Energiefluss und Stoffkreisläufe in der Biosphäre

Materie und Energiefluss in der Biosphäre

Grundbegriffe der Ökologie

• Biosphäre: Die Gesamtheit aller Lebewesen, die die Erde bewohnen.
• Ökosystem: Ein natürliches System, bestehend aus belebten und unbelebten Komponenten, die miteinander interagieren.
• Ökosphäre: Die Gesamtheit aller Ökosysteme der Erde.
• Biome: Die verschiedenen großräumigen Ökosysteme der Erde.

Trophische Beziehungen

Trophische Beziehungen repräsentieren den energetischen Mechanismus der Übertragung von Nahrung. Sie werden in der Regel durch Nahrungsketten dargestellt, die die verschiedenen trophischen Ebenen verbinden.

• Hersteller (Produzenten): Sie bilden die erste trophische Ebene. Es sind autotrophe Organismen, die in der Lage sind, Lichtenergie (Photosynthese) oder chemische Energie (Chemosynthese) in organische Substanz umzuwandeln.
• Verbraucher (Konsumenten): Heterotrophe Organismen, die organische Stoffe zur Energiegewinnung nutzen. Man unterscheidet Primärkonsumenten (Pflanzenfresser), Sekundärkonsumenten (Fleischfresser) und Endkonsumenten (Raubtiere).
• Destruenten (Zersetzer): Organismen, die organische Substanz in mineralische Bestandteile umwandeln und so den Stoffkreislauf schließen.

Trophische Parameter

• Biomasse: Das Gewicht der lebenden und toten organischen Substanz einer trophischen Ebene.
• Produktion: Die Menge der Energie, die auf jeder trophischen Ebene festgelegt wird (Primärproduktion durch Autotrophe, Sekundärproduktion durch Konsumenten).
• Produktivität: Das Verhältnis zwischen Nettoproduktion und Biomasse.
• Erneuerungszeit: Die Zeit, die für die Erneuerung einer trophischen Ebene benötigt wird.
• Effizienz: Die Leistung einer trophischen Ebene oder eines Systems.

Ökologische Pyramiden

Da bei der Energieübertragung in einer Nahrungskette nur etwa 10 % weitergegeben werden, lassen sich diese als Pyramiden darstellen:

• Energiepyramide: Darstellung des Energiegehalts jeder trophischen Ebene.
• Biomassepyramide: Darstellung der akkumulierten Biomasse pro Ebene.
• Zahlenpyramide: Darstellung der Gesamtzahl der Individuen pro Ebene.

Stoffkreisläufe

Stoffkreisläufe beschreiben die Wege, auf denen Materie durch die Biosphäre und andere Systeme wandert. Orte, an denen Stoffe für längere Zeit gespeichert werden, nennt man Reservoirs.

Kohlenstoffkreislauf

Der Kohlenstoffkreislauf gliedert sich in den biologischen Zyklus (Austausch in der Biosphäre) und den geochemischen Stofffluss (CO2-Austausch zwischen Biosphäre, Atmosphäre, Hydrosphäre und Lithosphäre).

Phosphorkreislauf

Phosphor ist ein wichtiger Bestandteil von Biomolekülen, Knochen und Muscheln. Da der Prozess über ozeanische Ablagerungen sehr langsam verläuft, gilt Phosphor als nicht erneuerbare Ressource.

Stickstoffkreislauf

Stickstoff ist essenziell für Aminosäuren und Proteine. Obwohl er in der Atmosphäre reichlich vorhanden ist, ist er für die meisten Lebewesen in seiner elementaren Form unzugänglich.

Schwefelkreislauf

Schwefel liegt meist als Sulfat vor. Er wird in der Biosphäre für die Synthese organischer Moleküle benötigt. Bei der Zersetzung organischer Stoffe wird Schwefelwasserstoff (H2S) freigesetzt, der entweder als Pyrit gebunden oder in sauerstoffhaltigen Umgebungen weiterverarbeitet wird.