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3.1: Energiefluss durch Ökosysteme - Biologie

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Ein Ökosystem ist eine Gemeinschaft von Organismen und ihrer abiotischen (nicht lebenden) Umgebung. Ökosysteme können klein sein, wie die Gezeitentümpel in der Nähe der felsigen Küsten vieler Ozeane, oder groß, wie sie im tropischen Regenwald des Amazonas in Brasilien vorkommen (Abbildung (PageIndex{1})).

Es gibt drei große Kategorien von Ökosystemen, die auf ihrer allgemeinen Umgebung basieren: Süßwasser, Meer und Land. Innerhalb dieser drei Kategorien gibt es einzelne Ökosystemtypen, die auf dem Umweltlebensraum und den vorhandenen Organismen basieren.

Süßwasser-Ökosysteme sind die seltensten und treten nur auf 1,8 Prozent der Erdoberfläche auf. Diese Systeme umfassen Seen, Flüsse, Bäche und Quellen; sie sind sehr vielfältig und unterstützen eine Vielzahl von Tieren, Pflanzen, Pilzen, Protisten und Prokaryoten.

Meeresökosysteme sind die häufigsten, die 75 Prozent der Erdoberfläche ausmachen und aus drei Grundtypen bestehen: flacher Ozean, tiefes Ozeanwasser und tiefer Ozeanboden. Flache Ozeanökosysteme umfassen extrem artenreiche Korallenriffökosysteme. Kleine photosynthetische Organismen, die im Ozeanwasser schweben, zusammenfassend bekannt als Phytoplankton, 40 Prozent der gesamten Photosynthese auf der Erde durchführen. Ökosysteme des Tiefseebodens enthalten eine Vielzahl von Meeresorganismen. Diese Ökosysteme sind so tief, dass Licht sie nicht erreichen kann.

Terrestrische Ökosysteme, auch bekannt für ihre Vielfalt, werden in große Kategorien eingeteilt, die Biome genannt werden. EIN Biom ist eine großräumige Gemeinschaft von Organismen, die hauptsächlich an Land durch die vorherrschenden Pflanzenarten definiert wird, die in geografischen Regionen der Erde mit ähnlichen klimatischen Bedingungen vorkommen. Beispiele für Biome sind tropische Regenwälder, Savannen, Wüsten, Grasland, gemäßigte Wälder und Tundren. Die Gruppierung dieser Ökosysteme in nur wenige Biom-Kategorien verschleiert die große Vielfalt der einzelnen Ökosysteme darin. Zum Beispiel die Saguaro-Kakteen (Carnegiea gigantean) und andere Pflanzenarten in der Sonora-Wüste in den Vereinigten Staaten sind im Vergleich zur öden Felswüste von Boa Vista, einer Insel vor der Küste Westafrikas, relativ vielfältig (Abbildung (PageIndex{2})).

Nahrungsketten und Nahrungsnetze

EIN Nahrungskette ist eine lineare Abfolge von Organismen, durch die Nährstoffe und Energie fließen, wenn ein Organismus einen anderen frisst. Die Stufen in der Nahrungskette sind Erzeuger, Primärverbraucher, übergeordnete Verbraucher und schließlich Zersetzer. Diese Ebenen werden verwendet, um die Struktur und Dynamik von Ökosystemen zu beschreiben. Es gibt einen einzigen Weg durch eine Nahrungskette. Jeder Organismus in einer Nahrungskette nimmt ein bestimmtes trophisches Niveau (Energieniveau) ein, seine Position in der Nahrungskette oder im Nahrungsnetz.

In vielen Ökosystemen besteht die Basis oder Grundlage der Nahrungskette aus photosynthetischen Organismen (Pflanzen oder Phytoplankton), die als bezeichnet werden Hersteller. Die Organismen, die die Produzenten verzehren, sind Pflanzenfresser, genannt Primärverbraucher. Sekundärverbraucher sind in der Regel Fleischfresser, die die Hauptkonsumenten fressen. Tertiäre Verbraucher sind Fleischfresser, die andere Fleischfresser fressen. Verbraucher auf höherer Ebene ernähren sich von den nächstniedrigeren trophischen Ebenen und so weiter bis hin zu den Organismen an der Spitze der Nahrungskette. In der Nahrungskette des Ontariosees, die in Abbildung (PageIndex{3}) dargestellt ist, ist der Chinook-Lachs der Spitzenverbraucher an der Spitze dieser Nahrungskette.

