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Über Ökosysteme und ihre Tope

Ökosysteme sind sehr komplexe, sehr vielschichtige und damit sehr komplizierte Gebilde. Sie besitzen viele Systemelemente, die miteinander und mit Elementen außerhalb des Systems in Wechselbeziehung stehen.
Ökosysteme werden deshalb von vielen Wissenschaften mit ihren unterschiedlichen Disziplinen, vor allem aber von der Biologie und der Geografie erforscht. Im Interesse des arbeitsteiligen Vorgehens in der Forschung und für den Austausch der Forschungsergebnisse ist ein einheitliches Verständnis der tragenden Begriffe erforderlich.

Wasser – Wärme – Klima

Wasser hat von allen in der Natur vorkommenden Stoffen mit die größte spezifische Wärmekapazität. Diese Tatsache wird in der Technik, z. B. bei Warmwasserheizungen oder der Kühlung von Motoren, bewusst ausgenutzt. Andererseits beeinflussen große Wassermassen, insbesondere große Meere und Ozeane, das Klima vieler Gebiete der Erde.
Besondere Einflüsse auf das Klima besitzen aber auch Meeresströmungen.

Entstehung eines neuen Weltbildes

Seit dem Altertum versuchten die Menschen, die beobachteten Bewegungen am Sternhimmel und auf der Erde zu erklären und die erkannten Regelmäßigkeiten zu einem Weltbild zu vereinen. Die Herausbildung des heutigen heliozentrischen Weltbildes war ein langer, mit Irrtümern, Umwegen und vielen Opfern gepflasterter Weg der menschlichen Erkenntnis. Er begann mit dem geozentrischen Weltbild des PTOLEMÄUS vor mehr als 2000 Jahren und ist untrennbar mit den Namen bedeutender Gelehrter des Mittelalters, wie KOPERNIKUS, KEPLER und GALILEI, verbunden.

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Zeitrechnung und Zeitzonen

Bis in die unmittelbare Vergangenheit dienten astronomische Sachverhalte als Grundlage der Zeitmessung und Zeitrechnung. Der „Sonnentag“ mit seinen Unterteilungen (Stunden, Minuten, Sekunden) sowie der Mondumlauf um die Erde („Monat“) basieren auf solchen Grundlagen. Auch die Tageszeit, genauer die tatsächliche Ortszeit, hängt vom Sonnenstand ab und ist deshalb höchst unterschiedlich. In Deutschland beträgt beispielsweise der Zeitunterschied von den östlichsten zu den westlichsten Orten immerhin über eine halbe Stunde Ortszeit. Vereinbarte Zeitzonen gewährleisten aber trotz gewisser Abweichungen vom tatsächlichen Sonnenstand und folglich von der tatsächlichen Zeit ein funktionierendes gesellschaftliches Leben.

Artenvielfalt

Als Artenvielfalt wird die Anzahl der in einem Lebensraum vorhandenen Arten bezeichnet. Verändern sich in einem Lebensraum die ökologischen Bedingungen, so kann sich die Artenvielfalt verändern. Früher wurde der Begriff „Artenvielfalt“ mit biologischer Diversität gleichgesetzt. Heute wird Biodiversität in umfassenderem Sinne verstanden. Dabei werden die drei verschiedenen Ebenen der genetischen Vielfalt, der Artenvielfalt und der Ökosystemvielfalt unterschieden.

Die Entwicklung der Artenvielfalt ist im Lichte der Evolutionstheorie zu verstehen. Im Laufe der Erdgeschichte haben sich die Arten bei zunehmend effizienterer Ressourcenausnutzung und Nischenausfüllung immer stärker diversifiziert.

Einige wenige Länder der Erde beherbergen überproportional viele Arten. In diesem Zusammenhang wurde der Begriff Hotspots für besonders artenreiche tropische Gebiete eingeführt. Alle globalen Artenmaxima liegen in den feuchten Tropen und Subtropen, und zwar in Regionen, die eine sehr hohe Geodiversität (Klima, Böden, Topografie) aufweisen. Mit Geodiversität ist die Vielfalt an abiotischen Geofaktoren gemeint. Daraus folgt: Vielfalt und Gunst bzw. Ungunst abiotischer Verhältnisse stehen in enger Wechselwirkung zur Artenvielfalt.
Gegenwärtig erleidet die Artenvielfalt drastische Verluste. Die wesentliche Ursache für das Artensterben ist der Mensch.

