Das Ökosystem und seine Beziehung zur Nachhaltigkeit

„Ich vererbe mich an den Schmutz, um aus dem Gras zu wachsen, das ich liebe;
Wenn du mich wieder willst, suche mich unter deinen Stiefelsohlen.“
– Walt Whitman

In dieser Lektion lernen wir Antworten auf folgende Fragen:

• Was ist ein Ökosystem, und wie kann man es untersuchen?
• Ist die Erde ein offenes oder geschlossenes System in Bezug auf Energie und Elemente?
• Wie definieren wir „biogeochemische Zyklen“, und wie wichtig sind sie für Ökosysteme?
• Welche sind die Hauptfaktoren, die die Funktion von Ökosystemen beeinflussen?
• Welche sind die Hauptfaktoren, die für die Unterschiede zwischen Ökosystemen auf der ganzen Welt verantwortlich sind?

20.10.2017

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Einführung

In den vorangegangenen Vorlesungen haben wir etwas über die Erde und ihre Umwelt gelernt, und wir haben etwas über die Vielfalt des Lebens auf dem Planeten und über ökologische Wechselwirkungen zwischen den Arten gelernt. Jetzt werden wir diese beiden grundlegenden Komponenten kombinieren und betrachten, wie die Umwelt und das Leben in „Ökosystemen“ zusammenwirken. Vorher sollten wir aber noch einmal auf ein Thema zurückkommen, das wir zu Beginn des Unterrichts eingeführt haben, nämlich die Nachhaltigkeit und wie wir sie im Sinne der Systemwissenschaft betrachten.

Nachhaltigkeit und Systemwissenschaft – Das Beispiel für Nachhaltigkeit, das zu Beginn des Unterrichts verwendet wurde, war die Überlegung, dass ich jedem, der zum Unterricht kommt, einen Dollar gebe. Die Frage war: Ist das nachhaltig? In der Vorlesung waren wir uns einig, dass wir mehr Informationen brauchen, um diese Frage zu beantworten. Zum Beispiel müssten wir wissen, wie viel Geld ich habe, oder den „Vorrat“ an Geld (z.B. wenn 100 Schüler in der Klasse sind und ich einen Vorrat von 100 Dollar habe, würde das einmal funktionieren…). Was ist, wenn ich Geld für andere Dinge wie Lebensmittel ausgebe? Wie hoch ist der „Input“ oder die „Erneuerungsrate“ oder die „Umschlagzeit“ des Geldes auf meinem Bankkonto, verglichen mit der Geschwindigkeit, mit der ich das Geld verbrauche? Was ist, wenn die Klassengröße wächst, weil die Beliebtheit der Klasse zunimmt? Wir sehen sofort, dass es sich um ein „System“ handelt, das einen Gleichgewichtspunkt hat, der von vielen anderen Teilen des „Systems“ abhängt. Die Lösung dieses Problems ist ein Beispiel für „Systemdenken“, und wir müssen lernen, wie man das auf die Wissenschaft und auf Probleme der Nachhaltigkeit anwendet.

Wissenschaftliche Konzepte, angewandt auf Ökosysteme und auf Nachhaltigkeit.

Die Arbeit an diesem einfachen Beispiel zeigt, wie komplex das Thema Nachhaltigkeit werden kann. Wir stellen jedoch auch fest, dass es bei all diesen Problemen eine gemeinsame Reihe von wissenschaftlichen Schlüsselkonzepten und -prinzipien gibt, die wir in diesem Kurs zu verstehen lernen werden – zu diesen Konzepten gehören die folgenden (später werden noch spezifischere Beispiele gegeben):

Standing Stock = die Menge an Material in einem „Pool“, z.B. die Menge an Öl im Boden oder an Treibhausgasen in der Atmosphäre. „Bestand“ bezieht sich auf die Menge zum aktuellen Zeitpunkt (z.B. wie hoch ist der Bestand an Bäumen im Wald im Moment).

Massenbilanz = die Frage: „Stimmen die Zahlen überein?“ Wenn ich in jeder Klasse 100 Dollar brauche, um sie den Schülern zu geben, aber nur 1 Dollar habe, dann stimmt die Massenbilanz nicht. Wir können eine Massenbilanzgleichung auch verwenden, um festzustellen, wie sich ein System im Laufe der Zeit verändert (wir werden dies in einer späteren Vorlesung für wärmespeichernde Gase in der Atmosphäre tun).

