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Der Kohlenstoffkreislauf

Auch der Kohlenstoffkreislauf - ähnlich dem Stickstoffkreislauf - ist ein beliebtes Thema der Lehrer für normale Klausuren, aber auch fürs Abi. Es lohnt sich also, ihn zu verstehen und zu lernen.

Aufgaben:
  • Denk mal nach: Wo kommt Kohlenstoff überall vor?
  • Brauchen wir Kohlenstoff zum Leben?

Warum ist der Kohlenstoffkreislauf so wichtig für uns?

Jedes lebendige Wesen, und somit auch der Mensch, ist angewiesen auf das Element C - Kohlenstoff. Denn dieser ist ein überaus wichtiger Baustoff für diverse Proteine, Lipide, Nucleinsäuren und Kohlenhydrate. Ohne den Kohlenstoff wäre unser Körper also nicht lebens- oder funktionsfähig. Bei Tieren und Pflanzen ist es nicht anders. Auch sie benötigen bestimmte Lipide, Proteine etc. zum Leben.

Nun ist es so, dass in der Biosphäre, also in allen lebenden Organismen zusammen nur 0,001% des irdischen Kohlenstoffs vorkommen. Der Rest ist vor allem in der Lithosphäre (im Gestein) zu finden, sowie andere kleine Prozente in der Atmosphäre (Luft), der Hydrosphäre (Wasser) und der Pedosphäre (oberste Schicht der Erde - Boden).


Die über 99% des irdischen Kohlenstoffs sind zu einem großen Teil fest ins Sediment integriert, sodass es sehr lange dauert (tausende von Jahren), bis dieses Vorkommen an Kohlenstoff für die Biosphäre teilweise verfügbar wird.

Aus diesem Grund findet der Großteil des Austauschs des Kohlenstoffkreislaufs zwischen Hydrosphäre, Atmosphäre und Biosphäre statt. So wird beispielsweise jährlich ein Siebtel des in der Atmosphäre vorhandenen Kohlenstoffs von Pflanzen assimiliert - also umgesetzt und den Konsumenten erster Ordnung (Pflanzenfresser) zugänglich gemacht.

Weil nur über circa 0,5% des Kohlenstoffs "einfach so" verfügt werden kann, ohne Sedimente chemisch aufzulösen, ist es wichtig, dass ein Kreislauf entsteht, sodass der Kohlenstoff nicht an einer Endstation gelagert wird, bis alles Leben auf der Erde erlischt.

Wie läuft der Kohlenstoffkreislauf ab?

Das folgende Bild soll dir zeigen, wie der Kohlenstoffkreislauf grob abläuft. Wir werden bei der Erklärung auch zunächst die Abläufe in der Hydrosphäre außer Acht lassen, damit der Prozess leichter zu verstehen ist.


1. Die Assimilation (grünes Feld)

Als Startpunkt für den Kohlenstoffkreislauf haben wir die Assimilation des Kohlenstoff durch Pflanzen bzw. andere Produzenten gewählt.

Bei der Assimilation wir durch den Prozess der Photosynthese Kohlenstoff aus der Atmosphäre in Form von Kohlenstoffdioxid (CO2) in organische Substanzen umgewandelt. 
Die kleine Pflanze auf dem Bild könnte zum Beispiel ein Apfelbaum sein, der mit Hilfe der Photosynthese Äpfel produziert, die jede Menge Fruchtzucker enthalten - also umgewandelten Kohlenstoff.

2. Die Respiration (orangefarbenes Feld)

Das Pferd frisst nun den Apfel und löst bei der Verdauung die Fruchtzucker (und damit die enthaltenen Kohlenstoffe) aus dem Fruchtfleisch heraus. Diese Frucht werden durch die Blutbahn an Stellen geleitet, wo Energie benötigt wird. Dort werden sie im Prozess der Zellatmung so lange umgeformt, bis alle für das Tier verwertbare Energie ausgenutzt wurde. Das Pferd atmet Kohlenstoffdioxid und Wasser aus, sodass der Kohlenstoff zum größten Teil zurück in die Atmosphäre gelangt.

3. Die Zersetzung (violettes Feld)

Ein Teil des Kohlenstoffs wird jedoch immer auch für den Aufbau von Biomasse verwendet, sei es, dass ein Baum wächst (dazu muss er zwangsläufig mehr Kohlenstoff ansammeln) oder ein Tier zunimmt. In der lebendigen Biosphäre ist also auch immer Kohlenstoff als "Gerüst-" und "Arbeitsstoff" zu finden.

Stirbt ein Lebewesen jedoch, geht der als Baustoff verwendete Kohlenstoff nicht verloren. Destruenten wie Bakterien und bestimmte Pilze sorgen dafür, dass die tote Biomasse von Pflanzen, Tieren, Pilzen und Bakterien wieder zersetzt werden.

Diese Pilze und Bakterien gewinnen ihrerseits Energie aus der Zersetzung und machen Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffdioxid wieder zugänglich für Produzenten aller Art.

Ein Teil des freigesetzten CO2 gelangt dabei wieder zurück in die Atmosphäre - ein weiterer Teil bleibt im Boden (in der Pedosphäre) zurück als Humus und Torf, die sich über tausende von Jahren hinweg zu fossilen Brennstoffen wie Erdöl und Kohle aber auch zu kohlehaltigen Sedimenten wie Carbonat und Kerogen umwandeln können.

4. Die Diffusion (dunkelblaues Feld)

Das Kohlenstoffdioxid kann nicht nur über den langen Umweg der Assimilation und anschließenden Zersetzung in den Boden gelangen. Ein Teil des atmosphärischen Kohlenstoffs kann auch in die Pedosphäre diffundieren.

5. Die Verbrennung von fossilen Brennstoffen (hellblaues Feld)

Die ersten vier Schritte laufen schon seit Millionen Jahren genau so ab. Dieser fünfte jedoch erst, seitem der Mensch Erdöl und Kohle als würdig empfunden hat, seine Gefährte zu betreiben und seine Häuser zu beheizen. Hier wird Kohlenstoff in Form von fossilen Brennstoffen in Fabriken verbrannt, um Energie zu gewinnen. Dabei wird wieder CO2 frei, das in die Atmosphäre entlassen wird.

Aufgaben: 
  • Wiederhole noch einmal den Kohlenstoffkreislauf stichwortartig in deinen eigenen Worten und fertige dazu eine passende Skizze an.
  • Die Hydrosphäre wurde in diesem Artikel noch nicht behandelt. Was denkst du, geschieht mit dem Kohlenstoff im Meer, bzw. wie gelangt der Kohlenstoff dahin? Stelle Nachforschungen zu dem Thema mithilfe des Internets und deines Biologie Buches an!

Der Stickstoffkreislauf

Wenn du auf dieser Seite landest, tust du das vermutlich, weil du das Thema Stickstoffkreislauf gerade in der Schule hast oder es bis zum Abi sitzen muss. Lass dir jedoch eins gesagt sein: Schwachsinn ist das Thema nicht und - wenn man geneigt ist, die Bedeutung davon zu begreifen - auch nicht langweilig.

