Prüfungen erfolgreich bestehen im Fach Ökologie

F Welches Klima ist für die arktische Tundra charakteristisch?

Die arktische, baumlose Tundra tritt in Regionen mit kurzen Vegetationsperioden und langer winterlicher Kälte auf. Aufgrund der ständig gefrorenen Bodenschichten (Permafrost) ist das Pflanzenwachstum ebenso wie die zersetzende Tätigkeit der Mikroorganismen verlangsamt. Gleichzeitig herrschen Trockenheit und starke Winde, sodass in großen Teilen der Tundra die Vegetation lediglich aus Flechten und Moosen besteht.

G Welche abiotischen und biotischen Merkmale kennzeichnen die borealen Nadelwälder?

Der boreale Nadelwald (Taiga) umfasst die größten Waldkomplexe der Erde in Eurasien und Nordamerika. Es herrscht ein kaltes, kontinentales Klima mit starken jahreszeitlichen Schwankungen mit langen, schneereichen Winterperioden und kurzen, kühlen Sommern. In kalten Regionen herrscht Permafrost, der das Versickern des Wassers verhindert und gleichzeitig für eine hohe Bodenfeuchtigkeit sorgt. Dadurch können viele Pflanzenarten auch noch in den niederschlagsärmsten Regionen der Arktis wachsen. Die Taiga ist gekennzeichnet durch immergrüne Nadelbäume und beheimatet viele unterschiedliche Tierarten wie beispielsweise Elch (Alces alces), Schneeschuhhase(Lepus americanus), Wolf (Canis lupus) und Rotes Eichhörnchen (Sciurus hudsonicus). Außerdem nutzen zahlreiche Zugvögel aus dem Süden die borealen Nadelwälder als Nistgebiete.

H Welche sind die wichtigsten Schichten der Wälder gemäßigter Breiten?

In den Wäldern gemäßigter Breiten herrschen sommergrüne Laubbäume vor, die am Ende der Vegetationsperiode nach dem Blattfall in die Winterruhe eintreten. Der Laubwald ist in vier Schichten aufgebaut: ein geschlossenes Kronendach der dominanten Baumarten, eine untere Kronenschicht, eine Strauchschicht und eine Feldschicht, die aus krautigen Pflanzenarten, Farnen und Moosen besteht. In Zusammenhang mit dieser Schichtenstruktur und der Wuchsformen der Pflanzen finden wir in diesen Wäldern eine artenreiche Tierwelt.

J Welche Faktoren beeinflussen die Entstehung der Steppenlandschaften der gemäßigten Breiten?

Gras- oder Steppenlandschaften befinden sich in den trockenen und winterkalten Regionen der gemäßigten Breiten. Das Klima der Steppenlandschaften zeichnet sich durch immer wiederkehrende Trockenheit aus. Der Winter ist mit durchschnittlichen Temperaturen weit unter –10 °C extrem kalt, der Sommer dagegen heiß mit Temperaturen, die häufig über 30 °C ansteigen. Neben den klimatischen Faktoren, spielen natürliche Brände und in der neueren Zeit auch Eingriffe durch den Menschen bei der Entstehung von Steppenlandschaften eine entscheidende Rolle. Um die fruchtbaren Böden ackerbaulich und viehwirtschaftlich zu nutzen, ist heute ein Großteil der Steppenlandschaften in Acker- und Weideland umgewandelt. Eine große Rolle bei der Entstehung von Graslandschaften spielen grasfressende Herbivore, deren Abweiden zu kompensatorischem Wachstum und somit zu einer Vergrößerung der Primärproduktion (s. Kap. 3.1.1, Frage 2) führt.

K Nennen Sie typische Tierarten, die in kalt-ariden Graslandschaften vorkommen.

