Der Begriff Ökosystem (griech. oikos = Haus, systema = Zusammenstellung) wurde 1935 vom britischen Ökologen Arthur Tansley geprägt. Ein Ökosystem ist ein funktionelles System aus einer Lebensgemeinschaft (Biozönose) und ihrem unbelebten Lebensraum (Biotop), die in vielfältigen Wechselwirkungen miteinander stehen.
Topographische Faktoren: Höhenlage, Hangneigung und -exposition (Nord/Süd), Geländeform
Abiotische Faktoren können als Minimumfaktor wirken: Der Faktor, der am weitesten vom Optimum einer Art entfernt ist, begrenzt deren Vorkommen und Wachstum – unabhängig davon, wie günstig alle anderen Faktoren sind. Dies beschrieb Justus von Liebig 1840 mit dem bekannten Fass-Modell: Der niedrigste Daube des Fasses bestimmt, wie viel Wasser man einfüllen kann.
1.2 Biozönose – die Lebensgemeinschaft
Die Biozönose ist die Gesamtheit aller Organismen, die in einem Biotop leben und in Wechselwirkung stehen. Sie gliedert sich nach ihrer Ernährungsweise:
Gruppe
Ernährungsweise
Trophiestufe
Beispiele
Produzenten (Autotrophe)
Photosynthese oder Chemosynthese; bauen organische Substanz aus anorganischen Verbindungen auf
1. Trophiestufe
Grünpflanzen, Algen, Cyanobakterien, Chemolithotrophe Bakterien (z.B. an Hydrothermalsystemen)
Konsumenten 1. Ordnung (Herbivore)
Fressen Produzenten
2. Trophiestufe
Hase, Heuschrecke, Kuh, Reh, Zooplankton
Konsumenten 2. Ordnung (Carnivore/Omnivore)
Fressen K1
3. Trophiestufe
Fuchs, Frosch, kleiner Fisch, Igel
Konsumenten 3. Ordnung
Fressen K2
4. Trophiestufe
Adler, großer Raubfisch, Schlange
Destruenten / Zersetzer
Bauen tote organische Substanz zu anorganischen Verbindungen ab
alle Stufen
Pilze, Bakterien, Regenwürmer, Asseln, Milben
Omnivore (Allesfresser)
Fressen sowohl Pflanzen als auch Tiere
variabel
Mensch, Wildschwein, Dachs, Raben
1.3 Die ökologische Nische
Die ökologische Nische einer Art beschreibt nicht ihren Aufenthaltsort (das wäre der Lebensraum), sondern ihre gesamte Rolle im Ökosystem: Was frisst sie? Was frisst sie? Wann ist sie aktiv? Welche Temperaturen und pH-Werte toleriert sie? Der Ökologe Hutchinson (1957) definierte die Nische als einen n-dimensionalen Hyperraum, in dem jede Dimension einen abiotischen oder biotischen Umweltfaktor darstellt.
Zwei Arten können nach dem Konkurrenzausschluss-Prinzip (Gause, 1934) dauerhaft nicht dieselbe ökologische Nische besetzen. Eine von beiden wird verdrängt oder muss ihre Nische verändern (Nischendifferenzierung). In der Praxis führt dies zu Nischenteilung: Ähnliche Arten teilen eine Ressource auf, indem sie sie zu verschiedenen Zeiten, an verschiedenen Orten oder auf verschiedene Weise nutzen.
2. Nahrungsbeziehungen im Ökosystem
2.1 Nahrungskette, Nahrungsnetz und Energiepyramide
Eine Nahrungskette stellt die lineare Abfolge von Organismen dar, bei der jeder Organismus den vorherigen frisst. In der Realität sind Nahrungsketten selten isoliert – fast alle Tiere fressen mehrere Beutearten und werden von mehreren Fressfeinden gejagt. Die Vernetzung aller Nahrungsketten eines Ökosystems ergibt ein komplexes Nahrungsnetz.
