9 Ökologie

9. Ökologie Aufgaben zum Biobuch 9 Ökologie 9.1 Beziehungen zwischen Organismen und Umwelt Aufgabe 9.1‐1: Erläutere, warum ausgedehnte Korallenriffe nur in ganz bestimmten Meeresregionen vorkommen. Aufgabe 9.1‐2: Nicht alle Individuen einer Testpopulation bevorzugen den Präferenzbereich. Einige Individuen liegen ausserhalb dieses Bereichs. Erkläre diesen Befund. Aufgabe 9.1‐3: Die Blätter der Rotbuche sind in der Kronenregion kleinflächig und dick, in den unte‐
ren Regionen dagegen grossflächig und dünn. Erkläre diesen Befund. Aufgabe 9.1‐4: Erkläre folgenden Befund: Eine Zauneidechse verzehrt pro Jahr etwa das 2‐4‐Fache ihrer eigenen Körpermasse, also 20‐40 g, während der Rotfuchs bei 6‐10 kg Körper‐
masse mindestens 50 Hasen (ca. 100 kg) frisst. Aufgabe 9.1‐5: Bei konkurrenzstarken Arten entspricht die Fundamentalnische weitgehend der Realnische. Analysiere die untenstehende Abb.1, und teile die Baumarten in konkur‐
renzstark, mässig konkurrenzstark und konkurrenzschwach ein. Ws/Sy/Zö April 09 1 9. Ökologie Aufgaben zum Biobuch Aufgabe 9.1‐6: Erkläre, warum die Kakteen Amerikas und die Wolfsmilchgewächse Afrikas so ähnlich gebaut sind. Aufgabe 9.1‐7: Erkläre folgende Phänomene: (a) Sibirische Tiger wiegen 400 kg, Bengaltiger 300 kg und Sumatratiger 200 kg. (b) Grosse Säugetierarten, wie z. B. der Elefant oder das Pferd, haben einen wesentlich geringeren Energieumsatz pro kg als kleine Säugerarten, wie z. B. Spitzmäuse. Aufgabe 9.1‐8: Umweltfaktoren bestimmen die Verbreitung der Stechpalme. Vielleicht wächst der einheimische Zierstrauch „Europäische Stechpalme" Ilex aquifoli‐
um auch in ihrem Vorgarten. In unseren Wäldern kommt er natürlich vor, weil dort die Umweltfaktoren für ihn günstig sind. Ilex aquifolium ist ein baumartiges oder strauchar‐
tiges immergrünes Gehölz, das langsam aufrecht wächst, bis zu 10 Meter hoch und bis zu 100 Jahre alt werden kann. Es besitzt eiförmige bis elliptische ledrige Laubblätter, unscheinbare grünlichweisse bis hellrote Blüten und erbsengrosse, scharlachrote Früch‐
te. Für Menschen, Pferde, Hunde und viele Nager sind die Früchte mit den Steinkernen ungeniessbar beziehungsweise sogar giftig, während Vögel wie Amseln, Drosseln und Rotkehlchen sich von den Früchten ernähren und die Steinkerne unverdaut ausschei‐
den. a) Beschreibe anhand der Abb.2 das Vorkommen der Stechpalme. b) Nenne jeweils 3 verschiedene abiotische und biotische Faktoren, die das Vor‐
kommen der Stechpalme beeinflussen. c) Beurteile die Aussage: „Die östliche Verbreitungsgrenze der Stechpalme wird hauptsächlich durch die 0°C‐Januar‐Isotherme bestimmt." Die 0°C‐Januar‐
Isotherme ist eine Linie, an der die Temperaturmaxima an 345 Tagen pro Jahr über 0°C liegen. Ws/Sy/Zö April 09 2 9. Ökologie Aufgaben zum Biobuch Aufgabe 9.1‐9: Felsenkrabben tolerieren Wasser mit unterschiedlichen Salzgehalten. Bei verschiedenen auf der Karibikinsel Jamaika lebenden Felsenkrabbenarten kann man die jeweils unterschiedliche Wirkung eines Umweltfaktors gut erkennen. Diese Felsenkrabben leben terrestrisch im Landesinneren und lediglich während der Larven‐
entwicklung sind sie auf das Wasser angewiesen. Anhand des Ortes der Larvenent‐
wicklung werden bei den Felsenkrabben marine Arten, Brackwasser‐ und Süsswasser‐
arten unterschieden. Die Larvenentwicklung erfolgt bei den Felsenkrabben meist in Kleinstgewässern, wie meeresfernen oder ‐nahen Felstümpeln oder Gesteinsmulden, in Blattachseln und in Baumstämmen usw. Die drei hier dargestellten Felsenkrabben‐
arten ‐ Sesarma jarvisi, Sesarma rectum und Armases miersii — unterscheiden sich bei der Auswahl ihrer Larvenhabitate deutlich. a) Erkläre anhand der Abb.3 den Begriff „Toleranz" unter Verwendung verschiede‐
ner Fachbegriffe. b) Beschrifte die Toleranzkurve von Sesarma rectum mit den bei der Lösung zu Auf‐
gabe a) genannten Fachbegriffen. c) Diskutiere die Toleranzkurven der drei Krabbenarten unter Berücksichtigung der Abb.2. Aufgabe 9.1‐10: Der Tagesgang bestimmt die Wasserabgabe bei Pflanzen. Wie Du aus eigenen Beobachtungen z. B. an Pfützen weisst, variiert im Laufe des Tages die Verdunstung. Man bezeichnet die Verdunstung von Wasser aus dem Boden und über den Flächen von Gewässern als Evaporation. Bei Pflanzen wird die Wasser‐
abgabe reguliert und daher als Transpiration bezeichnet. Pflanzen sind, um Fotosynthese betreiben zu können, auf Licht, CO2 und Wasser angewiesen. Für den Fotosyntheseprozess müssen die Spaltöffnungen der Pflanze ge‐
