein „Pelz“ aus toten Haaren senkt also den Wasserverlust der Pflanzen und stellt somit eine Angepasstheit an trockene Standorte dar.
Aufgabe 5
Das Diagramm zeigt den Zusammenhang zwischen der Wasserverfügbarkeit am Standort und dem Verhältnis von Wurzeloberfläche und Blattfläche. Dabei wird deutlich, dass ab einer bestimmten Wasserverfügbarkeit (unter 300 ml pro Tag) die Wurzeloberfläche im Verhältnis zur Blattfläche steigt, d. h. Pflanzen mehr Wurzeln und weniger Blätter produzieren. Stehen den Pflanzen 300 Milliliter Wasser pro Tag zur Verfügung, beträgt das Verhältnis von Wurzeloberfläche zu Blattfläche etwa 0,12. Verringert sich die verfügbare Wassermenge auf 100 ml pro Tag, so steigt das Verhältnis auf etwa 0,4, sind nur noch 25 ml Wasser pro Tag verfügbar, beträgt das Flächenverhältnis circa 0,95 und ist somit nahezu ausgeglichen. Eine verstärkte Wurzelbildung führt zur Vergrößerung der gesamten Wurzeloberfläche, über die die Pflanzen Wasser aufnehmen können. Ein größeres und weiter verzweigtes Wurzelsystem ermöglicht dabei die Aufnahme von Wasser auch aus tieferen oder weiter entfernt liegenden Bodenschichten. Die Reduktion der Blätter bedingt eine Abnahme der Oberfläche, über die die Pflanze Wasser transpiriert. Eine Vergrößerung der Wurzeloberfläche mit gleichzeitiger Abnahme der Blattfläche führt insgesamt zu einer erhöhten Wasserbilanz und stellt somit eine Reaktion auf die Bedingungen am Standort dar.
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Training B: Beziehungen zwischen Akazien und Ameisen
Aufgabe 1
– Die Ameisen und Akazien in Kenia leben in einer fakultativen Ektosymbiose, da die Ameisen nicht unbedingt auf den Akazien leben müssen. Die Akazien sind die Wirtspflanzen.
– Die Akazien bieten den Ameisen große Mengen an honigartigem Nektar sowie Wohnraum in hohlen Dornen. Die Ameisen halten die Akazien von Schädlingen frei, die das Wachstum behindern.
– Da sich die Ameisen auf den Akazien von Insekten, Spinnen und Milben ernähren, sind die Akazien auch ihr Nahrungsrevier.
– Giraffen und andere Pflanzenfresser fressen Akazienblätter und beeinträchtigen damit das Wachstum von Akazien.
– Wenn die Blätter der Akazien nicht mehr von Giraffen gefressen werden, bilden die Akazien weniger Nektar und weniger Dornen.
– Dies führt zu schlechteren Fress- und Wohnbedingungen für die Ameisen, die daraufhin die Akazien verlassen und damit auch die symbiontische Beziehung beenden.
– Dies wiederum führt dazu, dass die Akazien von Schädlingen befallen werden und die Akazien somit deutlich langsamer wachsen.
– Erst durch den Blattfraß wird also die Symbiose zwischen den Ameisen und den Akazien begründet.
– Der Blattfraß durch die Giraffen und andere Pflanzenfresser initiiert die Symbiose zwischen Ameisen und Akazien: Hoher Blattfraß regt die Akazien zu einer zusätzlichen Nektar- und Dornenproduktion an. Bei geringem oder gar keinem Blattfraß unterbleibt diese Anregung, was die Attraktivität der Akazien für diese Ameisen herabsetzt, sodass sie die Akazien und damit die Symbiose verlassen.
– Der Einzäunungsversuch zeigt, dass die Schädigung durch Blattfraß geringer ist, als durch andere Pflanzenfresser oder -schädlinge.
– Zusatzpunkt: Es ist anzunehmen, dass die Akazien einen Stoff bilden, der bei Blattfraß die zusätzliche Nektar- und Dornenbildung bewirkt.
Aufgabe 2
– Die Myrmecophyten produzieren dauernd Nektar und beherbergen damit dauernd Ameisen, die der Feindabwehr dienen, was einer obligaten Symbiose entspricht.
– Durch die dauernde Nektarproduktion haben diese Akazien hohe Kosten durch einen hohen Energieaufwand. Sie genießen aber auch permanenten Schutz.
– Andere Akazienarten produzieren nur dann Nektar, wenn eine Bedrohung vorliegt und locken damit Ameisen an, die dann die Feinde fressen oder vertreiben. Dies entspricht einer fakultativen Symbiose.
– Der Energieaufwand dieser Akazien für die Symbiose und damit für den Schutz ist nicht so hoch. Dafür gehen sie aber auch das Risiko ein, nicht vollständig und unmittelbar gegenüber Parasiten und Fressfeinden geschützt zu sein.
