Ökologische Toleranz und abiotische Faktoren einfach erklärt

Hast du schon einmal eine sonnenliebende Pflanze in eine dunkle Zimmerecke gestellt und zugesehen, wie sie langsam ihre Blätter verliert?

Das ist keine Überraschung, denn jedes Lebewesen hat eine ganz bestimmte „Wohlfühlzone“ für Dinge wie Temperatur, Licht und Wasser. In diesem Artikel schauen wir uns das Thema ökologische Toleranz und abiotische Faktoren genauer an. Wir lernen, wie man diese Wohlfühlzonen grafisch darstellt und warum bestimmte Tiere und Pflanzen genau dort leben, wo sie leben.

Vorwissen

• Abiotische Faktoren: Das sind alle nicht-lebenden Einflüsse der Umwelt auf einen Organismus. Beispiel: Temperatur, Licht, Wasser und die Beschaffenheit des Bodens.
• Fotosynthese: Pflanzen benötigen Lichtenergie und Wasser, um zu wachsen und zu überleben. Beispiel: Ein Baum im tiefen Schatten wächst viel langsamer, weil er weniger Licht für die Fotosynthese zur Verfügung hat.

Aufgabentyp 1: Toleranzkurven und die Wohlfühlzone

Stell dir vor, wir messen, wie aktiv ein Insekt bei verschiedenen Temperaturen ist. Wenn wir diese Daten in ein Diagramm eintragen, erhalten wir eine Toleranzkurve. Diese Kurve zeigt uns genau, welche Bedingungen das Tier zum Überleben braucht.

Die Kurve hat verschiedene wichtige Bereiche:

• Minimum und Maximum: Das sind die absoluten Grenzen. Wird es kälter als das Minimum oder wärmer als das Maximum, stirbt das Lebewesen.
• Toleranzbereich: Das ist die gesamte Spanne zwischen Minimum und Maximum, in der das Überleben möglich ist.
• Optimum: Das ist der höchste Punkt der Kurve. Hier sind die Bedingungen perfekt und das Lebewesen wächst oder vermehrt sich am besten.
• Pejus (lateinisch für „schlechter“): In diesem Bereich links und rechts vom Optimum wird das Leben anstrengender. Das Tier überlebt, aber es geht ihm nicht optimal.
• Pessimum (lateinisch für „am schlechtesten“): Das sind die Randbereiche kurz vor dem Minimum und Maximum. Das Tier kann hier gerade noch überleben, sich aber nicht mehr fortpflanzen.

Der Unterschied zwischen Labor und Natur:

Wenn wir ein Tier im Labor ohne Feinde untersuchen, messen wir seine physiologische Potenz (seine theoretische Leistungsfähigkeit). In der echten Natur gibt es aber interspezifische Konkurrenz (Wettbewerb mit anderen Arten um Nahrung oder Platz). Die tatsächlichen Bedingungen, unter denen eine Art in der Natur existieren kann, nennen wir ökologische Potenz.

Um das Optimum eines Tieres herauszufinden, machen Forscher oft Vorzugsversuche. Dabei können Tiere in einem langen Kasten frei wählen, in welche Temperaturzone sie laufen. Arten, die einen sehr breiten Toleranzbereich für Temperaturen haben, nennt man eurytherm. Arten, die nur kleine Temperaturschwankungen ertragen, nennt man stenotherm.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Wenn du in einer Prüfung eine Toleranzkurve oder einen Vorzugsversuch analysieren sollst, gehe so vor:

1. Schritt 1: Die Achsen prüfen Finde heraus, welcher abiotische Faktor auf der waagerechten Achse (z. B. Temperatur in $^\circ\text{C}$) gemessen wird und was die senkrechte Achse zeigt (z. B. Anzahl der Tiere oder Wachstumsrate).
2. Schritt 2: Das Optimum und die Grenzen ablesen Suche den höchsten Punkt der Kurve (Optimum) und die Punkte, an denen die Kurve die Null-Linie berührt (Minimum und Maximum).
3. Schritt 3: Überlappungen und Konkurrenz prüfen Wenn zwei Kurven von verschiedenen Arten im gleichen Diagramm sind, schaue, wo sie sich überschneiden. In diesem Überlappungsbereich herrscht Konkurrenz.

Durchgerechnete Beispiele

Beispiel 1

Aufgabe

In einem Vorzugsversuch werden Küchenschaben und Heimchen (beides Insekten, die oft in der Nähe von Menschen leben) in eine Röhre gesetzt. Die Röhre ist auf der linken Seite $10 ^\circ\text{C}$ kalt und wird nach rechts hin stufenlos bis auf $45 ^\circ\text{C}$ erwärmt. Nach einer Stunde zeigt sich folgendes Bild: Die meisten Küchenschaben sitzen bei $25 ^\circ\text{C}$. Die meisten Heimchen sitzen bei $30 ^\circ\text{C}$. Zwischen $22 ^\circ\text{C}$ und $32 ^\circ\text{C}$ findet man Tiere beider Arten.

Bestimme das Temperatur-Optimum für beide Arten und erkläre, was im Bereich von $28 ^\circ\text{C}$ passiert.

Lösung Schritt für Schritt

Fortschritt

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   Schritt 1
   Die Achsen prüfen

   Der abiotische Faktor ist die Temperatur in $^\circ\text{C}$. Gemessen wird die Anzahl der Tiere an einem bestimmten Ort in der Röhre.