öffnet sein. Dabei wird neben der CO2‐Aufnahme auch Wasser an die Umgebung abgegeben. Diese Wasserabgabe wird als stomatäre Transpiration bezeichnet. Ein Teil der Transpiration bei Pflanzen erfolgt über die Cuticula. a) Erkläre Unterschiede zwischen der stomatären und der cuticulären Transpiration. Ws/Sy/Zö April 09 3 9. Ökologie Aufgaben zum Biobuch b) Deute die in Abb.2 dargestellten Kurvenverläufe. Aufgabe 9.1‐11: Die Verbreitung zweier Rötelmausarten wird durch die Temperatur bestimmt. Verwandte Tiere haben in unterschiedlich temperierten Verbreitungsgebieten ver‐
schiedene Körpermerkmale. Am Beispiel von gleichwarmen Rötelmausarten lässt sich dies gut erkennen. Die Gemeine Rötelmaus Clethrionomys glareolus hat ihren Verbrei‐
tungsschwerpunkt im eher ozeanisch geprägten Mitteleuropa, während die Graurö‐
telmaus Clethrionomys rufocanus vorwiegend im eher kontinental beeinflussten Nord‐
europa zu finden ist. Das Klima Mitteleuropas weist im Vergleich zum nordeuropäi‐
schen Klima durchschnittlich höhere Lufttemperaturen auf. a)
Stelle Vermutungen an, wie sich diese beiden Arten hinsichtlich ihrer Kopf‐
Rumpf‐Längen, ihrer Massen (Körpergewicht) und ihrer Schwanzlängen vonei‐
nander unterscheiden. Begründen Sie Ihre Aussagen. b)
Erkläre, warum der O2‐Verbrauch bei der Graurötelmaus in Ruhe und bezogen auf die Körpermasse bei gleichen Temperaturbedingungen (10°C) geringer ist als bei der Gemeinen Rötelmaus. Aufgabe 9.1‐12: Wechselwirkungen zwischen Arten beeinflussen deren Vorkommen. Das Ostseegebiet ist vielen als Urlaubsregion bekannt. Der zu Dänemark gehörende Limfjord ist eine langgestreckte Meeresstrasse (Sund) zwischen der Halbinsel Jütland und der Insel Vendsyssel‐Thy. Der Salzgehalt in diesem Teil der Ostsee variiert sehr stark. Forscher entdeckten dort verschiedene Flohkrebsarten (Gattung: Gammarus). Das Vorkommen von fünf Flohkrebsarten ist in Abb.1 dargestellt. Den Forschern ge‐
lang es, alle Arten im Labor über mehrere Generationen bei einer Salinität des Was‐
sers zu halten, die zwischen 23 ‰ und 27 ‰ schwankte. a) Beschreibe die Verbreitung dieser fünf Flohkrebsarten im Limfjord. Ws/Sy/Zö April 09 4 9. Ökologie Aufgaben zum Biobuch b) Erkläre die Begriffe physiologisches und ökologisches Optimum, ökologische Ni‐
sche und Konkurrenzausschlussprinzip. c) Deute die Abb.1 im Kontext der Laborversuchsergebnisse und unter Verwendung der in b) benutzten Fachbegriffe. Aufgabe 9.1‐13: Verwandte Arten sind in verschiedenen Gebieten regelhaft verändert. Der deutsche Anatom und Physiologe C. BERGMANN und der Zoologe J.A. ALLEN stellten im 19. Jahrhundert unabhängig voneinander zwei verschiedene ökogeografi‐
sche Regeln auf. Ökogeografische Regeln beruhen auf Beobachtungen an homoiothe‐
rmen Tieren, die immer wieder zeigen, dass bestimmte Körpermerkmale bei ver‐
schiedenen Arten eines Lebensraums ähnlich ausgeprägt sind. Ausserdem unter‐
scheiden sich nahe verwandte Arten in verschiedenen Gebieten in diesen Merkmalen auf bestimmte Weise. Diese Regeln sind als BERGMANN'sche Regel und als AL‐
LEN'sche Regel bekannt geworden. BERGMANN stellte bei seiner Regel das Vor‐
kommen und die Körpergrösse von Tieren in Beziehung, ALLEN das Vorkommen und die Länge der Körperanhänge von Tieren. a) Beschreibe die Beziehung zwischen dem Vorkommen der verschiedenen Hams‐
terarten in Europa und deren Körpergrösse sowie deren Körpermasse (Abb.1). b) Setze jeweils die Kopf‐Rumpf‐Länge, die Schwanzlänge, die Ohrlänge und die Hinterfusslänge der Hamsterarten in Beziehung zu deren Körpermasse und stel‐
len Sie einen Zusammenhang zum Vorkommen der verschiedenen Hamsterarten her. Berücksichtigen Sie dabei jeweils nur die mittleren Werte. c) Erkläre die stoffwechselphysiologischen Beziehungen der von Ihnen aufgezeig‐
ten Zusammenhänge. Ws/Sy/Zö April 09 5 9. Ökologie Aufgaben zum Biobuch Aufgabe 9.1‐14: a) Der Kuckuck legt seine Eier in fremde Nester. Treibt er Brutpflege oder Brutfür‐
sorge? b) Warum zerstört der Kuckuck meist ein Ei des Wirtsvogels? Aufgabe 9.1‐15: Wie ändert sich das Revier eines Fleischfressers, wenn die Dichte seiner Beute im ganzen Ökosystem abnimmt, und was hat das zur Folge? Aufgabe 9.1‐16: Was kann man aus der Tatsache schliessen, dass bestimmte Weidenarten hauptsäch‐
lich auf nassen Böden entlang von Flüssen zu finden sind? Aufgabe 9.1‐17: Welche Gefahr besteht beim Aussetzen einer Art? Unter welcher Bedingung kann das Aussetzen einer Art sinnvoll sein? Aufgabe 9.1‐18: Was ist der Unterschied zwischen Warntracht und Mimikry? Was wurde in der Evoluti‐
on zuerst „erfunden“? Aufgabe 9.1‐19: Nenne vier mögliche Gründe dafür, dass besonders viele Sukkulenten über Stacheln oder Dornen verfügen. Aufgabe 9.1‐20: Nenne Unterschiede zwischen Parasit und Räuber. Berücksichtigen Sie: Grösse, Le‐
