200 kJ: nicht aufgenommen
Unverdaute Bestandteile verlassen den Körper mit dem Kot. Ihre chemische Energie kann anderen Organismen im Abbauweg zur Verfügung stehen.
Biologie · Verstehen und üben
Energiefluss und Nahrungspyramiden
Verstehe, warum bei jedem Nahrungsschritt nur ein Teil der Energie weitergegeben wird. Lies ökologische Pyramiden richtig und erkunde die Wirkung unterschiedlicher Weitergabequoten.
Das kannst du danach
Energiefluss und Stoffkreislauf unterscheidenDrei Pyramidtypen sicher lesenMit Weitergabequoten rechnen
Warum wird die Energie nach oben weniger?
Auf einer Wiese wachsen viele Pflanzen. Von ihnen leben Pflanzenfresser; diese können wiederum Räubern als Nahrung dienen. Doch auf dem Weg zur nächsten Ernährungsstufe steht nur ein Teil der zuvor in neuer Biomasse gespeicherten Energie zur Verfügung. Warum? Lebewesen nutzen Energie für ihren eigenen Stoffwechsel, und längst nicht alles wird gefressen und verdaut.
Der wichtigste Unterschied
Energie fließt durch ein Ökosystem. Sie wird übertragen und umgewandelt und schließlich als Wärme an die Umgebung abgegeben. Stoffe können dagegen in Kreisläufen erneut genutzt werden. Energie verschwindet nicht; ihre Nutzbarkeit für die Lebewesen nimmt ab.
Für den Einstieg solltest du Nahrungsketten und Nahrungsnetze kennen. Die Ernährungsstufen heißen Trophiestufen: Produzenten stehen auf der ersten Stufe, Pflanzenfresser auf der zweiten und deren Fressfeinde auf weiteren Stufen. Ein Allesfresser kann je nach Nahrungsweg verschiedenen Stufen zugeordnet werden.
Vom Sonnenlicht zur Nahrung und zur Wärme
1. Produzenten: Pflanzen und Algen nutzen Lichtenergie, um durch Fotosynthese organische Stoffe aufzubauen. Dabei wird ein Teil der Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt. Sie erzeugen keine Energie aus dem Nichts.
2. Konsumenten: Mit der Nahrung nehmen Tiere organische Stoffe auf. Ein Teil wird verdaut und aufgenommen, ein Teil bleibt unverdaut. Aufgenommene Stoffe dienen dem Aufbau des Körpers oder dem Stoffwechsel.
3. Zellatmung und Wärme: Bei der Zellatmung wird chemische Energie für Zellprozesse nutzbar gemacht, unter anderem über ATP. Bei diesen Umwandlungen und bei der Nutzung der Energie entsteht Wärme.
Auch Pflanzen betreiben Zellatmung
Fotosynthese und Zellatmung sind unterschiedliche Vorgänge. Pflanzen benötigen ebenfalls Energie für ihre Zellen und geben Wärme ab. Fotosynthese braucht Licht; Zellatmung findet grundsätzlich tagsüber und nachts statt.
Die meisten Ökosysteme sind unmittelbar oder über eingetragene Nahrung von Sonnenenergie abhängig. Eine Besonderheit sind Lebensgemeinschaften mit chemosynthetischen Produzenten, etwa an manchen Tiefseequellen: Dort stammt die Energie zunächst aus chemischen Reaktionen.
Wohin geht die Energie einer Mahlzeit?
Betrachte eine stark vereinfachte Energiebilanz eines Tieres über einen festgelegten Zeitraum. Es frisst Nahrung mit 1.000 kJ Energieinhalt. Diese Zahl bedeutet noch nicht, dass 1.000 kJ in neuem Körpergewebe ankommen.
600 kJ: Stoffwechsel
Von der aufgenommenen Energie wird dieser Modellanteil für Lebensvorgänge genutzt und schließlich als Wärme abgegeben.
200 kJ: neue Biomasse
Dieser Modellanteil steckt in Wachstum und Fortpflanzung, also in neu gebildeter Biomasse. Er kann in weiteren Nahrungsbeziehungen übertragen werden.
