Ökologie

Grundvorlesung: Einführung in die Biologie I Teil Ökologie: WS 2004/2005 Prof. Dr. J.K. Müller Institut für Biologie I, Universität Freiburg

Kopien der wichtigsten in der Vorlesung gezeigten Folien. Diese Kopien sind kein Skriptum im üblichen Sinne, ohne Hören und Nacharbeiten der Vorlesung sind die Kopien zum Teil unverständlich. Empfohlene Literatur 1. um Lernen für ” wangsökologen” Osche (1973): Ökologie, Herder Verlag Wilson, Bossert (1973): Populationsbiologie, Springer Verlag 2. um Lernen für “echte Ökologen” Begon, Harper,Townsend,, (1998): Ökologie, Spektrum Verlag Townsend, Harper, Begon (2003): Ökologie, Springer Verlag Wilson, Bossert (1973): Populationsbiologie 3. un Anwenden für “echte Ökologen” Mühlenberg (1993): Freilandökologie, UTB Krebs (1989): Ecological Methodology Harper&Row 4. Eigene Mitschrift: Nacharbeiten der Vorlesung Was ist Ökologie? 3

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Inhalt der Vorlesung 2 Was ist Ökologie? Autökologie: Temperatur als Selektionsfaktor Autökologie: Nahrung als Selektionsfaktor / optimal foraging Modelle / ökologische Nische und Stellenäquivalenz Populationsökologie: Wachstum von isolierten Populationen / logistische Gleichung / Dichte begrenzende Faktoren Populationsökologie: Eigenschaften von konkurrierenden Populationen / Mathematische Behandlung von Konkurrenzphänomenen / Wirkung von Konkurrenz / Wie entgeht man Konkurrenz? / Konkurrenzausschlußprinzip Populationsökologie: Räuber-Beute Systeme Lotka Volterra Gleichung / Anpassungen von Organismen an den Räuberdruck Synökologie: Methoden der ökologischen Forschung / beschreibende Ökologie / analysierende Ökologie

Was ist Ökologie?

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Ökologie ist die Wissenschaft, die sich damit beschäftigt, wie Mäuse darüber entscheiden, wie viele Turmfalken es gibt. Ökologie ist also eine harmlose, liebenswerte Wissenschaft. Ökologie ist aber auch die Wissenschaft, die uns sagt, ob oder wie lange die Erde ihre erfolgreichste Art, Homo sapiens, noch erträgt. Ökologie könnte also auch lebenswichtig sein. Veronika Straaß (1990) Spielregeln der Natur. BLV München 127 pp

“Ökologen” und “Ökologische Aussagen” der vorwissenschaftlichen eit Höhlenmalerei Moses und die Vorhersagen der 10 Plagen über Ägypten

Da es unmöglich ist, ohne Nahrung zu leben, so sind es eben die Unterschiede der Nahrung, welche auch die Unterschiede der Lebensweisen hervorgebracht haben. Und so hat denn die Natur dem weck der leichteren Gewinnung und besseren Auswahl dieser Nahrungsmittel auch ihre Lebensweisen gesondert. Aristoteles (300 v. Chr.) Warum drängt die Natur die Geschöpfe so auseinander? Weil sie im kleinsten Raum die größte und vielfachste Anzahl der Lebenden schaffen wollte. Jede Gattung sorgt für sich, als ob sie die einzige wäre. J.G. von Herder (1784) Doch bemerkt man, daß die Natur …… denjenigen Thieren, welche am kleinsten sind und vielen anderen Nutzen und Nahrung geben, die größte Fruchtbarkeit verliehen hat. Linnè (1762)

Definition 1: Die Tierökologie ist die Lehre von der Ökonomie, von dem Haushalt der tierischen Organismen. Diese hat die gesamten Beziehungen des Tieres sowohl zu seiner anorganischen als auch zu seiner organischen Umgebung zu untersuchen, vor allem die freundlichen und feindlichen Beziehungen zu denjenigen Tieren und Pflanzen, mit denen es in direkte und indirekte Berührung kommt; oder mit einem Worte alle diejenigen verwickelten Wechselbeziehungen, welche Darwin als die Bedingungen des Kampfes ums Dasein bezeichnet (Haeckel 1866). Definition 2: Die Ökologie ist diejenige Teildisziplin der Biologie, die sich mit denjenigen Wechselbeziehungen der Organismen untereinander und mit ihrer unbelebten Umwelt befaßt, die die Verbreitung und Häufigkeit der Organismen bestimmen (Krebs 1985). Definition 3: Die Ökologie ist die Lehre von den Wechselbeziehungen der Organismen mit ihrer auf sie einwirkenden Umwelt. ur wirksamen Umwelt gehören alle Faktoren, die irgendeinen Einfluß auf Lebewesen haben, also alle potentiellen Selektionsfaktoren. Darunter sind biotische Faktoren, wie Räuber, Nahrung und Konkurrenten, sowie abiotische Faktoren wie Klima und anorganische Stoffe.