bensdauer, Spezifität und Schädigung. Aufgabe 9.1‐21: Bandwürmer können ohne O2 leben. a) Wie ist das möglich? b) Welchen Nachteil hat das und warum fällt dieser beim Bandwurm nicht ins Ge‐
wicht? Aufgabe 9.1‐22: Warum ist es für ein Grippevirus ungünstig, wenn die befallenen Menschen schnell sehr krank werden? Aufgabe 9.1‐23: Welche Vor‐ und Nachteile hat der Darm als Lebensraum für einen Parasiten? Aufgabe 9.1‐24: Nenne zwei Beispiele von Symbiosen zwischen zwei Konsumenten. Aufgabe 9.1‐25: Gib mit Stichworten an, was die folgenden Lebewesen ihrem Symbiosepartner liefern: Knöllchenbakterien, Mykorrhizapilze, Blütenpflanzen den Bienen. Ws/Sy/Zö April 09 6 9. Ökologie Aufgaben zum Biobuch 9.2 Wechselwirkungen innerhalb von Lebensgemein‐
schaften Aufgabe 9.2‐1: Schneehühner suchen die Nähe von Rentierherden, da die Rentiere bei ihrer Nah‐
rungssuche schneefreie Stellen schaffen. Diese nutzen die Schneehühner für die Nah‐
rungssuche. Ordne diese Wechselbeziehung einem der in Abb.9.2‐3 des Skripts aufge‐
führten Typen zu und begründe Deine Entscheidung. Aufgabe 9.2‐2: Bis etwa 1900 war der Wolf ein Glied im Nahrungsnetz des Waldes. Er ernährt sich vorwiegend von Rehen, Rothirschen und Kaninchen. Ordne ihn mithilfe der Abb. 9.2‐4 im Skript einer trophischen Ebene zu und vergleiche ihn mit dem Fuchs. Aufgabe 9.2‐3: In der Biologie gibt es nicht nur „Wölfe im Schafspelz", sondern auch „Schafe im Wolfspelz". Finde zu beidem die biologischen Fachbegriffe. Aufgabe 9.2‐4: Diskutiere, inwieweit der Malariaerreger ein echter Parasit ist: Der Hauptwirt ist die Anopheles‐Mücke, die selbst durch die Erreger kaum beeinträchtigt wird. Der Mensch ist Zwischenwirt für eine Serie ungeschlechtlicher Vermehrungszyklen. Die Produkte dieser Massenvermehrung nehmen die Mücken wieder bei ihrer Blutmahlzeit auf. Die Vermehrungszyklen lösen beim Menschen die Fieberschübe aus. Diese können auch zum Tod führen. Aufgabe 9.2‐5: Argumentiere, ob es sich beim System Mensch ‐ Haushund um eine Symbiose han‐
delt. Aufgabe 9.2‐6: Betrachte das System Steinkoralle ‐ Alge unter dem Aspekt der Raumkonkurrenz. Benenne mithilfe der Informationen aus der Abb.9.17 im Skript, ob das Vorkommen der Steinkorallen abiotisch oder biotisch kontrolliert ist. Aufgabe 9.2‐7: Viele Arten zeigen Revierbildung. Erläutere Vorteile eines solchen Verhaltens. Aufgabe 9.2‐8: Organismen können verschiedene Trophiestufen einnehmen. Bei Betrachtung verschiedener Lebensgemeinschaften lässt sich erkennen, dass es dort jeweils nicht nur eine einzige Nahrungskette gibt, sondern mehrere, die mitei‐
nander verflochten sind und ein Nahrungsnetz bilden. Dies lässt sich auch bei der ar‐
tenreichen Lebensgemeinschaft des namibischen Etosha‐Nationalparks erkennen. Der Etosha‐Nationalpark ist mit einer Grösse von fast 2300 km2 und einer Kombinati‐
on von Savanne und Buschwäldern sowie der Etoshapfanne — der Boden eines ausge‐
trockneten Sees — einer der grössten Nationalparks Afrikas. Im Rahmen einer ökolo‐
gischen Forschungsarbeit wurden verschiedene Arten des Etosha‐Nationalparks in‐
ventarisiert, die hier auszugsweise dargestellt sind. a) Ordne die Arten des Etosha‐Nationalparks begründet verschiedenen Trophiestu‐
fen zu. Ws/Sy/Zö April 09 7 9. Ökologie Aufgaben zum Biobuch b) Bilde anhand der obigen Artenliste drei miteinander vernetzte Nahrungsketten und erkläre diese. c) Erläutere, warum in einer Lebensgemeinschaft im Regelfall nicht mehr als drei bis fünf Trophiestufen exisitieren Aufgabe 9.2‐9: Malaria — Einzeller erobern unseren Körper. Lust auf Urlaub in den Tropen? Vergessen Sie die Vorbeugung gegen Malaria nicht! Malaria ist eine Infektionskrankheit, die hauptsächlich in den Tropen und Subtropen vorkommt. Von den mehreren Hundertmillionen mit Malaria infizierten Menschen weltweit sterben pro Jahr knapp eine Million. Über die Hälfte davon sind Kinder. Mala‐
ria wird von einzelligen Sporentierchen (Sporozoiten) der Gattung Plasmodium her‐
vorgerufen, die auf Menschen durch Stiche von Mücken der Gattung Anopheles über‐
tragen werden. An Malaria Erkrankte zeigen periodisches Fieber, Schüttelfrost, Ma‐
gen‐Darm‐Beschwerden. Besonders bei Kindern führt die Krankheit schnell zum Tod. Ursache der Fieberschübe sind die zerfallenden roten Blutzellen. Die schwerste Form, die Malaria tropica, wird von Plasmodium falciparum hervorgerufen. In den roten Blut‐
zellen produziert dieser Erreger neben anderen schädlichen Stoffen ein besonderes Protein. Es bewirkt eine Haftung der infizierten Blutzellen an den Blutgefässwänden. a) Beschreibe den Lebenszyklus des Malariaerregers mithilfe der Abb.1. Du lernst da‐