Materialflussrate = der Input oder Output von Material aus einem System, z. B. die Menge an Öl, die wir jedes Jahr aus dem Boden pumpen, oder die Menge an Treibhausgas, die wir jedes Jahr durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe in die Atmosphäre pumpen.

Verweildauer = der stehende Bestand geteilt durch die Flussrate, die die durchschnittliche Zeit angibt, die Stoffe in einem Pool zirkulieren – zum Beispiel beträgt die Verweildauer von Methan in der Atmosphäre etwa 10 Jahre.

Negative und positive Rückkopplungen = negative Rückkopplungen verlangsamen einen Prozess, während positive Rückkopplungen einen Prozess tendenziell beschleunigen. Zum Beispiel werden in einer sich erwärmenden Welt die Eiskappen schmelzen, was die Albedo der Erde verringert, wir halten mehr von der Wärmeenergie der Sonne zurück, und das beschleunigt die Erwärmung, die wiederum mehr Eiskappen schmelzen lässt – das ist eine positive Rückkopplung.

Was ist ein Ökosystem?

Ein Ökosystem besteht aus der biologischen Gemeinschaft, die an einem bestimmten Ort vorkommt, und den physikalischen und chemischen Faktoren, die seine unbelebte oder abiotische Umgebung ausmachen. Es gibt viele Beispiele für Ökosysteme – ein Teich, ein Wald, ein Ästuar, eine Wiese. Die Grenzen eines Ökosystems sind nicht objektiv festgelegt, auch wenn sie manchmal offensichtlich erscheinen, wie bei der Uferlinie eines kleinen Teichs. Normalerweise werden die Grenzen eines Ökosystems aus praktischen Gründen gewählt, die mit den Zielen der jeweiligen Studie zu tun haben.

Die Untersuchung von Ökosystemen besteht hauptsächlich aus der Untersuchung bestimmter Prozesse, die die lebenden oder biotischen Komponenten mit den nicht lebenden oder abiotischen Komponenten verbinden. Die beiden wichtigsten Prozesse, die Ökosystemwissenschaftler untersuchen, sind Energieumwandlungen und biogeochemische Kreisläufe. Wie wir bereits gelernt haben, ist Ökologie im Allgemeinen definiert als die Wechselwirkungen von Organismen untereinander und mit der Umwelt, in der sie vorkommen. Wir können die Ökologie auf der Ebene des Individuums, der Population, der Gemeinschaft und des Ökosystems untersuchen.

Studien über Individuen befassen sich meist mit der Physiologie, der Fortpflanzung, der Entwicklung oder dem Verhalten, und Studien über Populationen konzentrieren sich in der Regel auf die Lebensraum- und Ressourcenbedürfnisse bestimmter Arten, ihr Gruppenverhalten, das Wachstum der Populationen und darauf, was ihr Vorkommen begrenzt oder ihr Aussterben verursacht. Studien über Lebensgemeinschaften untersuchen, wie Populationen vieler Arten miteinander interagieren, z. B. Raubtiere und ihre Beute oder Konkurrenten, die gemeinsame Bedürfnisse oder Ressourcen haben.

In der Ökosystemökologie fassen wir all dies zusammen und versuchen, soweit es uns möglich ist, zu verstehen, wie das System als Ganzes funktioniert. Das bedeutet, dass wir uns nicht hauptsächlich um einzelne Arten kümmern, sondern versuchen, uns auf die wichtigsten funktionellen Aspekte des Systems zu konzentrieren. Zu diesen funktionellen Aspekten gehören Dinge wie die Energiemenge, die durch Photosynthese erzeugt wird, wie Energie oder Materialien entlang der vielen Stufen einer Nahrungskette fließen oder was die Zersetzungsrate von Materialien steuert oder die Rate, mit der Nährstoffe (die für die Produktion neuer organischer Materie benötigt werden) im System recycelt werden.

Komponenten eines ÖkosystemsSie sind bereits mit den Teilen eines Ökosystems vertraut. Aus diesem Kurs und aus dem Allgemeinwissen haben Sie auch ein grundlegendes Verständnis für die Vielfalt von Pflanzen und Tieren und dafür, wie Pflanzen, Tiere und Mikroben Wasser, Nährstoffe und Nahrung erhalten. Wir können die Teile eines Ökosystems verdeutlichen, indem wir sie unter den Überschriften „abiotisch“ und „biotisch“ auflisten.

