Die dünne, belebte, äußere Schicht der Erde einschließlich der Erdoberfläche und der tieferen Schichten der Atmosphäre wird Biosphäre genannt. Sie kann auf verschiedene Arten unterteilt und klassifiziert werden.
Biome
Als Biom bezeichnet man einen einheitlichen Lebensraum, der unter bestimmten Klimaverhältnissen entstanden ist und über eine charakteristische Vegetation und die damit verbundene Tierwelt verfügt. Europäische Ökologen nennen die großen Vegetationseinheiten Pflanzenformationen, die nordamerikanischen Ökologen nennen sie Biome. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Begriffen liegt also darin, dass der Begriff Biom auch das damit verbundene Tierleben beinhaltet. Hauptbiome werden dennoch mit dem Namen des jeweils vorherrschenden Pflanzenwuchses bezeichnet.
Beeinflusst durch die geographische Lage und die Höhe über dem Meeresspiegel sowie die dadurch bedingten Klimaverhältnisse variieren die Biome der Erde räumlich von den Tropen bis zur Arktis. Sie umfassen verschiedene Arten von Wäldern, Grasländern, Steppen, Wüsten sowie die Tundra. Diese Biome schließen auch die darin eingeschlossenen Süßwasserbereiche wie Bäche, Seen, Teiche und Feuchtgebiete (Sümpfe) mit ein. Die Meereswelten, die von manchen Ökologen ebenfalls als Biome angesehen werden, umfassen das offene Meer, die Küstengebiete (Flachwasserzone), den Meeresgrund, die Tiefwasserzone, Felsküsten, Sandküsten, Ästuare bzw. Deltas (Flussmündungen) und die damit verbundenen Wattenmeere.
Ökosysteme
Um die Ökologie eines bestimmten Lebensraumes zu verstehen, ist es sinnvoll, ihn als Ökosystem zu betrachten. Diesen abstrakten Begriff prägte 1935 der britische Pflanzenökologe Sir Arthur George Tansley. Gemeint ist damit die Vorstellung eines jeden Lebensraumes als zusammengehöriges, mehr oder weniger geschlossenes Ganzes. Ein System ist eine Zusammenfassung voneinander abhängiger Teile, die als Einheit funktionieren und sich in wechselseitigem Austausch befinden. Ein Ökosystem besteht aus mehreren Bestandteilen, den Produzenten (Grünen Pflanzen), den Konsumenten (Pflanzenfressern und Fleischfressern), den Destruenten (Reduzenten) bzw. Zersetzern (abbauenden Organismen wie Pilzen und Bakterien) sowie den nichtlebenden oder abiotischen Bestandteilen, also im Wesentlichen der toten organischen und anorganischen Materie, wie z. B. den im Boden und im Wasser vorhandenen Nährstoffen. Ein Ökosystem umfasst damit alle in einem bestimmten Lebensraum befindlichen Lebewesen und die sie umgebende, unbelebte Materie. Der Begriff Lebensraum kann dabei ganz unterschiedliche Dimensionen besitzen. Man kann einen bestimmten Wald damit meinen oder einen Abschnitt eines Flusslaufes, aber beispielsweise auch die Gesamtheit aller Wälder eines bestimmten Typs, etwa der borealen Nadelwälder, die gesamte Erde oder auch nur die nähere Umgebung der Wurzel eines bestimmten Baumes. In das Ökosystem gelangen von außen Sonnenenergie, Wasser, Sauerstoff, Kohlendioxid, Stickstoff sowie andere Elemente und Verbindungen. Das Ökosystem bzw. die darin befindlichen Lebewesen wiederum entnehmen der Umwelt Nährstoffe, verändern die Zusammensetzung von Luft und Wasser und produzieren durch den Stoffwechsel Wärme, Wasser, Sauerstoff, Kohlendioxid und andere Ausscheidungsprodukte, die wiederum miteinander reagieren können.
Energie und Nährstoffe
Ökosysteme benötigen zur Existenz Energie. Als Hauptenergiequelle fungiert meist die eingestrahlte Sonnenenergie. Weiterhin sind dazu Nährstoffe nötig, je nach Art des Ökosystems in sehr unterschiedlich großer Menge. Beide Faktoren, Energie und Nährstoffe, bewegen sich innerhalb eines Ökosystems in verschiedenen Kreisläufen. Durch die Aufklärung dieser Kreisläufe und ihrer Größenordnungen gewinnt man wichtige Erkenntnisse über die Funktion eines Ökosystems und kann dadurch außerdem verschiedene Ökosysteme unter unterschiedlichen Blickwinkeln miteinander vergleichen.