bei, Informationen aus komplexen Grafiken zu erschliessen. b) Charakterisiere den Parasitismus des Malariaerregers. Orientiere Dich dabei an Tab. 9.2‐1 des Skripts. c) Vergleiche tabellarisch den Lebenszyklus von Malariaerreger und Fuchsbandwurm (vgl. Abb.9.2‐10 im Skript). Ws/Sy/Zö April 09 8 9. Ökologie Aufgaben zum Biobuch Aufgabe 9.2‐10: Flechten bilden eine morphologische Einheit aus Pilz und Alge. Symbiosen zwischen zwei Organismenarten kommen in vielen verschiedenen Öko‐
systemen vor. In einer geradezu vollkommenen Form tritt die Symbiose bei den Flech‐
ten auf. Flechten werden als eigenständige systematische Einheiten (Arten) geführt, obwohl sie eine Symbiose aus Alge und Pilz darstellen. Bei den Algen handelt es sich meistens um einzellige Grünalgen und bei den Pilzen um Ständerpilze (Hutpilze). Das Geflecht der Pilzfäden wirkt wie ein Schwamm. Es gibt aber auch Flechten, die eine Symbiose aus Cyanobakterien (Blaualgen) und Pilz darstellen. Flechten kommen in verschiedenen Lebensräumen vor, benötigen viel Licht und wachsen nur langsam, meist nur wenige Millimeter im Jahr. Viele Flechten können an Extremstandorten vorkommen, wie Hochgebirgsregionen, Wüsten, Permafrostgebie‐
te, Moore, Klippen oder Mauern. a) Erläutere allgemein die Wechselbeziehung zweier Organismen, die als Symbiose bezeichnet wird. b) Beschreibe anhand der Abb.1 den Aufbau einer Flechte. Ws/Sy/Zö April 09 9 9. Ökologie Aufgaben zum Biobuch c) Erkläre unter stoffwechselphysiologischen Aspekten das Zusammenleben von Al‐
gen und Pilzen. d) Erläutere, warum Flechten an Extremstandorten, wie z. B. Dachfirsten, vorkom‐
men können. Aufgabe 9.2‐11: Fressfeinde können Populationen einer Art verdrängen. Ein sehr interessantes Beispiel sowohl für interspezifische Konkurrenz als auch für Räuber‐Beute‐Verhältnisse in einer Lebensgemeinschaft sind die Wechselbeziehun‐
gen zwischen drei Arten, die in Teichen auf Inseln im nordamerikanischen Lake Supe‐
rior vorkommen. Die Kaulquappen des gestreiften Chorfrosches haben als Feinde die Larven des Blaufleck‐Querzahnmolchs und die Larven der Amerikanischen Königsli‐
belle. Beide Larvenstadien der Räuber koexistieren. Ein Ökologe beobachtete, dass die Kaulquappen in Teichen mit Molchlarven und Libellenlarven fast oder ganz fehl‐
ten, aber häufig vorkamen, wenn beide Räuber fehlten. Durch Experimente wollte er die Hypothese überprüfen, ob die Libellenlarven letztlich dafür verantwortlich sind, dass die Chorfrösche aus vielen Teichen eliminiert wurden. Dafür veränderte er die Dichte der Libellenlarven (Räuber) und die der Kaulquappen (Beute) in den Teichen, während die Anzahl der Molche unberücksichtigt blieb. Die Versuchsergebnisse sind in Abb.1 dargestellt. a) Beschreibe die Ergebnisse der Experimente in den vier Teichen. b) Ziehe aus den Ergebnissen und aus der Textinformation begründete Rückschlüsse bezüglich der aufgestellten Hypothese. c) Stelle zwei Hypothesen auf, wieso es bei den Larven des Blaufleck‐
Querzahnmolchs und den Larven der Amerikanischen Königslibelle nicht zu Kon‐
kurrenzausschluss kommt, wenn beide um die gleiche Ressource — die Kaulquap‐
pen des Chorfrosches — konkurrieren. Ws/Sy/Zö April 09 10 9. Ökologie Aufgaben zum Biobuch Aufgabe 9.2‐12: Warum bezeichnet man die Tiefsee als abhängige Biozönose? Aufgabe 9.2‐13: Zu welcher oder welchen Nahrungsebene(n) können folgende Lebewesen nicht gehö‐
ren? a) Parasiten b) Bakterien c) Pilze d) Mücken Aufgabe 9.2‐14: Warum beginnt jede Nahrungskette mit einem Produzenten? Aufgabe 9.2‐15: Häufig werden Nahrungsbeziehungen in einer Biozönose als „Nahrungsketten“ darge‐
stellt. Inwiefern handelt es sich dabei in den allermeisten Fällen um eine Vereinfa‐
chung? Aufgabe 9.2‐16: Warum ist die Energiepyramide immer pyramidenförmig, die Biomassenpyramide dagegen nicht? Aufgabe 9.2‐17: Herr Marino behauptet: „Die Meere tragen von allen Biozönosen am meisten zur globalen Produktion von Biomasse bei, weil sie die höchste Nettoproduktivität ha‐
ben.“ Stimmt das? Aufgabe 9.2‐18: a) Was geschieht mit dem CO2, das durch Verbrennung fossiler Brennstoffe und durch Brandrodungen in die Luft gelangt? b) Wie könnte CO2 für einige Jahrzehnte aus dem Kreislauf entfernt werden? Aufgabe 9.2‐19: c) Wie könnte CO2 für Jahrtausende aus dem Kreislauf entfernt werden? Was leisten die folgenden Lebewesen bezüglich Stickstoffverbindungen? a) Nitrifizierer; b) Knöllchenbakterien; c) Pflanzen; d) Dentrifizierer; e) Destruenten Aufgabe 9.2‐20: a) Wie hat sich die O2‐Konzentration der Luft in den letzten Jahrzehnten geändert? b) Warum ist das ohne Bedeutung? Aufgabe 9.2‐21: a) Unter welcher Bedingung führt die steigende CO2‐Konzentration zu einer Be‐
