Lehrerinfos zum Kit 7: Lebensformen und ihre Biotope
Über Satellitenbilder ökologische Systeme erkunden;
Phytoplankton

Das Themenset Nr. 7 befasst sich mit Lebensformen und ihren Biotopen.

Anhand der Auswertung der verschiedenen Grafiken und Satellitenaufnahmen bietet das Set folgende Möglichkeiten:

• Auseinandersetzung und Entwicklung des Konzepts „Ökosysteme und Nahrungsketten“;
• Nachvollziehen der Entwicklung von Nahrungsmittelressourcen für Meerestierarten wie Wale;
• Begleiten der Flugrouten von Zugvögeln wie Wildgänse.

Funktionsweise der Ökosysteme

Um die Beziehung zwischen lebenden Arten und ihren Biotopen verstehen zu können, muss zuerst das Konzept „Ökosystem und Nahrungsketten“ verstanden werden.

Ein Ökosystem ist eine komplexe biologische Einheit aus verschiedenen Organismen, die eine Lebensgemeinschaft bilden (Biozönose). Die Wechselbeziehungen sind an den Raum, das Biotop gebunden. Es ist Teilstück der Biosphäre und bildet gegenüber den benachbarten Ökosystemen eine relativ selbständige Einheit.

Innerhalb eines Ökosystems stellen chlorophyllhaltige, autotrophe Pflanzen die Primärproduzenten dar. Für die Photosynthese nutzen sie die Sonnenenergie: nach der Absorption von Kohlendioxid (aus Wasser oder Luft) bilden sie mithilfe des Chlorophylls organische Substanzen (z. B. Kohlenhydrate), die unter Umständen äußerst komplex sein können. Synthetisierte Moleküle können für lange Zeit gespeichert werden (Samen, Holz, Knollen, Wurzeln). Pflanzenfresser (Insekten, Vögel, Säugetiere, …) sind Primärkonsumenten. Sie wandeln die pflanzliche Biomasse in tierische Biomasse um. Wie Fleischfresser, die mithilfe der organischen Moleküle anderer Tiere ihre eigenen organischen Moleküle herstellen, gelten sie als Sekundärproduzenten. Pflanzen-, Fleisch- und Allesfresser sind somit Sekundärproduzenten – sie sind heterotroph.

In einem Ökosystem hängen alle Lebewesen in einem Nahrungsnetz voneinander ab. Innerhalb der Glieder einer Nahrungskette findet ein Energie- und Stoffaustausch statt.

Alle in einem Ökosystem lebenden Arten geben die Substanzen, die sie diesem entnommen haben, stets in mehr oder weniger umgewandelter Form an das Biotop zurück: Photosynthese, Atmung, Abbaustoffwechsel und letztlich der Tod eliminieren ständig zahlreiche mineralische und organische Produkte aus dem Lebenszyklus. Diese können entweder „verloren gehen“, indem sie in die Atmosphäre entweichen oder vom Boden aufgenommen werden, oder in biologische Materie umgewandelt werden, die mehr oder weniger lang gelagert wird (Kohle, Erdöl). Die meisten organischen Ablagerungen werden jedoch von mikroskopisch kleinen Organismen (Bakterien, Pilze) – den Zersetzern – aufgenommen, die die organischen Reste „vereinfachen“, indem sie sie in Mineralstoffe umwandeln und somit erneut für die chlorophyllhaltigen Pflanzen zugänglich machen, die sie für ihre Biosynthese nutzen.

Ein natürlicher Lebensraum beherbergt eine mehr oder weniger große Artenvielfalt, wobei jede Art die von ihrem genetischen Erbe vorgegebene Rolle erfüllt. Chlorophyllhaltige Pflanzen, Pflanzen-, Fleischfresser und Zersetzer sind somit für die lokale (räumliche) und zeitliche (vorübergehende) Aufrechterhaltung eines Gleichgewichts zuständig, das von ihrer Anpassungsfähigkeit abhängt. Einige Arten sind fest verwurzelt und dauerhaft, andere symbiotisch, saprophytisch (sich von faulen Pflanzen ernährend) oder epiphytisch (auf anderen Pflanzen lebend) bzw. fleischfressend, sesshaft oder wandernd. Das Gleichgewicht zwischen Produktion und Verbrauch wird somit durch eine Vielzahl von Verknüpfungen zwischen den Arten garantiert, die sich die Ressourcen eines Biotops teilen (ein besonders interessanter Fall ist das Abernten eines „Produktionsüberschusses“ in den gemäßigten Wäldern und tropischen Savannen durch Zugvögel).

Das Ökosystem, dessen Funktionsweise an räumliche und zeitliche Strukturen gebunden ist, zeichnet sich somit durch einen Material- und Energieaustausch zwischen seinen verschiedenen Bestandteilen aus, die selbst wiederum in verschiedene Nahrungsmittelketten eingebunden sind. Es bringt eine gewisse Menge an lebender Materie – der Biomasse – hervor, die auf unterschiedliche Weise in tote organische Materie umgewandelt wird, welche ihrerseits wiederum ganz oder teilweise mineralisiert und anschließend recycelt wird.

Deckblatt

Aufnahme Deckblatt: Der Ärmelkanal nördlich der Bretagne (Envisat / MERIS)

Auf dieser Aufnahme ist eine Algenblüte (rasche Entwicklung von Phytoplankton) vor der bretonischen Küste zu erkennen, die sich über ca. 400 km erstreckt. Dieses Phänomen tritt häufig im Frühling oder zu Beginn des Sommers auf, wenn die Phytoplanktonkonzentration 300 bis 400 Mal so hoch ist als normal.