Zunächst einmal solltest du dir die aufgelisteten chemischen Verbindungen merken oder gegebenenfalls in dein Heft notieren:



Warum ist der Stickstoffkreislauf so wichtig?


Stickstoff ist in jedem lebenden Wesen enthalten, sei es Bakterie, Pflanze, Pilz oder Tier, denn es kommt sowohl in Proteinen, Aminosäuren und der DNA bzw. RNA als wichtiger Baustoff vor. Wie du dir vielleicht denken kannst, ist in deinem Körper beispielsweise so gut wie nichts statisch und "für immer". Das heißt, dass die Zellen in deinem Körper (und jede Zelle enthält DNA!) regelmäßig erneuert werden und dementsprechend neu mit Baustoffen wie Stickstoff versorgt werden müssen.

Es ist natürlich auch wichtig, dass, wenn jemand stirbt, der Stickstoff nicht einfach mit der Leiche verloren geht, sondern wieder verwertet werden kann, damit andere Lebewesen davon profitieren können.

Es ist wichtig, dass du dir merkst, dass nur wenige Lebewesen in der Lage sind, den elementaren Stickstoff, wie er zu circa 99% in der Luft vorkommt, "einfach so" aufzunehmen. Zu den wenigen Lebewesen, die das können, gehören beispielsweise Cyanobakterien und die Knöllchenbakterien (welche symbiotisch am Wurzelwerk von einigen Pflanzen leben).

Aufgaben:

  • Woher, denkst du, kommt der Stickstoff, den der Mensch in seinem Körper verwendet?
  • Worin liegt der "Sinn" des Stickstoffkreislaufs?


Wie läuft der Stickstoffkreislauf ab?


Aufgabe:

  • Betrachte erst einmal das Bild und versuche die Abfolge der Pfeile zu verstehen!




1. Die Ammonifikation:
Der Stickstoffkreislauf beginnt gewissermaßen mit der Ammonifikation (wobei ein Kraislauf natürlich nirgendwo beginnt oder endet, für unser Verständnis jedoch ist es sinnvoll, an einer Stelle wie dieser zu beginnen.).

Bei der Ammonifikation wird der Stickstoff, der in allen erdenklichen Verbindungen in organischen Stoffen wie Exkrementen und anderer Biomasse (v.a. Tier- und Pflanzenleichen) enthalten ist, durch Destruenten wie Bakterien und Pilze freigesetzt. Die Destruenten zersetzen die organischen Teile und gewinnen damit Energie für sich.

Ammonifikation kann nicht nur durch Destruenten erfolgen, sondern ebenfalls durch andere chemische Prozesse wie die Hydrolyse von Urin.

Durch die Ammonifikation steht dem Ökosystem wieder wertvoller Stickstoff in Form von NH3 oder NH4+ zur Verfügung. Ammoniak oder Ammoniakionen können die meisten Pflanzen und andere autotrophe Lebewesen problemlos verwenden.

2.  Die Nitrifikation
Die Nitrifikation erfolgt durch einen zweistufigen Prozess durch 2 Gruppen von Bakterien, die Nitritbaktieren (z.B. Nitrosomas) und die Nitratbakterien (z.B. Nitrobacter). Die beiden Bakteriengruppen arbeiten so zu sagen "Hand in Hand", sind also von einander abhängig, denn zunächst muss Ammoniak in Nitrit und anschließend in Nitrat umgewandelt werden.

Der erste Schritt erfolgt durch die erste Bakteriengruppe, den Nitritbakterien. Diese oxidieren Ammoniak mit molekularem Sauerstoff zu Nitrit. Sie tun das natürlich nicht aus Pflichtbewusstsein der Natur gegenüber, sondern gewinnen in dem Prozess Energie.

NH3 + 1,5 O2 → NO2- + H2O
(2 Ammoniak-Moleküle werden unter Einwirkung von 3 Sauerstoff-Molekülen zu je 2 Nitrit und Wassermolekülen.)

Für den zweiten Schritt sind Nitratbakterien wie die Nitrobacter nötig, denn hier wird wiederum durch Oxidation Nitrit in Nitrat umgewandelt.

NO2- + 0,5 O2 → NO3-
(2 Nitrit-Molekule oxidieren mit einem Sauerstoff-Molekül zu einem Nitrat-Molekül.)

3. Stickstoffassimilation
Die anorganischen Verbindungen Nitrat und Ammoniak werden von Pflanzen und anderen autotrophen Organismen aufgenommen, um stickstoffhaltige organische Verbindungen wie Nucleinsäuren, Proteine und Aminosäuren zu bilden.

Auf viele Pflanzen wirkt sowohl Ammoniak als auch Nitrat daher düngend und regt diese zum Wachstum an.

Viele Pflanzen (v.a. Mangold und Spinat) speichern mehr Nitrat als sie brauchen. Daher kann es gesundheitsschädlich wirken, eines der stark nitratspeichernden Gemüse mehr als einmal aufzuwärmen, da bei einer künstlichen Nitrifikation durch Hitze (Kochtopf) Nitrit entsteht, welches vor allem für Kinder giftig ist.

Die Pflanzen werden von Konsumenten erster Ordnung verzehrt. Diese verwerten den pflanzlichen Stickstoff und setzen ebenfalls den Stickstoff als Baumittel für diverse organische Verbindungen ein (z.B. DNA).

Die Exkremente und Leichen von Mirkroorganismen, Pflanzen, Pilzen und Tieren enthalten selbstverständlich Stickstoff, welcher entweder (wie in 1. beschrieben) durch Ammonifikation zu Ammoniak umgewandelt wird oder durch andere chemische Prozesse frei wird.

4. Denitrifikation
Einige anaerobe Bakterien können unter Nitrat oder Nitrit zur Oxidation verwenden, um somit für sich Energie zu gewinnen. In mehreren Zwischenschritten wird dabei aus Nitrat oder Nitrit N2, welcher zum größten Teil in die Atmosphäre entweicht.

5. Stickstofffixierung
Nur wenige Lebewesen sind in der Lage, den wertvollen Stickstoff in seiner reinen Form zu binden, bzw. zu fixieren und ihn somit zugänglich für Pflanzen und Mikroorganismen zu machen. Zu den seltenen Fällen gehören Cyanobakterien, Bakterien der Gattung Frankia und andere Bakterien wie die Knöllchenbakterien.

Diese Bakterien leben vornehmlich in Symbiosen mit Pflanzen in deren Wurzelwerken, wo sie von dem Stoffaustausch mit den Pflanzen stark profitieren.

6. Nitrifikation durch Energie
Hier ist die natürliche Alternative der Nitrifikation zum Kochtopf gemeint. In der Atmosphäre vorkommender Stickstoff wird während eines Gewitter gebunden zu Nitrat.