ABIOTISCHE KOMPONENTEN	BIOTISCHE KOMPONENTEN
Sonnenlicht	Primärproduzenten
Temperatur	Herbivoren
Niederschlag	Karnivoren
Wasser oder Feuchtigkeit	Omnivoren
Boden- oder Wasserchemie (z.g., P, NO3, NH4)	Detritivoren
etc.	etc.
Alle diese variieren über Raum/Zeit

Im Großen und Ganzen ist diese Reihe von Komponenten und Umweltfaktoren fast überall und in allen Ökosystemen wichtig.

In der Regel umfassen biologische Gemeinschaften die oben dargestellten „funktionellen Gruppierungen“. Eine funktionelle Gruppe ist eine biologische Kategorie, die sich aus Organismen zusammensetzt, die in dem System überwiegend dieselbe Art von Funktion ausüben; zum Beispiel bilden alle photosynthetischen Pflanzen oder Primärproduzenten eine funktionelle Gruppe. Die Zugehörigkeit zu einer funktionellen Gruppe hängt nicht so sehr davon ab, wer die eigentlichen Akteure (Arten) sind, sondern nur davon, welche Funktion sie im Ökosystem erfüllen.

Prozesse von Ökosystemen

Diese Abbildung mit den Pflanzen, dem Zebra, dem Löwen usw. veranschaulicht die beiden Hauptgedanken über die Funktionsweise von Ökosystemen: Ökosysteme verfügen über Energieflüsse und Ökosysteme betreiben Stoffkreisläufe. Diese beiden Prozesse sind miteinander verbunden, aber sie sind nicht ganz dasselbe (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1. Energieflüsse und Stoffkreisläufe.

Energie gelangt als Lichtenergie oder Photonen in das biologische System, wird durch zelluläre Prozesse wie Photosynthese und Atmung in chemische Energie in organischen Molekülen umgewandelt und schließlich in Wärmeenergie umgewandelt. Diese Energie wird dissipiert, d. h. sie geht dem System als Wärme verloren; sobald sie verloren ist, kann sie nicht wiedergewonnen werden. Ohne die kontinuierliche Zufuhr von Sonnenenergie würden die biologischen Systeme schnell zusammenbrechen. Die Erde ist also ein offenes System in Bezug auf Energie.

Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff oder Phosphor gelangen auf verschiedene Weise in lebende Organismen. Pflanzen nehmen Elemente aus der umgebenden Atmosphäre, dem Wasser oder dem Boden auf. Diese Stoffe werden im Körper der Organismen biochemisch umgewandelt, aber früher oder später werden sie durch Ausscheidung oder Zersetzung wieder in einen anorganischen Zustand überführt (d. h. anorganisches Material wie Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor, anstatt dass diese Elemente in organischem Material gebunden sind). Oft vollenden Bakterien diesen Prozess, der als Zersetzung oder Mineralisierung bezeichnet wird (siehe nächste Vorlesung über Mikroben).

Bei der Zersetzung werden diese Materialien nicht zerstört oder gehen verloren, so dass die Erde ein geschlossenes System in Bezug auf die Elemente ist (mit Ausnahme eines Meteoriten, der ab und zu in das System eindringt…). Die Elemente werden innerhalb der Ökosysteme ständig zwischen ihrem biotischen und abiotischen Zustand hin- und herbewegt. Die Elemente, deren Zufuhr die biologische Aktivität einschränkt, werden als Nährstoffe bezeichnet.

Die Energieumwandlung

Die Energieumwandlung in einem Ökosystem beginnt zunächst mit dem Energieeintrag durch die Sonne. Die Energie der Sonne wird durch den Prozess der Photosynthese eingefangen. Kohlendioxid wird mit Wasserstoff (der aus der Spaltung von Wassermolekülen stammt) kombiniert, um Kohlenhydrate zu erzeugen (die Kurzbezeichnung lautet „CHO“). Die Energie wird in den energiereichen Bindungen des Adenosintriphosphats (ATP) gespeichert (siehe Vorlesung über Photosynthese).

Der Prophet Jesaja sagte: „Alles Fleisch ist Gras“, was ihm den Titel des ersten Ökologen einbrachte, denn praktisch die gesamte Energie, die den Organismen zur Verfügung steht, stammt aus den Pflanzen. Da dies der erste Schritt in der Energieproduktion von Lebewesen ist, wird sie als Primärproduktion bezeichnet (klicken Sie hier für eine Einführung in die Photosynthese). Pflanzenfresser erhalten ihre Energie durch den Verzehr von Pflanzen oder Pflanzenprodukten, Fleischfresser fressen Pflanzenfresser, und Detritivoren verzehren den Kot und die Kadaver von uns allen.

