Ökosystem: Aufbau und Bestandteile
Ein Ökosystem ist ein Teil der Natur, in dem Lebewesen und ihre Umgebung als eine Einheit zusammenarbeiten. Es kann groß sein (ein Wald, das Meer) oder klein (ein Teich, ein Aquarium). Ein Acker oder ein Aquarium ist ein vom Menschen geschaffenes Ökosystem.
Bestandteile
- Abiotisch (unbelebt): Sonnenlicht, Temperatur, Wasser, Boden, Luft, Mineralstoffe.
- Biotisch (belebt): Produzenten (grüne Pflanzen, Phytoplankton), Konsumenten (Pflanzenfresser und Fleischfresser) und Destruenten (Bakterien, Pilze).
Aufbau
Aufbau bedeutet: Welche Arten gibt es, und wie sind sie angeordnet? Die Artenzusammensetzung ist die Liste der Arten. Stratifikation ist die senkrechte Schichtung: Im Wald stehen oben die Bäume, dann Sträucher, dann Kräuter und Gras. Jede Schicht bekommt unterschiedlich viel Licht.
Vier Funktionen
Jedes Ökosystem erfüllt vier Aufgaben: Produktivität, Abbau, Energiefluss und Nährstoffkreislauf.
Teich: ein einfaches Beispiel
Abiotisch: Wasser, gelöste Mineralstoffe, Sonnenlicht. Produzenten: Phytoplankton, Algen, schwimmende und wurzelnde Pflanzen. Konsumenten: Zooplankton, kleine Fische, große Fische. Destruenten: Bakterien und Pilze am Grund.
Produktivität: GPP und NPP
Primärproduktion ist die Menge an Biomasse (organischer Substanz), die Pflanzen pro Fläche in einer bestimmten Zeit bilden. Die Rate, mit der sie gebildet wird, ist die Produktivität, angegeben in g m⁻² yr⁻¹ oder kcal m⁻² yr⁻¹.
- Bruttoprimärproduktivität (GPP): die gesamte Rate, mit der bei der Fotosynthese organische Substanz entsteht.
- Atmung (R): der Teil der GPP, den die Pflanzen selbst verbrauchen.
- Nettoprimärproduktivität (NPP): das, was für Tiere und Destruenten übrig bleibt: NPP = GPP − R.
- Sekundärproduktivität: die Rate, mit der Konsumenten neue organische Substanz aufbauen.
Die Produktivität hängt von der Pflanzenart, vom Sonnenlicht, von der Temperatur, vom Wasser und von den Nährstoffen ab. Die ganze Erde bildet etwa 170 Milliarden Tonnen (Trockengewicht) organische Substanz im Jahr. Die Ozeane bedecken etwa 70 % der Oberfläche, liefern aber nur etwa 55 Milliarden Tonnen, weil das tiefe Meerwasser wenig Licht und wenige Nährstoffe hat.
Abbau: fünf Schritte
Destruenten zerlegen komplexes totes Material (Detritus: abgestorbene Blätter, Rinde, Blüten, tote Tiere, Dung) in einfache anorganische Stoffe wie CO₂, Wasser und Nährstoffe.
- Zerkleinerung (Fragmentierung): Detritusfresser wie Regenwürmer zerlegen den Detritus in winzige Stücke.
- Auswaschung (Leaching): wasserlösliche Nährstoffe sickern in den Boden und setzen sich als Salze ab.
- Katabolismus: Enzyme von Bakterien und Pilzen zerlegen den Detritus in einfachere anorganische Stoffe.
- Humusbildung (Humifizierung): Es entsteht ein dunkler, schwammartiger Stoff namens Humus. Er widersteht Mikroben, zerfällt sehr langsam und ist ein Nährstoffspeicher.
- Mineralisierung: Mikroben bauen den Humus langsam ab und setzen dabei anorganische Nährstoffe frei.