Die Bilanz stimmt
1.000 kJ = 200 kJ + 600 kJ + 200 kJ. Das Beispiel fasst weitere kleine Stoff- und Energieflüsse vereinfachend zusammen. Es sind Rechenwerte, keine Messwerte einer Tierart.
„Nicht weitergegeben“ ist nicht sofort gleich „Wärme“
Nicht gefressene Blätter, tote Organismen und Kot enthalten zunächst noch chemische Energie. Detritusfresser, Pilze und Bakterien nutzen solche Reste. Auch in diesem Abbauweg wird bei Stoffwechselprozessen Wärme abgegeben. Zersetzer recyceln Stoffe, aber keine Wärme zu Sonnenlicht.
Drei Pyramiden – drei unterschiedliche Fragen
Eine ökologische Pyramide ordnet eine Größe den Trophiestufen zu. Prüfe zuerst welche Größe, welche Einheit und welchen Zeitraum das Schaubild zeigt. Eine breite Stufe kann viel Energie, viel Biomasse oder viele Individuen bedeuten – das ist nicht dasselbe.
Energiepyramide
Sie vergleicht die Energie in der neu gebildeten Biomasse je Fläche und Zeit, zum Beispiel kJ/(m² · Jahr). Entlang aufeinanderfolgender Stufen einer konsistent abgegrenzten Nahrungskette nimmt diese Produktion ab. Die Pyramide steht aufrecht.
Biomassepyramide
Sie zeigt einen Bestand zu einem Zeitpunkt, häufig als Trockenmasse in g/m². In Gewässern kann die Masse des Phytoplanktons kleiner sein als die des Zooplanktons. Die kleine Produzentenmasse wird durch schnelles Wachstum laufend erneuert.
Zahlenpyramide
Sie zählt Individuen in derselben Bezugsfläche. Eine große Eiche kann vielen Insekten Nahrung bieten. Daher muss es zahlenmäßig nicht mehr Produzenten als Pflanzenfresser geben.
Bestand ist nicht Produktion
Ein Bestand ist wie ein Foto: Wie viel ist gerade vorhanden? Eine Produktionsrate beschreibt einen Zuwachs pro Zeit. Ein kleiner Bestand kann bei schnellem Umsatz über einen Zeitraum viel neue Biomasse liefern.
Pyramiden vergleichen
Wähle eine Darstellung. Die drei Beispiele zeigen unterschiedliche, frei gewählte Modellsituationen. Vergleiche ihre Form, nicht ihre Zahlen miteinander.
Energieproduktion · kJ/(m² · Jahr)
Die Energieproduktion nimmt im Modell von Stufe zu Stufe ab. Die kleinen oberen Balken sind bei dieser linearen Skala zu erwarten.
Mit der Weitergabequote rechnen
Die trophische Übertragungseffizienz vergleicht die Produktion einer Stufe mit der Produktion der vorherigen Stufe. Gemeint ist nicht nur, wie gut ein einzelnes Tier seine Mahlzeit verdaut. Auch der Anteil, der überhaupt gefressen wird, spielt eine Rolle.
Weitergabequote = Produktion der nächsten StufeProduktion der vorherigen Stufe × 100 %
Wenn beide Produktionswerte dieselbe Einheit haben, kürzt sich diese im Bruch heraus. Beispiel: 1.000 geteilt durch 10.000 ergibt 0,1; mal 100 % ergibt 10 %.
Die 10-%-Regel ist ein Schulmodell
In der Natur ist die Quote nicht überall gleich. Sie hängt unter anderem von Nahrung, Organismen und Umweltbedingungen ab. Für eine Rechenaufgabe darfst du 10 % annehmen, wenn die Aufgabe diese Annahme vorgibt. Die übrigen 90 % gehen nicht vollständig und sofort als Wärme verloren.
Energie-Rechner: Was verändert eine andere Quote?
Verändere die Produktion der Pflanzen und die gemeinsame Quote für drei aufeinanderfolgende Übergänge. Alle Werte beziehen sich auf dieselbe Fläche und dasselbe Jahr.
Einheit aller Zahlen: kJ/(m² · Jahr). Gemeinsame lineare Skala relativ zu den Produzenten; sehr kleine Balken sind beabsichtigt.
10.000 × 0,1 = 1.0001.000 × 0,1 = 100100 × 0,1 = 10Nach drei Übergängen bleiben 0,1 % der Ausgangsproduktion in der Produktion der dritten Konsumentenstufe.