Funktionen des Bodens

Die Funktionen des Bodens umfassen die Wasserregulierung und die Grundwasserneubildung sowie die Wasserfilterung und die Schadstoffpufferung. Daneben sichert der Boden die Wasser-, Wärme- und Nährstoffversorgung von Pflanzen und ermöglicht so erst die Biomasseproduktion. Durch den Ab- und Umbau von organischen Stoffen durch Bodenorganismen wird im Boden auch das Leben von Bodenorganismen gewährleistet. Diese Funktionen machen den Boden zu einer der wichtigsten Ressourcen für die menschliche Existenz. Der Boden bedarf deshalb auch des sorgsamen Umgangs und des besonderen Schutzes.

Bestimmung des Humusgehaltes des Bodens

Humus ist ein wesentlicher organischer Bestandteil des Bodens. Als Humus wird alle organische Substanz des Bodens unabhängig von ihrem Zersetzungsgrad bezeichnet. Da Humus für die Bodenfruchtbarkeit von besonderer Bedeutung ist, sollte der Humusgehalt des Bodens bekannt sein und genau bestimmt werden. Die relativ einfache Bestimmung nach der Braunfärbung oder mittels Glühverfahren bringt aber nicht die notwendige Genauigkeit. Deshalb wird mit einem relativ aufwendigen Verfahren der genaue Gehalt des Bodens an organisch gebundenem Kohlenstoff und Kalk ermittelt.

Ausgewählte Bodentypen Thüringens

Größere Regionen können nach den jeweils vorherrschenden Bodentypen in Bodenlandschaften oder Bodenregionen eingeteilt werden. Das trifft auch auf das Bundesland Thüringen zu. Auf den unterschiedlichen Oberflächenformen bzw. Großlandschaften des Landes mit ihren besonderen klimatischen Bedingungen, den Gesteinen des Untergrunds oder dem unterschiedlichen Wasserangebot haben sich fünf Bodenlandschaften entwickelt, die durch dominierende Bodentypen bestimmt sind.

Versalzung des Bodens

Die Bewässerung ist in den Trockengebieten der Erde eine der wichtigsten Methoden zur Ertragssteigerung in der Landwirtschaft. Zugleich ist sie eine der Hauptursachen für die Versalzung von Böden und die nachlassende Bodenfruchtbarkeit in Regionen mit künstlicher Bewässerung. Die Versalzung der Böden in Bewässerungsgebieten kann jedoch verhindert werden, wenn die Bewässerungssysteme mit zweckmäßigen Anlagen zur Entwässerung ergänzt werden.

Gleichgewichtssinn

Der Gleichgewichtssinn (auch statischer Sinn oder Schweresinn) ist ein mechanischer Sinn zur Wahrnehmung der Lage des Körpers bzw. einzelner Körperteile im Raum. Dabei dient die Konstanz der Schwerkraft (immer zum Erdmittelpunkt gerichtet) als Richtgröße. Gleichgewichtsorgane sind bei den meisten Tieren und Menschen vorhanden. Sie gehören zu den Sinnesorganen.

Die Corioliskraft – Ursache der Passate und Westwinde

Wäre die Erde eine unbewegte Kugel, würden sich die globalen Windsysteme vom Äquator zu den Polen hin ausrichten: Die Sonneneinstrahlung ist am Äquator am höchsten. Die am Äquator auftretenden Strahlungsgewinne führen zur Erwärmung der Luft und lassen sie aufsteigen. Über dem äquatorialen Tiefdruckgebiet würde die Luft dann nord- und südwärts zu den Polen hin abströmen.