– Wie chemische Untersuchungen gezeigt haben, enthält der Nektar der Myrmecophyten das Enzym Saccharase. Dieser Nektar wird nur von einer Ameisenart konsumiert, die ein Defizit bezüglich ihrer Enzymausstattung aufweist. Dadurch entsteht eine sehr enge Symbiose.
– Der Energieaufwand der Myrmecophyten ist im Vergleich zu dem der anderen Akazien höher, weil zusätzlich zu der Dauerproduktion von Nektar auch noch ein Protein hergestellt wird. Dadurch wird aber die Ameisenart fest an die Akazien gebunden und es entsteht ein ,,exklusiver“ Schutz vor Fressfeinden und Parasiten.
– Je mehr Kosten die Akazien investieren, desto besser der Schutz durch die Ameisen und desto enger die symbiontische Beziehung.
Aufgabe 3
– Unter Koevolution versteht man einen Prozess der wechselseitigen Anpassung zweier Arten im Verlauf langer Zeiträume in der Stammesgeschichte.
– Ameisen, die keine Saccharose verdauen können, sind ohne vorverdauten Nektar nur schlecht oder gar nicht lebensfähig. Daher sind diese Ameisen auf den speziellen Nektar dieser Akazien angewiesen.
– Myrmecophyten binden durch die Produktion des speziellen Nektars diese Ameisenart an sich und sind so permanent geschützt. Zudem wird verhindert, dass sich nicht schützende Ameisen von dem Nektar ernähren.
– Die enge Bindung zwischen Akazien und Ameisen beruht also auf Besonderheiten der beiden Arten, die im Verlauf ihrer Stammesgeschichte entstanden sind. Daher kann man von einer Koevolution sprechen.
– Beide Arten profitieren von dieser Symbiose, die Ameisen durch die Ernährung und die Akazie durch den exklusiven Schutz.
– Während die Symbiose für die Ameisen lebensnotwendig ist, sind für die Akazien lediglich die Produktionskosten für den Nektar erhöht.
– Dieser Nachteil wird aber offenbar durch den Vorteil des exklusiven Schutzes und die Verhinderung des Nektardiebstahls durch nicht schützende Ameisen wieder aufgewogen.
– Die Bindung der Akazien an diese Ameisen ist ebenfalls sehr hoch, da andere Ameisenarten den speziellen Nektar verschmähen.
– Sollten die Akazien keinen Saccharase-haltigen Nektar bilden, hätte dies gravierende Fol- gen für die Ameisen, die wegen der fehlenden Nahrung in ihrem Bestand gefährdet wären.
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Training C: Veränderungen in Ökosystemen
Aufgabe 1
Auf einem Areal mit Kahlschlag entwickelt sich im Verlauf der ersten 10 Jahre eine Kraut-Gras-Flur mit Brennnessel, Kreuzkraut, Berufkraut und Weidenröschen sowie Adlerfarn. Dieser Zeitraum wird auch als Reorganisationsphase bezeichnet.
Es folgt die Wachstumsphase. In den folgenden 10 bis 20 Jahren entsteht eine Gebüschvegetation mit Himbeere, Brombeere und Holunder, die im weiteren Verlauf durch einen Pionierwald mit Birke, Zitterpappel, Vogelbeere und Kiefer abgelöst wird.
Während einer langen Übergangsphase entsteht daraus schließlich nach etwa 100 Jahren ein Klimaxwald. In Mitteleuropa ist dies ein Laubmischwald mit je nach Standort unterschiedlicher Artzusammensetzung.
Die jeweils später erscheinenden Arten sind auf lange Sicht konkurrenzstärker und verdrängen schließlich die vor ihnen siedelnden Arten am jeweiligen Standort. Diese sind zu Beginn der Sukzession konkurrenzstark, werden aber später von Sträuchern und Bäumen überwachsen und können sich dann zum Beispiel aufgrund von Lichtmangel nicht mehr am Standort halten.
Anhand der Biomassekurve kann man erkennen, dass anfangs nur wenig Biomasse pro Flächeneinheit vorhanden ist. Sie beginnt mit dem Übergang von krautiger zu verholzter Vegetation stetig zu steigen und erreicht mit dem Stadium des Klimaxwaldes einen Höchstwert.
Der hier dargestellte Vorgang ist ein Beispiel für eine Sukzession, bei der im Laufe der Zeit verschiedene Lebensgemeinschaften aufeinander folgen. Das Endstadium heißt Klimaxstadium. Es bezeichnet die Lebensgemeinschaft, die unter den gegebenen Bedingungen mittelfristig stabil ist.
