Grundlagen des Ökosystems

Ein Ökosystem ist ein komplexes Netzwerk aus Wechselwirkungen zwischen dem Lebensraum (Biotop) und der darin lebenden Gemeinschaft von Organismen (Biozönose). Dabei ist jedes Ökosystem ein offenes, dynamisches System, in das Stoffe, Lebewesen und Energie eintreten und es auch wieder verlassen können.

Die Struktur eines Ökosystems wird durch verschiedene Funktionsgruppen geprägt. Produzenten (wie Pflanzen und Algen) bauen durch Fotosynthese organische Substanz auf. Konsumenten (Tiere) ernähren sich von dieser Biomasse, wobei man zwischen Pflanzenfressern (Primärkonsumenten), Fleischfressern (Sekundärkonsumenten) und weiteren Stufen unterscheidet. Destruenten (Bakterien, Pilze) und Detritusfresser bauen tote organische Substanz ab und machen die Nährstoffe wieder verfügbar.

Ein funktionierendes Ökosystem kann sich bis zu einem gewissen Grad selbst regulieren. Dies geschieht durch Stoffkreisläufe und ein biozönotisches Gleichgewicht, wodurch die Artenzusammensetzung trotz natürlicher Schwankungen relativ stabil bleibt.

💡 Die Selbstregulation eines Ökosystems funktioniert nur innerhalb bestimmter Grenzen. Starke äußere Eingriffe können das Gleichgewicht dauerhaft stören!

Energiefluss im Ökosystem

Der Energiefluss stellt in jedem Ökosystem eine Einbahnstraße dar – im Gegensatz zu Stoffkreisläufen kann Energie nicht wiederverwertet werden. Die Sonne liefert dabei die Primärenergie, die durch Fotosynthese in chemische Energie umgewandelt wird.

Von der eingestrahlten Sonnenenergie nutzen Produzenten nur einen kleinen Teil für die Bruttoprimärproduktion. Etwa die Hälfte dieser Energie wird durch Atmungsprozesse in Wärme umgewandelt. Die verbleibende Nettoprimärproduktion dient dem Aufbau von Pflanzenmasse, die dann den Konsumenten als Nahrung zur Verfügung steht.

Bei jeder Weitergabe von Energie auf die nächste Trophieebene (Nahrungsstufe) gehen etwa 90% der Energie durch Atmung, unvollständige Verdauung und Ausscheidungen verloren. Diese verlustreiche Energieweitergabe erklärt, warum Nahrungsketten selten mehr als vier bis fünf Glieder haben.

Da ständig Energie in Form von Wärme verloren geht, ist jedes Ökosystem auf kontinuierlichen Energieeintrag von außen angewiesen. Der Stoffkreislauf und Energiefluss in den Trophiestufen funktioniert nur, wenn ständig neue Sonnenenergie zugeführt wird.

🔄 Merke: Während Stoffe in Kreisläufen immer wieder verwendet werden können, fließt Energie linear durch das System und muss ständig erneuert werden.

Ökosystem See – Aufbau und Zonierung

Das Ökosystem See ist ein faszinierendes Beispiel für ein aquatisches Ökosystem mit klarer räumlicher Gliederung. Seen sind Stillgewässer mit ausreichender Tiefe, um eine Temperaturschichtung zu entwickeln.

Ein See gliedert sich in verschiedene Zonen: Die Freiwasserzone (Pelagial) umfasst den gesamten freien Wasserraum. Die Uferzone (Litoral) ist sonnendruchleutet und reich an Pflanzen, unterteilt in Röhrichtzone (mit Schilf), Schwimmblattzone (mit Seerosen) und Unterwasserzone (mit Tausendblatt). Der Seeboden (Benthal) wird in den belichteten Uferbereich und den lichtlosen Tiefenbereich (Profundal) unterteilt.

Vertikal ist der See in Schichten gegliedert: Die Nährschicht (trophogene Zone) ist lichtdurchflutet und durch Fotosynthese gekennzeichnet. Hier wird mehr Sauerstoff produziert als verbraucht. Die Zehrschicht (tropholytische Zone) ist die lichtfreie Tiefenzone, in der durch Abbauprozesse Sauerstoff verbraucht wird. Zwischen beiden liegt die Kompensationsschicht, wo Sauerstoffproduktion und -verbrauch ausgeglichen sind.

🌊 Die vertikale Schichtung eines Sees bestimmt maßgeblich, welche Lebewesen wo vorkommen können. In der Nährschicht herrscht reges Leben, während in der Zehrschicht vor allem Abbauprozesse stattfinden.

Jahreszeitliche Veränderungen im See

Die Temperaturveränderungen im See werden vor allem durch die Sonneneinstrahlung, Wasserbewegungen und die Dichteanomalie des Wassers beeinflusst. Diese besondere Eigenschaft sorgt dafür, dass Wasser bei 4°C seine größte Dichte hat und sowohl bei Erwärmung als auch bei weiterer Abkühlung leichter wird.

Im Sommer bildet sich eine stabile Schichtung: Das warme, leichte Oberflächenwasser (Epilimnion) schwimmt auf dem kälteren, schwereren Tiefenwasser (Hypolimnion) – die sogenannte Sommerstagnation. Zwischen beiden Schichten liegt die Sprungschicht (Metalimnion). Diese Schichtung verhindert den Austausch von Sauerstoff und Nährstoffen.