Abb. 2.1: Vereinfachtes Nahrungsnetz eines Waldökosystems mit vier Trophiestufen und Destruenten. Pfeile zeigen die Richtung des Energieflusses (von der Beute zum Fressfeind). In der Realität sind Netze viel komplexer – ein Fuchs frisst z.B. auch Beeren, Insekten und Eier (Omnivorie). Die violetten gestrichelten Pfeile zeigen, dass alle toten Organismen von Destruenten abgebaut werden.
2.2 Die 10-Prozent-Regel und Energiepyramide
Energie wird in Ökosystemen nicht recycelt – sie fließt in eine Richtung: vom Sonnenlicht über die Produzenten zu den Konsumenten und schließlich als Wärme in die Umgebung. Bei jeder Weitergabe von einer Trophiestufe zur nächsten gehen ca. 90% der Energie verloren. Dies wird als 10-Prozent-Regel (Lindemann, 1942) bezeichnet.
Warum gehen 90% verloren? Die Energie wird verbraucht für:
Zellatmung / Wärmeverlust: Der größte Anteil (~50–60%) – alle Lebensprozesse erzeugen Wärme
Nicht gefressene Biomasse: Wurzeln, Rinde, Knochen, Federn – werden nicht konsumiert
Nicht verdauliche Anteile: Cellulose, Lignin, Chitin – werden ausgeschieden
Wachstum und Reproduktion: Nur dieser Teil fließt zur nächsten Trophiestufe
Abb. 2.2: Energiepyramide nach der 10-Prozent-Regel (Lindemann 1942). Pro Trophiestufe werden durchschnittlich 90% der Energie nicht weitergegeben. Aus 1.000.000 kJ Pflanzen-Biomasse kann eine Population von Konsumenten 3. Ordnung nur 1.000 kJ entnehmen. Dies erklärt, warum Spitzenräuber immer selten sind und warum pflanzenbasierte Ernährung für die Menschheit insgesamt effizienter ist.
🟢 Praktische Konsequenz der 10-Prozent-Regel:
Um 1 kg Rindfleisch zu produzieren, braucht man etwa 7–10 kg Getreide (Futtermittel). Würde dieselbe Getreidemenge direkt gegessen, könnte man 7–10 Menschen ernähren statt einen. Dieser Verlust durch Tierhaltung ist ein zentrales Argument für pflanzenbasierte Ernährung im Kontext der globalen Ernährungssicherheit.
2.3 Biotische Wechselwirkungen
Organismen beeinflussen sich gegenseitig auf vielfältige Weise. Man unterscheidet folgende Interaktionstypen:
Räuber- und Beutepopulationen beeinflussen sich gegenseitig in einem dynamischen Gleichgewicht. Dieses wurde mathematisch erstmals von Lotka und Volterra (1926) modelliert. Das klassische Beispiel sind Luchse und Schneehasen in Kanada, für die hundertjährige Pelzhandelsdaten der Hudson's Bay Company vorliegen:
Hasen nehmen zu → mehr Nahrung für Luchse → Luchse nehmen zu
Luchse nehmen zu → mehr Prädation → Hasen nehmen ab
Hasen nehmen ab → weniger Nahrung → Luchse nehmen ab
Luchse nehmen ab → weniger Prädation → Hasen erholen sich → Zyklus beginnt erneut
Der Bestandszyklus von Räubern hinkt etwa 1–2 Jahre hinter dem der Beute hinterher (Phase shift). In der Natur gibt es meist mehrere dämpfende Faktoren (andere Beute, Territorialverhalten, Krankheiten), die verhindern, dass Populationen so stark schwingen wie im reinen Lotka-Volterra-Modell.
3. Stoffkreisläufe
Im Gegensatz zur Energie, die als Wärme verloren geht und ständig neu zugeführt werden muss (hauptsächlich durch Sonnenlicht), können Stoffe (Elemente) recycelt werden. Sie kreisen in biogeochemischen Kreisläufen zwischen Organismen und der abiotischen Umwelt (Atmosphäre, Hydrosphäre, Pedosphäre, Lithosphäre).