Aufgaben:

  • Zeichne dein eigenes Bild zum Stoffwechselkreislauf und gestalte es, um die Übersicht zu verbessern, farblich.
  • Fasse den Ablauf noch einmal in eigenen Worten stichwortartig zusammen!

Die Proteinbiosynthese

Die Proteinbiosynthese ist ein Thema der Molekularbiologie und beantwortet viele Fragen im Bezug auf das Leben. Hast du dich z.B. schon einmal gefragt, wie es kommt, dass du immer die gleiche Augenfarbe hast?

Eigentlich ist es einfacher, als man denkt, die Proteinbiosynthese zu verstehen. Du weißt: Alle Informationen bezüglich deines Aussehens (z.B. die Augenfarbe) stehen niedergeschrieben in deiner DNA. Und du weißt: Ich habe diese Augenfarbe. Der Schritt dazwischen - nämlich die Umsetzung der Information auf der DNA in die Realität - ist Aufgabe der Proteinbiosynthese.

Fragen und Antworten zum Thema Proteinbiosynthese:


Was ist das Ziel der Proteinbiosynthese?
Die Umsetzung der Informationen auf deiner DNA zur richtigen Zeit am richtigen Ort. Was Raum und Zeit betrifft meinen wir beispielsweise, dass von der DNA, die in Zellen in deinem Fuß vorkommt, sicherlich keine Informationen zum Thema "Augenfarbe" umgesetzt werden. Auch wird eine Information zum Thema Alkohol-abbauende-Enzyme wohl kaum umgesetzt werden, wenn noch genügend Enzyme davon da sind. :)

Übung:
  • Überlege: Warum ist das so?
Was ist das Produkt der Proteinbiosynthese?
Bei dem Prozess werden eine Menge von Aminosäuren aneinander gereiht, sodass Proteine und Peptide entstehen. Zu den Proteinen gehören unter anderem Enzyme - die Baumeister des Körpers. Durch Enzyme werden sowohl Stoffe im Körper auf als auch abgebaut.

Übertragen auf das Augenfarben-Beispiel bedeutet das: Die Augenfarbe eines Menschen wird durch den Melaningehalt in der Iris bestimmt. Wenig Melanin bedeutet, dass jemand blaue Augen bekommt, viel Melanin bedeutet braune Augen. Melanin entsteht durch die enzymatische Oxidation von Tyrosin - eine Aminosäurekette. Das Enzym, das die Oxidation des Tyrosins hervorruft, muss erst einmal geschaffen werden. Ich denke, du kannst dir vorstellen, wie der Prozess heißt, bei dem das geschieht...

Wo findet das ganze statt?
Da die Proteinbiosynthese nicht nur aus einem Schritt besteht, kann man sich denken, dass es auch mehr als einen Ort gibt, an dem sie stattfindet. Die Transkription findet im Zellkern direkt an der DNA statt, die Translation wird an einem Ribosom irgendwo innerhalb der Zelle vorgenommen und das "Aminosäure-Produkt" findet seine Bestimmung in vielen Fällen auch außerhalb der Zelle.

Wie läuft die Proteinbiosynthese ab?


Grundsätzlich gibt es zwei Hauptschritte. Diese sind auch die, die du für die Schule können musst: Die Transkription und die Translation. Nach diesen beiden Schritten musst das fertige Protein noch transportiert werden, das jedoch werden wir in diesem Artikel nicht erklären.

Übungen:
  • Versuche zu übersetzen: Was könnte Transkription und Translation heißen?
  • Wie stellst du dir die beiden Vorgänge vor?

Die Transkription:


Die Transkription ist der Prozess, in dem ein Gen von der DNA in mRNA abgeschrieben wird. mRNA heißt übersetzt messenger ribonucleic acid, also Boten-Ribonukleinsäure. Ziel der Transskription ist es, die Informationen eines Gens abzulesen und im verarbeitungsfähigem Zustand zu einem Ribosom außerhalb des Zellkerns zu bringen. Folgende sind dabei die Schritte:
  1. Ein RNA-Polymerase-Proteinkomplex setzt sich auf den Promotor der DNA an dem abzulesendem Gen. Der Promotor ist eine Basensequenz (z.B. AGGCTTAG), die sagt "Hier fängt das Gen an" und gleichzeitig das passende "Schlüsselloch" für den "Schlüssel" des RNA-Ribonuklein-Komplexes bildet. Der Komplex kann also nirgendwo sonst ansetzen als am Promotor. Aus diesem Grund wird auch kein Primer benötigt.
  2. Die RNA-Polymerase entspiralisiert die DNA nun für ein kurzes Stück, sodass mindestens 10 Basen zur Trasskription freiliegen. Dieser Schritt ist der Initiation der Replikation der DNA ähnlich.
  3. Die RNA-Polymerase läuft nun an den Basen entlang und komplementäre Nukleotide setzen sich am codogenen Strang auf die freien Basen, sodass die mRNA ensteht. Die RNA-Polymerase verbindet die komplementären Basen miteinander.
    Merke: Hier wird nur in 3'-5' Richtung abgelesen, also nur der Folgestrang. Hier paart sich nicht wie sonst üblich Adenin und Thymin. In der RNA wird Thymin nämlich mit Uracil ersetzt. (Außerdem kommt als Stabilisator nicht Desoxirobose vor, sondern Ribose).
  4. Die RNA-Polymerase läuft weiter bis zum Terminator. Der Terminator ist ebenfalls eine Basensequenz, die die Polymerase wissen lässt: "Das Gen ist hier zu Ende. Du kannst jetzt loslassen."
  5. Die neu gebildete mRNA wird nun "entlassen" .
  6. (Nur bei Eukarioten!) Die mRNA ist noch nicht ganz fertig. Sie muss erst noch "reifen". Das geschieht durch das Splicing. Hier werden unnütze Basenstücke herausgeschnitten, die die Translation erschweren oder gar verhindern würden.
  7. Die mRNA wandert nun aus dem Zellkern heraus.

Die Translation:


Ziel der Translation ist es, die Informationen der mRNA in ein real existierendes Protein oder Peptid umzusetzen. Die Baustoffe dafür sind Aminosäuren und der Ort der Translation ist das Ribosom innerhalb der Zelle.

Ein paar Gedanken zuvor: Es gibt insgesamt 20 Aminosäuren, die als Baustoffe dienen - die so genannten proteinogenen Aminosäuren - jedoch nur 4 Basen auf der mRNA. Das bedeutet, das die Übersetzung von einer Base = eine Aminosäure nicht stimmen kann (man hätte dann ja nur 4 Aminosäuren zur Auswahl). Würden je 2 Basen eine Aminosäure "bedeuten", wäre das ähnlich fruchtlos - denn 4 hoch 2=16 und nicht 20, also immer noch 4 Basen zu wenig. 4 hoch 3 hingegen ergibt 64. Das erscheint zunächst zuviel, aber eine Doppelbelegung von Informationen ist einfach zu realisieren als das Fehlen einer Übersetzung für eine Aminosäure.