Was die Geschwindigkeit bestimmt
Schnell, wenn der Detritus reich an Stickstoff und Zucker ist und wenn es warm und feucht ist. Langsam, wenn er viel Lignin und Chitin enthält und wenn es kalt, trocken oder ohne Sauerstoff (anaerob) ist. Der Abbau braucht Sauerstoff.
Energiefluss
Die Sonne ist für fast jedes Ökosystem die einzige Energiequelle (Hydrothermalquellen in der Tiefsee sind eine Ausnahme). Weniger als 50 % des Sonnenlichts sind fotosynthetisch aktive Strahlung (PAR), und Pflanzen fangen davon nur etwa 2–10 % ein. Dieser kleine Anteil treibt die ganze lebende Welt an.
Energie fließt nur in eine Richtung: Sonne → Produzenten → Konsumenten. Sie wird nie wiederverwendet. Bei jeder Weitergabe geht viel Energie als Wärme verloren, so wie es der zweite Hauptsatz der Thermodynamik sagt.
Nahrungsketten und Trophiestufen
- Weidenahrungskette (GFC): beginnt bei grünen Pflanzen: Gras → Ziege → Mensch.
- Detritusnahrungskette (DFC): beginnt bei totem Material: Detritus → Destruenten (Pilze, Bakterien) → Detritusfresser. In einem Landökosystem fließt durch die DFC viel mehr Energie als durch die GFC.
- Mehrere Ketten verbinden sich zu einem Nahrungsnetz.
- Trophiestufen: Produzenten (1.), Pflanzenfresser / Konsumenten 1. Ordnung (2.), Fleischfresser / Konsumenten 2. Ordnung (3.), Konsumenten 3. Ordnung (4.).
- Standing crop (Bestandsmasse): die Masse an lebender Substanz einer Trophiestufe zu einem bestimmten Zeitpunkt.
10-Prozent-Regel
Nur etwa 10 % der Energie einer Stufe gehen zur nächsten weiter (Lindeman). Also: 10.000 J in Pflanzen → 1.000 J in Pflanzenfressern → 100 J → 10 J. Deshalb haben Nahrungsketten selten mehr als 4–5 Stufen.
Ökologische Pyramiden: Anzahl, Biomasse, Energie
Zeichne die Produzenten als Basis und jede höhere Trophiestufe darüber. Die Pyramide kann die Anzahl, die Biomasse (Trockengewicht) oder die Energie zeigen.
- Anzahlpyramide: Das Grasland ist aufrecht (viele Grashalme, weniger Heuschrecken, weniger Frösche). Ein einzelner großer Baum mit vielen Insekten und Vögeln ergibt eine umgekehrte oder spindelförmige Form.
- Biomassepyramide: an Land meist aufrecht. Im Meer ist sie umgekehrt: Die Masse des Phytoplanktons zu einem Zeitpunkt ist klein, weil es sehr schnell wächst und gefressen wird, während die Masse der Fische größer ist.
- Energiepyramide: immer aufrecht, weil bei jedem Schritt Energie verloren geht und eine Stufe nie mehr Energie haben kann als die, die sie ernährt.
Grenzen der Pyramiden
Sie berücksichtigen nicht, dass eine Art gleichzeitig auf zwei Stufen stehen kann, sie gehen von einfachen Nahrungsketten aus (in der Natur gibt es Netze), und sie lassen Saprophyten (Destruenten) weg, obwohl diese lebenswichtig sind.
Was in der Prüfung gefragt wird
Häufige Fragen: GPP und NPP erklären und NPP = GPP − R aufschreiben; die Schritte des Abbaus nennen und mit den Einflussfaktoren erklären; erklären, warum die Energiepyramide immer aufrecht ist; ein Beispiel für eine umgekehrte Anzahl- oder Biomassepyramide geben; mit der 10-%-Regel die Energie auf einer höheren Stufe berechnen; Weide- und Detritusnahrungskette vergleichen. Rechenaufgaben sind kurz, aber leichte Punkte: Schreibe immer zuerst die Formel hin.