Abbildung 2 zeigt eine einfache Nahrungskette, in der die durch die Photosynthese der Pflanzen eingefangene Sonnenenergie über die Nahrungskette von der Trophieebene zur Trophieebene fließt. Eine Trophieebene besteht aus Organismen, die auf die gleiche Weise ihren Lebensunterhalt verdienen, d. h. sie sind alle Primärproduzenten (Pflanzen), Primärkonsumenten (Pflanzenfresser) oder Sekundärkonsumenten (Fleischfresser). Aasfresser, Detritivoren und Zersetzer sind gemeinsam für die Verwertung all dieser „Abfälle“ verantwortlich – die Konsumenten von Kadavern und herabgefallenen Blättern können andere Tiere wie Krähen und Käfer sein, aber letztendlich sind es die Mikroben, die die Zersetzungsarbeit erledigen. Es überrascht nicht, dass die Menge der Primärproduktion von Ort zu Ort stark schwankt, was auf die unterschiedliche Sonneneinstrahlung und die Verfügbarkeit von Nährstoffen und Wasser zurückzuführen ist.

Aus Gründen, auf die wir in späteren Vorlesungen noch näher eingehen werden, ist der Energietransfer über die Nahrungskette ineffizient. Das bedeutet, dass auf der Ebene der Pflanzenfresser weniger Energie zur Verfügung steht als auf der Ebene der Primärproduzenten, auf der Ebene der Fleischfresser noch weniger, und so weiter. Das Ergebnis ist eine Energiepyramide, die wichtige Auswirkungen auf das Verständnis der Lebensmenge hat, die unterstützt werden kann.

Wenn wir an Nahrungsketten denken, stellen wir uns normalerweise grüne Pflanzen, Pflanzenfresser usw. vor. Diese werden als Weidegänger-Nahrungsketten bezeichnet, weil lebende Pflanzen direkt verzehrt werden. In vielen Fällen besteht die Hauptenergiezufuhr jedoch nicht aus grünen Pflanzen, sondern aus totem organischem Material. Beispiele hierfür sind der Waldboden oder ein Waldbach in einem bewaldeten Gebiet, ein Salzsumpf und natürlich der Meeresboden in sehr tiefen Gebieten, in denen das gesamte Sonnenlicht in Tausenden von Metern Höhe ausgelöscht wird. In späteren Vorlesungen werden wir auf diese wichtigen Fragen des Energieflusses zurückkommen.

Schließlich haben wir zwar über Nahrungsketten gesprochen, aber in Wirklichkeit ist die Organisation biologischer Systeme viel komplizierter als durch eine einfache „Kette“ dargestellt werden kann. In einem Ökosystem gibt es viele Nahrungsbindungen und -ketten, und wir bezeichnen alle diese Verbindungen als Nahrungsnetz. Nahrungsnetze können sehr kompliziert sein und es hat den Anschein, dass „alles mit allem verbunden ist“ (dies ist eine wichtige Erkenntnis dieser Vorlesung), und es ist wichtig zu verstehen, welches die wichtigsten Verbindungen in einem bestimmten Nahrungsnetz sind. Die nächste Frage lautet: Wie können wir feststellen, welche Prozesse oder Verbindungen in Nahrungsnetzen oder Ökosystemen wichtig sind? Ökosystemwissenschaftler verwenden verschiedene Instrumente, die allgemein unter dem Begriff „Biogeochemie“ beschrieben werden können.

Biogeochemie

Wie können wir untersuchen, welche dieser Verbindungen in einem Nahrungsnetz am wichtigsten sind? Ein naheliegender Weg ist die Untersuchung des Energieflusses oder des Kreislaufs der Elemente. Der Kreislauf der Elemente wird zum Beispiel zum Teil durch Organismen gesteuert, die Elemente speichern oder umwandeln, und zum Teil durch die Chemie und Geologie der natürlichen Welt. Der Begriff Biogeochemie ist definiert als die Untersuchung der Art und Weise, wie lebende Systeme (Biologie) die Geologie und Chemie der Erde beeinflussen und von ihnen gesteuert werden. Somit umfasst die Biogeochemie viele Aspekte der abiotischen und biotischen Welt, in der wir leben.