An den Polen steht die Sonne ganzjährig niedrig. An den durch die Strahlungsverluste kühlen Polen würde die Luft folglich wieder absinken und von den polaren Hochdruckgebieten zum Äquator zurückströmen. Durch die Erdrotation kann es aber einen solchen geschlossenen Kreislauf der Luftmassen zwischen Äquator und Polen, die sogenannte Headley-Zelle, nicht geben. Die Zelle bzw. der Kreislauf existiert lediglich im Raum zwischen dem Äquator und etwa 30° nördlicher und südlicher Breite und wird als Passatzirkulation bezeichnet.

Die Headley-Zelle ist allerdings nicht nur in ihrer Breitenausdehnung begrenzt. Durch die Erdrotation tritt zusätzlich eine scheinbare Kraft auf, die die auf der Nordhalbkugel vom Äquator weg wehenden Winde nach Osten und die zum Äquator hin wehenden Winde nach Westen ablenkt. Auf der Südhalbkugel sind die Verhältnisse entsprechend umgekehrt. Diese ablenkende Kraft heißt Corioliskraft.

Elektroenergiegewinnung aus dem Meer

Die Weltmeere sind ein gewaltiger Speicher erneuerbarer Energien. Bei der Nutzung der thermischen und kinetischen Energie der Ozeane steht der Mensch jedoch noch am Anfang. Bislang arbeiten nur wenige Gezeiten- und Wellenkraftwerke erfolgreich. Auch bei der Entwicklung von Temperaturgefällekraftwerken, die gleichzeitig zur Meerwasserentsalzung genutzt werden können, muss noch viel Pionierarbeit geleistet werden.

Zwillingsforschung

Betrachtet man zwei oder mehrere Menschen, so stellt man fest, dass kein Mensch dem anderen gleicht, dass sie sich in vielen Merkmalen unterscheiden, z. B. in der Haut- und Haarfarbe, in der Augenfarbe, in der Fähigkeit, bestimmte Stoffe abzubauen.
Wichtige Methoden zur Erforschung dieser Unterschiede sind in der Humangenetik die Familien- und die Zwillingsforschung.

Zygote

Die Erhaltung der Artmerkmale und der individuellen Merkmale eines Organismus ist nur im Zusammenhang mit seiner Fortpflanzung möglich. Bei der geschlechtlichen Fortpflanzung werden genetische Informationen auf Zellen übertragen, aus denen sich ein Lebewesen entwickeln kann. Es vereinen sich die Geschlechtszellen zur befruchteten Eizelle (Zygote), aus der sich dann ein neues arttypisches Lebewesen entwickelt.

Angepasstheit

Angepasstheit ist die spezielle Ausprägung bestimmter Merkmale und Verhaltensweisen eines Organismus aufgrund der gegebenen Umweltbedingungen.

Auslesefaktoren

Die stammesgeschichtliche Entwicklung der Organismen erfolgte im Verlaufe der Erdgeschichte in ständiger Wechselwirkung mit der Umwelt. Als Ursache für diesen Prozess wurde das Zusammenwirken von Evolutionsfaktoren in den Populationen erkannt. Die wesentlichen Faktoren der Evolution sind Mutation, Neukombination, Isolation und Auslese (Selektion).
Die natürliche Auslese (Selektion) ist ein richtunggebender Evolutionsfaktor, da von Generation zu Generation immer neu die optimal angepassten Individuen einer Population an vorherrschende Umweltbedingungen erhalten bleiben und bei der Fortpflanzung ihren Genbestand an die Nachkommen weitergeben. Verschiedene Selektionsfaktoren unterstützen die natürliche Auslese.

Georges de Cuvier

* 23. August 1769 in Montbéliard (Frankreich)
† 13. Mai 1832 in Paris

GEORGES DE CUVIER war Zoologe, dessen Hauptarbeitsgebiet die Vergleichende Anatomie (Wissenschaft vom Bau der Lebewesen) war. Sein „Gesetz von der Korrelation der Organe“ besagt, dass alle Teile eines Organismus in ihrer Form und in ihrer Funktion in einer Wechselbeziehung zueinander stehen. Demnach ist es möglich, von einem Organ auf den Bau und die Lebensweise des gesamten Tieres zu schließen.