Wichtige Formeln und Definitionen
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Gelöste Beispiele
1. Ein Feld hat GPP = 20,000 kcal m⁻² yr⁻¹, und die Pflanzen verbrauchen 4,000 kcal m⁻² yr⁻¹ bei der Atmung. Berechne die NPP.
NPP = GPP − R = 20,000 − 4,000 = 16,000 kcal m⁻² yr⁻¹.
2. Ein See hat NPP = 6,000 und R = 2,000 kcal m⁻² yr⁻¹. Berechne die GPP.
GPP = NPP + R = 6,000 + 2,000 = 8,000 kcal m⁻² yr⁻¹.
3. Pflanzen fangen 50,000 J ein. Wie viel kommt nach der 10-%-Regel bei einem Konsumenten 2. Ordnung an?
Konsument 1. Ordnung: 10 % von 50,000 = 5,000 J. Konsument 2. Ordnung: 10 % von 5,000 = 500 J.
4. Eine Schlange (Konsument 3. Ordnung) bekommt 25 J. Wie viel Energie steckte in den Produzenten?
Rückwärts rechnen: bei jedem Schritt × 10. Konsument 2. Ordnung: 250 J, Konsument 1. Ordnung: 2,500 J, Produzenten: 25,000 J.
5. Ein Wald erhält 1,000,000 J PAR, und die GPP speichert 20,000 J. Berechne die Fotosyntheseeffizienz.
Effizienz = 20,000 ÷ 1,000,000 × 100 = 2 %. Das liegt im üblichen Bereich von 2–10 %.
6. Pflanzenfresser auf einer Wiese enthalten 1,500 kJ, und die Fleischfresser, die sie fressen, enthalten 120 kJ. Berechne die ökologische Effizienz und vergleiche sie mit der 10-%-Regel.
Effizienz = 120 ÷ 1,500 × 100 = 8 %. Das ist etwas weniger als 10 %, was normal ist: Die 10 % sind nur ein Durchschnittswert.
7. Die GPP einer Nutzpflanze beträgt 30,000 kcal m⁻² yr⁻¹, und die Atmung macht 30 % der GPP aus. Kühe fressen 10 % der NPP. Wie viel Energie nehmen die Kühe auf?
R = 0.3 × 30,000 = 9,000. NPP = 30,000 − 9,000 = 21,000. Kühe: 10 % von 21,000 = 2,100 kcal m⁻² yr⁻¹.
8. Warum hat eine Nahrungskette selten mehr als fünf Stufen? Zeige es mit Zahlen, beginnend bei 100,000 J.
100,000 → 10,000 → 1,000 → 100 → 10 → 1 J. Auf der sechsten Stufe bleibt nur 1 J übrig, viel zu wenig, um eine Tierpopulation zu versorgen.
9. Welche Pyramide ist in jedem Fall umgekehrt? (a) Anzahlpyramide eines Banyanbaums mit Insekten, (b) Biomassepyramide im Meer, (c) Energiepyramide in einem Teich.
(a) Umgekehrt (ein Baum, viele Insekten). (b) Umgekehrt (kleine Masse an Phytoplankton, größere Masse an Fischen). (c) Nie umgekehrt: Die Energiepyramide ist immer aufrecht.
Häufige Fehler
- NPP = GPP + R aufschreiben. Die Atmung ist ein Verlust, also gilt NPP = GPP − R.
- Sagen, Energie werde im Ökosystem recycelt. Nährstoffe kreisen; Energie fließt nur in eine Richtung und verlässt das System als Wärme.
- Denken, die Biomassepyramide sei immer aufrecht. Im Meer ist sie umgekehrt.
- Humusbildung (Humus entsteht) mit Mineralisierung (Humus wird abgebaut und setzt Mineralstoffe frei) verwechseln.