Was ist ein Ökosystem?
Ein Ökosystem ist eine Einheit der Natur, in der Lebewesen miteinander und mit der unbelebten Umgebung zusammenwirken. Wald, Teich, See, Wiese und Wüste sind natürliche Ökosysteme. Ein Garten, ein Acker und ein Aquarium sind künstliche (von Menschen gemachte) Ökosysteme, weil Menschen sie planen und pflegen.
Biotische und abiotische Bestandteile
Biotisch sind die lebenden Teile: Pflanzen, Tiere, Pilze und Bakterien. Abiotisch sind die unbelebten Teile: Sonnenlicht, Temperatur, Wasser, Luft, Boden und Mineralstoffe. Man kann keinen Teil wegnehmen, ohne den anderen zu verändern. Ohne Sonnenlicht sterben Pflanzen; ohne Pflanzen verhungern Tiere.
Produzenten, Konsumenten und Destruenten
Produzenten sind grüne Pflanzen und einige Bakterien (z. B. Blaualgen), die durch Photosynthese Nahrung herstellen. Man nennt sie autotroph.
Konsumenten können keine Nahrung herstellen, also fressen sie andere. Es gibt Pflanzenfresser (z. B. Ziege), Fleischfresser (z. B. Löwe), Allesfresser (fressen beides, z. B. Krähe, Menschen) und Parasiten (leben auf einem Wirt, z. B. Läuse).
Destruenten sind Bakterien und Pilze, die tote Pflanzen und Tiere in einfache Stoffe zerlegen. So kommen Mineralstoffe zurück in den Boden und Produzenten können sie wieder nutzen. Ohne Destruenten würde sich Totes anhäufen und dem Boden gingen die Nährstoffe aus.
Nahrungsketten, Nahrungsnetze und Trophieebenen
Eine Nahrungskette ist eine Reihe von Lebewesen, in der jedes das vorige frisst. Beispiel: Gras → Heuschrecke → Frosch → Schlange → Adler. Im Wasser: Alge → kleiner Fisch → großer Fisch → Reiher.
Jede Stufe einer Nahrungskette ist eine Trophieebene: T1 = Produzenten, T2 = Primärkonsumenten (Pflanzenfresser), T3 = Sekundärkonsumenten, T4 = Tertiärkonsumenten.
In der Natur fressen die meisten Tiere mehrere Nahrungsarten und haben mehrere Feinde. So verbinden sich viele Ketten zu einem Geflecht, dem Nahrungsnetz. Ein Nahrungsnetz macht ein Ökosystem stabiler: Wird eine Nahrung knapp, können Tiere auf eine andere ausweichen.
Energiefluss und die 10%-Regel
Grüne Pflanzen fangen nur etwa 1% des Sonnenlichts auf, das auf ihre Blätter fällt. Wenn ein Pflanzenfresser eine Pflanze frisst, erhält er nur etwa 10% der in ihr gespeicherten Energie. Der Rest wird für die Lebensvorgänge der Pflanze gebraucht, geht als Wärme verloren oder steckt in Teilen, die nicht gefressen oder verdaut werden. Das ist die 10-Prozent-Regel (von Lindeman).
Warum der Energiefluss einseitig (unidirektional) ist
Energie wandert von der Sonne → Produzenten → Pflanzenfresser → Fleischfresser. Sie kommt nie zurück: Als Wärme verlorene Energie können Pflanzen nicht wieder nutzen. Der Energiefluss ist also unidirektional. Mineralstoffe dagegen laufen mithilfe der Destruenten im Kreis.
Warum Nahrungsketten nur 3–4 Ebenen haben
Die Energie sinkt bei jedem Schritt auf ein Zehntel. Auf der vierten oder fünften Ebene ist so wenig übrig, dass sie keine Population mehr versorgen kann. Darum gibt es nur wenige Spitzenräuber, und darum verschwendet eine vegetarische Ernährung (Ebene 2) weniger Sonnenenergie.
