Ökologie ist ein Teilbereich der Biologie und beschäftigt sich mit den Wechselwirkungen zwischen Arten untereinander und auch damit, wie unbelebte Faktoren auf diese Lebewesen einwirken. Sie ist eine wichtige Grundlagenwissenschaft für Umwelt- und Naturschutz.

Umwelt ist die Summe aller Faktoren, die auf ein Lebewesen einwirken wie Klima, Bodenbeschaffenheit, Feinde aber auch Einwirkungen durch den Menschen.

Ökosysteme bestehen aus Biotopen (Lebensräumen) und Ihren Lebewesen. Kreisläufe wie der Kohlenstoffkreislauf oder der Stickstoffkreislauf sind in einem Ökosystem in sich geschlossen, ein Ökosystem entwickelt sich stets weiter und kennzeichnet sich außerdem durch ein biologisches Gleichgewicht.

Ökofaktoren beeinflussen die Ökosysteme. Sie können unbelebt (abiotisch) oder belebt (biotisch) sein. Abiotische Faktoren sind etwa Klima oder Wasser, biotische Faktoren Feinde, Parasiten, Symbiose-Partner.

Für jeden dieser Ökofaktoren, z.B. Wasser gibt es ein Optimum, hier gedeihen die Lebewesen besonders gut, einen Potzenzbereich, hier geht es ihnen so gut, dass sich sie zumindest noch vermehren können und einen Existenzbereich- hier können sie zumindest noch überleben, wenn auch nicht besonders gut.

Dort wo sich alle Ökofaktoren eines Lebewesens zumindest im Potenzbereich überschneiden, liegt im Prinzip seine ökologische Nische (siehe weiter unten).

Text: Aleksandra Trajkovic, 3FKA, HLMW9, 2016; Vivien Nick und Vanessa Praller, 3HMA, HLMW9, 2017; Silke Geroldinger; Grafik: Vivien Nick und Vanessa Praller, 3HMA, HLMW9, 2017

1. Autökologie (Ökophysiologie)

Wechselwirkungen zwischen einer einzigen Art und ihrer Umwelt.

Die Auswirkungen einzelner und kombinierter Umweltfaktoren auf einzelne Individuen dieser Art werden untersucht.

2. Synökologie (Ökosystemökologie)

untersucht Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Lebewesen eines bestimmten Lebensraumes und deren Abhängigkeiten untereinander und vom Biotop.

3. Populationsökologie

Untersucht Beziehungen von Individuen einer Population zu ihrer Umwelt um festzustellen, warum Gruppen wachsen oder sich zahlenmäßig verringern.

4. Landschaftsökologie (Geoökologie)

untersucht die Beziehungen zwischen Ökologie und Geographie. Dazu gehören das Zusammenwirken unbelebter Teilsysteme wie Boden, Sicker- und Grundwasser usw. untereinander und mit belebten Faktoren. 

5. Humanökologie

beschäftigt sich mit Beziehungen des Menschen mit seiner Umwelt. Humanökologie ist wichtig für die Umweltschutzforschung und ist interdisziplinär an der Schnittstelle zwischen Ökologie, Soziologie und Psychologie.

5. Weitere Teildisziplinen

Verhaltensökologie, Meeres- und Festlandökologie, Tier- Pflanzen und Mikrobenökologie sowie Paläoökologie.

Die Gaia Hypothese besagt, dass die Erde kein gigantischer toter Felsbrocken ist, der von lebenden Organismen bevölkert wird, sondern selbst ein riesiger Organismus, den man als ein vollkommenes, sich selbst regulierendes System sehen kann. Die Gaia-Hypothese ist naturwissenschaftlich nicht haltbar, auch wenn ihr Begründer James Lovelock nach wie vor daran festhält.

Die ökologische Nische

Die ökologische Nische ist die Funktion im Ökosystem. In einem Lebensraum kann die ökologische Nische nur von einer Art besetzt werden. Es wird auch vom Beruf einer Art gesprochen, den sie in diesem Lebensraum ausübt. Daher bezieht sich die ökologische Nische auf die funktionalen Faktoren zwischen der Art und ihrer Umwelt. Sie darf daher nicht mit dem Biotop verwechselt werden, da der Biotop nur einen Lebensraum für sämtliche Lebewesen beschreibt und die ökologische Nische umfasst auf die Art wirkende Beeinflussung von biotischen und abiotischen Umweltfaktoren.