Stichworte Autökologie / Temperatur als Faktor 5

Umweltgradient Vorkommen / Präferenz / Toleranz / Valenz ökologische Potenz / euryök / stenök eurytherm / stenotherm / thermophil / thermophob RGT-Regel / Q10 – Wert / Entwicklungsnullpunkt Thermoregulation / thermoneutrale one Habitatselektion Endothermie / Ektothermie Homoiothermie / Poikilothermie Heterothermie, regional / temporär Wärmeproduktion / Wärmeaustauch Abwärme bei Bewegung / Muskelzittern / Verbrennung Wärmestrahlung / Konduktion / Konvektion Verdunstung / Verdunstungskälte Bergmannsche Regel / Allensche Proportionsregel Gegenstromprinzip Isolierung / Haare / Federn / Fett / Luft Winterschlaf / Torpor / Vogelzug Überdauerungsstadien / Dauerstadien / Anabiose Korrelation / Ursache formale / kausale Korrelation Autökologische Charakterisierung der Umwelt Temperatur als Umweltfaktor Toleranzbereich = ökologische Potenz

0,6 Lethaltemperatur

6

Optimum

Lethaltemperatur

“Lebensleistung”

0,4

Pejus 0,2 Pessimum

Pejus

Pessimum

0 -5 0 5 10 15 20 25 30 35

Temperaturgradient (Grad)

7

Autökologische Charakterisierung von Lebewesen “Reaktion” auf Umweltfaktoren Verhalten von Arten im Temperaturgradienten

1,5 kalt-stenotherm Vorkommen / Präferenz / Toleranz warm-stenotherm

8 Autökologische Charakterisierung von Lebewesen “Reaktion” auf Umweltfaktoren Verhalten von Arten gegenüber Nahrung

stenophag

1 Nutzung 0,5

eurytherm

euryphag

0 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 Nahrungsqualitäten / Nahrungsarten Temperaturgradient (Grad)

Stichworte Autökologie / Nahrung als Faktor

9

10

Wahl nach Art der Nahrung: herbivor / phytophag / carnivor / zoophag / omnivor saprophag / dedritivor / necrophag / coprophag Wahl nach Spezialisierung auf bestimmte Nahrung: Generalisten / Spezialisten / euryphag / stenophag polyphag / oligophag / monophag Produktion und Nutzung: Produzenten / Primärkonsumenten / Sekundärkonsumenten / Tertiärkonsumenten / Destruenten autotroph / heterotroph photoautotroph / chemoautotroph Nahrungskette / Nahrungsnetze / Nahrungspyramide / Biomassepyramiden / Energiepyramiden / umgekehrte Nahrungspyramide / trophische Ebenen Körpergrößenrelation / ahlenrelation in Pyramiden optimal foraging Modelle / Maximierung der Energieaufnahme / Profitabilität der Nahrung / Suchzeit / Behandlungszeit / optimales Nahrungsspektrum ökologische Nische / Rolle / Beruf einer Art autozoische / ökische Dimensionen / Günther 1950 Stellenäquivalenz fundamentale / realisierte Nische / Hutchinson 1958

Modell des optimal foraging

Annahme für die Modelle des optimal foraging ist, daß Tiere die Energieaufnahme pro eit maximieren. Vorhersagen des dargestellten Modells: (1) Es gibt ein optimales Nahrungsspektrum. Ein Tier wird (2) sehr profitable Nahrung immer nutzen, (3) unprofitable Nahrung, bei der der Energiegewinn pro eit während der Energieaufnahme geringer ist als der durchschnittliche Energiegewinn pro Gesamtzeit bei Nutzung des optimalen Spektrums, nicht nehmen, unabhängig davon, wie häufig die betreffende Nahrung ist, (4) nicht nur die profitabelste, sondern auch weniger profitable Nahrung nehmen, abhängig von der Suchzeit für die profitable Nahrung (Mac Arthur & Pianka 1966 Am Nat 100, 603-609). Warum sollten Tiere ein optimales Nahrungswahlverhalten zeigen? Tiere, die falsch oder gar nicht auswählen, verlieren eit (s.11). Gibt es Belege für eine optimale Nahrungswahl? Experimente mit Meisen, Stieglitzen und Hummeln belegen, daß Tiere Profitabilitäten abschätzen und Suchzeiten messen können. Die Experimente zeigen weiter, daß Tiere profitable Beute einer weniger profitablen vorziehen. Dressuren durch Belohnung nutzen die Fähigkeit von Tieren, Ergiebigkeit von Nahrung zu messen.

Wie lange braucht ein Stieglitz an verschiedenen 11 Pflanzen, um die nötige Tagesration an Pflanzensamen zu erhalten, und welche Pflanzen wählt er freiwillig?

14 Auswahl der Pflanzen durch die Vögel 12 60 40 20 Nahrungsaufnahmezeit (h) 10 0 8 Präferenz (%)

12 Modell des optimal foraging Beziehungen zwischen Energiegewinn (E), Behandlungs- (h), Suchzeit & Gesamtzeit (t) 1 E/h 0,8 E /t 3 Energiegewinn pro Gesamtzeit (t) 2,5 2 0,6 1,5 0,4 1 0,2 0,5

Suchzeit

6

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0 Arctium spec. Tragopogon pratensis Dipsacus silvestris Knautia arvensis Cirsium vulgare Plantago major Dactylis glomerata Centaurea jacea Rumex acetosa Cirsium oleraceus Leontodon hispidus Ranuculus acer Crepis perennis Cirsium arvensis Taraxacum officinale Filipendula ulmaria Sonchus arvensis Senecio vulgaris Sonchus oleraceus Tussilago farfara

Energiegewinn

0 0

0 15

5 10 Beuteobjekte / Nahrungsportionen