Es gibt mehrere Hauptprinzipien und Werkzeuge, die Biogeochemiker zur Untersuchung von Erdsystemen verwenden. Die meisten der großen Umweltprobleme, mit denen wir heute in unserer Welt konfrontiert sind, können mit Hilfe biogeochemischer Prinzipien und Werkzeuge analysiert werden. Zu diesen Problemen gehören die globale Erwärmung, der saure Regen, die Umweltverschmutzung und der Anstieg der Treibhausgase. Die Prinzipien und Werkzeuge, die wir verwenden, können in 3 Hauptkomponenten aufgeteilt werden: Elementverhältnisse, Massenbilanz und Elementkreisläufe.

1. Elementverhältnisse

In biologischen Systemen bezeichnen wir wichtige Elemente als „konservativ“. Bei diesen Elementen handelt es sich häufig um Nährstoffe. Mit „konservativ“ meinen wir, dass ein Organismus die Menge dieser Elemente in seinen Geweben nur geringfügig verändern kann, wenn er gesund bleiben will. Es ist am einfachsten, sich diese konservativen Elemente im Verhältnis zu anderen wichtigen Elementen im Organismus vorzustellen. In gesunden Algen zum Beispiel haben die Elemente C, N, P und Fe das folgende Verhältnis, das nach dem Ozeanographen, der es entdeckt hat, Redfield-Verhältnis genannt wird. Das Verhältnis der Anzahl der Atome dieser Elemente (bezogen auf 1 P-Atom) ist wie folgt:

C : N : P : Fe = 106 : 16 : 1: 0,01

Wenn wir diese Verhältnisse kennen, können wir sie mit den Verhältnissen vergleichen, die wir in einer Algenprobe messen, um festzustellen, ob es den Algen an einem der limitierenden Nährstoffe fehlt.

2. Massenbilanz

Ein weiteres wichtiges Instrument, das Biogeochemiker verwenden, ist eine einfache Massenbilanzgleichung zur Beschreibung des Zustands eines Systems. Das System kann eine Schlange, ein Baum, ein See oder der gesamte Globus sein. Mit Hilfe einer Massenbilanz können wir feststellen, ob sich das System verändert und wie schnell es sich verändert. Die Gleichung lautet:

NETTOVERÄNDERUNG = INPUT + OUTPUT +INTERNE VERÄNDERUNG

In dieser Gleichung wird die Nettoveränderung des Systems von einem Zeitraum zum anderen durch die Inputs, die Outputs und die interne Veränderung des Systems bestimmt.Das im Unterricht behandelte Beispiel ist die Versauerung eines Sees unter Berücksichtigung der Inputs und Outputs und der internen Veränderung der Säure im See.

3. Elementkreislauf

Der Elementkreislauf beschreibt, wo und wie schnell sich Elemente in einem System bewegen. Es gibt, wie oben erwähnt, zwei allgemeine Klassen von Systemen, die wir analysieren können: geschlossene und offene Systeme.

Ein geschlossenes System ist ein System, bei dem die Ein- und Ausgänge im Vergleich zu den internen Veränderungen vernachlässigbar sind. Beispiele für solche Systeme wären eine Flasche oder unser ganzer Globus. Es gibt zwei Möglichkeiten, den Kreislauf von Materialien innerhalb dieses geschlossenen Systems zu beschreiben, indem man entweder die Bewegungsrate oder die Bewegungswege betrachtet.

1. Rate = Anzahl der Zyklen / Zeit . Je höher die Rate, desto höher die Produktivität
2. Pfade – wichtig wegen der verschiedenen Reaktionen, die auf verschiedenen Pfaden ablaufen können

In einem offenen System gibt es Eingänge und Ausgänge sowie den internen Kreislauf. Wir können also die Bewegungsraten und die Pfade beschreiben, wie wir es für das geschlossene System getan haben, aber wir können auch ein neues Konzept definieren, das wir Verweilzeit nennen (eines unserer wissenschaftlichen Konzepte, das wir zu Beginn der Vorlesung erwähnt haben).