Aus diesem Grund wird die mRNA immer in Dreierschritten abgelesen, den so genannten Tripletts (oder Codons). Drei Basen - also ein Triplett oder Codon - ergeben also den Code für je eine Aminosäure.

Das Kernelement der Translation ist die so genannte tRNA (das "t" steht hier für transfer - Übertragung). Die tRNA ist ein sehr kurzes Stück RNA, welche an der einen Seite bloß drei Basen hat (also ein Codon) und an der anderen eine Aminosäure.



Die Translation läuft folgenderweise ab:
  1. Innerhalb des Ribosoms werden verschiedene tRNAs mit der passenden Stelle der mRNA zusammengeführt. Auf drei Basen der mRNA passt immer nur je eine tRNA mit ihren entsprechenden drei komplementären Basen. Das Startcodon ist die Basen-Sequenz A-U-G, das von der Start-tRNA besetzt wird. Neben ihr landet nun die nächste tRNA und so weiter.
  2. Die Aminosäuren, die am oberen Ende der tRNA hängen, werden durch eine Peptidbindung miteinander verknüpft. So entsteht die Aminosäurekette.
  3. Die tRNAs verlassen ohne ihre Aminosäure das Ribosom.
  4. Das Ribosom wandert immer um ein Triplett weiter, bis es auf das Stopp-Codon (U-G-A) trifft.
  5. Die Aminosäurekette löst sich von dem Ribosom ab und faltet sich zu einer komplexen Strukur, sodass ein Peptid oder Protein entsteht.
Hier ist noch ein wunderbares Video in Englisch, das den Ablauf der Transkription und Translation der Proteinbiosynthese zeigt:


Übung:

  • Schau dir das Bild oben noch einmal genau an. Welcher Vorgang wird gezeigt? Zeichne es ab und beschrifte es!

Lotka-Volterra Regeln

Wie schon öfter in der Geschichte hatten hier zwei große Männer den gleichen Gedanken. In diesem Fall handelt es sich auf der einen Seite um den österreichisch-amerikanischen Mathematiker Alfred Lotka und den italienischen Physiker Vito Volterra. Sie beide hatten die Vermutung, dass die Räuber-Beute-Beziehungen in der freien Natur bestimmten mathematischen Regeln unterliegen, die sich mathematisch beschreiben lassen.

Es geht also um die so genannte Populationsdynamik. Populationsdynamiken beschreiben die räumliche oder mengenmäßige Veränderungen von Populationen über eine meist längere Zeit. Populationen sind mehrere Individuen einer Art, die zur selben Zeit am gleichen Ort leben und sich dort miteinander fortpflanzen können.

Die Lotka-Volterra Regeln umfassen drei Regeln und beziehen sich ausschließlich auf die interspeziefische Konkurrenz (Konkurrenz zwischen verschiedenen Arten) - speziell auf Räuber-Beute Beziehungen (z.B. Katze - Maus). Dabei werden alle anderen Umstände, denen die Arten unterworfen sind (biotische und abiotische Faktoren wie Krankheiten, Temperaturen, ...) als konstant (gleich bleibend) oder zu vernachlässigen betrachtet. Die Lotka-Volterra-Regel wird in den meisten Fällen auf Beobachtungen angewendet, die mindestens 30 Jahre umfassen - also mehrere Generationen von Räuber und Beute zulassen.

Übung:

  • Schau dir den Graphen an und liste auf, was dir auffällt. Sammle dabei mindestens drei Aussagen!




Die erste Lotka-Volterra Regel:


Die erste Regel von Lotka und Volterra beschreibt die periodische Populationsschwankung von Räuber- und Beutepopulation. Sowohl Räuber- als auch Beutepopulation sind nicht gleichbleibend oder linear steigend sondern schwanken in in ihren Beständen, wie man es auch auf dem Graphen oben sieht. Die Räuberpopulation folgt in ihren Schwankungen immer der Beutepopulation. Daher liegen die Maxima (Höhepunkte) und Minima (Tiefpunkte) der Räuberpopulation immer zeitlich hinter denen der Beutepopulation.

Begründen kann man das mit der direkten Abhängigkeit der Räuberpopulation von der Beutepopulation.

Stell dir vor, du hast eine friedliche Kaninchenpopulation in einem ruhigen Tal. Der einzige Fressfeind der Kaninchen sind die Füchse. Die Kaninchenpopulation hat ein gesundes Wachstum, daher haben auch die Füchse immer genug Futter, sodass auch deren Bestand anwächst.

Eines Tages ist jedoch der Punkt erreicht, an dem mehr Kaninchen von den Füchsen gefressen werden, als neu geboren werden. Aus diesem Grund sinkt die Kaninchenpopulation auf einen Tiefpunkt. Die Füchse sind nun zu viele, um sich von den immer seltener werdenden Kaninchen zu ernähren. Daher wird auch die Fuchspopulation geringer.

Da wieder weniger Füchse im Land sind, haben die Kaninchen weniger "Feinddruck" auf sich, werden also weniger häufig gefressen und können sich somit wieder vermehren. Die Füchse finden von da an wieder mehr Futter und können sich somit auch wieder stärker vermehren.

Das ganze läuft dann immer weiter in solcher oder ähnlicher Weise.


Zweite Lotka-Volterra Regel:


Die zweite Regel beschreibt die Konstanz der Mittelwerte. Das bedeutet, dass die durchschnittliche Größe der Räuber- und Beutepopulation über einen längeren Zeitraum betrachtet konstant (gleichbleibend) sind. Zieht man also einen Mittelwert in den oben gezeigten Graphen, sieht man, dass die Populationen immer ungefähr gleich groß sind.

Die Individuen-Zahl der Beutepopulation (also beispielsweise der Kaninchen) ist dabei immer höher als die der Räuberpopulation (beispielsweise der Füchse).

Warum ist klar: Damit ein Fuchs leben kann, braucht dieser mindestens alle zwei Tage ein Kaninchen.


Dritte Lotka-Volterra Regel:


Diese Regel beschreibt, was passiert, was passiert, wenn die Mittelwerte gestört werden, also die Störung der Mittelwerte.

Wenn etwas passiert, was beide Populationen negativ betrifft, ist es so, dass die Räuberpopulation immer deutlich länger braucht, um den früheren Mittelwert der Population zu erreichen als die Beutepopulation.

Nehmen wir an, dass beispielsweise jemand Kaninchengift verteilt, das jedoch für keine andere Art gefährlich ist, sodass beinahe alle Kaninchen daran sterben. Der Fuchs findet nun plötzlich gar kein Futter mehr. Daher sterben auch beinahe alle Füchse.