Nur besonders daran angepasste Tierarten können in den kalten und unwirschen klimatischen Bedingungen der Arktis überleben. Unter den Wirbeltieren dominieren die Herbivoren wie Lemminge (Lemmus), Moschusochsen (Ovibos moschatus), sowie Karibus in Nordamerika bzw. Rentiere in Eurasien (beides Rangifer tarandus). Der Wolf (Canis lupus) und der Polarfuchs (Alopex lagopus) sind hingegen wichtige carnivore Säuger der Arktis. Ebenso besiedeln Vogelarten wie die Schneeeule (Nyctea scandiaca), das Alpenschneehuhn (Lagopus muta) und zahlreiche Arten von Wasservögeln die Arktis. Dicht unter der Erdoberfläche finden sich große Populationen wirbelloser Tierarten wie beispielsweise Springschwänze (Collembola) und Fliegen (Diptera). Im Sommer ziehen riesige Schwärme von Kriebelmücken (Simuliidae), Stechmücken (Culicidae) und Bremsen (Tabanidae) über das Land.

1.1.5 Aquatische Lebensräume

A Welche Anpassungen zeigen Organismen in schnell und langsam fließenden Gewässern?

Ein Fließgewässer ist in seinem Verlauf von seiner Quelle bis zur Mündung durch sich ständig verändernde Umweltbedingungen charakterisiert. Um nicht von der Strömung verdriftet zu werden, sind die in schnell fließenden Gewässerabschnitten lebenden Organismen häufig stromlinienförmig (z.B. die Bachforelle, Salmo trutta), stark abgeflacht (z.B. strömungsliebende Larven einiger Eintagsfliegen und Steinfliegen), oder haben eine stark seitliche Beinstellung (z.B. Larven einiger Eintagsfliegen), welche beim Anpressen an das Hartsubstrat und für den Aufenthalt in der strömungsarmen Grenzschicht von Vorteil ist. Manche Organismen heften sich mit Haftscheiben an Steinen fest (z.B. Larven von Kriebelmücken, Simuliidae). In langsam fließenden Gewässern mit nur geringer Strömung und viel Bewuchs ist hingegen eine schmale Körperform von Vorteil, um sich durch die dicht stehenden Wasserpflanzen hindurchschlängeln zu können (z.B. der Flussbarsch, Perca fluviatilis). Ebenso finden sich frei schwimmende Insekten, wie z.B. Wasserkäfer (Hydrophilidae oder Dytiscidae) im Wasser und auf der Wasseroberfläche treten Wasserläufer (Gerridae) auf.

S Welche speziellen Anpassungen zeigen Tiere im freien Wasser stehender Gewässer?

Im freien Wasser der Seen und Meere (Pelagial) lebt vor allem das Plankton. Diese Lebensgemeinschaft von Organismen weist als Anpassung an diesen Lebensraum eine geringe Körpergröße auf, die es ihnen ermöglicht, im Wasser zu schweben oder zu treiben (Sinkgeschwindigkeit nimmt mit dem Quadrat des Radius bzw. der Körpergröße zu – Stokessches Gesetz). Oftmals findet man an pelagialen Organismen auch Schwebehilfen bzw. Mechanismen zur Reduktion des spezifischen Gewichtes, wie z.B. die Ausbildung von Gallerthüllen oder die Einlagerung von Gasvakuolen. Sie sind zudem oft transparent als Schutz gegen Prädation durch beispielsweise Fische, da das Freiwasser keine Versteckmöglichkeiten aufweist oder zeigen eine tageszeitliche Vertikalmigration.

D Welche Faktoren sind für die Veränderungen der marinen Lebensräume an den Küsten verantwortlich?

Die marinen Lebensräume in der Nähe von Küsten ändern sich drastisch in Abhängigkeit von der Anreichung von Nährstoffen, die von der Landoberfläche ins Wasser gelangen. Zusätzlich beeinflussen Wellen, die Gezeiten und die Küstentopografie die für den jeweiligen Küstenabschnitt charakteristische Lebensgemeinschaft aus Pflanzen und Tieren.

F Welche Anpassungsmechanismen zeigen Pflanzen und Tiere, um erfolgreich an Steilküsten und Felswänden zu überleben?

