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Populationsdynamik

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Biologie


hana.weheba@studysmarter.de

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13:10 20.01.2022

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Wie du weißt, bezeichnet der Begriff Population alle Individuen einer bestimmten Tier- oder Pflanzenart, die in einem geschlossenen Lebensraum leben. Die Anzahl dieser Individuen kann jedoch von Zeit zu Zeit aufgrund der Umweltfaktoren schwanken. Dies wird als Populationsdynamik bezeichnet. 



Was ist die Populationsdynamik?


Die Populationsdynamik bezeichnet die Veränderung einer Population im zeitlichen Verlauf. Häufig wird dabei nur die Anzahl der Individuen und die Ausbreitung betrachtet.


Wie kannst du dir das jetzt genau vorstellen? Wir nehmen als Beispiel eine Fischpopulation. Damit der Begriff Population passt, betrachten wir nur Individuen unserer Fischart in einem See, also einem abgeschlossenem Gebiet. Beobachtet man jetzt die Fischpopulation über einem bestimmten Zeitraum, stellt man fest, dass die Anzahl der Fische jeden Monat ein wenig schwankt. Das ist ja auch logisch, schließlich werden einige Fische gefressen, andere werden krank und sterben, wieder andere werden neu geboren. So kommt es dazu, dass wir in einem Monat vielleicht etwa 1500 Fische zählen können, im nächsten 1800 und im dritten Monat dann 1400. Somit haben wir eine Analyse der Populationsdynamik dieser Fischpopulation.


Je nachdem, welche Faktoren den Lebensraum der Population beeinflussen, können die Schwankungen höher oder geringer sein. Auch die Zeiträume, in denen die Population betrachtet wird, kann kürzer oder länger sein.



Einflussfaktoren auf die Populationsdynamik


Die Faktoren, die das Wachstum einer Population beeinflussen, können in zwei Gruppen aufgeteilt werden.


Dichteunabhängige Faktoren


Zu den dichteunabhängigen Faktoren gehören insbesondere die abiotischen Faktoren, sie sind unabhängig von der Dichte der Population. Zu diesen Faktoren gehören:


  • Wetter: Das Wetter bestimmt viele wichtige Umwelteinflüsse. Dazu gehört zum Beispiel die Temperatur, die über den Tag hinweg und auch über die Jahre schwankt, oder den Niederschlag, der den Wasserkreislauf schließt und damit eine wichtige Rolle für das gesamte Ökosystem spielt. Weitere Faktoren sind beispielsweise Wind und Sonneneinstrahlung.


  • Boden: Ähnlich wie auch das Wetter ist der Boden für viele Populationen ein essentieller Faktor des Lebensraumes. Dabei kommt es beispielsweise darauf an, wie locker oder dicht der Boden ist, oder welche und wie viele Minerale in ihm stecken.


  • Umweltkatastrophen: Umweltkatastrophen sind anders als das Wetter (zumindest im Normalfall) kaum vorherzusehen, insbesondere für Tier- und Pflanzenpopulationen. So können Katastrophen wie Vulkanausbrüche, extreme Unwetter oder Überschwemmung verheerend für eine Population sein und sie im schlimmsten Fall sogar aussterben lassen.


  • Unspezifische Fressfeinde: Damit sind Fressfeine gemeint, die normalerweise eine andere Beute jagen, als die betroffene Population. Daher wird dieser Punkt zu den dichteunabhängigen Faktoren gezählt, da im Normalfall die Dichte dieser Feind-Population keine Auswirkungen auf unsere betrachtete Population hat.


  • Interspezifische Konkurrenz: Zwei Populationen, die ähnliche Ansprüche an den Ressourcen und der Nahrung eines Gebietes haben, können trotzdem relativ unabhängig voneinander sein, sofern sie verschiedene ökologische Nischen besetzen.


  • Nicht ansteckende Krankheiten: Diese zählen ebenfalls zu den dichteunabhängigen Faktoren, da sie nicht durch die Dichte einer Population ausgebreitet werden können. Stattdessen sind sie einfach nur Zufallsereignisse, die nicht durch eine höhere Dichte wahrscheinlicher werden.


  • Pestizide: Pestizide, wie sie vom Menschen in der Landwirtschaft eingesetzt werden, können ähnlich wie Umweltkatastrophen eine Population extrem verkleinern oder ganz ausrotten. 


Dichteabhängige Faktoren


Bei dichteabhängigen Faktoren handelt es sich meistens um biotische Faktoren, da die Dichte der Population hier eine Rolle spielt. Dazu gehören:


  • Intraspezifische Konkurrenz: Individuen in einer Population kämpfen gegenseitig um Ressourcen wie Platz oder Nahrung.