Die wenigen Kaninchen, die nicht gestorben sind, sind nun befreit von jedwedem Feinddruck und können sich munter fortpflanzen. Da eine Kaninchenmutter mehrere Male pro Jahr werfen kann, ist die Population der Kaninchen wieder recht schnell auf dem alten Mittelwert. Füchse hingegen brauchen deutlich länger, um auf den gleichen Stand zurück zu kommen - wirft eine Füchsin doch deutlich seltener und zudem auch weniger Junge als ein Kaninchen.

Die Replikation der DNA

Vielen Schülern fällt es zunächst schwer, sich die Replikation (Vervielfältigung) der DNA vorzustellen - erscheint doch das Thema so abstrakt und nah am Göttlichen, dass es schon absurd ist, so etwas in der Schule zu lernen. Die Replikation des Erbguts ist gleichzeitig eine hoch interessante Sache, die wir dir als Schüler nicht nur den Noten wegen nahe legen möchten, zu lernen.

Zunächst musst du wissen, dass die DNA semikonservativ repliziert (vervielfältigt) wird. Das bedeutet, dass nach jeder Replikation zwei komplette DNA-Sätze vorhanden sind, die sich zu 100% gleichen (wenn kein Fehler bei dem Prozess unterlaufen ist). Der DNA-Faden wird jedoch nicht einfach in der Mitte durchgebrochen wie ein Stock und anschließend repliziert, sondern längs geteilt, wie man ein Seil in 2 Seile aufriffeln kann, wenn man die Einzelstränge des Seiles von einander trennt. Das hat natürlich den Grund, dass man nur auf diese Weise alle Erbinformationen beibehält. Würde die DNA einfach in der Mitte zerbrochen wie eine Salzstange, wären nur die Hälfte der Informationen vorhanden und die andere Hälfte würde im besten Falle zufällig dazu gebaut.

Im nebenstehendem Lego-Modell der DNA kannst du sehen, dass die DNA zum einem aus den rot-gelben Rückratsträngen besteht, sowie aus den grau-schwarzen oder blau-weißen Nukleinbasen. Diese Nukleinbasen sind immer komplementär (gegensätzlich) zueinander. Das bedeutet, dass die graue Base, nennen wir sie Guanin, sich nur mit der schwarzen Base, Cytosin, paaren kann. Umgekehrt kann sich die blaue Base, Thymin, nur mit der weißen Base, Adenin, paaren.  Dadurch ergibt sich, dass ein Strang das Negativ des anderen Stranges ist, sodass beide Stränge die gleichen Infos enthalten - einer jedoch "spiegelverkehrt".

Zwischen den jeweiligen Basen-Paaren (G und C oder A und T) finden sich Wasserstoffbrücken, welche die DNA zusammen halten. Bei der Replikation der DNA brechen diese Wasserstoff-Brücken auseinander, sodass zwei - zu einander komplementäre - DNA Stränge entstehen.

Die Replikation der DNA lässt sich in verschiedene Schritte untergliedern: Initiation, Elongation, eine Interphase sowie die Termination. Sie findet in den meisten Fällen in der S-Phase (Synthese-Phase) der Mitose statt, bevor sich die Zelle teilt.


Schritt 1: Die Initiation der Replikation


Die DNA liegt zunächst in ihrer äußerst stabilen Doppelhelix vor und ist außerdem in sich gewunden. Damit die DNA jedoch vernünftig abgelesen und repliziert werden kann, muss sie "ordentlich" in ihre Einzelstränge geteilt vorliegen.


Daher wird nun die DNA von einem Enzym namens Topoisomerase an einer Stelle aufgeknackt. Die DNA verliert dadurch an dieser Stelle ihre Spannung und kann sich aufzwirbeln oder entwinden. Unmittelbar nachdem die DNA entspannt wurde, wird die Lücke wieder geflickt. Es bleibt eine Replikationsblase, wie sie in dem oben stehenden Bild zu erkennen ist. Dort, wo die DNA-Stränge wieder zusammen kommen, sind die beiden Replikations-Gabeln. Diese Gabeln werden durch SSB-Proteine (Single-Strand-Binding-Protein) auseinander gehalten, damit sich die Wasserstoffbrücken nicht wieder "aus Versehen" wieder an einander binden und die Replikationsblase somit geschlossen wird.

Dabei werden die Wasserstoffbrücken zwischen den Basen Guanin-Cytosin oder Adenin-Thymin durch die Helikase auseinander gebrochen. Die Helikase setzt am so genannten Origin an, dem Replikationsurpsrung. Dies ist ein Ort auf der DNA, der sich durch eine bestimmte Abfolge von Basen auszeichnet.

Nun kann endlich das Priming stattfinden: Der Primer wird durch die Primase (eine RNA-Polymerase) an eine Stelle auf den Einzelsträngen der DNA angebracht. Der Primer selbst ist ein kurzes Stück DNA, das unbedingt nötig ist, damit die Replikation beginnen kann. Der Primer ist Startsignal und Ansatzstelle für die DNA-Polymerase.


Schritt 2: Die Elongation der DNA



Hier findet die eigentliche Replikation der DNA statt. Die DNA-Polymerase (in der Zeichnung oben der gelbe Block) synthetisiert hier aus den zwei Einzelsträngen zwei komplette Sätze von DNA. Das geschieht durch freie Basenpaarung. Wie schon oben festgestellt, kann auf Guanin nur Cytosin passen, auf Cytosin nur Guanin, auf Thymin nur Adenin und auf Adenin nur Thymin. Die einzelnen Basen schwirren frei in der Zelle herum und gelangen mehr oder weniger nach dem Zufallsprinzip auf ihre passende Base auf dem DNA-Strang. Dort verbindet die DNA-Polymerase die beiden Basen miteinander und synthetisiert den neuen (hier roten) Rückratstrang.

Es gibt dabei nur ein Problem: Die DNA-Polymerase kann nur in eine Richtung synthetisieren (nämlich in 5'-3'-Richtung - auf dem Leitstrang). Das bedeutet, dass sie auf einem Strang "ungestört" arbeiten kann, bis der DNA-Strang zuende ist, während sie auf dem anderen Strang nur stückchenweise voran kommt.

Auf dem Bild erkennt man den 5'-3'-Strang als den unteren. Man nennt ihn auch den Leitstrang. Der obere ist der 3'-5'-Strang, Folgestrang genannt, und dort sieht man, dass die DNA-Polymerase immer nur ein kleines Stück der DNA herstellt, bevor sie auf ein Ende stößt und an einer anderen Stelle von vorne anfängt. Diese kleinen Stücke, die da repliziert werden, nennt man Okazaki-Fragmente.

Die Synthese am Leitstrang nennt man "kontinuierliche Synthese" und die am Folgestrang "diskontinuierliche Synthese".

Wenn die Replikation der DNA in der Replikationsblase fertig ist, läuft eine andere DNA-Polymerase noch einmal über die Stränge der DNA und entfernt dort die Primer. Sie füllt außerdem die Lücken zwischen den Okazaki-Fragmenten auf dem Folgestrang mit Nukleotiden auf.