schleunigung der Fotosynthese? b) Warum sinkt die CO2‐Konzentration dadurch langfristig nicht? Aufgabe 9.2‐22: a) Inwiefern entspricht die Bedeutung der Knöllchenbakterien im Stickstoffkreislauf der Bedeutung der grünen Pflanzen im Kohlenstoffkreislauf? b) Wodurch sind Pflanzen, die auf stickstoffarmen Böden gedeihen, bedroht? Aufgabe 9.2‐23: Warum sind r‐Strategen bei stark schwankenden Bedingungen erfolgreicher? Aufgabe 9.2‐24: Was ist das biozönotische Gleichgewicht? Aufgabe 9.2‐25: Nenne die Merkmale, durch die sich eine Pioniergesellschaft von der Schlussgesell‐
schaft unterscheidet. Aufgabe 9.2‐26: Welche der folgenden Arten sind K‐Strategen: Eiche, Bär, Stubenfliege, Spitzmaus, Blattlaus, Grünalgen, Blauwal? Aufgabe 9.2‐27: a) Was ist Phytoplankton? b) Warum fehlt in einem Bach das Plankton weitgehend? Ws/Sy/Zö April 09 11 9. Ökologie Aufgaben zum Biobuch Aufgabe 9.2‐28: Charakterisiere die Biozönose des Profundals. Aufgabe 9.2‐29: Beschreibe die in Abb.6‐7 dargestellte Veränderung der Konzentration von a) O2 ; b) Phosphat und c) Ammonium im Tiefenwasser eines eutrophen Sees im Jahresverlauf. Begründe die Kurvenverläufe. Aufgabe 9.2‐30: Die Abbildung unten zeigt die jahreszeitlichen Veränderungen verschiedener Grössen in der Oberflächenschicht eines Sees. Erläutere und begründe den Verlauf der Kurven des Phytoplanktons und der Mineralstoffe. Aufgabe 9.2‐31: a) Welcher Trophie‐Ebene würdest Du die fleischfressenden Pflanzen zuordnen? b) Warum kommen sie nur in Mooren vor? Aufgabe 9.2‐32: Ordne die folgenden Pflanzen so, wie sie bei der Sukzession nacheinander auftreten würden: Birke — Seerose — Tausendblatt — Binse — Segge — Erle. Aufgabe 9.2‐33: a) Welche Vorteile haben Frühblüher im Wald gegenüber Arten, die im Sommer blü‐
hen? b) Warum können Bäume und Sträucher problemlos früh im Jahr Blüten bilden? Aufgabe 9.2‐34: Ws/Sy/Zö Warum muss ein Wald eine minimale Fläche haben, um ein Wald zu sein? April 09 12 9. Ökologie Aufgaben zum Biobuch Aufgabe 9.2‐35: Was ist der Unterschied zwischen Aspektfolge und Sukzession? Aufgabe 9.2‐36: Welche Nachteile hat ein Fichtenforst aus ökologischer Sicht gegenüber einem natür‐
lichen Mischwald? Antworten Sie mit Stichworten. Aufgabe 9.2‐37: Herr Gründlich behauptet: «Wälder sind die produktivsten Biozönosen.» Stimmt das? Aufgabe 9.2‐38: Eine Fichte hat 1 t Holz. Wie viel kg CO2 sind darin gebunden? Wie viel CO2 hat die Fichte durch Fotosynthese insgesamt umgesetzt? Die nötigen Zahlenwerte findest Du im Folgenden. Ws/Sy/Zö April 09 13 9. Ökologie Aufgaben zum Biobuch Aufgabe 9.2‐39: Warum ist der Anteil der Destruenten in einem Wald höher als in einer Wiese? 9.3 Dynamik von Populationen Aufgabe 9.3‐1: Der weise Brahmane Sissa — so sagt die Weizenkornlegende — hatte bei seinem tyrannischen Herrscher Shihram einen Wunsch frei. Da der Tyrann sein Volk hungern liess, wünschte sich Sissa Weizenkörner: Auf das erste Feld eines Schachbretts wollte er ein Korn, auf das zweite Feld zwei, auf das dritte vier und so weiter. Der König lach‐
te über Sissas Bescheidenheit. Prüfe nach, ob das berechtigt war. Nimm an, dass ein Weizenkorn 0,05 g wiegt. Aufgabe 9.3‐2: Du bist vielleicht schon einmal Zeuge der Besiedlung überreifer Früchte durch die Taufliege Drosophila melanogaster geworden. Charakterisiere diese Art nach Tab.2. Ws/Sy/Zö April 09 14 9. Ökologie Aufgaben zum Biobuch Aufgabe 9.3‐3: In mitteleuropäischen Laubwaldbiozönosen lassen sich zyklische Populationsschwan‐
kungen vergleichbar denen polarer Biozönosen nicht beobachten. Erkläre. Aufgabe 9.3‐4: Begründe mithilfe der untenstehenden Abbildung, wie viele Tage vor Erreichen der ökonomischen Schadensschwelle ein Einsatz von Schlupfwespen gegen Blattläuse spätestens erforderlich wird. Aufgabe 9.3‐5: Die menschliche Bevölkerung kann ihr Verhalten bewusst nach einer r‐ oder einer K‐
Strategie ausrichten. Skizziere die möglichen Folgen der jeweiligen Strategie für die Menschheit. Aufgabe 9.3‐6: Populationen können unterschiedlich wachsen. Die Unterschiede verschiedener Wachstumsmodelle verdeutlichen Sie sich am bes‐
ten, indem Sie reale Werte als Datengrundlage benutzen. Ein Beispiel bietet die Ver‐
mehrungsbiologie der Feldmaus Microtus arvalis. Die Geschlechtsreife tritt bei Feld‐
mäusen bereits ab dem 12. Lebenstag ein. Die Tragzeit dauert etwa 19 ‐ 21 Tage, so‐
dass Jungweibchen schon mit etwa 35 Tagen ihren ersten Wurf setzen können. Unmit‐