  • Sozialer Stress: Wenn verschiedene Tiere auf einem Raum zusammenleben, kommt es unweigerlich zu Begegnungen und häufig zu Aggressionen. Ist eine hohe Dichte an Populationen vorhanden, so wird der Stress immer größer und kann nicht nur die Anzahl der Konflikte erhöhen, sondern auch zu psychischen Problemen bei den Tieren selbst führen.


  • Fressfeinde: Die Anzahl der Fressfeinde beeinflusst die Anzahl der Beute und umgekehrt. Ist die Anzahl der Individuen der Beutepopulation höher, so können die Fressfeinde mehr jagen und dementsprechend mehr Junge großziehen. Diese wiederum erhöhen den Druck auf die Beute.


  • Ansteckende Krankheiten und Parasiten: Infektionskrankheiten breiten sich bei einer höheren Dichte einer Population schneller aus und können so eine Epidemie auslösen. Auch Parasiten breiten sich bei vielen Individuen auf engem Raum schneller aus.


Zum Thema Fressfeinde als dichteabhängiger Faktor kannst du dir auch den Artikel zur Räuber-Beute-Beziehung anschauen!



Grundformen von Populationsdynamiken


Ein-Spezies-Modell


Das Ein-Spezies-Modell ist ein relativ simples Modell, welches die Entwicklung einer einzelnen Population vor allem unter dichteabhängigen Faktoren betrachtet und sie (mathematisch) darstellt. Für diesen Artikel schauen wir uns aber nur die Entwicklung einer Modellpopulation an, ohne die mathematischen Hintergründe dabei zu thematisieren.


Abbildung 1: Entwicklung einer Modellpopulation; Quellewikipedia.org

 

Man unterscheidet bei den Wachstumsphasen einer Population vier Abschnitte, wobei Abschnitte II bis IV allgemein zusammengefasst werden können. 


Lag-Phase


Abschnitt I zeigt die Lag-Phase. Während dieser Phase ist die Geburtenrate etwa genauso hoch wie die Sterberate. Die Population beginnt erst damit sich aufzubauen, und muss sich noch kaum mit dichteabhängigen Faktoren herumschlagen. Es gibt keine Konkurrenz, da aufgrund der niedrigen Anzahl von Individuen genug Ressourcen vorhanden sind, und durch die geringe Dichte kann die Population auch nicht so leicht durch Infektionskrankheiten ausgerottet werden. Dafür bleibt auch die Geburtenrate zunächst niedrig, weil sich die wenigen Individuen der Population nur durch Zufälle über den Weg laufen.


Positives Wachstum


Abschnitt II bis IV zeigt die Phase des positiven Wachstums. Dieser Abschnitt kann noch weiter in exponentielles Wachstum (Phase II), lineares Wachstum (Phase III) und verzögertes Wachstum (Phase IV) unterteilt werden. In jedem Fall bleibt die Geburtenrate während dieser Zeit höher als die Sterberate, da für die Population nach wie vor optimale Bedingungen zur Ausbreitung gegeben sind und durch die steigende Dichte mehr Junge geboren werden. Jedoch nehmen mit steigendem Wachstum auch die innerartlichen Konflikte zu, wodurch die Geburtenrate am Ende dieser Phase wieder langsam absinkt. 


Stationäre Phase


Abschnitt V zeigt die stationäre Phase. Die Sterberate ist nun wieder genauso hoch wie die Geburtenrate, da die dichteabhängigen Faktoren bei immer höherer Dichte das Wachstum beeinträchtigen. Die Ressourcen wie Nahrung und Platz werden vollständig ausgeschöpft.


Absterbephase


Abschnitt VI zeigt schließlich die Absterbephase. In dieser ist die Sterberate höher als die Geburtenrate. Dadurch kann es insbesondere bei kleinen Populationen dazu kommen, dass sie ausstirbt. Ändern sich die Umstände, beispielsweise durch verbesserte Umweltveränderungen, kann die Population sich wieder langsam aufbauen.


Multispeziesmodell


Multispeziesmodelle sind komplexere Modelle, die die Populationen verschiedener Spezies gleichzeitig analysieren. Wir beschäftigen uns in diesem Artikel aber nur mit einem Zwei-Spezies-Modell: Den Lotka-Volterra-Regeln.


Eine Interaktion von zwei Spezies, die in einem Räuber-Beute-Verhältnis stehen, kann mithilfe von Lotka-Volterra-Regeln beschrieben werden. Damit die Regeln so angewendet werden können, geht man in dem Modell davon aus, dass die biotischen und abiotischen Umweltfaktoren sich nicht stark verändern oder vernachlässigt werden können.