Die DNA-Ligase ist dafür zuständig, eine Verbindung zwischen den Basen und dem Rückratstrang zu bilden.


Schritt 3: Die Termination der DNA-Replikation



Hier wird die DNA schließlich beendet. Dies ist kein besonders komplizierter Prozess, denn die DNA-Synthese wird dann automatisch beendet, wenn entweder die Replikationsgabeln aneinander stoßen, oder die DNA-Polymerase über eine Terminationssequenz läuft, die ihr gebietet, mit der Synthese auf zu hören.


Aufgaben zum Thema DNA-Replikation



  • Suche aus dem Text alle kursiv gedruckten Wörter heraus und erkläre sie noch einmal mit eigenen Worten.
  • Zeichne den Prozess der Replikation in mehreren Schritten und beschrifte diese Zeichnung.
  • Suche bei Wikipedia etc. den Unterschied zwischen der eukaryoten und prokaryoten DNA-Reduplaktion heraus.
Bilder CC 2.0 by mknowles, Ethan Hein

Die Allensche Regel

Die Allensche Regel gehört zu den Ökogeographischen Regel wie auch die Bergmannsche Regel. Die Ökogeographischen Regeln befassen sich mit der Anpassung an den Lebensraum von mit einander verwandten Arten, die an stark verschiedenen Orten leben.

Die Allensche Regel besagt, dass homoiothermen Lebewesen die relative Länge der Körperanhänge im Vergleich zur Körpergröße bei denjenigen Arten kürzer sind, die in kälteren Gebieten leben.

Wie kann man die Allensche Regel verstehen?


Übung:
  • Stell dir vor, du stehst, nur mit T-Shirt und einer kurzen Hose bekleidet, in einem Kühlraum. Du lässt deinen Körper ganz normal und entspannt stehen. Welche Körperteile werden bei dir zuerst kalt werden?
  • Stell dir vor, du streckst deine Arme aus und stehst breitbeinig da. Was denkst du, passiert mit deinem Körper?
  • Nun mache das gedankliche Experiment noch einmal mit verschränkten Armen und geschlossenen Beinen. Was passiert nun?
Sicherlich kannst du dir vorstellen, dass die ersten Körperteile, die bei dir kalt werden, deinen dünnen, langen Finger sind. Auch deine Zehen, Ohren und deine Nase werden die Kälte relativ früh zu spüren bekommen. Die Kälte wandert nun weiter über deine Arme und Beine. Es werden also zuerst alle Körperteile kalt, die von deinem Körper "abstehen".

Streckst du deine Arme aus, geht der Prozess sogar noch schneller von statten, da deine Arme und Beine nicht mehr von der Wärme des Körpers profitieren und kühlen somit schneller aus.

Hältst du deine Arme und Beine jedoch "geschlossen" und nah am Körper, kühlen sie nicht so schnell ab und du frierst weniger schnell.

Bei Tieren, die in kalten Regionen leben, kannst du es dir ähnlich vorstellen: Weit abstehende, lange Körperanhänge wie Beine, Ohren und Schwanz sind für den Körper, der warmgehalten werden muss, ungünstig und ineffizient. Lange und abstehende Köperteile bedeuten, dass sich die Oberfläche des Körpers erhöht und mehr Wärme an die Umwelt abgegeben wird. Im Laufe der Evolution haben daher Arten, die in kalten Gegenden leben, relativ kurze, dicke und nah am Körper liegende Körperanhänge entwickelt.

Es ist jedoch nicht nur ungünstig, wenn Tiere, die in kalten Gegenden leben, lange, dünne, abstehende Köperanhänge haben - Es ist genauso ungünstig für ein Tier, das in extremer Hitze lebt, kurze, dicke und eng anliegende Körperanhänge zu haben.

Übung:
  • Stell dir nun vor, du stehst in der Sauna. Wann schwitzt du schneller - Wenn du deine Arme verschränkst oder weit ausbreitest?
In heißen Gebieten wie der Sahara ist es überlebenswichtig, dass Tiere es schaffen, ihren Körper von der äußeren Hitze (Sonne, Sand) wieder abzukühlen. Abgesehen von "aktiven" Kühlungsmethoden wie Schwitzen, Hecheln und sich mit Wasser oder Speichel abzukühlen, ist es für diese Tiere vorteilhaft, eine große Körperoberfläche im Vergleich zu ihrem Volumen zu haben, da über die größere Körperoberfläche auch ein größerer Teil an Wärme abgestrahlt werden kann. Ein Körperbau mit langen Extremitäten, einem Langen Schwanz, großen Ohren etc. erhöht die Körperoberfläche eines Tieres signifikant und erleichtert ihm die Abkühlung, sodass es weniger schnell an Überhitzung oder gar Hitzetod leidet.

Ein Beispiel für die Allensche Regel:

Der Luchs der Tundra.

Der Wüstenluchs, auch Karakal genannt.

Übungen:
  • Vergleiche die beiden Tiere genau und lege dazu eine Tabelle an.
  • Wie kannst du dir erklären, dass die beiden Tiere so verschieden aussehen? Welche Regeln kannst du auf das Phänomen anwenden?

Bilder CC 2.0 by kdee64,  nickandmel2006

Die Bergmannsche Regel

Die Bergmannsche Regel gehört, genau wie die Allensche Regel und die Glogersche Regel zu den Ökogeographischen Regeln. Diese Ökogeographischen Regeln fassen einige Beobachtungen zusammen, die mit einander verwandten Tierarten gemacht würden, die jedoch in verschiedenen Lebensräumen leben.

Die Bergmannsche Regel besagt so, dass bei homoiothermen (gleichwarmen) Tieren einer Art diejenigen Individuen größer sind, die einen kälteren Lebensraum haben.


Wie kann man die Bergmannsche Regel verstehen?


Das kann man damit begründen, dass es in kälteren Gebieten besser ist, wenn ein Tier so wenig Wärme wie möglich verliert. Denn die Wärme, die es braucht, um sich warm zu halten, benötigt Energie. Und die Energie muss durch die Verwertung von Futter "reingeholt" werden.

Verliert ein Tier also viel Wärme, muss es viel fressen, um den Wärmeverlust auszugleichen. Da es in der freien Natur nicht immer so viel Futter gibt, muss es auch andere Möglichkeiten geben, den Wärmeverlust so klein wie möglich zu halten.

Eine Möglichkeit besteht darin, die Hautoberfläche im Vergleich zur Körpermasse möglichst gering zu halten. Also möglichst wenig "Raum" zu lassen, um Wärme abzustrahlen.

