Der Energiefluss
Ein Weizenfeld in der Kölner Bucht nimmt den ganzen Sommer über Sonnenenergie auf. Wenn du messen könntest, wie viel davon am Ende im Körper eines Mäusebussards steckt, der über dem Feld Wiesel und kleine Vögel jagt (die ihrerseits Mäuse fressen), würdest du staunen: Von 1000 Energieeinheiten, die als Nettoprimärproduktion in den Pflanzen stecken, erreicht den Bussard nur etwa eine. Warum geht auf dem Weg so viel Energie verloren? Das ist der Schlüssel zum Verständnis eines Ökosystems.
Wer ist wer im Ökosystem?
Nach ihrer Rolle im Energiefluss teilt man Lebewesen in drei Gruppen ein. Produzenten (Pflanzen, Algen, Cyanobakterien) bauen mit Lichtenergie aus anorganischen Stoffen organische Stoffe auf (Fotosynthese). Konsumenten ernähren sich von organischen Stoffen anderer Lebewesen. Destruenten (Zersetzer: Pilze, Bakterien, Regenwürmer als Zersetzer im weiteren Sinne) bauen tote organische Substanz ab und setzen daraus anorganische Stoffe frei.
Beispiel aus einem Buchenwald in der Eifel: Buche → Raupe → Kohlmeise → Sperber. Die Buche ist Produzent (autotroph), die Raupe Konsument 1. Ordnung (herbivor), die Kohlmeise Konsument 2. Ordnung (carnivor, hier insektenfressend) und der Sperber Konsument 3. Ordnung (carnivor). Pilze und Bakterien im Laub zersetzen alle Reste und Kadaver.
Nahrungskette und Nahrungsnetz
In der Natur frisst fast kein Tier nur eine einzige Art. Die vielen Nahrungsketten eines Ökosystems sind miteinander verknüpft: Sie bilden ein Nahrungsnetz.
Die Pfeile zeigen die Richtung des Energie- und Stofftransports (von der gefressenen zur fressenden Art).
Definieren Sie den Begriff Trophieebene und erstellen Sie eine Nahrungskette mit vier Gliedern, wie sie für einen mediterranen Steineichenwald typisch ist. Geben Sie…
Definieren Sie den Begriff Trophieebene und erstellen Sie eine Nahrungskette mit vier Gliedern, wie sie für einen mediterranen Steineichenwald typisch ist. Geben Sie dabei an, zu welcher Ebene jedes Glied gehört und welche Ernährungsweise jeder Organismus hat.
Ordnen Sie die folgenden Organismen einer Dehesa (Hudewald) den Produzenten, Konsumenten (unter Angabe ihrer Trophieebene) und Destruenten zu: Steineiche, Kaninchen,…
Ordnen Sie die folgenden Organismen einer Dehesa (Hudewald) den Produzenten, Konsumenten (unter Angabe ihrer Trophieebene) und Destruenten zu: Steineiche, Kaninchen, Fuchs, Geier, Regenwurm und Pilz. Begründen Sie jede Zuordnung.
Unterscheiden Sie eine Nahrungskette von einem Nahrungsnetz und begründen Sie, warum Ökosysteme mit stark verknüpften Nahrungsnetzen das Verschwinden einer Art besser…
Unterscheiden Sie eine Nahrungskette von einem Nahrungsnetz und begründen Sie, warum Ökosysteme mit stark verknüpften Nahrungsnetzen das Verschwinden einer Art besser verkraften als solche mit einfachen, linearen Nahrungsketten.
Produzenten und Primärproduktion
Zwei gleiche Maisfelder erhalten gleich viel Sonnenlicht. Auf dem Feld mit wärmeren Nächten ist am Ende des Sommers rund 15 % weniger Pflanzenmasse vorhanden, weil die Zellen schneller atmen. Wie unterscheidet man, wie viel Energie eine Pflanze insgesamt bindet und wie viel davon als neues Gewebe übrig bleibt?
Die veratmete Energie wird für den Betriebsstoffwechsel der Pflanze genutzt (z. B. Stofftransport, Aufbau von Zellbestandteilen) und schließlich als Wärme abgegeben.
Definieren Sie Bruttoprimärproduktion und Nettoprimärproduktion und erklären Sie, welcher Teil der von den Produzenten gebundenen Energie den Pflanzenfressern…
Definieren Sie Bruttoprimärproduktion und Nettoprimärproduktion und erklären Sie, welcher Teil der von den Produzenten gebundenen Energie den Pflanzenfressern tatsächlich zur Verfügung steht und welcher Teil von den Pflanzen selbst verbraucht wird.