Die Pflanzen können die Sonnenenergie mit Hilfe der Photosynthese, bei der aus anorganischen Verbindungen organische geschaffen werden, in Form bestimmter chemischer, energiereicher Moleküle binden. Erst dadurch wird überhaupt Energie für die Lebewesen eines Ökosystems verfügbar. Pflanzen können im Durchschnitt nur etwa ein bis fünf Prozent der eingestrahlten Sonnenenergie in chemische Energie umsetzen. Diese chemische Energie wird von den Pflanzen genutzt, um Kohlenhydrate herzustellen, die sie zum Aufbau ihrer Zellen und als weitere Energielieferanten benötigen. Im Ökosystem wird die Energie von den Pflanzen über eine Reihe von Zwischenschritten an andere Organismen weitergegeben. Dies beinhaltet das Fressen und Gefressenwerden sowie die Tätigkeit von Parasiten und Zersetzern, die schließlich den abgestorbenen Pflanzenkörper wieder dem Boden zuführen. Insgesamt bezeichnet man dies als Nahrungsnetz, ein System untereinander verknüpfter Nahrungsketten. Die Lebewesen eines Ökosystems sind in ihrer Ernährung voneinander abhängig und bilden dabei diese Nahrungsketten.
Als pflanzliche Nahrungskette bezeichnet man diejenige, die bei den Pflanzen beginnt und über die Pflanzenfresser (Herbivoren) bis hin zu zwei oder drei verschiedenen Ebenen von Fleischfressern (Carnivoren) verläuft. Die Nahrungskette der abbauenden Organismen (Destruenten) beginnt dagegen mit der abgestorbenen pflanzlichen, tierischen oder sonstigen organischen Substanz. Beispiele dafür sind herabgefallene Blätter und Zweige, tote Wurzeln, Baumstümpfe, abgestoßene Tierhäute und Kadaver von Tieren. Von diesen Stoffen ernährt sich eine Vielzahl an Bakterien, Pilzen, Strahlenpilzen (Prokaryonten) und Kleintieren, die wiederum von anderen Lebewesen gefressen werden. Beide Nahrungsketten sind auf komplexe Weise miteinander verbunden, denn durch die Tätigkeit der Destruenten entsteht letztlich Humus. Dieses von toten Tieren oder Pflanzen stammende organische Material benötigen wiederum die Pflanzen zum Wachstum. Geradlinige Nahrungsketten, wie sie eben dargestellt wurden, existieren nur selten, etwa in artenarmen Ökosystemen. Die tatsächlichen Verhältnisse werden z. B. durch das Vorhandensein von Parasiten oder so genannten Saprophagen (Tiere, die sich von toten oder verwesenden Tieren oder ihren Ausscheidungen ernähren) komplexer und weiter verfeinert, so dass die Vorstellung eines Nahrungsnetzes der Wirklichkeit deutlich näherkommt. In einer anderen Betrachtungsweise spricht man von einer so genannten Nahrungspyramide, die aus mehreren Ernährungs- oder trophischen Ebenen aufgebaut ist. An der Basis dieser Pyramide stehen die Pflanzen, an der Spitze ein Fleischfresser wie der Tiger oder der Schwertwal, der selbst keine Feinde besitzt und daher ausschließlich eines natürlichen Todes - oder durch Krankheiten - stirbt. Insgesamt nutzt die Natur durch den Aufbau vielfältiger Nahrungsnetze in größtmöglichem Umfang die Energie, die ursprünglich von den Pflanzen gebunden wird.
Die Zahl der trophischen Ebenen ist in beiden Nahrungsketten begrenzt, weil bei jedem Übergang von einer Ebene zur nächsten der größte Teil der Energie verloren geht, vorwiegend durch die Atmung und andere Stoffwechselvorgänge, aber auch durch Wärmeverluste und verschiedene Ausscheidungsprodukte. Im Durchschnitt beträgt der Energieverlust bei jeder Stufe meist über 90 Prozent. Bezieht man sich auf die Vorstellung der Nahrungspyramide, enthält daher jede trophische Ebene stets weniger Energie als die jeweils vorhergehende, und der Energiegehalt nimmt von unten nach oben stark ab. Aus diesem Grund gibt es etwa mehr Hirsche und Karibus (Pflanzenfresser) als Wölfe oder Luchse (Fleischfresser).