telbar nach vollzogenem Geburtsakt (1‐8 Stunden nach Absetzen des letzten Jungen) ist das Feldmausweibchen wieder empfängnisbereit, d.h. die Würfe können etwa in einem 3‐wöchigen Abstand aufeinanderfolgen. Die maximal beobachtete Anzahl an Würfen eines Weibchens beträgt 31. Die Wurfstärke schwankt zwischen 4 und 12. Die Fortpflanzungszeit liegt zwischen Anfang März und Oktober. Je nach Witterungsbe‐
dingungen können diese Werte variieren. Für unsere Berechnungen gehen wir von folgenden Annahmen aus: Das Geschlechterverhältnis ist stets ausgeglichen, in dem Zeitraum März (t0) bis September (t6) sterben keine Feldmäuse, und alle 30 Tage be‐
kommen 2 Feldmäuse 6 Junge. Anfang März leben 20 Feldmäuse auf einem Acker; auf dem maximal 2 000 Feldmäuse leben können. a) Berechne die Feldmauspopulationsgrössen nach den drei Berechnungsmethoden für die Monate März (t1) bis September (t6) und trage Deine Ergebnisse (mit Kommastellen) in die Tabelle oben ein. Ws/Sy/Zö April 09 15 9. Ökologie Aufgaben zum Biobuch b) Erkläre nicht nur auf dieses Feldmausbeispiel bezogen, unter welchen Bedingun‐
gen Du welches Modell für am wahrscheinlichsten hältst. Aufgabe 9.3‐7: Voneinander abhängige Populationen schwanken periodisch. Die 110 000 km2 grosse Insel Neufundland liegt an der Ostküste Kanadas und beher‐
bergt nur wenige Säugetierarten, die in Wechselwirkung zueinander stehen. Solch ein überschaubares Ökosystem ist gewissermassen ein Freilandlabor, denn dort lassen sich populationsdynamische Aspekte gut untersuchen. Auf Neufundland waren bis etwa zur Mitte des 19. Jahrhunderts Waldwölfe die Hauptfeinde der pflanzenfressen‐
den Karibus. Luchse gab es nur vereinzelt. In den sechziger Jahren des 19. Jahrhun‐
derts wurden Schneeschuhhasen von dort lebenden Fischern als neue Nahrungsquelle eingeführt. Luchse können leichter Schneeschuhhasen erbeuten als Karibukälber. Der Wolf ist seit 1911 auf Neufundland ausgerottet. Von Schneeschuhhasen, Karibus und Luchsen liegen Bestandsaufnahmen vor, die in Abb.1 auszugsweise dargestellt sind. a) Beschreibe und interpretiere die Kurvenverläufe der Abb.1 im Kontext der Bezie‐
hungen der drei Tierarten zueinander und in Bezug auf die Lotka‐Volterra‐Regeln. b) In Gebieten, in denen Schneeschuhhasen ohne Luchse und Wölfe leben, werden auch regelmässige Schwankungen der Populationsdichte festgestellt. Erläutere, wodurch diese feindunabhängigen Populationsschwankungen bedingt sein kön‐
nen. Aufga‐
be 9.3‐
8: Welche Auswirkung auf den Genpool hat die Tatsache, dass bei Hirschen von vielen männlichen Tieren nur der Platzhirsch zur Fortpflanzung kommt? Aufgabe 9.3‐9: Warm ist die Bedeckung des Bodens in einer artenreichen Wiese unter stark wech‐
selnden Bedingungen besser als in einer artenarmen? Aufgabe 9.3‐10: Was kannst Du über die Werte der Wachstumsrate nach Erreichen von K aussagen? a) Im Idealfall (vgl. untenstehende Abb.4‐4)? b) Im Normalfall (vgl. untenstehende Abb.4‐5)? Ws/Sy/Zö April 09 16 9. Ökologie Aufgaben zum Biobuch Aufgabe 9.3‐11: Warum nimmt der tägliche Zuwachs einer Bakterienpopulation zu, wenn die relative Wachstumsrate konstant ist? Aufgabe 9.3‐12: Inwiefern kann die Wirkung des Mäusebussards auf eine Feldmauspopulation dichte‐
abhängig sein? Aufgabe 9.3‐13: Krankheiten sind dichtebegrenzende Faktoren. Sind sie dichteabhängig oder nicht? Aufgabe 9.3‐14: a) Welche Bedeutung haben dichteunabhängige Faktoren für eine Population? b) Stimmt es, dass sie eine Population immer gleich stark beeinflussen? Ws/Sy/Zö April 09 17 9. Ökologie Aufgaben zum Biobuch Aufgabe 9.3‐15: a) Zu den Feinden der Blattläuse gehören Marienkäfer und Florfliegen. Erklären Sie, warum die Bekämpfung der Läuse mit einem Insektizid, das unselektiv alle Insekten tötet, nach einem vorübergehenden Erfolg eine noch stärkere Vermehrung der Blatt‐
läuse zur Folge haben kann. b) Wie heisst und wie lautet die Regel, die sich hier bestätigt? Aufgabe 9.3‐16: Warum kann ein Räuber in der Natur eine Art, die ihm als Beute dient, nicht ausrot‐
ten? Aufgabe 9.3‐17: Warum kann man die Biozönose eines Zoos trotz grosser Artenzahl nicht als stabil bezeichnen? Die Kartoffelpflanze ist vermutlich in der Mitte des 16. Jahrhunderts durch die Spa‐
nier von Südamerika aus nach Europa gelangt. In Deutschland entwickelte sich erst unter Friedrich dem Grossen im 18. Jahrhundert die Kartoffel aufgrund ihrer schmackhaften Knolle zur wichtigen Kulturpflanze. Im Jahr 1876 tauchten die aus Amerika stammenden ca. 6 ‐11 mm grossen Kartoffelkäfer in europäischen Häfen auf, verbreiteten sich rasch ostwärts und sind gegenwärtig auch schon in Ostasien zu finden. Aufgabe 9.3‐18: Die Kartoffelkäfer (a) und ihre Larven (b) ernähren sich von Teilen der Kartoffelpflan‐