Grasland bindet pro Jahr $12\,000\ \text{kJ/m}^2$ Bruttoprimärproduktion, aber die Pflanzen verbrauchen $60\ \%$ davon in ihrer eigenen Atmung. Berechnen Sie die für den…
Grasland bindet pro Jahr $12\,000\ \text{kJ/m}^2$ Bruttoprimärproduktion, aber die Pflanzen verbrauchen $60\ \%$ davon in ihrer eigenen Atmung. Berechnen Sie die für den Rest des Ökosystems verfügbare Nettoprimärproduktion und erklären Sie, wofür der veratmete Anteil verwendet wird.
Ein Steineichenwald und ein küstenferner Bereich des offenen Meeres haben sehr unterschiedliche Nettoprimärproduktivitäten. Erklären Sie, was die…
Ein Steineichenwald und ein küstenferner Bereich des offenen Meeres haben sehr unterschiedliche Nettoprimärproduktivitäten. Erklären Sie, was die Nettoprimärproduktivität ist, und begründen Sie, welche abiotischen Faktoren sie in diesen beiden Ökosystemen jeweils begrenzen.
Energieübertragung und 10-%-Regel
Wie viel Energie gelangt von einer Trophiestufe zur nächsten? Das beschreibt der ökologische Wirkungsgrad (Effizienz der Energieübertragung).
Warum geht so viel verloren? Ein Teil der Nahrung wird nicht aufgenommen oder nicht verdaut (Kot), ein großer Teil wird in der Zellatmung zur Deckung des Energiebedarfs für Bewegung, Körpertemperatur und Stoffwechsel genutzt und als Wärme abgegeben. Nur der Rest wird in eigene Biomasse eingebaut.
In einer Wiese binden die Produzenten pro Jahr $20\,000\ \text{kcal/m}^2$ und die Pflanzenfresser assimilieren im selben Zeitraum $2\,000\ \text{kcal/m}^2$. Berechnen…
In einer Wiese binden die Produzenten pro Jahr $20\,000\ \text{kcal/m}^2$ und die Pflanzenfresser assimilieren im selben Zeitraum $2\,000\ \text{kcal/m}^2$. Berechnen Sie den ökologischen Wirkungsgrad dieser Übertragung in Prozent.
In einem Ökosystem binden die Produzenten pro Jahr $15\,000\ \text{kJ/m}^2$, die Pflanzenfresser assimilieren im selben Zeitraum $1\,500\ \text{kJ/m}^2$ und die…
In einem Ökosystem binden die Produzenten pro Jahr $15\,000\ \text{kJ/m}^2$, die Pflanzenfresser assimilieren im selben Zeitraum $1\,500\ \text{kJ/m}^2$ und die Fleischfresser $120\ \text{kJ/m}^2$. Berechnen Sie den ökologischen Wirkungsgrad jeder Übertragung und beurteilen Sie, ob sie der allgemeinen Regel entsprechen.
Ein aquatisches Ökosystem weist folgende jährliche Energiemengen pro Ebene auf: Produzenten $50\,000\ \text{kJ}$; Pflanzenfresser $4\,800\ \text{kJ}$; Fleischfresser…
Ein aquatisches Ökosystem weist folgende jährliche Energiemengen pro Ebene auf: Produzenten $50\,000\ \text{kJ}$; Pflanzenfresser $4\,800\ \text{kJ}$; Fleischfresser $450\ \text{kJ}$. Berechnen Sie den Wirkungsgrad jeder Übertragung und beurteilen Sie, ob sie der $10\ \%$-Regel entsprechen.
Von einem Steppenökosystem sind folgende Jahreswerte bekannt: Produzenten $10\,000\ \text{kJ/m}^2$; Pflanzenfresser $1\,200\ \text{kJ/m}^2$; Fleischfresser…
Von einem Steppenökosystem sind folgende Jahreswerte bekannt: Produzenten $10\,000\ \text{kJ/m}^2$; Pflanzenfresser $1\,200\ \text{kJ/m}^2$; Fleischfresser $60\ \text{kJ/m}^2$. Berechnen Sie den Wirkungsgrad jeder Übertragung und begründen Sie, warum die zweite deutlich geringer ist. Berücksichtigen Sie dabei die Verdaulichkeit der Nahrung und den Energieaufwand der Fleischfresser für ihre Aktivität.
Die Energiepyramide
Die Biomasse einer Trophiestufe ist die Trockenmasse aller Lebewesen dieser Stufe (z. B. in $\mathrm{g\cdot m^{-2}}$). Weil die Energie pro Stufe abnimmt, nimmt in den meisten terrestrischen Ökosystemen auch die Biomasse nach oben ab: Es steht weniger Energie zum Aufbau von Körpersubstanz zur Verfügung.