Ein wichtiger Faktor, der die Anzahl der Schritte in einer Nahrungskette begrenzt, ist die Energie. Energie geht auf jeder trophischen Ebene und zwischen trophischen Ebenen als Wärme und bei der Übertragung an Zersetzer verloren (Abbildung (PageIndex{4}) unten). Daher kann nach einer begrenzten Anzahl von trophischen Energietransfers die in der Nahrungskette verbleibende Energiemenge nicht groß genug sein, um lebensfähige Populationen auf höheren trophischen Ebenen zu unterstützen.

Es gibt ein Problem, wenn Nahrungsketten verwendet werden, um die meisten Ökosysteme zu beschreiben. Selbst wenn alle Organismen in geeignete trophische Ebenen gruppiert sind, können einige dieser Organismen auf mehr als einer trophischen Ebene fressen. Darüber hinaus ernähren sich Arten von mehr als einer Art und werden von ihnen gefressen. Mit anderen Worten, das lineare Modell von Ökosystemen, die Nahrungskette, ist eine hypothetische und zu vereinfachende Darstellung der Ökosystemstruktur. Ein ganzheitliches Modell, das alle Interaktionen zwischen verschiedenen Arten und ihre komplexen miteinander verbundenen Beziehungen untereinander und mit der Umwelt umfasst, ist ein genaueres und beschreibendes Modell für Ökosysteme. EIN Nahrungsnetz ist ein Konzept, das die multiplen trophischen (Fütterungs-) Interaktionen zwischen den einzelnen Arten berücksichtigt (Abbildung (PageIndex{5}) unten).

Es wird oft gezeigt, dass zwei allgemeine Arten von Nahrungsnetzen innerhalb eines einzigen Ökosystems interagieren. Ein grasendes Nahrungsnetz hat Pflanzen oder andere photosynthetische Organismen an seiner Basis, gefolgt von Pflanzenfressern und verschiedenen Fleischfressern. Ein detritisches Nahrungsnetz besteht aus einer Basis von Organismen, die sich von zerfallendem organischem Material (toten Organismen) ernähren, einschließlich Zersetzer (die tote und verwesende Organismen abbauen) und Detritivoren(die organischen Detritus verbrauchen). Diese Organismen sind normalerweise Bakterien, Pilze und wirbellose Tiere, die organisches Material wieder in den biotischen Teil des Ökosystems recyceln, wenn sie selbst von anderen Organismen verzehrt werden.

Wie Organismen Energie in einem Nahrungsnetz gewinnen

Alle Lebewesen benötigen Energie in der einen oder anderen Form. Auf zellulärer Ebene wird Energie in den meisten Stoffwechselwegen (normalerweise in Form von ATP) verbraucht, insbesondere in denen, die für den Aufbau großer Moleküle aus kleineren Verbindungen verantwortlich sind. Lebende Organismen wären ohne konstanten Energieeintrag nicht in der Lage, komplexe organische Moleküle (Proteine, Lipide, Nukleinsäuren und Kohlenhydrate) aufzubauen.

Nahrungsnetzdiagramme veranschaulichen, wie Energie direkt durch Ökosysteme fließt. Sie können auch angeben, wie effizient Organismen Energie aufnehmen, verwenden und wie viel für andere Organismen des Nahrungsnetzes übrig bleibt. Energie wird von Lebewesen auf zwei Arten gewonnen: Autotrophe nutzen Licht oder chemische Energie und Heterotrophe gewinnen Energie durch den Verzehr und die Verdauung anderer lebender oder zuvor lebender Organismen.

Photosynthetische und chemosynthetische Organismen sind autotrophe Organismen, die in der Lage sind, ihre eigene Nahrung zu synthetisieren (genauer gesagt, die anorganischen Kohlenstoff als Kohlenstoffquelle verwenden können). Photosynthetische Autotrophe (photoautotrophe) nutzen Sonnenlicht als Energiequelle und chemosynthetische Autotrophe (Chemoautotrophe) verwenden anorganische Moleküle als Energiequelle. Autotrophe sind für Ökosysteme von entscheidender Bedeutung, da sie die trophische Ebene einnehmen, die Produzenten enthält. Ohne diese Organismen stünde anderen Lebewesen keine Energie zur Verfügung und kein Leben wäre möglich.