Mittelteil

Die verschiedenen Spektralbänder des Instruments MERIS an Bord von Envisat ermöglichen die nähere Untersuchung der Meeresfarbe. Der größte Teil des Sonnenlichts dringt durch die Wasseroberfläche und reagiert mit den Wassermolekülen und der schwebenden Materie. Im Wasser werden die längeren Wellenlängen (rot etc.) absorbiert, kürzere Wellenlängen (blau) jedoch reflektiert, was die im Allgemeinen blaue Färbung der Ozeane erklärt. MERIS ist in der Lage, Chlorophyllkonzentrationen ab 1/10 000 000 Gramm pro Liter zu messen.

Bild Nr. 6: Chlorophyllkonzentration im Ligurischen Meer (Envisat / MERIS – März-April 2004)

Auf Bild Nr. 5 wird die Sicht auf die Algenblüte teilweise durch ein Wolkenband gestört, das sich bis in den Norden Korsikas erstreckt. Diese Wolken verhinderten die Messung bestimmter Daten beim Überflug des Satelliten. Die in diesem Themenset abgebildeten Darstellungen wurden deshalb für eine Hochrechnung der Messungen nachbearbeitet, um den Schülern die zeitliche Entwicklung der Algenblüte zu verdeutlichen.

Bild Nr. 8: Oberflächentemperatur des Meeres (Envisat)

Das Wachstum des Phytoplanktons hängt vom Nährstoffgehalt des Wassers ab (Nitrate, Phosphate, Silikate, …). Diese sind in großen Mengen in den kalten und tiefen Gewässern des Ozeans anzutreffen und steigen mit kalten Meeresströmungen nach oben. Somit ist die Phytoplanktonmenge eng an die Oberflächentemperaturen der Meere gebunden.

Die Ozeane verfügen jedoch auch über andere Nährstoffquellen, insbesondere durch den Zufluss von nährstoffreichem Süßwasser (und Abwässern) aus dem Inland. Man unterscheidet deshalb zwischen einer natürlichen und einer anthropogenen Nährstoffzufuhr.

Bild Nr. 9: Chlorophyllkonzentration (Envisat)

Anhand der Messung der Chlorophyllkonzentration kann die Primärproduktivität, d. h. die von den Pflanzen bei der Photosynthese in Form von organischer Materie aufgenommene Kohlenstoffmenge, berechnet werden. Dem Phytoplankton, das über die Hälfte des von uns eingeatmeten Sauerstoffs produziert, kommt somit eine bedeutende Rolle im Kohlenstoffkreislauf zu.

Die Messung der Chlorophyllkonzentration ermöglicht somit die Ortung von Gebieten mit hoher biologischer Produktion, die Beobachtung der Wechselwirkungen zwischen Meeresströmungen (das mit den Strömungen mitgetriebene Phytoplankton ist ein Marker), die Überwachung der Eutrophierung („Überdüngung“) von Küstengebieten und Schadstoffen etc.

Seite 5 – Der Zug der Wildgänse

Bild Nr. 10: Der Norden Eurasiens (Envisat / MERIS)

Diese Aufnahme zeigt den Norden Eurasiens und die bereits schneebedeckten Alpen. Um Wolkenfelder zu vermeiden, wurde dieses Bild aus mehreren Teilaufnahmen erstellt, die gegen Herbstende 2004 in einem Zeitraum von ca. einem Monat aufgenommen wurden. Die Meere und Ozeane sind in Schwarz dargestellt, da ihre Daten nicht berücksichtigt wurden.

Bild Nr. 13: Die französische Atlantikküste (Envisat / MERIS)

Hier sind die vom Fluss Garonne mitgeführten Sedimente (Schwebstoffe) zu erkennen, die sich in Richtung Nordküste bewegen. Einige Inseln bieten hervorragende Lebensräume für Zugvögel.

Seite 6 – Die Funktionen von Erderkundungssatelliten

Bild Nr. 17: Schematische Darstellung des satellitengestützten Ortungssystems Argos

Argos ist ein globales Ortungs- und Datenerfassungssystem zur Verfolgung der Flugrouten von Zugvögeln, der Kartografierung von Meeresströmungen, dem Management von Fischereiflotten und der Überwachung von Gefahrguttransporten. Die Bewegungen mittels Argos-Peilsender auf Bojen, Schiffen, Tieren oder Plattformen werden weltweit mit einer Präzision von 300 m mitverfolgt. Die entsprechenden Informationen werden von Satelliten auf einer erdnahen Umlaufbahn (850 km) an Bodenstationen übertragen. Zu einem bestimmten Zeitpunkt „sieht“ jeder Satellit alle Peilsender in einem Umkreis von 5 000 km. Im Schnitt haben die Satelliten jeden Peilsender bei ihrem Überflug zehn Minuten im Blick. Je höher die Breiten sind, in denen sich ein Peilsender befindet, desto häufiger wird dieser erfasst, da sich die Satelliten auf einer polar-nahen Umlaufbahn bewegen. Die Ergebnisse werden auf Karten abgebildet, die die Bewegungen des Peilsenders, z. B. einer treibenden Boje, anzeigen.

Des Weiteren überträgt der Sender auch verschiedene andere Daten wie die Meeresoberflächentemperatur (SST – Sea Surface Temperature), die Windgeschwindigkeit oder den Herzschlag eines Tieres.

Unterrichtsideen

Level 1, Jgst. 5 und 6:

- zum Kit
- zum Thema Meere und Algenblüte
- zum Thema Zugvögel
- zum Thema Ortungssysteme

Level 2, Jgst. 7 mit 9:

- zum Kit
- zum Thema Meere und Algenblüte
- zum Thema Zugvögel
- zum Thema Ortungssysteme

Level 3, Jgst. 10 mit 12:

- zum Kit
- zum Thema Meere und Algenblüte
- zum Thema Zugvögel
- zum Thema Ortungssysteme