Aufgabe 2
Die Nettoprimärproduktion gibt an, wie viel Biomasse pro Flächeneinheit und Jahr von den Pflanzen gebildet wird. Dies ist zunächst ein durchaus beträchtlicher Teil. Da jedoch der größte Teil der vorhandenen Biomasse der Kräuter den Winter nicht übersteht, bleibt die vorhandene Biomasse auf einem niedrigen Niveau. Erst mit dem Auftreten von winterfesten Sträuchern und jungen Bäumen steigen sowohl Biomassekurve als auch Nettoproduktion, da die vorhandenen Sträucher und Bäume mehr Biomasse produzieren als die Kräuter. Mit zunehmendem Alter der Bäume erreicht der Wald einen Zustand, bei dem Produktion und Bestandsabbau durch Alterung und Tod der Bäume gleich groß sind. Das führt dazu, dass die vorhandene Biomasse im zeitlichen Verlauf etwa gleich groß bleibt.
Aufgabe 3
In einer zeitlichen Abfolge von 80 Tagen treten sechs verschiedene Gruppen von Einzellern nacheinander auf: Innerhalb der ersten 18 Tage leben Geißeltierchen im Heuaufguss, die sich stark vermehren und etwa am siebten Tag die höchste Populationsdichte erreichen, woraufhin ihre Individuenzahl genauso schnell wieder fällt. Sie werden abgelöst von Heutierchen, die vom siebten bis etwa zum 24. Tag, mit einem Maximum am 14. Tag, auftreten. Erst nachdem diese praktisch verschwunden sind, finden sich vom 18. bis etwa zum 73. Tag Pantoffeltierchen im Heuaufguss. Allerdings ist ihre Dichte geringer als die Spitzenwerte von Geißeltierchen und Heutierchen. Sie erreichen auch nicht den Spitzenwert von Borstentierchen, die zwischen dem 34. und 84. Tag auftreten. Amöben leben in relativ geringer Dichte zwischen dem 46. und dem 67. Tag im Heuaufguss und Glockentierchen treten erst ab etwa dem 56. Tag auf.
Folgende Hypothesen sind denkbar:
– Alle sechs Gruppen von Einzellern ernähren sich von Bakterien. Aufgrund unterschiedlicher Entwicklungsdauern, Vermehrungsraten, Lebensdauern und/oder anderer Merkmale sind die einzelnen Arten in jeweils unterschiedlichen Phasen gegenüber anderen Arten besonders konkurrenzstark.
– Es handelt sich hierbei um Räuber-Beute-Beziehungen. Die jeweils folgende Art von Einzellern ist Räuber der vorhergehenden.
– Infolge der Alterung des Heuaufgusses ändern sich die Lebensbedingungen für die verschiedenen Gruppen der Einzeller. Diese sind jeweils an bestimmte Bedingungen, zum Beispiel Temperatur, Sauerstoffgehalt, Abfallstoffe und Ausscheidungsprodukte der vorhergehenden Population, angepasst und können dementsprechend den Heuaufguss als Lebensraum nutzen.
Aufgabe 4
In beiden Fällen handelt es sich um eine Sukzession. Diese dauert im Fall des Kahlschlages über 100 Jahre. Im Fall des Heuaufgusses ist sie bereits nach 80 Tagen fast beendet. Das liegt daran, dass ein Heuaufguss kein Ökosystem darstellt: In einem Heuaufguss gibt es keine Produzenten. Alle Lebewesen leben letztendlich von den Bakterien im vermodernden Heu. Insofern ist dieses Ökosystem nur von begrenzter Dauer. Ein Klimaxstadium gibt es im eigentlichen Sinn nicht. Wenn alle Nährstoffe verbraucht sind, ist das Ende erreicht. Theoretisch dürften dann nur noch anorganische Stoffe vorhanden sein.
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Training D: Ökologischer Fußabdruck und ökologische Tragfähigkeit der Erde
Aufgabe 1
– Der ökologische Fußabdruck der Menschheit bezeichnet die Fläche in Hektar, die notwendig ist, um die benötigten Gesamtressourcen der Weltbevölkerung bereitzustellen und die von allen Menschen produzierten Emissionen aufzunehmen. Die ökologische Tragfähigkeit der Erde, auch Biokapazität der Erde genannt, bezeichnet die Fläche in Hektar, die für nachhaltiges Wirtschaften auf der Erde maximal zur Verfügung steht.
– Da wir eine Erde haben, kann die ökologische Tragfähigkeit auf 1 gesetzt werden. Der ökologische Fußabdruck der Menschheit liegt dann derzeit bei etwa 1,6 Erden.
– Das Konzept des ökologischen Fußabdrucks lässt sich auf Länder, Unternehmen oder auch einzelne Menschen übertragen. Es dient dazu, die Endlichkeit der Ressourcen erkennbar zu machen und Zielvorstellungen zur Nachhaltigkeit zu konkretisieren.