1. Rate
2. Pathways
3. Residenzzeit, Rt

Rt = Gesamtmenge der Materie/ Outputrate der Materie

(Man beachte, dass sich die „Einheiten“ in dieser Berechnung aufheben müssen)

Kontrollen der Ökosystemfunktion

Nun, da wir etwas darüber gelernt haben, wie Ökosysteme zusammengesetzt sind und wie Materialien und Energie durch Ökosysteme fließen, können wir die Frage „Was steuert die Funktion von Ökosystemen?“ besser beantworten. Es gibt zwei vorherrschende Theorien über die Steuerung von Ökosystemen. Die erste, die so genannte Bottom-up-Steuerung, besagt, dass die Nährstoffversorgung der Primärproduzenten letztlich das Funktionieren der Ökosysteme steuert. Wenn das Nährstoffangebot erhöht wird, wird die daraus resultierende Steigerung der Produktion von Autotrophen durch das Nahrungsnetz weitergegeben, und alle anderen trophischen Ebenen reagieren auf die erhöhte Verfügbarkeit von Nahrung (Energie und Materialien werden schneller zirkulieren).

Die zweite Theorie, die so genannte Top-Down-Control, besagt, dass Räuberei und Abweiden durch höhere trophische Ebenen auf niedrigeren trophischen Ebenen letztlich die Funktion des Ökosystems kontrolliert. Wenn beispielsweise die Zahl der Raubtiere zunimmt, führt dies zu weniger Weidegängern, und der Rückgang der Weidegänger führt wiederum zu mehr Primärproduzenten, weil weniger von ihnen von den Weidegängern gefressen werden. Die Kontrolle der Populationszahlen und der Gesamtproduktivität erfolgt also „kaskadenartig“ von den obersten Ebenen der Nahrungskette bis hinunter zu den unteren trophischen Ebenen. In früheren Vorlesungen wurde diese Idee auch als „trophische Kaskade“ vorgestellt und erläutert.

Welche Theorie ist also richtig? Nun, wie so oft, wenn es eine klare Dichotomie zu wählen gibt, liegt die Antwort irgendwo in der Mitte. Viele Studien über Ökosysteme belegen, dass BEIDE Steuerungen bis zu einem gewissen Grad funktionieren, aber dass KEINE der beiden Steuerungen vollständig ist. Beispielsweise ist der „Top-down“-Effekt auf den trophischen Ebenen in der Nähe der Spitzenprädatoren oft sehr stark, aber die Kontrolle wird schwächer, je weiter man sich in der Nahrungskette nach unten zu den Primärproduzenten bewegt. In ähnlicher Weise stimuliert der „Bottom-up“-Effekt der Nährstoffzufuhr in der Regel die Primärproduktion, aber die Stimulierung der Sekundärproduktion weiter oben in der Nahrungskette ist weniger stark oder gar nicht vorhanden.

Wir stellen also fest, dass beide Kontrollmechanismen in jedem System zu jeder Zeit wirksam sind, und wir müssen die relative Bedeutung der einzelnen Kontrollmechanismen verstehen, um vorhersagen zu können, wie sich ein Ökosystem unter verschiedenen Umständen, z. B. angesichts eines sich ändernden Klimas, verhalten oder verändern wird.

Die Geographie der Ökosysteme

Es gibt viele verschiedene Ökosysteme: Regenwälder und Tundra, Korallenriffe und Teiche, Grasland und Wüsten. Die Klimaunterschiede von Ort zu Ort bestimmen weitgehend die Arten von Ökosystemen, die wir sehen. Wie uns terrestrische Ökosysteme erscheinen, wird vor allem durch die vorherrschende Vegetation beeinflusst.

Der Begriff „Biom“ wird verwendet, um einen großen Vegetationstyp wie tropischen Regenwald, Grasland, Tundra usw. zu beschreiben, der sich über ein großes geografisches Gebiet erstreckt (Abbildung 3). Er wird nie für aquatische Systeme wie Teiche oder Korallenriffe verwendet. Er bezieht sich immer auf eine Vegetationskategorie, die in einem sehr großen geografischen Maßstab vorherrscht und daher geografisch etwas weiter gefasst ist als ein Ökosystem.

Abbildung 3: Die Verteilung der Biome.

Wir können uns an die vorangegangenen Vorlesungen erinnern, um uns daran zu erinnern, dass die Temperatur- und Niederschlagsmuster für eine Region unterschiedlich sind.Jeder Ort auf der Erde erhält jedes Jahr die gleiche Gesamtzahl an Sonnenstunden, aber nicht die gleiche Menge an Wärme. Die Sonnenstrahlen treffen in niedrigen Breitengraden direkt, in hohen Breitengraden jedoch schräg auf. Diese ungleiche Verteilung der Wärme führt nicht nur zu Temperaturunterschieden, sondern auch zu globalen Wind- und Meeresströmungen, die wiederum viel damit zu tun haben, wo Niederschläge fallen. Nimmt man die kühlenden Auswirkungen der Höhenlage und die Auswirkungen der Landmassen auf Temperatur und Niederschlag hinzu, so ergibt sich ein kompliziertes globales Klimamuster.