Übungen:
  • Fülle eine Espressotasse und eine große Kaffetasse mit heißem Wasser. Warte 15 Minuten und prüfe circa alle 2 Minuten die Temperatur des Wassers in den beiden Tassen. Was stellst du fest?
  • Überlege: Welche dieser geometrischen Figuren würde am längsten heiß bleiben, wenn man sie mit heißem Wasser füllen würde? - Ein Würfel, ein Zylinder, oder eine Kugel?
Du hast, hoffentlich, gemerkt, dass in der größeren Tasse das Wasser länger warm bleibt. Das liegt daran, dass die größere Tasse zwar insgesamt eine größere Oberfläche hat als die Espressotasse (eine größere Oberfläche bedeutet, das mehr Wärme abgestrahlt, also verloren wird), aber auch ein um ein vielfaches größeres Volumen (Inhalt). Anders gesagt: Du hast in der größeren Tasse auch mehr heißes Wasser und das kühlt weniger schnell aus.

Übung:
  • Stell dir vor du hast 2 Würfel mit heißem Wasser gefüllt. Einer hat eine Kantenlänge von 2 Zentimetern, der andere hat eine Kantenlänge von  4 Zentimetern. Wie sieht das Volumen der beiden Würfeln im Vergleich zu ihrer Oberfläche aus?


    2 Zentimeter Kantenlänge:
    Oberfläche: Die Oberfläche einer Seite ist 2x2 Zentimeter lang, also 4 Quadratzentimeter. Da ein Würfel 6 Seiten hat, ergibt sich eine Oberfläche von insgesamt 24 Quadratzentimetern.
    Volumen: Das Volumen ergibt sich aus der Kantenlänge x3, also 2x3. Das Volumen ist also 6 Kubikzentimeter bei einer Oberfläche von 24 Quadratzentimetern.

    4 Zentimeter Kantenlänge:
    Oberfläche: 4x4 ergibt 16 Quadratzentimeter. Multipliziert mit 6 Erhält man 96 Quadratzentimeter.
    Volumen: 4x4x4 ergibt 64 Kubikzentimeter.

    Die Oberfläche des größeren Würfel ist nur viermal so groß wie die des kleineren. Das Volumen, also der Körperinhalt, ist mehr als zehnmal so hoch. Das bedeutet, das es für ein Tier effizienter ist, in einer kalten Region einen größeren Körper zu haben, der weniger schnell auskühlt.


    Ein Beispiel für die Bergmannsche Regel:


    Der Kaiserpinguin: Er wird bis zu 1,30m groß, wiegt bis zu 50kg und ist als einziger Vogel in der Lage, lange in der Kälte des Südpols zu verweilen.

    Der Galapagos Pinguin wird circa 50cm groß und wiegt zwischen 1,5 und 2,5kg. Er kommt nur auf den Galapagos Inseln vor und ist stark gefährdet.

    Übungen:
    • Fertige eine Tabelle an: Wie unterscheidet sich der Körperbau des Kaiserpinguins von dem des Galapagos Pinguins?
    • Wie kannst du das erklären?
    • Vergleiche das Brutverhalten der Kaiserpinguine mit dem Brutverhalten anderer Pinguine. Was stellst du fest?

    Bilder CC 2.0 by Lin Padgham, Lightmatter

    Die Ökologische Nische

    Im Biologie-Unterricht der 12. Klasse stolpert man früher oder später über den Begriff Ökologische Nische. Viele Schüler sind zunächst verwirrt, wenn sie sich das erste Mal in Bereichen wie diesen versuchen zurecht zu finden - Ist der Bio-Unterricht doch plötzlich so vage und gleicht eher Interpretationen in Deutsch als mathematischen Gleichungen. Unser Tipp an Schüler ist daher: "Lasst euch auf das Thema ein! Ja, es kommt im Abi vor, ja, es erscheint erst vage und kindlich, aber es ein Teilbereich der Biologie, der sehr interessant ist und einige Schlüssel bietet, zu verstehen, wie sich das Leben entwickelt hat.

    Was ist denn eine Ökologische Nische?

    Die ökologische Nische stellt alle biotischen und abiotischen Faktoren dar, die eine Art zum Überleben braucht. Abiotische Faktoren sind alle "nicht-lebendigen" Faktoren, die man sich vorstellen kann, wie das Klima (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Sonneneinstrahlung, ...), der Boden (Ph-Wert, Körnung, Nährstoffgehalt, ...), das Licht (Länge, Wellenlänge und Stärke des Lichts) und Wasser (Ph-Wert, Vorkommen, Tiefe, ...).

    Bestimmte Pflanzen beispielsweise erfordern einen leicht sauren Boden, einen Wuchsort fernab von Hängen und eine Sonneneinstrahlung von mindestens 7 Stunden am Tag. Doch allein durch die Erfüllung der abiotischen Faktoren kann die Pflanze nicht leben. Sie benötigt auch eine Möglichkeit, sich fortzupflanzen und genug freien Platz im Boden, um ihre Wurzeln auszubreiten.

    Dinge wie letztere bezeichnet man als biotische, "lebendige" Faktoren. Zu den biotischen Faktoren gehören mögliche Fressfeinde, Nahrungsangebot, die Möglichkeit zur Fortpflanzung, intraspezifische Konkurrenz (Wettbewerb innerhalb einer Art um Ressourcen), interspezifische Konkurrenz (Wettbewerb zwischen verschiedenen Arten um Ressourcen), Symbiosen und Parasitismus.

    Wie du siehst, ist eine Ökologische Nische nicht nur räumlich zu verstehen, sondern auf alle Rollen bezogen, die eine Art im Ökosystem einnimmt! Die Erforschung der Ökologischen Nischen von Arten dient unter anderem dazu, das wunderbare Zusammenspiel innerhalb eines Ökosystems zu verstehen.

    Innerhalb des Biologie-Unterrichts wirst du dich meistens nur auf ein oder zwei Teilaspekte der Ökologischen Nische einer Art beschränken, beispielsweise die Nahrungsnische, Fortpflanzungsnische, Lebenraumnische, Brutplatznische, Jagdzeitnische und so weiter. Der Grund hierfür ist, dass es selbst für Experten schier unmöglich ist, die komplette Ökologische Nische einer Art zu erfassen.

    • Betrachte den Vogel auf dem Bild. Schau dir den Körperbau genau an und schreibe auf, was dir auffällt.
    • Informiere dich, wenn nötig mithilfe des Internets, über die Nahrungsnische des Kolibris sowie über seine Lebensraum-Nische und schreibe deine Erkenntnisse auf.
    • Siehst du einen möglichen Zusammenhang zwischen dem Körperbau des Kolibris und seiner Nahrungsnische?


    Wie kommt es zu einer Ökologischen Nische (Einnischung)?

    • Stell dir vor, du findest eine vollkommen von Vögeln unbewohnte Insel. Die Insel ist nur ein paar Quadratkilometer groß, üppig begrünt und gut mit Insekten aller Art bestückt. Zufällig hast du ein Paar Grünfinken dabei, die sich von allem möglichen wie Samen, kleinen Käfern, Raupen etc. ernähren. Du lässt die Vögel frei und kehrst nach hause zurück. Nach 50 Jahren kommst du wieder auf die Insel. Was könnte passiert sein?
    • Jetzt stell dir vor, du kommt erst nach 500 Jahren wieder. Was könnte nun passiert sein?
    Ökologische Nischen hängen eng mit Themen der Evolution zusammen, da es, von ein paar Ausnahmen abgesehen, eine lange Zeit in Anspruch nimmt, bis sich eine Art eingenischt hat, also sich vollständig in ihre ökologische Nische eingefunden hat.