Biomagnifikation
Pflanzenschutzmittel wie DDT werden auf Felder gespritzt. Ein Teil wird in Boden und Wasser gespült und gelangt in Pflanzen. Diese Stoffe werden nicht abgebaut und nicht ausgeschieden; sie lagern sich im Fett ein. Ein Tier, das viele Pflanzen frisst, sammelt den ganzen Stoff aus ihnen. Das nächste Tier frisst viele dieser Tiere, und so weiter.
Die Menge des Stoffes pro kg Körpergewicht steigt also auf jeder Trophieebene an. Das ist Biomagnifikation. Die obersten Konsumenten, auch Menschen, bekommen die höchste Dosis. Darum können Getreide, Gemüse, Fisch und sogar Milch Spuren von Pflanzenschutzmitteln enthalten.
Wichtige Formeln und Definitionen
- Energie auf der nächsten Ebene = 10% der Energie dieser Ebene = E ÷ 10
- Energie auf Ebene n = E₁ × (0.1)ⁿ⁻¹ (E₁ = Energie der Produzenten)
- Energie auf der unteren Ebene = Energie auf der höheren Ebene × 10 (beim Hinuntergehen)
- Trophieebenen: T1 Produzenten → T2 Pflanzenfresser → T3 Fleischfresser → T4 Spitzenräuber
- Energiefluss: einseitig (Sonne → Produzenten → Konsumenten → als Wärme verloren). Nährstoffe: Kreislauf.
- Biomagnifikation: Die Konzentration des Stoffes steigt mit den Trophieebenen
Gelöste Beispiele
1. Nenne zwei biotische und zwei abiotische Bestandteile eines Teiches.
Biotisch: Wasserpflanzen (Wasserpest, Algen), Fische, Frösche, Bakterien. Abiotisch: Wasser, Sonnenlicht, gelöster Sauerstoff, Boden am Grund, Temperatur.
2. In einer Nahrungskette enthalten die Produzenten 20.000 J Energie. Wie viel Energie erreicht den Sekundärkonsumenten?
Produzent → Primärkonsument: 20.000 × 10% = 2.000 J. Primär- → Sekundärkonsument: 2.000 × 10% = 200 J. Antwort: 200 J.
3. Ein Habicht (4. Trophieebene) erhält 5 J Energie. Wie viel Energie steckte in den Produzenten seiner Kette?
Eine Ebene nach unten heißt mal 10. Ebene 3: 50 J, Ebene 2: 500 J, Ebene 1: 5.000 J. Die Produzenten hatten 5.000 J.
4. In der Kette Gras → Hirsch → Tiger hat das Gras 100.000 kJ. Wie viel Energie bekommt der Tiger, und welcher Bruchteil der Energie des Grases ist das?
Hirsch: 100.000 × 0.1 = 10.000 kJ. Tiger: 10.000 × 0.1 = 1.000 kJ. Bruchteil = 1.000 / 100.000 = 1/100 = 1%.
5. Warum hat ein Mensch, der Fisch aus einem DDT-verseuchten See isst, mehr DDT als der Fisch?
DDT wird nicht abgebaut und bleibt im Körperfett. Der Mensch isst über die Zeit viele Fische, also sammelt sich ihr gesamtes DDT in ihm. Weil er auf einer höheren Trophieebene steht, hat er am Ende die höchste Konzentration: Biomagnifikation.
6. Warum ist ein Nahrungsnetz stabiler als eine einzelne Nahrungskette?
In einem Netz hat jedes Tier mehrere Nahrungsquellen. Wird eine Beute selten, frisst der Räuber eine andere, und das Ökosystem bricht nicht zusammen.
Häufige Fehler
- Pfeile falsch herum zeichnen. Der Pfeil zeigt zum Fresser: Gras → Hirsch heißt, der Hirsch frisst das Gras (Energie fließt in Pfeilrichtung).
- Sagen, dass auf jeder Ebene 10% der Energie verloren gehen. Es ist umgekehrt: Etwa 90% gehen verloren, nur 10% werden weitergegeben.
- Denken, Destruenten seien eine Trophieebene in der Kette. Sie wirken auf Totes von allen Ebenen und werden getrennt dargestellt.
- Die beiden Trends verwechseln: Energie NIMMT nach oben AB, aber die Giftkonzentration NIMMT nach oben ZU.