ze. Aufgrund des hohen Ausbreitungs‐ und Vermehrungspotenzials — die Kartoffel‐
käfer können je nach Klima bis zu 3 Generationen pro Jahr ausbilden — können sie in‐
nerhalb kurzer Zeit ganze Felder kahl fressen und so grossen wirtschaftlichen Scha‐
den anrichten. Dieses Verhalten macht die Kartoffelkäfer zu Pflanzenschädlingen, die auf unterschiedliche Weise bekämpft werden. In Russland werden z. B. die nordame‐
rikanischen Raupenfliegen angesiedelt, und/oder die Kartoffelkäfer werden mit che‐
mischen Mitteln bekämpft. Die Raupenfliegen legen ihre Eier spezifisch nur an die Larven des Kartoffelkäfers. Die Raupenfliegenlarven ernähren sich von den Larven des Kartoffelkäfers, die dabei getötet werden. a) Erläutere anhand des Einführungstextes verschiedene Möglichkeiten der Bekämpfung des Kartoffelkäfers. b) Erläutere die in Abb.1 dargestellten Populationsentwicklungen der Kartof‐
felkäfer und der nordamerikanischen Raupenfliegen unter Beachtung der Ws/Sy/Zö April 09 18 9. Ökologie Aufgaben zum Biobuch ökologischen Gesetzmässigkeiten. c) Diskutiere, ob der Kartoffelkäfer durch den Einsatz der nordamerikanischen Rau‐
penfliege vollständig zurückgedrängt werden kann. d) Skizziere begründet die Populationsentwicklungen der Kartoffelkäfer und der Raupenfliegen, wenn zum markierten Zeitpunkt ein Insektizid eingesetzt wird, und beurteile die langfristige Anwendung dieses Insektizids. Aufgabe 9.3‐19: Tragfähigkeitsberechnungen der Erde sind problematisch. In seinem Buch „An Essay on the Principle of Population" warnte bereits der englische Ökonom T. R. MALTHUS 1798 vor den Konsequenzen des Bevölkerungswachstums: „Ich behaupte, dass die Fähigkeit der Bevölkerung zur Vermehrung unbegrenzt grös‐
ser ist als die Kraft der Erde, Unterhaltsmittel für den Menschen hervorzubringen." Nach T. R. MALTHUS nehmen das Wachstum der Weltbevölkerung exponentiell und die Nahrungsmittelerzeugung linear zu. Das unterschiedliche Wachstum sollte zwangsläufig zu Nahrungsmittelverknappung, Massensterben und Kriegen führen. Andere Gelehrte haben konkrete Angaben über die Tragfähigkeit der Erde gemacht. Bereits 1679 wurde von A. LEEUWENHOEK als Tragfähigkeitsgrenze eine Zahl von 13.4 Mrd. Menschen vorhergesagt, die dauerhaft ernährt werden können. 1880 prog‐
nostizierte der Demografieforscher RAVENSTEIN knapp 6 Mrd. Menschen, 1924 der Geograf PENCK 7.7 Mrd. Menschen, 1937 der Geograf W. HOLLSTEIN 13.3 Mrd. Men‐
schen, und 1972 errechnete der amerikanische Ökonom D. L. MEADOWS 8.2 Mrd. Menschen als Tragfähigkeitsgrenze der Erde. Die Bevölkerungsprognose der Vereinten Nationen ist in Abb.1 dargestellt. Ws/Sy/Zö April 09 19 9. Ökologie Aufgaben zum Biobuch a) Erläutere die Annahmen von T. R. MALTHUS. b) Beschreibe das von den Vereinten Nationen prognostizierte Bevölkerungswachs‐
tum. c) Diskutiere in der Gruppe, welche Schwierigkeiten bei Prognosen zum Bevölke‐
rungswachstum auftreten können. d) Beziehe in der Diskussionsgruppe Stellung, wie sich die menschliche Erdbevölke‐
rung nach deiner Meinung entwickeln wird. 9.4 Stoff‐ und Energiefluss in Ökosystemen Aufgabe 9.4‐1: Erkläre, warum der weltweit stark steigende Konsum von Fleisch die Ernährungskrise einer wachsenden Weltbevölkerung verschärft. Aufgabe 9.4‐2: Begründe die Aussage „Der Kreislauf des Kohlenstoffs ist eng mit dem Energiefluss verknüpft“. Aufgabe 9.4‐3: Die Herstellung von Kunstdünger ist äusserst energieaufwendig. Erörtere, ob die gentechnische Einschleusung des Mechanismus zur Stickstofffixierung in Nutzpflan‐
zen eine Lösung (oder neue Probleme) bringen könnte. Aufgabe 9.4‐4: Erkläre kurz und präzise, was Recycling in Bezug auf den Boden bedeutet. Aufgabe 9.4‐5: In Mitteleuropa ist grossflächige Aufforstung kein Problem, in tropischen Regionen ist das schwierig. Erkläre das. Aufgabe 9.4‐6: In Walen konzentrieren sich Gifte. Stoffe durchlaufen Ökosysteme. Dabei werden nicht nur die lebensnotwendigen Nährstoffe, sondern auch Gifte über die verschiedenen Ernährungsebenen weiterge‐
reicht. Die in der Nord‐ und Ostsee heimischen Schweinswale ernähren sich von Fischen. Diese sind besonders stark mit POPs vergiftet. POP steht für Persistent Organic Pol‐
lutant. Es sind hochgiftige Chemikalien, wie das Insektizid DDT, die in der Umwelt nur äusserst langsam oder gar nicht abgebaut werden. DDT ist, wie viele dieser Gifte, lipophil und reichert sich im Fettgewebe der Lebewesen an. Die Algen nehmen ge‐
ringe Mengen von DDT auf, die in die Meere eingetragen wurden. So gelangt es in die Nahrungskette zu Kleinkrebsen und Heringen und wird über die Trophiestufen ange‐