Die innerhalb eines bestimmten Küstenabschnitts vorkommenden Lebensgemeinschaften aus Pflanzen und Tieren werden von der Dauer bestimmt, die der Küstenabschnitt durch die Wellen mit Wasser bedeckt oder der Luft ausgesetzt ist. An exponierten Stellen wie Steilküsten und Felswänden hat ein Wellenschlag große Auswirkungen auf die dortige Flora und Fauna. Um nicht fortgespült zu werden, heften sich viele Tiere fest und dauerhaft an das Substrat, wie z.B. Entenmuscheln (Pedunculata) oder Seepocken (Balanidae), beides Vertreter der Rankenfüßler (Cirripedia), oder echte Muscheln, wie die Miesmuschel (Mytilus edulis). Hier erfolgt die Nahrungsaufnahme über die Filtration von Plankton aus dem Wasser. Als Anpassung an das steile Substrat haben manche Pflanzen spezialisierte Haftscheiben, mit denen sie sich an den Felsen festsetzen. Die beherrschende Pflanzenart der Steilküsten ist dabei der braune Seetang.

G Was sind Ästuare und wo treten sie auf?

Ästuare sind trichterförmige Mündungsbereiche, in denen ein Fluss (Süßwasser) und eine Gezeitenbucht (Salzwasser) aufeinandertreffen. Sie bilden sich dort, wo der Gezeitenhub groß ist (z.B. deutsche Nordseeküste) und die Tideeinströmungen den Oberwasserzufluss des Flusses auf eine längere Strecke fast völlig überdecken. Dabei vermischen sich Salz- und Süßwasser und es entstehen Brackwasserbereiche mit starker und mit schwacher Durchmischung. Aufgrund der alternierenden Gezeitenströmungen fließt permanent Wasser durch die Ästuare und es bilden sich sedimentfreie, meist tiefe Erosionsrinnen aus. Die dort vorkommenden Tier- und Pflanzenarten haben sich durch spezielle physiologische und verhaltensbiologische Mechanismen entsprechend an die variable Salzkonzentration angepasst. So treten beispielsweise Flundern (Platichthys) bevorzugt im Brackwassergebiet großer Flussmündungen auf.

H Wie unterscheiden sich Salzmarschen von Mangroven?

Entlang von Küsten der gemäßigten Breiten entstehen in den Überschwemmungsgebieten, in den Flussmündungsgebieten oder auch im Schutz von Sandbänken oder Inseln Salzmarschen. Die Struktur einer Salzmarsche wird vorwiegend durch den wechselnden Einfluss der Gezeiten bzw. dem unterschiedlichen Salzgehalt des Bodens bestimmt. Bei den dort vorkommenden Pflanzenarten handelt es sich um Strauchgewächse und niederwüchsige Gräser. In den Tropen findet man an den von den Gezeiten beeinflussten Flachküstenbereichen anstelle von Salzmarschen Mangrovenwälder. Im Gegensatz zu den Salzmarschen handelt es sich bei Mangroven um Gehölzformationen, welche durch bis zu 30 m hohe Bäume, bis zu 2 m hohe Sträucher und nur wenig niedrigwüchsige Pflanzenarten gekennzeichnet sind.

J Was ist ein Feuchtgebiet?

Ein Feuchtgebiet ist ein durch hohe Bodenfeuchte oder oberflächige Wasserbedeckung charakterisierter Lebensraum, der im Übergang vom Süßwasser zum Land entsteht. Beispiele für Feuchtgebiete sind Niedermoore, Hochmoore, Auenwälder, Feucht- und Nasswiesen.

K Wie entstehen Sandstrände?

Sandstrände entstehen durch die Verwitterung von Sedimentgestein an den Küsten und im Landesinneren. Diese Verwitterungsprodukte werden durch die Wellenbewegung des Meeres sowie durch Flüsse transportiert und lagern sich als Sand an den flachen Meeresküsten ab.

1.2 Zusammenfassung des Themas Umweltbedingungen

Abiotische Umweltfaktoren (Umgebungstemperatur, Niederschlag und Bodenqualität) bilden die Rahmenbedingungen für das Vorkommen von pflanzlichen und tierischen Organismen. Pflanzliche Organismen bestimmen Struktur und Vielfalt der Vegetation und damit Mikroklima und Ressourcenverfügbarkeit, wie z.B. Futter, Nistplätze oder auch Prädationsschutz, welche in Folge die Vielfalt tierischen Lebens beeinflussen.

