Ökosysteme: Energiefluss, Stoffkreisläufe und Biomasse

Nährstoffe

Es gibt kaum Nährstoffe, die an einigen Stellen die Primärproduktion von Ökosystemen nicht begrenzen. Highlights:

• Stickstoff: Ein Bestandteil von Chlorophyll und dem Enzym RuBisCO. Obwohl Stickstoff reichlich in der Atmosphäre vorhanden ist, sind nur wenige Mikroorganismen in der Lage, ihn zu nutzen. Pflanzen erhalten ihn meist in Form von gelösten Nitraten aus dem Wasser.
• Phosphor: Ein wichtiger Bestandteil von Verbindungen wie Nukleinsäuren und ATP. Er wird zwar in geringeren Mengen benötigt, doch der Mangel an Phosphor begrenzt die Primärproduktion an vielen Orten.

Licht

Licht ist die Energiequelle, die Photosynthese ermöglicht und eng mit der Primärproduktion verknüpft ist. Die Primärproduktion steigt linear mit der Lichtintensität, bis das Wachstum sich verlangsamt und bei Erreichen eines Sättigungswertes eine maximale Photosyntheserate erreicht wird.

Licht ist einer der wichtigsten limitierenden Faktoren in aquatischen Ökosystemen.

Destruenten

Destruenten (Zersetzer) sind Bakterien und Pilze. In terrestrischen Ökosystemen finden sie sich im Boden, in aquatischen Ökosystemen in den untersten Sedimenten.

Diese Lebewesen ernähren sich von organischem Abfall, der zuvor von Detritivoren verarbeitet wurde. Destruenten wandeln organische Substanz in anorganische Stoffe und Mineralsalze um und schließen so den Kreislauf der Materie.

Die Rolle der Zersetzer ist essenziell, da sie die von autotrophen Organismen benötigten Mineralstoffe regenerieren. Dieser Prozess wird als Mineralisierung bezeichnet.

Energiefluss

Der Energiefluss in Ökosystemen weist folgende Eigenschaften auf:

• Einweg-Prinzip: Energie fließt immer vom Produzenten zum Verbraucher und schließlich zu den Destruenten, aber nie umgekehrt.
• Offenes System: Ökosysteme benötigen eine kontinuierliche Energiezufuhr.
• Wirkungsgrad: Die Produktion sinkt auf jeder trophischen Ebene. Von der in einer Ebene gespeicherten Energie werden nur etwa 10 % an die nächsthöhere Ebene weitergegeben.

Stoffkreislauf

Die mineralischen Nährstoffe, die Pflanzen zur Synthese ihrer organischen Biomoleküle aufnehmen, durchlaufen die verschiedenen Verbraucherebenen bis hin zu den Zersetzern. Auf dieser Ebene werden die Mineralstoffe wieder freigesetzt und stehen den Produzenten erneut zur Verfügung. Dieser Prozess wird als Stoffkreislauf bezeichnet.

Trophische Pyramiden

Diese stellen die trophischen Beziehungen in einem Ökosystem dar und bieten ein globales Bild der Rolle verschiedener trophischer Ebenen.

Zahlenpyramide

Hier ist die Länge der Stufen proportional zur Anzahl der Individuen aller Arten pro Flächeneinheit oder Volumen. Die Form variiert je nach Größe der Individuen und spiegelt die trophischen Beziehungen oft nur unzureichend wider.

Biomassepyramide

Die Längen der Stufen sind proportional zum Trockengewicht der Individuen pro Flächeneinheit oder Volumen. Sie beschreiben die trophischen Beziehungen besser, da sie die Menge der verfügbaren organischen Substanz auf jeder Ebene zeigen.

Energiepyramide

Die Längen der Stufen sind proportional zur Energie pro Zeiteinheit. Sie bieten den besten Überblick über den Energieübergang in der Nahrungskette. Sie sind niemals umgekehrt (die unteren Stufen sind immer größer als die oberen) und zeigen keine saisonalen Schwankungen, sondern den Zustand zu einem bestimmten Zeitpunkt.

Biosphäre und Ökosysteme

Die Biosphäre ist die Schicht der Erde, in der Lebewesen existieren. Sie interagiert mit Atmosphäre, Hydrosphäre und Geosphäre. Damit ein Teil der Erde bewohnbar ist, müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:

• Vorhandensein von Wasser.
• Temperaturen, die flüssiges Wasser erlauben.
• Eine Energiequelle, in der Regel Sonnenlicht.

Ökosysteme

Ein Ökosystem ist ein Bereich der Biosphäre, in dem lebende Organismen verschiedener Arten und ihre natürliche Umwelt durch den Austausch von Materie und Energie interagieren.

Komponenten

• Biotisch: Die Biozönose (Lebensgemeinschaft).
• Abiotisch: Das Biotop (chemische und physikalische Faktoren wie Temperatur und Licht).

Merkmale

• Interaktion: Die Komponenten bilden eine komplexe Einheit.
• Selbstregulation: Interaktionen sorgen für langfristige Stabilität.
• Offene Systeme: Sie benötigen einen kontinuierlichen Energiefluss.

Produzenten

Chemosynthetische Produzenten

Einige Vertreter des Reiches der Monera nutzen keine Lichtenergie, sondern gewinnen Energie aus exothermen chemischen Reaktionen, um organische Verbindungen aufzubauen.

Photosynthetische Produzenten

Pflanzen, mehrzellige Algen und Cyanobakterien nutzen Chlorophyll, um Lichtenergie in chemische Energie umzuwandeln. Der Prozess umfasst zwei Phasen:

• Dunkelphase (CO2-Fixierung): Glucose wird unter Mitwirkung des Enzyms RuBisCO gebildet.
• Lichtphase: Licht wird durch Chlorophyll absorbiert.

Biomasse und Produktion

Biomasse ist das Gewicht der organischen Substanz pro Flächeneinheit. Die Primärproduktion ist die Rate der Energiespeicherung in Form organischer Stoffe:

• Bruttoprimärproduktion (GPP): Gesamtmenge der fixierten Energie.
• Nettoprimärproduktion (NPP): Tatsächlich durch die Produzenten gewonnene Biomasse.

Limitierende Faktoren der Primärproduktion

Temperatur und Feuchtigkeit

Die Primärproduktion steigt mit der Temperatur, sofern ausreichend Wasser vorhanden ist. Bei Wassermangel schließen Pflanzen ihre Spaltöffnungen, um Verdunstung zu vermeiden, was die CO2-Aufnahme stoppt und die Photosynthese unterbricht.