Erste Lotka-Volterra-Regel - Periodische Populationsschwankung


Abbildung 2: Darstellung der zeitlich versetzten Schwankungen; Quelle wikipedia.org

 

Die Populationen der Beute und der Räuber sind periodischen Schwankungen ausgesetzt, die aber stets zeitversetzt stattfindet. Dabei ist es immer die Beutepopulation, die zuerst ihr Maximum erreicht, bis die Räuberpopulation schließlich folgen kann. Schließlich muss zuerst viel Beute gegeben sein, damit die Räuber genug fressen können und somit ihre nächste Generation aufziehen. Bis die neue Generation aber ausgewachsen ist, vergeht erst eine gewisse Zeit. Wenn dann schließlich viele Räuber weniger Beute jagen, kommt es zu Nahrungsknappheiten, wodurch wieder mehr Räuber sterben. In dieser Zeit kann die Beute sich wieder mehr ausbreiten. So wird dieser Kreislauf immer weiter fortgesetzt.


Zweite Lotka-Volterra-Regel - Konstanz der Mittelwerte



    Abbildung 3: Darstellung der Konstanz der Mittelwerte; Quelle: biologie-schule.de

   

 

Wenn auch die Größe der Population immer wieder schwankt, so bleibt der Mittelwert stets auf der gleichen Höhe. Dabei ist zu beachten, dass der Mittelwert der Beute immer etwas höher ist als der der Räuber, da ein Räuber nicht nur eine Beute jagt, um satt zu werden. Im Durchschnitt gibt es über einen längeren Zeitraum also immer mehr Beute als Räuber.


Dritte Lotka-Volterra-Regel - Störung der Mittelwerte



Abbildung 4: Darstellung der Störung der Mittelwerte; Quelle via biologie-schule.de 

 

Wenn die Population von sowohl Beute und Räuber durch eine unerwartete Veränderung (z.B. eine Naturkatastrophe) stark verringert wird, wird die Beutepopulation sich immer schneller erholen können als die Räuberpopulation. Dies schließt an beide vorherigen Regeln an, da ein Räuber nur dann seine Population erhöhen kann, wenn mehr Beute gegeben ist.



Populationsdynamik - Das Wichtigste auf einem Blick!


  • Die Populationsdynamik bezeichnet die Veränderung einer Population im zeitlichen Verlauf. Häufig wird dabei nur die Anzahl der Individuen und die Ausbreitung betrachtet.
  • Man unterscheidet von dichteunabhängigen und dichteabhängigen Faktoren. Diese beeinflussen das Wachstum einer Population.
  • Dichteunabhängige Faktoren sind meist abiotische Faktoren wie Wetter oder Böden.
  • Dichteabhängige Faktoren sind meist biotische Faktoren wie intraspezifische Konkurrenz oder Fressfeinde.
  • Ein Ein-Spezies-Modell betrachtet nur den Verlauf einer einzelnen Spezies.
  • Eine Modellpopulation durchläuft in der Regel vier Phasen des Wachstums: Die Lag-Phase, die Phase des positiven Wachstums, die stationäre Phase und die Absterbe-Phase.
  • Ein Multispeziesmodell betrachtet mehrere Populationen mehrerer Spezies. Ein bekanntes Modell für die Räuber-Beute-Beziehung wird durch die Lotka-Volterra-Regeln beschrieben.
  • Die Erste-Lotka-Volterra-Regel sagt aus, dass die Größen der Populationen zeitversetzt periodischen Schwankungen ausgesetzt sind. Dabei erreicht die Beutepopulation immer zuerst das Maximum.
  • Die Zweite-Lotka-Volterra-Regel sagt aus, dass der Mittelwert beider Populationen auf lange Zeit gleich bleibt. Der Mittelwert der Beute ist dabei immer höher.
  • Die Dritte-Lotka-Volterra-Regel sagt aus, dass, wenn es zu einer Verminderung beider Populationen kommt, die Beutepopulation sich immer zuerst erholt.





Häufig gestellte Fragen zum Thema Populationsdynamik

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Finales Populationsdynamik Quiz

Frage

Was ist die Defintion der Populationsdynamik?

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Antwort

Die Populationsdynamik bezeichnet die Veränderung einer Population im zeitlichen Verlauf. Häufig wird dabei nur die Anzahl der Individuen und die Ausbreitung betrachtet.

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Frage

Erläutere anhand eines Beispiels, was die Populationsdynamik beschreibt.

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Antwort

  • Man betrachtet eine Fischpopulation in einem See für eine gewisse Zeit
  • Im ersten Monat zählt man 1200 Fische
  • Im zweiten Monat zählt man 1500 Fische
  • Im dritten Monat zählt man 1300 Fische

--> Diese Schwankungen der Anzahl der Individuen in der Population werden als Populationsdynamik bezeichnet

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Frage

Von welchen beiden Faktoren unterscheidet man bei den Einflüssen auf das Wachstum einer Population?