Umweltfaktoren und Ressourcen. Umweltfaktoren sind physikalisch-chemische Eigenschaften der Umwelt, welche im Gegensatz zu Ressourcen von Organismen nicht verbraucht werden. Umweltfaktoren werden traditionell in abiotische (unbelebte) und in biotische (belebte) Umweltfaktoren eingeteilt, wobei die Abgrenzung zwischen den beiden Faktoren nicht immer eindeutig ist. Als Ressource wird alles, was ein Organismus nutzt, umwandelt bzw. verbraucht bezeichnet.

Temperatur, atmosphärische Zirkulation und Niederschlag. Der Großteil der klimatischen Zonierung der Erde und auch die Jahreszeiten kommen durch die ungleiche Erwärmung der Erde durch die Sonne und die Schiefe der Erdachse zustande. Die Erde nimmt die Sonnenergie in Form kurzwelliger Strahlen auf, die Erdoberfläche erwärmt sich und gibt Wärme in Form von langwelliger Strahlung an die Atmosphäre ab. Ein Großteil dieser langwelligen Strahlung wird in der Atmosphäre gespeichert und teilweise auf die Erdoberfläche zurückgestrahlt. Die ungleiche Erwärmung von Erdoberfläche und Atmosphäre bewirkt die Zirkulation von Luftmassen und beeinflusst damit die Verteilung des Niederschlags. Beim globalen Wasserkreislauf gelangt Wasser von der Atmosphäre zur Erdoberfläche und dann wieder zurück in die Atmosphäre. Treibende Kraft hierfür ist wieder die Solarstrahlung, welche die Erdatmosphäre erwärmt und die erforderliche Energie für die Verdunstung des Wassers liefert.

Pollenanalysen geben Aufschluss darüber, welche Pflanzengemeinschaften wann und wo vorgekommen sind, da die prozentualen Anteile der Pollen einzelner Taxa für jeden Zeitabschnitt in der Erdgeschichte spezifisch sind und damit eine Rekonstruktion der Vegetationsentwicklung und des jeweiligen Klimas erlauben. Ein weiteres Verfahren für die Altersbestimmungen von Untersuchungsobjekten und deren erdgeschichtliche Einordnung ist die Radiocarbonmethode (14C-Methode). “Historische Faktoren” sind langzeitliche Umweltveränderungen, wie z.B. Eiszeiten, Kontinentaldrift oder Verinselung, welche die Vegetationsentwicklung und das Vorkommen verschiedener Tierarten und Tiergemeinschaften beeinflussen.

Vegetationsstruktur und Boden. Der Boden ist die oberste belebte Verwitterungsschicht der Erdkruste und ist unter dem Einfluss von Klima und Lebewesen entstanden. Bei der mechanischen Verwitterung, werden Gesteine und Mineralien durch die Einwirkung physikalischer Faktoren zerkleinert, während bei der chemischen Verwitterung diese Bruchstücke durch chemische Reaktionen weiter zersetzt werden. Die Bodenbildung wird durch die physikalische und chemische Beschaffenheit des Ausgangsgesteines, klimatische Verhältnisse, biotische Faktoren, Zeit und Relief beeinflusst. Boden ist Lebensraum vieler Pflanzen, Tiere, Pilze und Bakterien und stellt einen wichtigen Faktor im Wasserkreislauf dar. Er dient Pflanzen zur Verankerung und als Wasser- und Nährstoffreservoir. Der Boden ist außerdem ein Medium für die Fixierung von atmosphärischem Stickstoff, sodass die Pflanzen diesen nutzen können. Unterschiedliche Bodentypen tragen zur Komplexität der Umwelt bei und bieten somit einer Vielzahl von Pflanzen und Tieren Raum zu leben.

