Wachstum und Kontrolle
Aspekte der Frühjahrs- und Herbstblüte in Gewässern
(Ökosystem See - Potenzkurven - Populationsdynamik)

In nährstoffreichen (eutrophen) Gewässern unserer Breiten kann man häufiger das Phänomen der Frühjahrs- und Herbstblüte beobachten. Innerhalb von wenigen Tagen kommt es in den Gewässern zu einer Massenvermehrung von Algen, die das Wasser sichtbar grün färben. In der Regel nimmt nach einigen Tagen die Konzentration der Algen wieder ab. 

Wie lässt sich dieses Phänomen erklären und welche grundsätzlichen Aspekte von Wachstum und Kontrolle verbergen sich dahinter?

Wir schlagen folgende Bearbeitungsschritte vor:
Frühjahrsblüte - exponentielles Wachstum - Wachstumskontrolle - ressourcengesteuertes Wachstum - Modelldiskussion

 

Phänomen Frühjahrsblüte

 

aus: Schwoerbel, Jürgen: Einführung in die Limnologie. Stuttgart, New York 1980. S. 93 (Abb. 30)

Ein Einstieg in das Phänomen kann mit Hilfe der nebenstehenden Graphik erfolgen. Schülerinnen und Schüler können sie auf der Basis von Grundkenntnissen zum Ökosystem See deuten: Ein reiches  Nährsalzangebot im Frühjahr (Zirkulation) führt in Kombinationen mit steigender Temperatur und zunehmender Tageslänge zur Algenblüte. Sie verschwindet wieder durch den Verbrauch der Nährsalze, die in die unteren Wasserschichten (Stagnation) abgelagert und aus denen sie im Herbst (Zirkulation) wieder hochgespült werden. Noch ausreichende Temperaturen führen zu einer erneuten Algenblüte, die mit weiter fallenden Temperaturen und kürzer werdenden Tagen  wieder verschwindet. (Arbeitsblatt 1)

Phänomen des exponentiellen Wachstums

 


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 Wieso können sich Organismen, in diesem Falle Algen, in kurzer Zeit so rasch vermehren? Diese Fragestellung führt zu einer genaueren Betrachtung des exponentiellen Wachstums, das - je nach Vorkenntnisse der Schülerinnen und Schüler - erarbeitet oder wiederholt wird. In der Regel sind Schülerinnen und Schüler die mathematischen Zusammenhänge nicht (mehr) vertraut. Exponentielles Wachstum wird allgemein mit raschem Wachstum assoziiert, mit "mehr als linear". Für die hier verfolgten Zwecke reicht es aus, wenn folgende Charakteristik des exponentiellen Wachstums geläufig ist bzw. earbeitet wird:: Verdoppelung der Population in identischen Zeitabschnitten. (Arbeitsblatt 2)


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Das Wachstum kontrollierende Faktoren

 

Schülerinnen und Schüler können bei einer qualitativen Betrachtung der das Wachstum kontrollierenden Faktoren auf der Basis von Alltagskenntnissen und Vorkenntnissen aus dem Unterricht eine ganze Reihe von Faktoren benennen, die exponentielles Wachstum begrenzen können: Nahrungsangebot, Nährsalzangebot (hier), Parasiten, Raubfeinde, Temperaturänderungen, Änderungen der Lichtintensität usw. (Arbeitsblatt 2 oder Tafel und Unterrichtsgespäch)

Ressourcengesteuertes Wachstum einer Modellalge

 


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 Schülerinnen und Schüler können das vorliegende Modell genauer untersuchen und selbst Parameter ändern. Das Modell zeigt, dass bei begrenzten Ressourcen, die jeweils recycelt werden, das Wachstum kontrolliert ist und sich ein Fließgleichgewicht einstellt. (Arbeitsblatt 3)

Diskussion der Modellalge 

 

Schülerinnen und Schüler können anhand der Ausgangsproblems "Algenblüte" die Güte des vorliegenden Wachstumsmodells analysieren. Was zeigt es und was zeigt es nicht? Grundsätzlich erklärt das Modell, warum es in abgeschlossenen ökologischen Systemen durch die Begrenzung eines essentiellen Faktors nicht zu einem exponentiellen Wachstum kommen kann. Die Verhältnisse, die die Ausgangsgraphik zeigt, sind aber vielfältiger. Einerseits spielen Faktoren wie Temperatur und Licht und - damit einhergehend - auch das Verhalten des Wasserkörpers im Verlauf der Jahreszeiten eine Rolle. Schülerinnen und Schüler können über Handskizzen das vorhandene Modell erweitern. (Arbeitsblatt 4)

   ©  Philipp Portscheller 18.12.2000