Photoautotrophe Organismen wie Pflanzen, Algen und photosynthetische Bakterien sind die Energiequelle für die meisten Ökosysteme der Welt. Photoautotrophe nutzen die Sonnenenergie der Sonne, indem sie sie in chemische Energie umwandeln. Die Geschwindigkeit, mit der Photosynthese-Produzenten Energie von der Sonne aufnehmen, wird genannt Bruttoprimärproduktivität. Allerdings steht nicht die gesamte von den Produzenten aufgenommene Energie den anderen Organismen im Nahrungsnetz zur Verfügung, da die Produzenten auch wachsen und sich vermehren müssen, was Energie verbraucht. Nettoprimärproduktivität ist die Energie, die in den Erzeugern verbleibt, nachdem der Stoffwechsel und der Wärmeverlust dieser Organismen berücksichtigt wurden. Die Nettoproduktivität steht dann den Primärkonsumenten auf der nächsten trophischen Ebene zur Verfügung.

Chemoautotrophe sind in erster Linie Bakterien und Archaeen, die in seltenen Ökosystemen vorkommen, in denen kein Sonnenlicht zur Verfügung steht, wie beispielsweise in dunklen Höhlen oder hydrothermalen Quellen am Meeresgrund (Abbildung (PageIndex{6})). Viele Chemoautotrophen in hydrothermalen Quellen verwenden Schwefelwasserstoff (H2S), das aus den Schloten freigesetzt wird, als Quelle chemischer Energie. Dies ermöglicht es ihnen, komplexe organische Moleküle wie Glukose für ihre eigene Energie zu synthetisieren und wiederum den Rest des Ökosystems mit Energie zu versorgen.

Eine der wichtigsten Folgen der Ökosystemdynamik in Bezug auf den menschlichen Einfluss ist die Biomagnifikation. Biovergrößerung ist die zunehmende Konzentration von persistenten, toxischen Substanzen in Organismen auf jeder aufeinanderfolgenden trophischen Ebene. Dies sind fettlösliche Substanzen, die in den Fettreserven jedes Organismus gespeichert werden. Viele Substanzen wirken nachweislich biomagnifizierend, darunter klassische Studien mit dem Pestizid Dichlordiphenyltrichlorethan (DDT), die im Bestseller der 1960er Jahre beschrieben wurden Stille Quelle von Rachel Carson. DDT war ein häufig verwendetes Pestizid, bevor seine Gefahren für Spitzenverbraucher wie den Weißkopfseeadler bekannt wurden. DDT und andere Giftstoffe werden von den Herstellern aufgenommen und in immer höheren Mengen an die Verbraucher weitergegeben. Da sich Weißkopfseeadler von kontaminierten Fischen ernähren, steigen ihre DDT-Werte. Es wurde entdeckt, dass DDT dazu führte, dass die Eierschalen von Vögeln brüchig wurden, was dazu führte, dass der Weißkopfseeadler nach US-Recht als gefährdete Art eingestuft wurde. Die Verwendung von DDT wurde in den 1970er Jahren in den USA verboten.

Eine weitere biomagnifizierende Substanz ist polychloriertes Biphenyl (PCB), das in den Vereinigten Staaten bis zu seinem Verbot im Jahr 1979 als Kühlflüssigkeit verwendet wurde. PCB wurde am besten in aquatischen Ökosystemen untersucht, in denen Raubfischarten sehr hohe Konzentrationen des ansonsten vorhandenen Toxins anreicherten kommt in geringen Konzentrationen in der Umwelt vor. Wie in einer Studie der NOAA in der Saginaw-Bucht des Lake Huron der nordamerikanischen Großen Seen (Abbildung (PageIndex{7}) unten) gezeigt wurde, stiegen die PCB-Konzentrationen von den Produzenten des Ökosystems (Phytoplankton) durch die verschiedene trophische Ebenen der Fischarten. Der Spitzenverbraucher, der Zander, hat mehr als viermal so viel PCB wie Phytoplankton. Untersuchungen haben auch ergeben, dass Vögel, die diese Fische fressen, PCB-Werte haben können, die mindestens zehnmal höher sind als die der Seefische.

Andere Bedenken wurden durch die Biomagnifikation von Schwermetallen wie Quecksilber und Cadmium in bestimmten Arten von Meeresfrüchten aufgeworfen. Die US-Umweltschutzbehörde empfiehlt, dass Schwangere und Kleinkinder aufgrund ihres hohen Quecksilbergehalts keinen Schwertfisch, Hai, Königsmakrele oder Kachelfisch konsumieren sollten. Diesen Personen wird empfohlen, quecksilberarmen Fisch zu essen: Lachs, Garnelen, Seelachs und Wels. Biomagnification ist ein gutes Beispiel dafür, wie sich die Dynamik von Ökosystemen auf unser tägliches Leben und sogar auf die Nahrung, die wir essen, auswirken kann.