    Das Szenario der einsamen Insel ist nicht so fern von der Realität, wie es zunächst scheint. Einst gab es Inseln, die bloß von Insekten und Pflanzen bewohnt waren. Beispielsweise die Galapagos-Inseln. Lange bevor Darwin diese Inseln und die nach ihm benannten Darwin Finken entdeckte, waren einmal ein Paar Finken-Vögel, durch welchen Zufall auch immer, auf das Inselsystem verschlagen worden.

    Diese Vögel fanden auf der Insel genug Nahrung, Brutplätze und hatten außerdem keinerlei Konkurrenz. Die Finken-Population konnte daher immer weiter anwachsen, bis beispielsweise eines Tages alle geeigneten Brutplätze belegt waren und das Futter rar wurde. An dieser Stelle war es den Vögeln nicht mehr möglich, ihre Population weiter zu vergrößern.

    Bis einige Vögel ihr Revier auf andere Teile der Insel (beispielsweise die Berge und der Strand) legten, oder auf andere Nachbarsinseln umzogen. Dort waren natürlich wieder genügend Brutplätze und Futter vorhanden, sodass auch dort die Finkenpopulation weiter gedeihen konnte.

    Andere Lebensräume brachten jedoch auch andere Eigenschaften mit sich, was von dem Tier forderte, auf diese anderen Eigenschaften einzugehen. Wenn es beispielsweise kaum Insekten in einer Berggegend gab, wich ein Fink, der dort lebte, auf Samen aus. Das bedeutete aber auch, dass sein Schnabel, der auch auf den Verzehr von Insekten ausgelegt ist, nun eine überflüssige Funktion hatte. Viel sinnvoller wäre es für den Vogel, wenn er einen Schnabel hätte, der sich gut zum Samen-Fressen eignen würde.

    Bedingt durch zufällige und ziellose Mutationen (oder genetische Variation) kam früher oder später ein Vogel zur Welt, der einen solchen, zum Samenverzehr hervorragend geeigneten Schnabel hatte. Dieser hatte es leichter als alle anderen Finken, die in dieser Gegend lebten, fand mehr Futter und konnte sich leichter fortpflanzen. Hatte also einen einen genetischen Vorteil gegenüber den anderen Finken, was ihn in der natürlichen Auslese bevorzugte. Ein Teil seiner Jungen hatte den gleichen Schnabel wie er, sodass sich bald eine neue, auf Samen spezialisierte, Art Finken bildete. Die Spezialisierung erlaubte den Finken, wieder andere Lebensräume zu erschließen und sich dort auszubreiten. Diesen spezialisierten Finken, war es nun möglich, eine Koexistenz mit den anderen Finken zu führen.

    Diesen Vorgang nennt man auch adaptive Radiation. Genauer bezeichnet man als solche, wenn sich eine, weniger spezialisierte, Art in mehrere, stark spezialisierte, Arten auffächert.

    • Informiere dich genauer über die so genannten Darwin Finken und schaue dir Bilder zu diesem Thema an. Inwieweit passen die einzelnen Schnabelformen zu der Nahrung, die die Finken zu sich nehmen?
    • Befasse dich noch einmal mit Kolibris. Auch hier findest du starke Unterschiede zwischen den einzelnen Kolibri-Arten. Suche dir drei verschiedene Kolibris heraus und schreibe eine Vermutung dazu, wie es dazu kam, dass es verschiedene Arten von Kolibris gibt.


    Wenn die gleiche Ökologische Nische beansprucht wird...

    • Angenommen, du reist in eine neue Welt und hast deine mäusefressende Katzen mit dir. Auf dem neuen Planeten, der der Erde verblüffend ähnlich ist, findest du mäuseähnliche Lebewesen sowie katzenähnliche Tiere, die sich von den Mäusen ernähren. Eines Tages entlaufen dir deine Katzen und leben wild auf diesem fremden Planeten. Auf lange Sicht gesehen - können die zwei Arten nebeneinander existieren?
    • Sammle ein paar Informationen über die Schäden, die normale, europäische Rotfüchse in Australien und Tasmanien anrichten!
    Eines der wichtigsten Gesetze, das die Ökologie zu bieten hat, ist das Konkurrenzausschlussprinzip. Dieses besagt, dass niemals zwei verschiedene Arten exakt die gleiche Ökologische Nische (oder Teilnische) einnehmen kann, da sich stets die lebenstüchtigere Art (die fortpflanzungsfähigere etc.) der anderen gegenüber durchsetzen würde. Die andere Art würde als Folge entweder aussterben oder auf andere andere Ökologische Nische ausweichen.

    Übertragen auf das Beispiel der Rotfüchse in Australien bedeutet das, dass die Füchse dort die gleiche Nahrungsnische einnehmen wie beispielsweise der Tasmanische Teufel. Der Tasmanische Teufel, auch Beutelteufel genannt, wurde daher von ganz Australien verbannt, da der wesentlich ökologisch potentere Fuchs seine Rolle übernahm. Auch auf Tasmanien ist der Beutelteufel heute bedroht, da anscheinend Rotfüchse auf die kleine Insel gelangt sind.

    Dass die gleiche Ökologische Nische eingenommen wird ist also nicht nur intraspezisch (innerhalb einer Art) möglich, sondern auch interspezifisch, also zwischen völlig verschiedenen Arten wie dem Rotfuchs und dem Beutelteufel.

    Das ganze nennt man Konvergenz. Konvergenz bedeutet, dass zwei Arten genau die gleiche Ökologische Nische beanspruchen, aber, laut des Konkurrenzausschlussprinzips, kann dies nur in einander getrennten Lebensräumen passieren, da ansonsten eine der Arten aussterben oder eine andere Nische beanspruchen würde. Konvergenz entwickelt sich also in einander sehr ähnlichen, jedoch voneinander getrennten, Gebieten. Beispielsweise in den Urwäldern von Südamerika und Afrika.





    • Vergleiche die drei verschiedenen Arten auf den drei Bildern ganz genau. Wo siehst du Ähnlichkeiten? Wo Unterschiede? Auf welche Nische zielen diese Bilder ab?
    • Erkläre die Begriffe der Ökologischen Nische, des Konkurrenzausschlussprinzips und der Konvergenz mithilfe der Bilder. Die abgebildeten Tiere sind ein südamerikanischer Kolibri, ein afrikanischer Nektarvogel und ein europäischer Kolibri-Schwärmer.

    Bilder CC 2.0 by Hammer51012, Lip Kee, JoF