3.1 Der Kohlenstoffkreislauf
Kohlenstoff ist das Gerüstelement aller organischen Moleküle. Im Ökosystem kreist Kohlenstoff als CO₂, als organische Verbindungen und als Carbonat:
Abb. 2.3: Der Kohlenstoffkreislauf. Rote Pfeile = CO₂-Freisetzung in die Atmosphäre (Atmung, Zersetzung, Verbrennung). Grüne/blaue Pfeile = CO₂-Aufnahme (Fotosynthese, Ozean-Lösung). Gestrichelter roter Pfeil = anthropogene CO₂-Freisetzung durch Verbrennung fossiler Brennstoffe – seit der Industrialisierung hat die atmosphärische CO₂-Konzentration von ~280 ppm auf über 422 ppm (2024) zugenommen.
3.2 Der Stickstoffkreislauf
Stickstoff (N) ist ein essentieller Bestandteil von Aminosäuren (Proteine), Nukleinsäuren (DNA, RNA) und Chlorophyll. Obwohl die Atmosphäre zu 78% aus molekularem Stickstoff (N₂) besteht, können die meisten Organismen diesen nicht direkt nutzen – die Dreifachbindung im N₂ ist extrem stabil. Der Stickstoffkreislauf umfasst mehrere Prozesse:
Prozess
Beschreibung
Akteure
N₂-Fixierung
Umwandlung von N₂ zu NH₃ (Ammoniak) oder NO₃⁻ (Nitrat). Ermöglicht Pflanzen die Nutzung
Knöllchenbakterien (Rhizobium in Leguminosen), Azotobacter, Blitze (abiotisch), Haber-Bosch-Verfahren (technisch, ~50% allen Stickstoffdüngers)
Nitrifikation
NH₃ → NO₂⁻ → NO₃⁻ (stufenweise Oxidation zu Nitrat; Pflanzenform)
Pflanzen nehmen NO₃⁻ oder NH₄⁺ auf und bauen N in Aminosäuren und Nukleotide ein
Pflanzen, Algen
Ammonifikation
Abbau N-haltiger organischer Substanz zu NH₃/NH₄⁺ (Mineralisierung)
Destruenten (Pilze, Bakterien)
Denitrifikation
NO₃⁻ → N₂ (Rückführung in Atmosphäre; unter anaeroben Bedingungen)
Denitrifizierende Bakterien (z.B. Pseudomonas)
⚠️ Eutrophierung durch Stickstoffüberschuss:
Übermäßiger Stickstoffeintrag (Düngemittel, Abwasser) in Gewässer führt zu Eutrophierung: Algen wachsen explosionsartig (Algenblüte). Wenn die Algen absterben, werden sie von Bakterien unter starkem Sauerstoffverbrauch abgebaut → Sauerstoffmangel (Hypoxie) → Fischsterben → Totzone. In Deutschland sind fast alle Grundwasservorkommen durch Nitratverschmutzung aus der Landwirtschaft belastet; die EU-Nitratrichtlinie schreibt Maximalwerte von 50 mg/L vor.
Lückentexte zur Selbstkontrolle
📝 Lückentext 1: Ökosystem-Grundbegriffe
Ein Ökosystem besteht aus dem (unbelebter Lebensraum)
und der (Lebensgemeinschaft).
Organismen, die durch Fotosynthese organische Substanz aufbauen, heißen
.
Pilze und Bakterien, die tote Biomasse abbauen, heißen
.
Nach der 10-Prozent-Regel werden nur Prozent
der Energie einer Trophiestufe an die nächste weitergegeben.
Das Phänomen, wenn zu viele Nährstoffe in Gewässer gelangen und Algenblüten entstehen, heißt
.
📝 Lückentext 2: Biotische Wechselwirkungen
Wenn beide Arten von einer Beziehung profitieren, spricht man von
.
Die Beziehung, bei der eine Art profitiert und die andere geschädigt wird, ohne getötet zu werden, heißt
.
Zwei Arten können laut dem Konkurrenzausschluss-Prinzip von
dauerhaft nicht dieselbe ökologische
besetzen.
Das dynamische Gleichgewicht zwischen Räuber und Beute wird mathematisch durch das
-Modell beschrieben.
📝 Lückentext 3: Kohlenstoff- und Stickstoffkreislauf
Pflanzen nehmen CO₂ durch auf.