reichert. Bei jedem Schritt in der Nahrungskette erhöht sich der Gehalt der POPs um etwa das Zehnfache. Beim Menschen beträgt die Zeit, in der die Hälfte des DDT wie‐
der ausgeschieden wird (biologische Halbwertzeit), über 1 Jahr. Ws/Sy/Zö April 09 20 9. Ökologie Aufgaben zum Biobuch Aufgabe 9.4‐7: Schwefelverbindungen durchlaufen einen Stoffkreislauf. Der Gestank nach „faulen Eiern" ist unverwechselbar. Verantwortlich für diesen unan‐
genehmen Geruch ist das Gas Schwefelwasserstoff (H2S). Es entsteht, wenn schwe‐
felhaltige organische Stoffe verfaulen. Schwefel gehört genau wie Wasserstoff, Sau‐
erstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor zu den sechs Grundelementen des Le‐
bens. In der Natur unterliegt Schwefel ebenfalls einem Kreislauf. Pflanzen können Schwefel meist nur als Sulfat‐Ion (SO42‐) aufnehmen. Sie bilden im Stoffwechsel orga‐
nische Schwefelverbindungen. Tiere können anorganische Schwefelverbindungen nicht nutzen und decken ihren Schwefelbedarf über pflanzliche Nahrung. a) Erläutere Vorkommen und Bedeutung von Schwefel in Lebewesen. b) Beschreibe den Kreislauf des Schwefels mithilfe des Einleitungstextes und der Abb.1. c) Bei der Gründüngung pflügen Landwirte extra für diesen Zweck angebaute Pflan‐
zen in den Boden ein. Erläutere die Bedeutung der desulfurierenden Bakterien für die Gründüngung. d) Markiere im Schwefelkreislauf in Abb.1 die Bakterien, die sich chemoautotroph er‐
nähren. Ws/Sy/Zö April 09 21 9. Ökologie Aufgaben zum Biobuch Aufgabe 9.4‐8: Organische Stoffe werden im Boden mineralisiert. Betrachtest Du eine blühende Wiese oder einen üppigen grünen Wald nur kurze Zeit, so bleibt Dir der gewaltige Stofffluss zwischen den Lebewesen wahrscheinlich verbor‐
gen. Auffälliger ist der Stofffluss bei einem Nektar saugenden Falter oder einer emsig nach Raupen suchenden Kohlmeise. Unbemerkt vollzieht sich jedoch ein bedeutender Teil der Stoffumwandlungen direkt unter Ihren Füssen. Der Boden ist die Recycling‐
station der Landökosysteme. a) Stelle den Stoffkreislauf in Ökosystemen in einem Fliessschema dar. b) Erläutere die wesentlichen Vorgänge, die im Boden stattfinden c) Beschreibe die im Schema in Abb.2 dargestellten Vorgänge. Ws/Sy/Zö April 09 22 9. Ökologie Aufgaben zum Biobuch 9.5 Einblicke in Ökosysteme Aufgabe 9.5‐1: Vergleiche an zwei konkreten Beispielen die Grenzen von Kulturlandschaften mit denen natürlicher Ökosysteme. Aufgabe 9.5‐2: Wacholderheiden und Trockenrasen sind Naturschutzgebiete. Begründe, warum sie trotzdem intensiver Pflege bedürfen. Aufgabe 9.5‐3: Begründe, warum das „Umkippen" eines Sees vor allem im Sommer und gegen Ende der Nacht erfolgt. Aufgabe 9.5‐4: Begründe, warum die Selbstreinigung in einem Fliessgewässer viel besser funktioniert als in einem See. Aufgabe 9.5‐5: Ein Teil der in der euphotischen Zone produzierten organischen Substanz wird nicht konsumiert und fällt auf den Meeresboden. Leiten Sie daraus Konsequenzen für den Kohlenstoffkreislauf ab. Stellen Sie die besonderen abiotischen und biotischen Fakto‐
ren der Tiefsee zusammen. Aufgabe 9.5‐6: Erläutere, warum die Lebensgemeinschaften rund um die heissen Quellen der Tiefsee in mancher Hinsicht als Modell für Ökosysteme in der Frühzeit des Lebens auf der Er‐
de gelten. Ws/Sy/Zö April 09 23 9. Ökologie Aufgaben zum Biobuch 9.6 Die Biosphäre unter dem Einfluss des Menschen Aufgabe 9.6‐1: In Südamerika werden für Rinderfarmen grosse Waldflächen gerodet. Erläutere die Konsequenzen für das Klima. Aufgabe 9.6‐2: Um die Tiefsee als Kohlenstoffsenke zu nutzen, laufen Versuche, um den Transport von CO2 in die Tiefsee zu verstärken. Dazu werden zum Beispiel Mineralstoffe wie Ei‐
senverbindungen grossflächig auf der Meeresoberfläche ausgebracht. Erläutere, auf welchen Überlegungen dieses Experiment basiert. Aufgabe 9.6‐3: Bedrohung durch Aliens? Eingeschleppte Tier‐ und Pflanzenarten (Neobiota) werden von manchen als Bereicherung der heimischen Biodiversität betrachtet, von anderen als Gefährdung. Sehen Sie Handlungsbedarf? Begründe. Aufgabe 9.6‐4: Luchse leben hauptsächlich von Rehen in etwa 100 km2 grossen Revieren und erbeu‐
ten im Durchschnitt ein Tier pro Woche. Schätze den Einfluss des Luchses — möglich‐
erweise als Schlüsselart — in mitteleuropäischen Waldökosystemen ab. Aufgabe 9.6‐5: Bietet Biodiesel — Treibstoff aus nachwachsenden Rohstoffen — eine Möglichkeit, gleichzeitig Mobilität zu garantieren und den ökologischen Fussabdruck zu verrin‐
gern? Informieren Dich und diskutieren Für und Wider. Ws/Sy/Zö April 09 24