Populationsökologie- und wachstum

Obwohl sich die Ökologie eher mit dem Individuum beschäftigt, betrachtet die Populationsökologie das Wachstum und die Interaktionen bzw. Wechselbeziehung von Individuen innerhalb einer Population bzw. von Populationen untereinander.

Populationswachstum

Das Wachstum einer Population lässt sich am einfachsten am Beispiel einer Bakterienkultur zeigen. Bakterien reproduzieren sich ungeschlechtlich durch Zweiteilung.

Bakterien haben ein konstante Verdopplungszeit (z.B. Escherichia coli, optimale Wachstumsbedingungen ergeben eine Teilung nach ca. 20 min). Nach 12 Stunden entspricht dies 36 Generationen, also 2³⁶. 10¹² Bakterien wiegen gerade einmal 1 g! Dieses Wachstumsverhalten wird als exponentielles Wachstum bezeichnet.

Wo liegen die Grenzen dieses Wachstums? Wie werden die Phasen des Wachstums bezeichnet? Was passiert, wenn Geburten- und Sterberate genau gleich stark sind?

Wachstumsgleichung:

Sie haben 1.000 Bakterien. In der ersten Generation entstehen 1.000 weitere (einfache Zweiteilung unter optimalen Bedingungen).

Daraus folgt:

Geburtenrate = 1.000 [Bakterien vorhanden] / 1.000 [Bakterien neu] = 1

Angenommen, nach der Teilung sterben jeweils 100 Bakterien; dann ergibt sich die Sterberate folgendermaßen:

Sterberate = 100 [sterbende Bakterien] / 1.000 [vorhandene Bakterien] = 0,1

Die Gleichung sagt aus, wie viele der Bakterien überleben, nämlich 900 von 1.000 bzw. 0,9 bzw. 90 %. Durch die Sterberate der Bakterien ergibt sich eine Verringerung der Wachstumsrate um 0,1 (10 %).

Soll nun der tatsächliche Zuwachs an Individuen (einzelner Bakterien) in Abhängigkeit von der Zeit ermittelt werden, wird folgende Gleichung angewandt:

dN/dt = r x N

dN: Änderung der Anzahl vorhandener Individuen (Bakterien)

dt: Zeitfenster, in dem gemessen wird; Bsp.: 2 h, 24 h, 3 Wochen ...

r: beschreibt die Wachstumsrate (= Geburtenrate – Sterberate)

Unter der Annahme einer Wachstumsrate von 1 (alle Bakterien überleben) würde das Populationswachstum einer Bakterienkultur aussehen wie folgt:

Dieses Wachstum hängt allerdings stark von der Kapazität K ab. Die Kapazität des Lebensraums beschreibt die Umweltbedingungen, also das Vorhandensein von Nahrung, Platz, Schadstoffen usw.

Für Bakterien im Labor stellt sich die Frage, ob ausreichend frisches Wachstumsmedium und genügend Sauerstoff in der Kultur vorhanden sind.

Der Zuwachs der Bakterien hängt stark davon ab, wie viele Ressourcen noch im Wachstumsmedium verfügbar sind.

Dies ist in der Wachstumsgleichung zu berücksichtigen:

$dN/dt = r * N (K -N/N)$

$dN/dt = r * N - (r * N^2 / K)$

$r * N$ entspricht der exponentiellen Zunahme,

$r*(N^2/K)$ der nicht verwirklichten Zunahme.

Links: Exponentielles Wachstum. Rechts: reales Wachstum.

Wachstum einer Bakterienkultur.

Das Wachstumsverhalten zeigt verschiedene charakteristische Phasen. Über die langsam beginnenden Teilungsprozesse in der lag-Phase, zur optimalen Teilungsrate in der exponentiellen Phase hin zur stationären Phase. Hier ist nicht klar ob die Bakterien sich nicht mehr teilen, oder ob 50% der Population sich teilen (und wachsen) und 50% der Population tot sind.

Die Buchstaben r für Wachstumsrate und K für Kapazität der Umwelt werden auch zur Beschreibung von Fortpflanzungsstrategien eingesetzt.

r- und K-Strategen

• r- Strategie (Wachstumsrate):
  
  • Arten werden als „Ausbreitungstyp“ bezeichnet
  • leben meist auf/in kurzlebigen Lebensräumen, wie z.B. Aas, Pilze....
  • Wirbeltierbeispiele: Hase, Feldmaus, Kaninchen
    
    • Ziel: möglichst viele Nachkommen in kurzer Zeit produzieren

• K-Strategie (Kapazität des Lebensraums):
  
  • „Platzhaltertyp“, wie z.B. Bäume, Tiere mit langer Brutpflege
  • Beispiele: Elefanten, Wale, Primaten, Menschen aber auch Insektenvölker die große Staaten bilden
    
    • Ziel: lange Lebensdauer, gut angepasst an K, gleich bleibende Populationsgröße

Wer r- oder K-Stratege ist, muss immer im Verhältnis von zwei Arten gesehen werden. So ist z.B. die Maus im Verhältnis zum Elefanten ein r-Stratege, im Verhältnis zu Bakterien aber ein K-Stratege.