Die ökologische Nische beschreibt somit die Summe der äußeren Bedingungen, unter denen eine Art existieren kann. Sie ist somit kein Lebensraum sondern ein vieldimensionales Produkt („n-dimensionaler Hyperraum“) aus ökologischen Faktoren. Solche Faktoren sind etwa der PH-Bereich, den eine Art toleriert, Temperaturbereiche, Räuber, Parasiten usw.

Toleranzbereich und ökologische Potenz

Der Bereich in dem ein Mensch oder Tier gerade noch Überleben kann wird als Toleranzbereich bezeichnet. Dieser umfasst alle Werte zwischen einem Minimum und einem Maximum. Dies trifft sowohl auf die Temperatur als auch auf andere Bedingungen wie zum Beispiel Nahrung oder Licht zu.

Der Erfolg eines Lebewesens wird von jenem Faktor begrenzt, der im Minimum vorliegt.

Betrachten wir einen Ökofaktor, z.B. Wasser, also die Feuchtigkeit: Der Toleranzbereich ist jener Bereich, in dem ein Lebewesen überleben kann. Etwa ein Baum, der in einem trockenen Lebensraum wächst. Ist es sehr trocken, kann der Baum vielleicht grade noch überleben. Im sogenannten „Pessimum“ kann er sich nicht mehr vermehren. Umgekehrt hält dieser Baum auch nicht zu viel Nässe, z.B. Staunässe aus. Irgendwann werden seine Wurzeln faulen. Auch im zu nassen Lebensraum gibt es einen Bereich, wo der Baum gerade noch überleben kann, aber keine Nachkommen mehr produziert. Im Bereich der ökologischen Potenz kann der Baum wachsen und sich auch vermehren. Im Optimum geht es dem Baum richtig gut, es ist weder zu trocken noch zu nass.

Genauso ist es für alle Lebewesen, für alle Ökofaktoren. Auch Tiere halten nur bestimmte Bedingungen aus. Ein Eisbär hält Kälte gut aus, ein Wüstenfuchs Hitze und Trockenheit.

Haben Lebewesen einen schmalen Toleranzbereich nennt man die Arten stenök. Solche Arten sind sehr empfindlich und kommen oft nur sehr begrenzt vor. Euryöke Arte haben einen breiten Toleranzbereich- diese Arten kommen in der Regel weltweit vor, z.B. Wanderratten, Haustauben, Sperlinge.

Der Erfolg eines Lebewesens wird von jenem Faktor begrenzt, der im Minimum vorliegt. Dieser begrenzende Faktor ist in der Wüste das Wasser, im Regenwald Nährstoffe und Platz usw.

Biodiversität

Die Biodiversität (Artenvielfalt) ist die gesamte Vielfalt des Lebens auf der Erde oder

vereinfacht gesprochen, die Vielfalt der belebten Welt

Sukzession ist die Aufeinanderfolge verschiedener Pflanzengemeinschaften, die auseinander hervorgehen, etwa die verschiedenen Besiedlungsfolgen einer Brandrodungsfläche eines Waldes. Sukzession beginnt mit Pionierpflanzen (z.B. bestimmte Gräser oder Hahnenfuß-Arten) und über verschiedene Grasland und später Gehölz- Stufen (z.B. Gebüsch) wird als Endstufe im Idealfall das Klimax erreicht. In Österreich ist die Klimaxstufe Wald. Unter bestimmten Umständen wie zu trockene oder feuchte Böden, wird das Klimax auch nie erreicht, etwa die Grassteppen um den Neusiedlersee.

Survival of the Imperfect

Charles Darwin sprach von „Survival of the fittest“ und meinte, nicht unbedingt nur die Stärksten, sondern die am besten angepassten werden überleben, sich durchsetzen und ihre Gene weitervererben können. Auf den ersten Blick mag es nun unlogisch klingen, dass diese am besten angepassten Organismen unperfekte, also nicht ganz angepasste Individuen sein sollen.

Aber stellen wir uns einmal einen Ameisenbären vor. Er ist „Imperfect“ und genau daher so ein fittes, gut angepasstes Tier. Wenn der Ameisenbär einen Termitenbau aufbricht, schützt ihn sein dickes Fell vor den unangenehmen Bissen, aber nur eine gewisse Zeit lang. Irgendwann kommen immer mehr Termiten an seine Haut und beißen zu. Das Tier ergreift die Flucht. Die Termiten wurden zwar etwas dezimiert, aber ihr Volk ist groß genug, sie können die Termitenburg wieder aufbauen. 