Die Umwandlung von N₂ in pflanzenverfügbare Stickstoffverbindungen heißt
.
Die Bakterien der Gattung leben in
Knöllchen an Leguminosenwurzeln und können dies leisten.
Nitrifizierende Bakterien wandeln NH₃ stufenweise zu um.
Die Rückführung von Nitrat zu N₂ durch Bakterien heißt
.
🧠 Test A: Grundlagen Ökosysteme – 12 Fragen
1Was ist die korrekte Formel für ein Ökosystem?
✅ Ökosystem = Biotop (unbelebter Lebensraum, abiotische Faktoren) + Biozönose (Lebensgemeinschaft, alle Organismen). Der Begriff wurde 1935 von Arthur Tansley geprägt.
2Was besagt der Minimumfaktor nach Liebig?
✅ Liebigs Minimumgesetz (1840): Wachstum wird durch den Faktor begrenzt, der am weitesten vom Optimum entfernt ist – egal wie günstig alle anderen sind. Visualisiert durch das Fass-Modell: Das Wasser läuft aus der kürzesten Daube. Beispiel: Viel Licht, Wasser und Wärme, aber kaum Phosphat im Boden → Phosphat begrenzt das Pflanzenwachstum.
3Welche Trophiestufe nehmen Füchse in einer Nahrungskette Gras → Hase → Fuchs ein?
✅ Gras = Produzent (T1). Hase = Konsument 1. Ordnung (T2, Herbivore). Fuchs = Konsument 2. Ordnung (T3, Carnivore). Ein Fuchs frisst Hasen (also K1), daher ist er K2. Würde der Fuchs zusätzlich Früchte fressen, wäre er Omnivore und je nach Mahlzeit auf T2 oder T3.
4Was unterscheidet einen Parasiten von einem Räuber?
✅ Parasitismus: Parasit (+), Wirt (−). Wirt überlebt meist (langfristig), da der Parasit auf ihn angewiesen ist. Beispiele: Bandwurm, Läuse, Misteln. Prädation: Räuber tötet Beute direkt. Herbivorie ist eine Form der Prädation (Pflanze wird “gefressen“, teilweise).
5Warum sind Spitzenräuber immer selten?
✅ Pro 1.000.000 kJ Pflanzen stehen K3-Räubern nur 1.000 kJ zur Verfügung (0,1%). Dies entspricht einer extrem kleinen Biomassebasis. Wölfe: Ein Rudel benötigt ~50–100 km² Revier. Adler: 10–50 km² Aktionsraum. Spitzenräuber können keine hohen Populationsdichten erreichen, weil schlicht nicht genug Energie vorhanden ist.
6Was ist der Unterschied zwischen Nahrungskette und Nahrungsnetz?
✅ Eine Nahrungskette zeigt die lineare Abfolge: Gras → Hase → Fuchs → Adler. Ein Nahrungsnetz ist die Realität: Der Fuchs frisst auch Mäuse, Beeren, Vögel; der Adler frisst auch Hasen und Schlangen. Je komplexer das Netz, desto stabiler das Ökosystem (Redundanz).
7Was sind Destruenten und warum sind sie unverzichtbar?
✅ Destruenten schließen Stoffkreisläufe: Sie mineralisieren organische Verbindungen (C, N, P) zu CO₂, NH₃, Phosphat usw., die Produzenten erneut nutzen können. Ohne Destruenten: tote Biomasse sammelt sich an, Nährstoffe werden gebunden → Produzenten können nicht wachsen → Ökosystem kollabiert. Täglich werden ~50 Mrd. kg toter Biomasse durch Destruenten verarbeitet.
8Was ist die Gesamtgleichung der Fotosynthese?
✅ Fotosynthese: 6 CO₂ + 6 H₂O + Lichtenergie → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂. Produzenten binden Lichtenergie in chemischen Bindungen der Glukose. Die erste Gleichung ist die Zellatmung (Umkehrung). Fotosynthese und Zellatmung sind komplementäre Prozesse.
9Was ist N₂-Fixierung und warum ist sie wichtig?