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Biomasse- und Zahlenpyramiden
In der Nordsee misst man in einer Wasserprobe $4\ \mathrm{g\cdot m^{-3}}$ Phytoplankton und $12\ \mathrm{g\cdot m^{-3}}$ Zooplankton, das sich direkt davon ernährt. Wie kann so wenig Produzentenmasse eine dreimal so große Konsumentenmasse tragen?
Unterscheiden Sie die Energiepyramide, die Biomassepyramide und die Zahlenpyramide. Erklären Sie, in welcher Situation die Biomassepyramide umgekehrt erscheinen kann…
Unterscheiden Sie die Energiepyramide, die Biomassepyramide und die Zahlenpyramide. Erklären Sie, in welcher Situation die Biomassepyramide umgekehrt erscheinen kann (nennen Sie ein Beispiel aus dem Meer) und warum die Energiepyramide niemals umgekehrt ist.
In einem Steineichenwald kann eine einzige Eiche Tausende von Raupen ernähren und diese wiederum Dutzende von Meisen. Beschreiben Sie in Worten die sich ergebende…
In einem Steineichenwald kann eine einzige Eiche Tausende von Raupen ernähren und diese wiederum Dutzende von Meisen. Beschreiben Sie in Worten die sich ergebende Zahlenpyramide, erklären Sie, warum sie an ihrer Basis „umgekehrt“ erscheint, und begründen Sie, ob auch die Biomassepyramide desselben Waldes umgekehrt wäre.
Sie können die Aufgabe auf Papier bearbeiten und ein Foto Ihrer Antwort einsenden.
Vergleichen Sie die Biomassepyramide einer Weide mit der eines ozeanischen Phytoplanktongebiets: a) Erklären Sie, warum die Pyramide des Ozeans zu einem bestimmten…
Vergleichen Sie die Biomassepyramide einer Weide mit der eines ozeanischen Phytoplanktongebiets: a) Erklären Sie, warum die Pyramide des Ozeans zu einem bestimmten Zeitpunkt umgekehrt sein kann, die der Weide dagegen nicht; b) begründen Sie, welche Eigenschaft des Phytoplanktons (seine enorme Vermehrungsgeschwindigkeit) dies ermöglicht; c) erklären Sie, warum die Energiepyramide desselben Ozeans dagegen immer normal ist.
Energiefluss und Stoffkreislauf
Die Destruenten schließen den Stoffkreislauf: Sie setzen aus totem Material Mineralstoffe frei, die Pflanzen wieder aufnehmen. Die Energie, die in den organischen Stoffen steckte, setzen sie dabei in Wärme um. Sie geht nicht zurück zu den Produzenten.
Erklären Sie unter Verwendung der Begriffe nutzbare Energie und abgegebene Wärme, warum die Energie das Ökosystem nur in eine Richtung durchläuft (offener Fluss),…
Erklären Sie unter Verwendung der Begriffe nutzbare Energie und abgegebene Wärme, warum die Energie das Ökosystem nur in eine Richtung durchläuft (offener Fluss), während die Materie immer wieder zirkulieren kann (geschlossener Kreislauf).
Nehmen Sie einen ökologischen Wirkungsgrad von $10\ \%$ bei jeder Übertragung an. Berechnen Sie, wie viele Kilogramm Produzenten nötig sind, um $1\ \text{kg}$ Biomasse…
Nehmen Sie einen ökologischen Wirkungsgrad von $10\ \%$ bei jeder Übertragung an. Berechnen Sie, wie viele Kilogramm Produzenten nötig sind, um $1\ \text{kg}$ Biomasse eines Räubers auf der vierten Trophieebene einer Nahrungskette zu erzeugen. Beurteilen Sie, was das Ergebnis für den Schutz großer Raubtiere bedeutet.
Ein Acker bindet pro Jahr $20\,000\ \text{kJ/m}^2$. a) Berechnen Sie unter der Annahme eines Wirkungsgrads von $10\ \%$ pro Übertragung, wie viele $\text{kJ}$ nach einer…
Ein Acker bindet pro Jahr $20\,000\ \text{kJ/m}^2$. a) Berechnen Sie unter der Annahme eines Wirkungsgrads von $10\ \%$ pro Übertragung, wie viele $\text{kJ}$ nach einer Übertragung (vom Acker zum Huhn) in Form von Hühnerfleisch übrig bleiben und welche Fläche nötig ist, um $2\,000\ \text{kJ}$ dieses Fleisches zu erhalten. b) Berechnen Sie die Fläche, die nötig ist, um dieselben $2\,000\ \text{kJ}$ durch direkten Verzehr der Pflanze zu erhalten. c) Beurteilen Sie, was der Vergleich für die Ernährung der Weltbevölkerung bedeutet.