Geographische Verbreitung terrestrischer Biome und Klima. Terrestrische Biome sind großräumige Lebensgemeinschaften mit den in ihnen lebenden Organismen, die durch ihre Pflanzenwelt abgegrenzt und mit bestimmten Makroklimaten verbunden sind (z.B. tropischer Regenwald oder Tundra). Entsprechend ihrer jeweiligen dominanten Pflanzenformationen unterscheiden sich die verschiedenen Biome in ihrem Spektrum an Lebensformen voneinander. Klimatische Eigenschaften (wie z.B. Niederschlag und Temperatur) werden auf verschiedene räumliche Maßstabsebenen herunter gebrochen.

Als Makroklima bezeichnet man globale und regionale Klimamuster, als Mikroklima hingegen spezifische lokale Klimamuster der bodennahen Luftschichten oder in bestimmten Bodenschichten. Die meisten Organismen leben unter lokalen mikroklimatischen Bedingungen, die nicht zwingend dem Makroklima der Region entsprechen.

Aquatische Lebensräume. Fließgewässer sind in ihrem Verlauf von der Quelle bis zur Mündung durch sich ständig verändernde Umweltbedingungen charakterisiert. Als Anpassung an eine starke Strömung haben Organismen, die in Fließgewässern vorkommen häufig eine stromlinienförmige oder stark abgeflachte Körperform, ziehen sich in schwach strömende (lenitische) Bereiche zurück oder heften sich an ein Substrat, wie z.B. Steinen und Totholz fest. In langsam fließenden Gewässern mit nur geringer Strömung und viel Bewuchs ist hingegen eine schmale Körperform von Vorteil.

Küstennahe marine Lebensräume ändern sich drastisch aufgrund der Anreichung von Nährstoffen, die von der Landoberfläche ins Wasser gelangen. Zusätzlich beeinflussen Wellen, die Gezeiten und die Küstentopografie die für den jeweiligen Küstenabschnitt charakteristische Lebensgemeinschaft aus Pflanzen und Tieren. An Steilküsten heften sich viele Tiere und Pflanzen fest und dauerhaft an das Substrat, um nicht fortgespült zu werden. Tiere auf dem Meeresgrund bewegen sich hingegen oftmals weidend fort.

Ästuare sind Mündungsbereiche, in denen ein Fluss und eine Gezeitenbucht aufeinandertreffen. Hier entstehen Brackwasserbereiche mit unterschiedlichem Salzgehalt. Die dort vorkommenden Tier- und Pflanzenarten haben sich durch spezielle physiologische und verhaltensbiologische Mechanismen entsprechend an die variable Salzkonzentration angepasst. Entlang von Küsten der gemäßigten Breiten entstehen in den Überschwemmungsgebieten, Flussmündungsgebiete oder auch im Schutz von Sandbänken oder Inseln Salzmarschen. Bei den dort vorkommenden Pflanzenarten handelt es sich um Strauchgewächse und niederwüchsige Gräser. In den Tropen findet man in den von den Gezeiten beeinflussten Flachküstenbereichen hingegen Mangrovenwälder. Im Gegensatz zu den Salzmarschen handelt es sich bei Mangroven um Gehölzformationen. Ein Feuchtgebiet ist ein durch hohe Bodenfeuchte oder oberflächige Wasserbedeckung charakterisierter Lebensraum, der im Übergang vom Süßwasser zum Land entsteht.

1.3 Transferfragen zum Thema Umweltbedingungen

Warum erhalten die Regionen um den Äquator mehr Solarstrahlung als die Polarregionen?

Der Anteil der Sonnenenergie, der die Erdoberfläche erreicht, variiert stark mit dem jeweiligen Breitengrad (s. Abb. 1.6). Dabei beeinflussen zwei Faktoren diese Unterschiede: Erstens trifft die Solarstrahlung in den höheren Breiten in einem flacheren Winkel auf die Erdoberfläche dadurch verteilt sie sich über eine größere Fläche als am Äquator. Zweitens muss die Strahlung der Sonne, wenn sie in einem flachen Winkel auf der Erde auftritt, eine dickere Luftschicht mit einer größeren Zahl molekularer Teilchen durchdringen, welche die Sonnenstrahlen stärker reflektieren bzw. absorbieren. Daher ist die an den Polen auftretende Strahlung weniger intensiv als eine entsprechende Strahlung, die senkrecht die äquatornahen Regionen erreicht. Aufgrund dessen folgen die durchschnittlichen Jahrestemperaturen einem globalen Gradienten, wobei sie in den Tropen am höchsten sind und in Richtung der Pole sinken.