Modellgrenze: Die Quote ist hier auf allen drei Übergängen gleich. Es gibt keine zusätzlichen Nahrungseinträge. Die Zahlen berechnen weder Tierzahlen noch die Stabilität eines realen Ökosystems.
Vertiefung: Brutto- und Nettoprimärproduktion
Für die Oberstufe wird die Leistung der Produzenten genauer aufgeteilt. Die Bruttoprimärproduktion (BPP) ist die gesamte durch Fotosynthese fixierte Energie beziehungsweise organische Stoffproduktion pro Zeit. Einen Teil nutzen die Produzenten selbst für die Zellatmung. Nach Abzug dieses Atmungsanteils bleibt die Nettoprimärproduktion (NPP).
NPP = BPP − Atmung der Produzenten
Beispiel mit einheitlicher Bezugsfläche und Zeit: BPP = 15.000 kJ/(m² · Jahr), Atmungsanteil = 5.000 kJ/(m² · Jahr). Daraus folgt NPP = 10.000 kJ/(m² · Jahr). Diese Produktion kann in neue Pflanzenbiomasse eingehen und die Grundlage für Weide- und Abbauwege bilden. Sie wird nicht vollständig von Pflanzenfressern aufgenommen.
Die NPP ist auch nicht automatisch der Nettozuwachs des gesamten Ökosystems: Andere Lebewesen betreiben ebenfalls Zellatmung; außerdem können Stoffe ein- oder ausgetragen werden.
Warum Nahrungsketten begrenzt sind
Jeder weitere Übergang verringert die Produktion, die die nächste Stufe tragen kann. Das begrenzt unter sonst gleichen Bedingungen die Länge von Nahrungsketten. Eine feste, überall gültige Höchstzahl an Stufen folgt daraus nicht.
Typische Denkfehler vermeiden
„90 % der Energie sind weg.“
Die Energie bleibt erhalten. Ein Teil wird als Wärme verteilt; ein anderer gelangt zunächst in nicht gefressenes Material oder Ausscheidungen und damit in Abbauwege.
„Weniger Biomasse heißt weniger Produktion.“
Nicht unbedingt. Entscheidend ist auch, wie schnell neue Biomasse gebildet und wieder gefressen wird. Deshalb kann eine Biomassepyramide im Wasser umgekehrt sein.
„Zersetzer stehen ganz oben.“
Sie nutzen Reste aus allen Trophiestufen. Sie bilden einen verzweigten Abbauweg, keine einzelne zusätzliche Stufe hinter dem letzten Räuber.
„Aus 100 kJ kann ich die Zahl der Füchse bestimmen.“
Dafür fehlen unter anderem Energiebedarf, Zeitraum, Körpergröße und die tatsächlichen Nahrungsbeziehungen. Ein Energiefluss ist keine Tierzählung.
12 Aufgaben: verstehen, anwenden und begründen
Löse zuerst selbst. Ein Tipp hilft beim Einstieg; die Lösung zeigt die fachliche Begründung.
1 · Warum ist eine Pflanze kein Energieerzeuger?
Tipp anzeigen
Denke an die Energiequelle.
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Sie wandelt Lichtenergie teilweise in chemische Energie organischer Stoffe um. Energie wird dabei nicht aus dem Nichts erzeugt.
2 · Nenne zwei Wege für Energie, die nicht in der nächsten Konsumentenstufe ankommt.
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Wärme und tote Reste.
Lösung anzeigen
Ein Teil wird über Stoffwechselvorgänge als Wärme verteilt. Ein anderer verbleibt zunächst in nicht gefressener Biomasse, toten Resten oder Kot und gelangt in den Abbauweg.
3 · Ein Tier frisst 1.000 kJ; 200 kJ bleiben unverdaut und 600 kJ werden im Stoffwechsel umgesetzt. Wie viel ist im Modell Produktion?
Tipp anzeigen
Alle Anteile müssen zusammen 1.000 kJ ergeben.
Lösung anzeigen
1.000 − 200 − 600 = 200 kJ. Die neue Biomasse enthält im vereinfachten Modell 200 kJ.