Eingriffe in Nahrungsnetze und Ökosysteme
Weil alle Stufen verknüpft sind, wirkt sich ein Eingriff auf einer Stufe auf andere aus. Fehlen z. B. die Raubfische eines Küstengebiets (Überfischung), vermehren sich ihre Beutefische stärker. Diese fressen mehr Zooplankton oder Pflanzenfresser, deren Beute wiederum zunimmt oder abnimmt. Solche Fernwirkungen über mehrere Stufen heißen trophische Kaskade (Top-down-Effekt).
Auch Stoffe und Energie wandern zwischen Ökosystemen: Seevögel brüten auf Inseln und scheiden dort Guano aus. Sie transportieren so Stoffe und gebundene Energie aus dem Meer (Fischfang) an Land und wirken als Vektoren zwischen beiden Systemen.
Kolonien von Seevögeln häufen auf den Inseln, auf denen sie brüten, Guano an. Erklären Sie, welchen Stoff- und Energiefluss dieser Guano zwischen dem marinen und dem…
Kolonien von Seevögeln häufen auf den Inseln, auf denen sie brüten, Guano an. Erklären Sie, welchen Stoff- und Energiefluss dieser Guano zwischen dem marinen und dem terrestrischen Ökosystem darstellt und welche Rolle die Vögel als „Vektoren“ spielen, die beide Systeme verbinden.
Durch Überfischung werden die großen Raubfische in einem Küstengebiet entfernt. Sagen Sie voraus, was mit den unmittelbar darunterliegenden Trophieebenen geschieht, und…
Durch Überfischung werden die großen Raubfische in einem Küstengebiet entfernt. Sagen Sie voraus, was mit den unmittelbar darunterliegenden Trophieebenen geschieht, und begründen Sie, wie diese „trophische Kaskade“ letztlich sogar die Algen am Meeresboden beeinflussen kann.
In einem See werden folgende jährliche Flüsse gemessen: Produzenten $8\,000\ \text{kJ/m}^2$; Pflanzenfresser $900\ \text{kJ/m}^2$; Fleischfresser $110\ \text{kJ/m}^2$;…
In einem See werden folgende jährliche Flüsse gemessen: Produzenten $8\,000\ \text{kJ/m}^2$; Pflanzenfresser $900\ \text{kJ/m}^2$; Fleischfresser $110\ \text{kJ/m}^2$; außerdem erhalten die Destruenten $3\,000\ \text{kJ/m}^2$ an Resten aus allen Ebenen. a) Berechnen Sie den Wirkungsgrad der beiden Übertragungen zwischen den Ebenen. b) Erklären Sie, welche Rolle die Destruenten in der Energiebilanz des Sees spielen. c) Sagen Sie voraus, was mit dem Nährstoffkreislauf und den Trophieebenen geschähe, wenn die Destruenten verschwänden.
In einen Hochgebirgssee, der keine Fische enthielt und in dem zahlreiche Amphibien und große planktische Krebstiere lebten, werden Forellen eingesetzt. a) Sagen Sie…
In einen Hochgebirgssee, der keine Fische enthielt und in dem zahlreiche Amphibien und große planktische Krebstiere lebten, werden Forellen eingesetzt. a) Sagen Sie voraus, was mit den Populationen der Amphibien und des Zooplanktons geschieht. b) Begründen Sie, wie sich die Veränderung beim Zooplankton auf das Phytoplankton und die Klarheit des Wassers auswirken kann (trophische Kaskade). c) Begründen Sie, was aus Sicht des Umweltmanagements getan werden sollte und warum solche Besatzmaßnahmen für den Angelsport über Jahrzehnte üblich waren.
Der Satz „Iss von niedrigen Trophieebenen“ wird als Umweltratschlag verwendet. Analysieren Sie ihn naturwissenschaftlich: Welche Grundlage hat er im Hinblick auf den…
Der Satz „Iss von niedrigen Trophieebenen“ wird als Umweltratschlag verwendet. Analysieren Sie ihn naturwissenschaftlich: Welche Grundlage hat er im Hinblick auf den Energiefluss, welche Differenzierungen wären zu ergänzen (Fischerei auf Arten niedriger Ebene, die aber überfischt sind; Weidevieh in Dehesas (extensiv beweidete Eichen-Weidelandschaften in Spanien), die für den Anbau ungeeignet sind) und welche anderen Faktoren außer der Trophieebene bestimmen die Umweltwirkung eines Lebensmittels?
Zurück zum Anfang: Der Mäusebussard erhält nur 1 von 1000 Einheiten, weil er auf der 4. Trophiestufe steht (Weizen → Maus → Wiesel oder kleiner Vogel → Bussard). Bis zu ihm sind es drei Übertragungen. Bei 10 % pro Übertragung gilt: $1\,000 \cdot 0{,}10 \cdot 0{,}10 \cdot 0{,}10 = 1$.