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   Schritt 2
   Das Optimum und die Grenzen ablesen

   Das Optimum der Küchenschaben liegt bei $25 ^\circ\text{C}$, da sich hier die meisten Tiere versammeln. Das Optimum der Heimchen liegt bei $30 ^\circ\text{C}$.

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   Schritt 3 · Ergebnis
   Überlappungen und Konkurrenz prüfen

   Beide Arten kommen im Bereich zwischen $22 ^\circ\text{C}$ und $32 ^\circ\text{C}$ vor. Bei $28 ^\circ\text{C}$ überschneiden sich ihre Toleranzbereiche.

Ergebnis:

Das Optimum der Küchenschaben ist $25 ^\circ\text{C}$, das der Heimchen $30 ^\circ\text{C}$. Bei $28 ^\circ\text{C}$ leben beide Arten im selben Bereich, was bedeutet, dass hier interspezifische Konkurrenz um Platz und Ressourcen herrscht. Realitätscheck: Da beide Arten sogenannte Kulturfolger sind (sie leben gerne in beheizten menschlichen Gebäuden), macht es biologisch Sinn, dass ihre Optima im warmen Bereich zwischen $25 ^\circ\text{C}$ und $30 ^\circ\text{C}$ liegen.

Aufgabentyp 2: Abiotische Faktoren im Waldökosystem

Wenn wir von einzelnen Tieren zu ganzen Landschaften wechseln, wird das Zusammenspiel der abiotischen Faktoren komplexer. Ein Wald ist nicht einfach nur eine Ansammlung von Bäumen; die Bäume selbst verändern das Klima unter sich. Das nennt man Mikroklima.

Schauen wir uns zwei sehr unterschiedliche Waldtypen an:

• Der Buchenwald: Die Rotbuche hat hohe Standortansprüche. Sie braucht kalkhaltige, feuchte Böden. Buchen bilden ein extrem dichtes Blätterdach. Dieses Dach wirkt wie ein riesiger Sonnenschirm. Das Ergebnis: Am Waldboden kommt nur sehr wenig Licht an (oft nur $10 \%$ des Sonnenlichts). Weil die Sonne den Boden nicht aufheizen kann, ist es dort unten kühler und die Luftfeuchtigkeit bleibt hoch, da das Wasser nicht so schnell verdunstet.
• Der Kiefernwald: Die Kiefer ist ein Überlebenskünstler. Sie wächst auch auf sehr trockenen, nährstoffarmen Sandböden. Kiefern haben nur dünne Nadeln und bilden ein sehr lockeres, offenes Kronendach. Das Ergebnis: Viel Sonnenlicht (oft $75 \%$) fällt bis auf den Waldboden. Dadurch heizt sich der Boden stark auf und das Wasser verdunstet schnell. Das Mikroklima ist hier also viel heller, wärmer und trockener.

Wenn du also die abiotischen Faktoren (Licht, Temperatur, Feuchtigkeit) an einem Ort misst, kannst du oft direkt vorhersagen, welche Baumart dort wächst.

Durchgerechnete Beispiele

Beispiel 1

Aufgabe

Forscher haben an einem Sommertag zur Mittagszeit die abiotischen Faktoren direkt am Erdboden an zwei verschiedenen Standorten im Wald gemessen:

$\begin{array}{l|l|l} \text{Faktor} & \text{Standort A} & \text{Standort B} \\ \hline \text{Lichtintensität} & 10 \% & 75 \% \\ \text{Luftfeuchtigkeit} & 21 \text{ g/m}^3 & 12 \text{ g/m}^3 \\ \text{Bodentemperatur} & 17 ^\circ\text{C} & 28 ^\circ\text{C} \end{array}$

Ordne die beiden Standorte begründet einem Buchenwald oder einem Kiefernwald zu.

Lösung Schritt für Schritt

Fortschritt

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   Schritt 1
   Die Lichtintensität vergleichen

   Standort A hat mit $10 \%$ eine sehr geringe Lichtintensität am Boden. Standort B ist mit $75 \%$ sehr hell.

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   Schritt 2 · Ergebnis
   Feuchtigkeit und Temperatur vergleichen

   An Standort A ist es kühler ($17 ^\circ\text{C}$) und feuchter ($21 \text{ g/m}^3$). An Standort B ist es deutlich wärmer ($28 ^\circ\text{C}$) und trockener ($12 \text{ g/m}^3$).

Ergebnis:

Standort A ist ein Buchenwald, da das dichte Blätterdach fast das gesamte Licht blockiert, was zu einem kühlen und feuchten Mikroklima führt. Standort B ist ein Kiefernwald, da das offene Nadeldach viel Licht durchlässt, wodurch sich der Boden stark aufheizt und austrocknet.

Wichtige Erkenntnisse

• Toleranzkurve: Zeigt, bei welcher Intensität eines Umweltfaktors (z. B. Temperatur) ein Lebewesen existieren kann.
• Optimum: Der perfekte Wert, bei dem es dem Organismus am besten geht.
• Physiologische vs. Ökologische Potenz: Physiologisch ist theoretisch (ohne Konkurrenz im Labor), ökologisch ist die Realität (mit Konkurrenz in der Natur).
• Mikroklima: Das lokale Klima, das durch die Lebewesen selbst (wie das dichte Blätterdach eines Buchenwaldes) verändert wird.