Aufgabe 2
– Das Säulendiagramm veranschaulicht den ökologischen Fußabdruck und die ökologische Tragfähigkeit verschiedener Länder im Jahr 2008 in Hektar pro Person. Somit wird das ökologische Defizit beziehungsweise die ökologische Reserve der verschiedenen Länder deutlich.
– Die USA und Kanada besitzen einen sehr großen Fußabdruck von etwa 8 Hektar pro Person, gefolgt von Deutschland und Frankreich mit etwa 5 Hektar pro Person. Russland liegt bei etwa 4 und China bei 2,4 Hektar pro Person. Einen kleinen Fußabdruck besitzen Äthiopien und Indien mit etwa 1 Hektar pro Person.
– Die ökologische Tragfähigkeit Kanadas liegt mit 15 Hektar pro Person deutlich über der Tragfähigkeit der anderen Länder. Russland besitzt eine Tragfähigkeit von 6,5 und die USA von etwa 4 Hektar pro Person. Frankreich folgt mit 3, Deutschland mit 2 und China mit etwa 1 Hektar pro Person. Das Schlusslicht bilden auch bei der ökologischen Tragfähigkeit Äthiopien und Indien mit etwa 0,5 Hektar pro Person.
– Vergleicht man den ökologischen Fußabdruck mit der ökologischen Tragfähigkeit der verschiedenen Länder, so ergeben sich für die einzelnen Länder ökologische Defizite oder ökologische Reserven. Kanada besitzt mit deutlichem Abstand eine Reserve von etwa 7 und Russland eine Reserve von etwa 2 Hektar pro Person. Alle anderen Länder liegen im Defizit. Das höchste Defizit besitzt die USA mit etwa 4, gefolgt von Deutschland mit etwa 3, Frankreich mit etwa 2 und China mit 1,5 Hektar pro Person. Auch Äthiopien und Indien liegen mit etwa 0,5 Hektar pro Person im ökologischen Defizit.
– Sowohl der ökologische Fußabdruck als auch die ökologische Tragfähigkeit der Länder sind sehr unterschiedlich. Die USA und Kanada haben einen exorbitant hohen Fußabdruck. Mit Ausnahme von Kanada und Russland befinden sich die Industriestaaten deutlich im ökologischen Defizit. Trotz der vergleichsweise sehr kleinen ökologischen Fußabdrücke der Entwicklungsländer liegen diese ebenfalls im Defizit.
Aufgabe 3
– Auf der UN-Umweltkonferenz 1992 wurden folgende Ziele vereinbart: Der anthropogene Eingriff in das Klimasystem soll völkerrechtlich verbindlich verhindert und Klimaschutzmaßnahmen sowie Maßnahmen für eine nachhaltige Entwicklung, also einen umweltschonenden Umbau der Weltwirtschaft, getroffen werden.
– Ein Ländervergleich der ökologischen Tragfähigkeit, der in Relation zu dem ökologischen Fußabdruck zu einem nationalen Defizit oder einer nationalen Reserve führt, ist völlig ungeeignet, um Zielvorstellungen eines nachhaltigen Wirtschaftens weltweit zu erreichen.
– Er befördert einzig nationale Egoismen. Kanada dürfte beispielsweise bei einer rein nationalen Betrachtungsweise seinen extrem hohen ökologischen Fußabdruck gemäß der ökologischen Tragfähigkeit nochmals verdoppeln und läge bei einem 16-fach höheren Fußabdruck als Äthiopien oder Indien. Umgekehrt müssten Äthiopien und Indien trotz eines 8-fach kleineren Fußabdrucks diesen aufgrund der geringen nationalen ökologischen Tragfähigkeit nochmals halbieren und lägen dann bei einem 32-fach niedrigeren Fußabdruck.
– Als Bezugsgröße für die Zielvereinbarungen der UN sollte der gesamte Globus herangezogen werden, denn beispielsweise Treibhausgasemissionen, radioaktive Strahlungen oder wirtschaftliche Ressourcennutzungen und Abfallentsorgungen machen vor nationalen Grenzen keinen Halt.
– Die vergleichsweise hohen ökologischen Fußabdrücke der Industriestaaten erklären sich zum Teil durch die dichte Infrastruktur, die von den Einwohnern der Länder alltäglich genutzt wird. Umgekehrt erklären sich die niedrigen Fußabdrücke der Entwicklungsländer auch durch fehlende Infrastruktur. Die Umstrukturierung der Infrastruktur in Industriestaaten zur Nachhaltigkeit und der nachhaltige Infrastrukturaufbau in Entwicklungsländern zur Wohlstandsentwicklung bleibt im Rahmen der globalen Bezugsgröße eine dringende Aufgabe.
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