Abb. 1.6: Jährliche Sonneneinstrahlung in Abhängigkeit vom Breitengrad.

Die Artenvielfalt vieler Organismengruppen ist in den Tropen am höchsten. Welche Erklärungsmöglichkeiten gibt es dafür?

Das Leben von Organismen hängt, neben physikalischen und chemischen Umwelteigenschaften, von der Vegetation ab, die sowohl Nahrung als auch Schutz bietet. Der tropische Regenwald ist aufgrund der ganzjährigen hohen Sonneneinstrahlung mit den regelmäßigen und verlässlichen Niederschlägen das produktivste Biom der Erde. Die Produktion wird von der enormen Diversität der Pflanzen geleistet und bringt ein entsprechend großes Angebot an Ressourcen für die Tierwelt hervor. So produziert jede Pflanze zu unterschiedlichen Zeiten Früchte, sodass spezialisierte Früchtefresser während des gesamten Jahres Nahrung zur Verfügung haben. Gleichzeitig ist das vielfältige Angebot an frischen jungen Blättern für Herbivore eine verlässliche Nahrungsquelle. Die Lebensräume in den Tropen sind außerdem sehr heterogen und reich strukturiert und ermöglichen eine hohe Diversität von Organismen. Evolutionsgeschichtlich gesehen wird angenommen, dass die Vegetation der tropischen Regenwälder mit ihren Tiergemeinschaften während den Eiszeiten in isolierte „Inseln“ zurückgedrängt wurden, die dann später erneut miteinander verschmolzen sind. Diese „Inselbildung“ hat zur genetischen Isolation von Populationen geführt und ist bei der Artbildung von zentraler Bedeutung (s. Kap. 2).

Warum findet man die meisten Wüsten im Bereich des nördlichen und südlichen 30. Breitengrades?

Bei etwa 30° nördlicher und südlicher Breite sinken abgekühlte und relativ trockene Luftmassen, die von der innertropischen Konvergenzzone in der Höhe polwärts strömen, nach unten (s. Kap. 1.1.2, Frage 3 und 6). Die herabsinkenden und sich dadurch erwärmenden Fallwinde bilden an der Bodenoberfläche Hochdruckzellen aus, die gekennzeichnet sind durch minimale Niederschlagsmengen im Bereich der Subtropen. Warme Luft welche durch ihren hohen Sättigungsdampfdruck mehr Wasserdampf aufnehmen kann, zieht durch Verdunstung Wasser aus der Erdoberfläche und dem Boden und verursacht somit die trockenen Klimabedingungen der in diesen Zonen liegenden großen Trockenwüsten. Zugleich begünstigt der wolkenlose Himmel im Sommer und die intensive Sonneneinstrahlung die Bildung heißer Wüsten im Bereich des nördlichen und südlichen Wendekreises.

Welche Biome der Erde wurden durch menschliche Aktivitäten am stärksten beeinflusst?

Durch menschliche Eingriffe am stärksten verändert wurden natürliche Gras- oder Steppenlandschaften der gemäßigten Breiten, die zu großen Teilen in landwirtschaftliche Nutzflächen wie Acker- und Weideland umgewandelt wurden. Nur durch Ackerbau und großflächige Nutzung des Graslands zur Produktion von Fleisch und Milch, war die starke Zunahme der Weltbevölkerung möglich. Ein weiteres, vom Menschen stark beeinträchtigtes Biom, ist der tropische Regenwald, der zu landwirtschaftlichen Zwecken gerodet wird bzw. dessen Bäume zur Holznutzung gefällt oder durch Feuerrodung zerstört werden.