Wäre der Ameisenbär noch besser anpasst, wäre sein Fell zu dicht für die Termiten, dann hätten die Insekten keine Chance zu überleben. In kürzester Zeit würden die Ameisenbären die Termiten ausrotten und somit ihre eigene Lebensgrundlage zerstören. Ein zu perfekt angepasster Ameisenbär wäre bereits ausgestorben, der umperfekte Ameisenbär ist somit der am besten angepasste, eben „Survival of the Imperfect“.

Unter trophischen Ebenen versteht man die Einteilung von Lebewesen in Produzenten, Konsumenten und Destruenten. Produzenten, Konsumenten und Destruenten bilden zusammen einen Kreislauf, beginnend mit den Produzenten (Pflanzen oder auch Cyanobakterien). Die Produzentenstellen aus anorganischen Stoffen organische Stoffe her, indem sie Photosynthese betreiben. Dabei stellen sie mit Hilfe des Sonnenlichts aus CO₂ (Kohlendioxid) und Wasser Zucker her. Quasi als Nebenprodukt wird dabei O₂ (Sauerstoff) frei. Beides, Zucker und Sauerstoff dient der nächsten trophischen Ebene, den Konsumenten als Nahrungsgrundlage. Konsumenten können Nährstoffe (Zucker, Eiweiße, Fette) ineinander umwandeln, aber nicht aus anorganischen Stoffen Stoffen herstellen. Die Destruenten zerlegen organisches Mterial (abgestorbene Pflanzen, Tierkadaver, Kot) in ihre anorganischen Bestandteile und stellen sie so für die Produzenten wieder zur Verfügung

Koexistenz von Arten

Das Konkurrenzausschlussprinzip besagt, dass zwei konkurrierende Arten, also zwei Arten mit ähnlichen Bedürfnissen nur dann nebeneinander existieren können, wenn sie sich in verschiedenen Bereichen unterscheiden („Nischendifferenzierung“), etwa dass sie die Blätter eines Baumes in verschiedenen Höhen abfressen. Gelingt dies nicht, so wird eine Art die andere verdrängen. Verschhiedene Umstände, immer wieder kehrende Störungen, Inseln (z.B. umgestürzte Bäume im Wald) oder laufend schwankende Umweltbedingungen fördern das Nebeneinander von Arten und erhöhen die Artenvielt.

Räuber-Beutebeziehungen zeichnen sich durch einen ständiges Wettrüsten zwischen Räubern und Beutetieren aus. Die Zahl der Individuen von Räuber- oder Beutetierpopulationen schwankt. Dezimieren Räuber ihre Beute zu stark, führt der Nahrungsmangel zu einem Zusammenbruch der Räuberpopulation. Somit können sich die Beutetiere wieder erholen und letzlich wieder mehr Raubtiere nähren, die die Beutetiere zahlenmäßig wieder reduzieren usw. Die Individuenzahlen folgen der soganannten Lotka-Volterra-Gleichung.

Nahrungskette: Räuber und Beute sind Teil der Nahrungskette. Diese beginnt mit den Produzenten (also den Pflanzen). Pflanzen werden von Konsumenten 1. Ordnung gefressen und die meist wieder von Konsumenten 2. Ordnung. Da Nahrungsketten in der Natur tatsächlich selten wirklich linear sind, spricht man meist von Nahrungspyramiden oder Nahrungsnetzen, die unterschiedliche Wechselbeziehungen in einem Ökosystem besser darstellen können. Gifte sind in der Nahrungskette besonders problematisch, da sich mit der Länge einer Nahrungskette immer stärker anreichern.

Kommensalismus („Freßgemeinschaft“) ist die Vergesellschaftung zweier artverschiedener Organismen, aus der ein Partner Nutzen zieht, ohne dass der andere dadurch geschädigt wird.

Symbiose istdas Zusammenleben von zwei oder mehr artverschiedenen Organismen zum beidseitigen Vorteil.

Parasitismus (Schmarotzertum) ist der Erwerb von Lebensgrundlagen (meist Nahrung) aus oder mittels eines anderen Organismus.

r- und k-Strategien unterteilen Tiere und Pflanzen in grundlegende Lebensstrategien; die meist kleinen r-Strategen haben viele Nachkommen (z.B. Mäuse oder Löwenzahn) sind recht flexibel und meist eher klein. K-Strategen sind meist große Arten (Elefanten, Eiche), haben wenig Nachkommen um die sich meist intensiv kümmern. Sie sind auf eine stabile Umwelt angewiesen.

Ökosysteme kennzeichnen sich durch (fast) geschlossene Stoffkreisläufe. Stoffe werden werden verbraucht und/oder umgebaut und dem System wieder zugeführt. Die wichtigsten Stoffkreisläufe in Ökosystemen sind:

Sauerstoffkreislauf.