4 · Warum können Zersetzer den Stoffkreislauf schließen, aber keinen Energiekreislauf?
Tipp anzeigen
Was wird wieder aufgenommen, was wird als Wärme verteilt?
Lösung anzeigen
Beim Abbau werden unter anderem CO₂ und Mineralstoffe freigesetzt, die Produzenten wieder nutzen können. Die als Wärme verteilte Energie wird dabei nicht in Lichtenergie zurückverwandelt.
5 · Berechne bei 10 % Quote die folgenden zwei Stufen aus 20.000 kJ/(m² · Jahr).
Tipp anzeigen
Pro Übergang mit 0,1 multiplizieren.
Lösung anzeigen
20.000 × 0,1 = 2.000; 2.000 × 0,1 = 200 kJ/(m² · Jahr).
6 · Wie viel bleibt bei 20 % nach drei Übergängen aus 10.000?
Tipp anzeigen
Dreimal mit 0,2 multiplizieren.
Lösung anzeigen
10.000 → 2.000 → 400 → 80. Das sind 0,8 % des Ausgangswerts, jeweils in derselben Produktions-Einheit.
7 · Eine Stufe produziert 800, die vorherige 4.000. Wie groß ist die Quote?
Tipp anzeigen
Nächste Stufe durch vorherige Stufe teilen.
Lösung anzeigen
800 / 4.000 = 0,2; 0,2 × 100 % = 20 %. Beide Produktionswerte müssen dieselbe Einheit, Bezugsfläche und Zeit haben.
8 · Warum kann eine Eiche die Basis einer umgekehrten Zahlenpyramide sein?
Tipp anzeigen
Größe eines Organismus und Anzahl unterscheiden.
Lösung anzeigen
Ein einzelner großer Baum kann vielen kleinen Pflanzenfressern Nahrung bieten. Eine kleine Individuenzahl bedeutet hier nicht wenig Biomasse oder geringe Produktion.
9 · Wenig Phytoplankton ernährt mehr Zooplankton-Biomasse. Ist das ein Widerspruch?
Tipp anzeigen
Bestand und laufenden Zuwachs unterscheiden.
Lösung anzeigen
Nein. Ein kleiner Phytoplanktonbestand kann sich schnell erneuern. Die Momentaufnahme der Biomasse zeigt nicht, wie viel über den gesamten Zeitraum produziert wird.
10 · BPP = 18.000, Atmungsanteil der Pflanzen = 7.000. Berechne die NPP.
Tipp anzeigen
Brutto minus Atmungsanteil.
Lösung anzeigen
NPP = 18.000 − 7.000 = 11.000; die Einheit der Ausgangswerte, etwa kJ/(m² · Jahr), bleibt erhalten.
11 · Darfst du die 10-%-Regel auf jedes reale Nahrungsnetz anwenden?
Tipp anzeigen
Modellannahme und Messung unterscheiden.
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Nein. Die tatsächlichen Quoten können sich zwischen Organismen, Übergängen und Umweltbedingungen unterscheiden. 10 % ist eine häufig genutzte vereinfachte Rechenannahme.
12 · Welche drei Angaben brauchst du zum Vergleichen von Pyramiden?
Tipp anzeigen
Größe, Einheit und Bezug.
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Ich prüfe die dargestellte Größe (Energieproduktion, Biomasse oder Zahl), die Einheit mit Bezugsfläche sowie Zeitpunkt beziehungsweise Zeitraum. Auch die Zuordnung der Trophiestufen muss vergleichbar sein.
Kurzer Begriffscheck
Welche Aussage gilt für eine Biomassepyramide?
Wähle eine Antwort.
Für den Unterricht
Einstieg: Eine Nahrungskette an die Tafel schreiben und fragen, warum nicht die gesamte Pflanzenproduktion am Ende der Kette ankommt.
Partnerarbeit: Vor jeder Änderung am Energie-Rechner eine Vorhersage notieren, dann den Rechenweg prüfen.
Transfer: Eine Zahlen- und eine Biomassepyramide beschreiben, ohne sie vorschnell als Energiepyramiden zu deuten.
Vertiefung: BPP und NPP aus Daten berechnen und begründen, warum NPP nicht mit der gespeicherten Gesamtbiomasse gleichgesetzt werden darf.
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