Der Energiefluss treibt die verschiedenen biogeochemischen Kreisläufe oder Nährstoffkreisläufe an. Der Kreislauf der Nährstoffe beginnt mit ihrer Freisetzung aus organischer Materie durch die Zersetzung und ihrer Umwandlung in eine Form, die von den Pflanzen aufgenommen werden kann. Pflanzen nehmen die Nährstoffe auf, die im Boden und im Wasser (teilweise auch in der Luft) vorhanden sind und speichern diese in ihrem Gewebe. Von einer trophischen Ebene zur nächsten gelangen die Nährstoffe über das Nahrungsnetz zu verschiedenen Organismen und werden beim Absterben schließlich wieder freigesetzt. Pilze, Bakterien und andere Destruenten spalten die komplexen, organischen Verbindungen und wandeln sie in einfache, anorganische Verbindungen um, die den Pflanzen erneut zur Verfügung stehen.
Ungleichgewichte
Innerhalb eines Ökosystems durchlaufen Nährstoffe einen internen Kreislauf. Doch es gibt immer auch Verluste, die durch Neuaufnahmen ausgeglichen werden müssen, sonst funktioniert das Ökosystem nicht mehr. Nährstoffaufnahmen ins System erfolgen im Wesentlichen über die Verwitterung von Gesteinen, durch Staub, der vom Wind angeweht wird und durch Niederschläge, die darin gelöste Stoffe über große Strecken transportieren können. Verschiedene Mengen an Nährstoffen werden von Landökosystemen durch die Bewegung des Wassers ausgewaschen und in Wasserökosystemen oder tiefer liegenden Gebieten abgelagert. Erosion sowie das Fällen von Bäumen und die Ernte auf Äckern entziehen dem Ökosystem beträchtliche Mengen an Nährstoffen, die ersetzt werden müssen. Geschieht dies nicht, kommt es allmählich zu einer Verarmung, die auch Änderungen in der Artenzusammensetzung zur Folge hat. Aus diesem Grund müssen z. B. landwirtschaftlich genutzte Flächen immer wieder gedüngt werden, um einen gleich bleibenden Ertrag zu sichern (Dünger).
Die Umweltverschmutzung, die Verunreinigung von Luft, Wasser oder Boden, kann als einseitige Nährstoffzufuhr betrachtet werden. Häufig übersteigt diese nach einer gewissen Zeit die Fähigkeit eines Ökosystems, sie zu verarbeiten, wobei die Schwellen je nach Art des Ökosystems und der betreffenden Nährstoffe sehr unterschiedlich sind. Überdüngung führt beispielsweise dazu, dass Nährstoffe ausgewaschen werden und ins Grundwasser sickern oder zusammen mit Abwässern und Industrieabfällen aus städtischen Gebieten in die Bäche, Flüsse und Seen und schließlich ins Meer gelangen. Die eingetragenen oder zugeführten Nähr- oder Schadstoffe können die Lebewesen eines Ökosystems direkt schädigen oder aber das Wachstum mancher Arten so stark anregen, dass sie schließlich andere Arten verdrängen. Dadurch werden insgesamt diejenigen Organismen begünstigt, die toleranter oder aber auch resistenter gegenüber den veränderten Bedingungen sind. Meist handelt es sich dabei um Arten, deren Individuenzahl ohnehin schon sehr hoch ist. Viele heutzutage seltene Arten sind dagegen stark spezialisiert auf bestimmte Bedingungen, daher anfälliger für Veränderungen und vermehrt vom Aussterben bedroht. Beispiele für direkt schädliche Stoffe sind die mit Schwefeldioxid und Stickstoffoxiden angereicherten Abgase aus Industriegebieten, die sich mit dem Wasser der Niederschläge in Schwefel- und Salpetersäuren umwandeln und den sauren Regen bilden. Dieser verändert das Verhältnis von Säuren und Basen in Land- und Meeresökosystemen. Fische und im Wasser lebende wirbellose Tiere können dadurch absterben; der Säuregehalt des Bodens kann ansteigen, insbesondere in Gebieten mit kalkfreiem Gestein (Kalk kann die Säure neutralisieren), und es kommt zu starken Veränderungen in der Zusammensetzung der Pflanzen- und Tierwelt.
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