CUVIER sah sämtliche Teile eines Organismus in einem ausbalancierten Gleichgewicht. Die Änderung eines Teiles würde zur Folge haben, dass das betreffende Tier nicht überleben könnte. Entsprechend war CUVIER ein entschiedener Gegner des Evolutionsgedankens. Nur Meerestieren gestand er in einem gewissen Umfang Änderungen zu.
CUVIER selbst war Anhänger der „Katastrophentheorie“ und glaubte an unregelmäßig hereinbrechende Naturkatastrophen, die das Leben ganzer Regionen auslöschen. Er stellte sich eine Neubesiedlung der verwüsteten Gegenden durch zuwandernde Tiere vor.

Charles Robert Darwin

* 12.02.1809 in The Mount bei Shrewsbury
† 19.04.1882 in Down House (gehört heute zu London-Bromley)

DARWIN gilt als der Begründer der modernen Evolutionslehre. Aufgrund eigener Beobachtungen waren ihm Zweifel an der Unveränderlichkeit der Arten gekommen. Sein Untersuchungsansatz bestand nicht darin zu beweisen, dass Arten sich ändern, sondern wie dies geschieht. Er ging von Kulturpflanzen und Haustieren aus. Es war allgemein bekannt, dass Zuchtformen wie die Pfauentaube, die Perückentaube oder der Kröpfer auf eine Grundform, die Wilde Felsentaube, zurückgehen. Sie sind das Ergebnis einer wiederholten (zielgerichteten) Auslese durch den Züchter über mehrere Taubengenerationen. DARWIN nannte das „künstliche Zuchtwahl“. Er fragte sich, ob es auch in der Natur etwas Vergleichbares, eine „natürliche Zuchtwahl“ oder Selektion, geben könnte. Doch wer oder was übernahm hier die Rolle des Züchters?

DARWIN fand heraus, dass die Umweltbedingungen eine entscheidende Rolle spielen. Es überleben und vermehren sich bevorzugt die Lebewesen, die sich in der Auseinandersetzung mit ihrer Umwelt behaupten. Über Generationen werden dabei zunehmend die Merkmale, deren Vorhandensein sich in dieser Auseinandersetzung als vorteilhaft erweisen, an die Nachkommen weitergegeben. DARWIN fasst das zusammen, indem er im „Kampf ums Dasein“ ein „Überleben der Bestgeeigneten“ sieht.

Er nahm sich 20 Jahre Zeit, um seine Annahmen mit klaren Argumenten zu stützen und daraus eine Abstammungstheorie zu formulieren. Diese veröffentlichte er 1859 in seinem Hauptwerk „Entstehung der Arten durch natürliche Auslese“. Das Buch war am Tag seines Erscheinens ausverkauft, es folgten sechs Auflagen.

Darwins Weltreise

CHARLES DARWIN (1809–1882) war ein britischer Naturforscher und Begründer der modernen Evolutionstheorie.

Er entwickelte die Idee der natürlichen Selektion, die in einem lang dauernden Prozess zu Veränderungen der Lebensformen führt.

Seine Arbeiten beeinflussten die Biologie und die Geologie maßgeblich und haben auch auf geistesgeschichtlichem Gebiet große Wirkung ausgeübt.

DARWIN wurde am 12. Februar 1809 als fünftes Kind einer reichen englischen Familie geboren. Seinem Vater, einem berühmten Arzt, zuliebe studierte er Medizin. 1827 brach DARWIN das Studium jedoch ab, um auf den ausdrücklichen Wunsch seines Vaters hin Theologie zu studieren. Damals machte er die Bekanntschaft mit dem Geologen ADAM SEDGWICK und dem Botanikprofessor JOHN HENSLOW.

Sie förderten sein Interesse an biologischen und geologischen Problemen.

Nach dem Abschluss seines Theologiestudiums (1831) konnte DARWIN als unbezahlter Wissenschaftler an einer fünfjährigen Expedition an Bord des Königlichen Forschungs- und Vermessungsschiffes „BEAGLE“ teilnehmen.

