Aufgaben: Der Energiefluss

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.

Erklären Sie unter Verwendung des Begriffs des ökologischen Wirkungsgrads, warum Nahrungsketten in Ökosystemen selten mehr als vier oder fünf Ebenen haben.

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.

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.

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.

Erklären Sie, was die Biomasse einer Trophieebene ist und warum in den meisten terrestrischen Ökosystemen die gesamte Biomasse mit jeder höheren Ebene der Nahrungskette abnimmt.

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.

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.

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.

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.

Betrachten Sie die Energiepyramide in der Abbildung:

1. a) Bestimmen Sie, welche Trophieebene jede Stufe (A, B, C und D) einnimmt.
2. b) Berechnen Sie den fehlenden Wert auf Ebene D ($?$) unter der Annahme, dass alle Übertragungen denselben Wirkungsgrad wie die erste haben.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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?