Im Herbst kühlt das Oberflächenwasser ab, wird schwerer und sinkt nach unten. Dies löst die Herbstzirkulation aus – eine vollständige Durchmischung des Sees, die Sauerstoff in die Tiefe und Nährstoffe nach oben transportiert. Im Winter bildet sich erneut eine Stagnation, wenn das Oberflächenwasser unter 4°C abkühlt und die Seeoberfläche gefrieren kann.

Im Frühjahr wiederholt sich der Zirkulationsprozess, wenn das Eis schmilzt und das Oberflächenwasser sich auf 4°C erwärmt. Diese Frühjahrszirkulation sorgt erneut für einen Austausch von Sauerstoff und Nährstoffen im gesamten Seewasser.

🌡️ Die jahreszeitlichen Durchmischungen sind lebenswichtig für das Ökosystem See! Sie versorgen tiefere Wasserschichten mit Sauerstoff und bringen Nährstoffe vom Grund wieder nach oben.

Stickstoffkreislauf im See

Der Stickstoffkreislauf ist ein wichtiger biogeochemischer Kreislauf im Ökosystem See. Er umfasst mehrere Schlüsselprozesse, die von unterschiedlichen Mikroorganismen gesteuert werden.

Die N₂-Fixierung ist der erste Schritt, bei dem Luftstickstoff (N₂) durch spezielle Bakterien (z.B. Cyanobakterien) in biologisch verfügbares Ammonium umgewandelt wird. Bei der Ammonifikation setzen Destruenten organisch gebundenen Stickstoff aus totem Material als Ammonium oder Ammoniak frei.

Durch die Nitrifikation oxidieren spezielle Bakterien Ammonium zunächst zu Nitrit und dann zu Nitrat, wobei sie Energie gewinnen. Nitrat kann von Pflanzen leichter aufgenommen werden. Unter sauerstoffarmen Bedingungen, wie sie im Hypolimnion eines Sees vorkommen können, findet die Denitrifikation statt. Dabei nutzen Bakterien den Sauerstoff aus Nitrat für ihren Stoffwechsel und setzen elementaren Stickstoff (N₂) frei.

Der Stickstoffkreislauf im See wird auch durch externe Einträge beeinflusst, etwa durch stickstoffhaltigen Dünger aus der Landwirtschaft oder durch Stickoxide aus Verbrennungsprozessen, die mit dem Regen in den See gelangen.

🔬 Besonders interessant: Im anaeroben (sauerstofffreien) Sediment eines Sees läuft die Denitrifikation ab, während in sauerstoffreichen Zonen die Nitrifikation stattfindet!

Trophie-Grade von Seen

Seen werden nach ihrem Nährstoffgehalt in verschiedene Trophie-Grade eingeteilt, wobei oligotrophe und eutrophe Seen zwei Extremformen darstellen.

Oligotrophe Seen sind nährstoffarm $"oligo" = wenig$. Sie zeichnen sich durch einen geringen Nährsalzgehalt und dadurch bedingt eine geringe Biomasseproduktion aus. Das Wasser ist klar mit blauer Färbung und einer Sichttiefe von über 10 Metern. Der Sauerstoffgehalt ist durchgehend hoch, auch in der Tiefe. Am Grund bilden sich nur wenige Sedimente, und die Uferzone weist wenig Pflanzenwuchs auf. Typische Beispiele für oligotrophe Seen sind tiefe Gebirgsseen wie der Königssee.

Eutrophe Seen hingegen sind nährstoffreich $"eu" = gut$. Sie haben einen hohen Nährsalzgehalt und eine entsprechend hohe Biomasseproduktion, besonders von Phytoplankton. Das Wasser ist trüb und grünlich mit einer Sichttiefe von maximal einem Meter. Der Sauerstoffgehalt ist nur im Epilimnion hoch, während in der Tiefe oft Sauerstoffmangel herrscht. Am Boden bildet sich eine dicke Schlammschicht, und die Uferzone ist stark bewachsen.

Zwischen diesen Extremen gibt es Übergangsformen wie mesotrophe Seen. Durch menschliche Einflüsse wie Nährstoffeinträge kann ein See von einem oligotrophen zu einem eutrophen Zustand übergehen – ein Prozess, der als Eutrophierung bezeichnet wird.

📊 Beim Vergleich oligotropher und eutropher Seen zeigt sich: Je mehr Nährstoffe, desto mehr Biomasse, aber desto weniger Sauerstoff in der Tiefe!

Ökosystem See: Grundlagen und Strukturen

Das Ökosystem See wird als komplexes Netzwerk von Wechselwirkungen zwischen abiotischen Faktoren eines Biotops und der darin lebenden Biozönose definiert. Es zeichnet sich durch folgende Merkmale aus:

• Offenes System: Stoffe, Lebewesen und Energie können ein- und austreten
• Dynamisch: Ständige Anpassungs- und Veränderungsprozesse
• Selbstregulierend: Fähigkeit zur Aufrechterhaltung eines Fließgleichgewichts

Die Struktur eines Ökosystems umfasst die abiotische Umwelt, Produzenten, Konsumenten und Destruenten, die in einem komplexen Nahrungsnetz miteinander verbunden sind.

Vocabulary: Biozönose - Gemeinschaft der Lebewesen in einem bestimmten Lebensraum

Definition: Ökosystem - Besteht aus einem Biotop (Lebensraum) und der darin lebenden Biozönose (Lebensgemeinschaft)

Highlight: Der Stoffkreislauf im Ökosystem ermöglicht ein annähernd konstantes Verhältnis der abiotischen Parameter, was als Fließgleichgewicht bezeichnet wird.