✅ N₂ macht 78% der Atmosphäre aus, ist aber wegen der stabilen Dreifachbindung kaum reaktionsfähig. Stickstofffixierung durch Rhizobium in Leguminosen-Knöllchen und freilebende Bakterien ermöglicht Pflanzen die Nutzung von N. Ohne Fixierung: Stickstoffmangel in Böden. Das Haber-Bosch-Verfahren (industrielle Fixierung) ernährt schätzungsweise die Hälfte der Weltbevölkerung.
10Was ist Symbiose und was unterscheidet sie von Parasitismus?
✅ Symbiose (+/+): Beide Arten haben Vorteile. Beispiele: Mykorrhiza (Pilz erhält Zucker, Pflanze erhält mehr Mineralien), Clownfisch und Seeanemone. Parasitismus (+/−): Eine profitiert auf Kosten der anderen. Unterschied zum Räuber-Beute: Wirt wird nicht sofort getötet; Parasit ist auf ihn angewiesen.
11Was unterscheidet edaphische von klimatischen Faktoren?
✅ Edaphische Faktoren (griech. edaphos = Boden): Bodenbeschaffenheit, pH-Wert (beeinflusst Nährstoffverfügbarkeit stark), Humusgehalt, Textur (Sand/Ton). Klimatische Faktoren: Temperatur, Niederschlag, Luftfeuchtigkeit, Licht. Beide sind abiotische Faktoren des Biotops.
12Welche anthropogene Aktivität hat den größten CO₂-Anstieg in der Atmosphäre verursacht?
✅ Verbrennung fossiler Brennstoffe (~37 Gt CO₂/Jahr) und Entwaldung (~5 Gt CO₂/Jahr) sind Hauptquellen. Fossil gespeicherter Kohlenstoff (über Millionen Jahre aus der Atmosphäre entzogen) wird innerhalb von Jahrzehnten freigesetzt – zu schnell für natürliche Senken (Ozean, Vegetation). Resultat: CO₂ von 280 ppm (1850) auf >422 ppm (2024).
✍️ Schriftliche Aufgaben: Grundlagen
Ein Wald wird gerodet und das Gebiet als Maismonokultur genutzt. Beschreibe die ökologischen Folgen auf (a) die Nahrungsnetze, (b) den Kohlenstoffkreislauf, (c) den Stickstoffkreislauf und (d) die Biodiversität. (8 Punkte)
(a) Nahrungsnetze:
Waldnahrungsnetz mit vielen Arten und Verbindungen → einfaches Agrar-Netz. Verlust von Baumbewohnern (Spechte, Eichhörnchen, Waldinsekten), Boden-Organismen (Regenwürmer, Mykorrhiza-Pilze). Nur Maisschädlinge (Maiszünsler, Blattläuse) profitieren → Schädlingsausbrüche ohne natürliche Gegenspieler. Sehr kurze Nahrungsketten, geringe Redundanz → instabiles System.
(b) Kohlenstoffkreislauf:
Rodung → CO₂-Freisetzung (Verbrennung, Zersetzung der Baumbiomasse). Boden verliert Humus → gespeicherter C als CO₂. Mais als C3-Pflanze fixiert zwar CO₂, aber geringere Biomasse als Wald. Ernte entfernt Kohlenstoff vom Feld → wenig Rückführung in Boden. Nettobilanz: C-Verlust aus Ökosystem.
(c) Stickstoffkreislauf:
Mykorrhiza und Knöllchenbakterien gehen verloren. Mineralstickstoff aus Düngemitteln notwendig. Überdüngung → Nitrat-Auswaschung → Grundwasserverschmutzung (>50 mg/L in vielen deutschen Gebieten) → Eutrophierung von Gewässern. Denitrifizierende Bakterien im anaeroben Boden können N₂O freisetzen (Treibhausgas, GWP 265).
(d) Biodiversität:
Massiver Artenverlust: Ein Hektar Buchenwald beherbergt >200 Käferarten, >100 Vogelarten-Lebensräume, >1000 Pilzarten. Maisfeld: wenige Dutzend Arten. Habitat-Verlust für Insekten → Bestäuber nehmen ab (auch für benachbarte Ökosysteme). Habitatfragmentierung erschwert Wiederbesiedlung.