Eine schematische Darstellung der Erde zeigt, dass das Klima zwar kompliziert ist, aber viele Aspekte vorhersehbar sind (Abbildung 4). Die hohe Sonnenenergie, die in der Nähe des Äquators auftrifft, sorgt für nahezu konstant hohe Temperaturen und hohe Verdunstungs- und Transpirationsraten der Pflanzen.Warme Luft steigt auf, kühlt ab und gibt ihre Feuchtigkeit ab, was genau die Bedingungen für einen tropischen Regenwald schafft. Vergleichen Sie die konstante Temperatur, aber die schwankenden Niederschläge an einem Standort in Panama mit den relativ konstanten Niederschlägen, aber den saisonalen Temperaturschwankungen an einem Standort im Bundesstaat New York. Jeder Standort weist eine Niederschlags-Temperatur-Kurve auf, die typisch für eine größere Region ist.

Abbildung 4. Klimamuster beeinflussen die Verteilung der Biome.

Wir können uns auf die Pflanzenphysiologie stützen, um zu wissen, dass bestimmte Pflanzen für bestimmte Klimazonen charakteristisch sind, wodurch das Erscheinungsbild der Vegetation entsteht, das wir Biome nennen. Man beachte, wie gut die Verteilung der Biome mit der Verteilung der Klimate übereinstimmt (Abbildung 5). Beachten Sie auch, dass einige Klimazonen unmöglich sind, zumindest auf unserem Planeten. Hohe Niederschläge sind bei niedrigen Temperaturen nicht möglich – es gibt nicht genug Sonnenenergie, um den Wasserkreislauf anzutreiben, und das meiste Wasser ist gefroren und somit das ganze Jahr über biologisch nicht verfügbar. Die Hochtundra ist ebenso eine Wüste wie die Sahara.

Abbildung 5. Die Verteilung der Biome in Abhängigkeit von Temperatur und Niederschlag.

Zusammenfassung

• Ökosysteme bestehen aus abiotischen (nicht lebenden, umweltbedingten) und biotischen Komponenten, und diese Grundkomponenten sind für fast alle Arten von Ökosystemen wichtig. Die Ökosystemökologie befasst sich mit Energieumwandlungen und biogeochemischen Kreisläufen in Ökosystemen.
• Energie wird einem Ökosystem ständig in Form von Lichtenergie zugeführt, und bei jeder Übertragung auf eine höhere trophische Ebene geht etwas Energie verloren. Nährstoffe hingegen werden innerhalb eines Ökosystems recycelt, und ihre Zufuhr begrenzt normalerweise die biologische Aktivität. Energie fließt, Elemente zirkulieren“.
• Energie bewegt sich durch ein Ökosystem über ein Nahrungsnetz, das aus ineinandergreifenden Nahrungsketten besteht. Die Energie wird zunächst durch Photosynthese gewonnen (Primärproduktion). Das Ausmaß der Primärproduktion bestimmt die Energiemenge, die den höheren Trophiestufen zur Verfügung steht.
• Die Untersuchung des Kreislaufs chemischer Elemente in einem Ökosystem wird als Biogeochemie bezeichnet. Ein biogeochemischer Kreislauf kann als eine Reihe von Speichern (Pools) und Übertragungen ausgedrückt werden und kann mit Hilfe der Konzepte „Stöchiometrie“, „Massenbilanz“ und „Verweilzeit“ untersucht werden.
• Die Funktion eines Ökosystems wird hauptsächlich durch zwei Prozesse gesteuert, die „Top-down“- und die „Bottom-up“-Steuerung.
• Ein Biom ist ein Hauptvegetationstyp, der sich über ein großes Gebiet erstreckt. Die Verteilung der Biome wird weitgehend durch Temperatur- und Niederschlagsmuster auf der Erdoberfläche bestimmt.

Wiederholung und Selbsttest

• Wiederholung der wichtigsten Begriffe und Konzepte dieser Vorlesung.

Leseempfehlung:

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