Dieser besteht aus den Prozessen der Atmung (- der Verbrennung organischer Nahrungbestandteile zu Kohlendioxid und Wasser, wobei Energie für die Zellen frei wird und der Photosynthese, derFixierung anorganischen Kohlenstoffs mit Hilfe von Wasser und Sonnenlicht zu organischem Zucker, wobei als Nebenprodukt Sauerstoff frei wird.

Kohlenstoffkreislauf

Dieser hängt eng mit dem Sauerstoffkreislauf zusammen. Der bei der Photosynthese der grünen Pflanzen erzeugte Zucker wird von Konsumenten 1. Ordnung über die Nahrung (Blätter usw.) aufgenommen und eventuell in andere organische Stoffe umgewandelt. Bei der Atmung werden diese Nährstoffe „veratmet“- Energie wird freigesetzt für die Zelle und als Abfallprodukt Wasser und Kohlendioxid. Das Kohlendioxid wiederum wird von den Pflanzen bei der Photosynthese wieder in organische Stoffe umgewandelt usw.

Produzenten- Konsumenten- Destruenten

Den wichtigsten Teil des Kohlenstoffkreislaufs   stellt das Beziehungsgeflecht zwischen Produzenten- Konsumenten- Destruenten dar.
Produzenten sind vor allem die Pflanzen. Sie produzieren mit Hilfe der Sonnenenergie, Wasser und Kohlenstoffdioxid Zucker (Traubenzucker) und Sauerstoff. Produzenten stellen somit aus anorganischen Stoffen (Wasser, CO2) organische Stoffe (Zucker) her. Der Zucker dient den Pflanzen als „Nahrung“- sie versorgen sich selbst“, der Sauerstoff wird quasi nebenbei frei.

Konsumenten sind direkt abhängig von den Produzenten. Es sind dies die Tiere, die organische Stoffe als Nahrung brauchen und Sauerstoff atmen. Diese Konsumenten fressen entweder als Konsumenten erster Ordnung pflanzliche Nahrung oder sie Fleischfresser und somit Konsumenten zweiter Ordnung.

Den Kreis schließen die Destruenten, die „Zerleger“. Diese Organismen, Bakterien und Pilze zerlegen Überreste von Pflanzen und Tieren wie Kadaver toter Tiere, Fäkalien oder abgestorbene Pflanzen. Destruenten benötigen organische Stoffe und zerlegen organisches Material in  anorganische Stoffe. Sie sind also von Tieren oder Pflanzen abhängig. Die anorganischen Moleküle können nun wieder von den Pflanzen aufgenommen werden. Somit sind die Pflanzen direkt von den Destruenten abhängig, der Kreis schließt sich.

Stickstoffkreislauf

Stickstoff wird benötigt, da er in allen Lebewesen Bestandteil von Aminosäuren in Eiweißen und von DNA ist. Der irdische Stickstoff befindet sich allerdings fast ausschließlich in der Erdatmosphäre, von wo ihn nur spezielle Bakterien, insbesondere Cyanobakterien, Knöllchenbakterien, und – durch Symbiose mit derartigen Bakterien auch einige wenige Pflanzen aufnehmen können. Alle anderen Pflanzen und die Tiere sind auf den Stickstoffkreislauf in der Biosphäre, das heißt auf Stickstoff im Boden, angewiesen.

Ein weiterer wichtiger Kreislauf ist natürlich auch der Wasserkreislauf.

Schlusssteinarten  oder Schlüsselarten (englisch „Keystone Species“)sind selten, haben aber grossen Einfluss auf Artenzusammensetzung und Masseflüsse in einem Ökosystem. Diese Arten üben im Vergleich zu ihrer geringen Häufigkeit einen unverhältnismäßig großen Einfluss auf die Biodiversität (Artenvielfalt) einer Lebensgemeinschaft aus.

Flagship-species sind meist große, beliebte Arten, z.B. Pandas oder Orchideen, die bei den meisten Menschen besondere Emotionen auslösen. Der Schutz dieser Arten schafft so indirekt geschützte Lebensräume, wodurch auch andere, weniger beliebte Arten profitieren.

Indikatorarten oder Bioindikatoren sind Organismen, die auf Einflüsse des Menschen mit ihrem Vorkommen oder Fehlen oder mit der Veränderung ihrer Lebensfunktionen besonders sensibel reagieren, etwa viele Flechtenarten.

Leitarten sind Arten, die besonders charakteristisch für einen bestimmten Biotoptyp oder eine bestimmte Lebensgemeinschaft sind. Oft reagieren diese Arten sehr sensibel auf Veränderungen.