Erdzeitalter

Auf unserer Erde lebt eine Vielzahl von Organismenarten. Diese rezenten Arten machen jedoch nur einen Bruchteil des Artenreichtums aus, den die jetzt ca. 4,6 Milliarden Jahre währende Erdgeschichte hervorgebracht hat. Die ältesten fossilen Hinweise auf Leben geben hefezellenartige Strukturen, die auf ein Alter von 3,8 Milliarden Jahre datiert wurden.

Die allermeisten Arten sind ausgestorben. Einige davon waren in evolutionäre Sackgassen geraten, ihre Baupläne hatten sich unter den sich ändernden Umweltbedingungen als nicht zukunftsfähig erwiesen. Andere Arten sind zwar verschwunden, haben jedoch ein großes evolutionäres Vermächtnis hinterlassen.

Große Entwicklungsschübe gab es stets nach Massenaussterben, die in den allermeisten Fällen auf globale Klimaveränderungen zurückgeführt werden können. Durch das Massenaussterben gingen die jeweils erreichten Entwicklungsstufen selten gänzlich verloren. Aus vergleichsweise wenigen Arten konnten sich in den frei gewordenen Lebensräumen neue, modernere Formen entwickeln. Insgesamt ergab sich auf diese Weise ein Trend unter den Lebewesen hin zu höher organisierten Formen. Altertümliche Organismen blieben in ihrer Art manchmal erhalten, sofern sich auch ihre ökologische Nischen erhalten hatten.

Evolutionsfaktoren

Durch das Zusammenwirken der Faktoren wird die Evolution vorangebracht; hierbei setzt durch die Auslese (Selektion) die Auswahl primär am Phänotyp (Erscheinungsbild) an und gibt der Evolution die Richtung, während die Mutation das Material liefert (neue Gene). Die Gene werden durch die Rekombination zu neuen Varianten kombiniert und führen so über neue Genotypen zu neuen Phänotypen. Die Isolation, d. h. die Trennung der Gruppen in Teilpopulationen, kann ebenfalls zu völlig verschiedenen Entwicklungstendenzen in den Teilgruppen führen, wobei in der Regel neue Arten (Spezies) entstehen können. Man spricht vom Prozess der Artbildung.

Evolutionsforschung

Unter Evolution wird der Prozess der stammesgeschichtlichen Entwicklung der Organismenarten verstanden. Dabei wird davon ausgegangen, dass sich die heutige Vielfalt der Organismenarten in langen Zeiträumen aus wenigen, einfach organisierten Formen entwickelt hat.
In der Evolutionsforschung beschäftigt man sich mit diesen Fragen.

Heron-Verfahren

HERON VON ALEXANDRIA, er lebte etwa Ende des 1. Jh. in Alexandria, entdeckte ein Verfahren zur Berechnung einer Quadratwurzel, indem er dieses Problem geometrisch interpretierte.
Die Berechnung von x = $\sqrt{A}$ entspricht der Aufgabe, die Seitenlänge x eines Quadrates bei bekanntem Flächeninhalt A zu ermitteln.
HERON betrachtete eine Folge von Rechtecken, die alle den Flächeninhalt A haben und deren Seitenlängen sich immer mehr annähern, indem er jeweils das arithmetische Mittel der vorhergehenden Seitenlängen berechnete. Dadurch konnte er x durch schrittweise Annäherung beliebig genau bestimmen.

Evolutionstheorie

Die Evolutionstheorie sucht mit naturwissenschaftlichen Methoden nach Antworten auf die Fragen:

Fand eine Evolution statt?
Welche Ursachen gibt es für eine Evolution?
Welchen Verlauf nahm die Evolution?

Dabei steht die Evolutionstheorie vor der Aufgabe, die Entstehung und die Umbildung von Arten zu erklären. Es wird davon ausgegangen, dass die heute lebenden Organismen aus früheren, primitiven Vorfahren hervorgegangen sind. Für diesen Prozess der stammesgeschichtlichen Entwicklung der Pflanzen, Tiere und Menschen werden sehr lange Zeiträume sowie auch das Wirken von Evolutionsfaktoren angenommen.