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Antwort

Man unterscheidet von dichtabhängigen und dichtunabhängigen Faktoren.

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Frage

Was sind dichtabhängige Faktoren?

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Antwort

Bei dichteabhängigen Faktoren handelt es sich meistens um biotische Faktoren, da die Dichte der Population hier eine Rolle spielt.

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Frage

Nenne drei dichtabhängige Faktoren.

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Antwort

  • Intraspezifische Konkurrenz
  • Sozialer Stress
  • Fressfeinde
  • Ansteckende Krankheiten
  • Parasiten
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Frage

Nenne fünf dichtunabhängige Faktoren.

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Antwort

  • Wetter
  • Boden
  • Umweltkatastrophen
  • Unspezifische Fressfeinde
  • Interspezifische Konkurrenz
  • Nicht ansteckende Krankheiten
  • Pestizide
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Frage

Was sind dichtunabhängige Faktoren?

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Antwort

Zu den dichteunabhängigen Faktoren gehören insbesondere die abiotischen Faktoren; sie sind unabhängig von der Dichte der Population.

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Frage

Was ist ein Ein-Spezies-Modell?

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Antwort

Das Ein-Spezies-Modell ist ein relativ simples Modell, welches die Entwicklung einer einzelnen Population vor allem unter dichteabhängigen Faktoren betrachtet und sie (mathematisch) darstellt.

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Frage

In welche vier Phasen kann man das Wachstum einer Population einteilen?

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Antwort

In die Phasen Lag-Phase, die Phase des postiven Wachstums, die stationäre Phase und die Absterbe-Phase.

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Frage

Was passiert während der Lag-Phase?

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Antwort

  • Sterberate = Geburtenrate
  • Kleine Population, also: kaum Konkurrenz um Nahrung oder Platz, keine Ausbreitung von Krankheiten
  • Aber: Langsame Fortpflanzung
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Frage

In welche drei Phasen kann man die Phase des positiven Wachstums unterteilen?

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Antwort

Diese Phase kann noch weiter in exponentielles Wachstum (Phase II), lineares Wachstum (Phase III) und verzögertes Wachstum (Phase IV) unterteilt werden.

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Frage

Was passiert während der Phase des positiven Wachstums?

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Antwort

  • Geburtenrate > Sterberate
  • Zunahme von Konflikten um Nahrung und Platz
  • Geburtenrate wird am Ende der Phase wieder niedriger
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Frage

Was passiert während der stationären Phase?

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Antwort

  • Sterberate = Geburtenrate
  • Ressourcen wie Nahrung und Platz werden vollends ausgeschöpft
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Frage

Was passiert während der Absterbe-Phase?

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Antwort

  • Sterberate > Geburtenrate
  • kleine Populationen haben das Risiko vollends auszusterben
  • Ändern sich die Umstände, kann sich die Population wieder aufbauen
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Frage

Was ist ein Multispeziesmodell?

Antwort anzeigen

Antwort

Multispeziesmodelle sind komplexere Modelle, die die Populationen verschiedener Spezies gleichzeitig analysieren.

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Frage

Was sind die Vorraussetzungen, damit die Lotka-Volterra-Regeln angewendet werden können?

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Antwort

Eine Interaktion von zwei Spezies, die in einem Räuber-Beute-Verhältnis stehen, kann mithilfe von Lotka-Volterra-Regeln beschrieben werden. Damit die Regeln so angewendet werden können, geht man in dem Modell davon aus, dass die biotischen und abiotischen Umweltfaktoren sich nicht stark verändern oder vernachlässigt werden können.

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Frage

Nenne die drei Lotka-Volterra-Regeln.

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Antwort

Erste Lotka-Volterra-Regel: periodische Populationsschwankung.

Zweite Lotka-Volterra-Regel: Konstanz der Mittelwerte.

Dritte Lotka-Volterra-Regel: Störung der Mittelwerte.

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Frage

Was besagt die Erste Lotka-Volterra-Regel?

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Antwort

Die Erste-Lotka-Volterra-Regel sagt aus, dass die Größen der Populationen zeitversetzt periodischen Schwankungen ausgesetzt sind. Dabei erreicht die Beutepopulation immer zuerst das Maximum.

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Frage

Was besagt die Zweite Lotka-Volterra-Regel?

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Antwort

Die Zweite-Lotka-Volterra-Regel sagt aus, dass der Mittelwert beider Populationen auf lange Zeit gleich bleibt. Der Mittelwert der Beute ist dabei immer höher.

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Frage

Was besagt die Dritte Lotka-Volterra-Regel?

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Antwort

Die Dritte-Lotka-Volterra-Regel sagt aus, dass, wenn es zu einer Verminderung beider Populationen kommt, die Beutepopulation sich immer zuerst erholt.

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