Stoffkreislauf

Wenn im Herbst Blätter auf den Waldboden fallen, bleiben sie dort nicht für immer liegen. Nach einiger Zeit werden sie weich, zerfallen und werden Teil des Bodens. Aus diesem Boden können neue Pflanzen wieder Stoffe aufnehmen. Genau dieses Wiederverwenden macht Ökosysteme so spannend.

Deine Lernziele

• Du kannst erklären, wie Stoffe in der Natur wiederverwendet werden.
• Du erkennst die drei wichtigen Rollen im Kreislauf.
• Du kannst ein Beispiel mit Kohlenstoff beschreiben.
• Du kannst erklären, warum Stoffe kreisen, Energie aber nicht.

Stoffe verschwinden nicht einfach

Ein Stoff ist in der Biologie ein Material, aus dem Lebewesen oder ihre Umgebung bestehen. Dazu gehören zum Beispiel Wasser, Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff, Zucker, Mineralstoffe oder Eiweiße. Ein Ökosystem ist ein Lebensraum mit seinen Lebewesen und der unbelebten Umwelt, zum Beispiel ein Wald, ein See oder eine Wiese.

Ein Stoffkreislauf beschreibt, wie Stoffe in einem Ökosystem immer wieder weitergegeben, umgebaut und zurückgeführt werden. Pflanzen nehmen Stoffe aus Luft, Wasser und Boden auf. Tiere übernehmen Stoffe über ihre Nahrung. Zersetzer machen aus Resten wieder Stoffe, die Pflanzen erneut nutzen können.

Definition

Ein Stoffkreislauf ist der wiederholte Weg eines Stoffes durch Lebewesen und unbelebte Umwelt. Der Stoff wird dabei aufgenommen, eingebaut, umgebaut, abgegeben oder zersetzt und kann danach wieder genutzt werden.

Beispiel

Ein Blatt wächst an einem Baum. Eine Raupe frisst ein Stück davon. Ein Vogel frisst die Raupe. Später fallen Kot, Federn oder tote Pflanzenteile auf den Boden. Pilze, Bakterien und Bodentiere zersetzen diese Reste. Die frei werdenden Mineralstoffe können wieder von Pflanzen aufgenommen werden.

Merke

Im Stoffkreislauf wird Materie nicht einfach verbraucht. Sie wechselt ihre Form und ihren Ort.

Produzenten bauen organische Stoffe auf

Am Anfang vieler Stoffkreisläufe stehen Pflanzen oder Algen. Sie können aus einfachen Stoffen der unbelebten Umwelt körpereigene Stoffe herstellen. Solche Lebewesen heißen Produzenten.

Produzenten sind Lebewesen, die aus anorganischen Stoffen organische Stoffe aufbauen. Anorganische Stoffe sind einfache Stoffe aus der unbelebten Umwelt, zum Beispiel Wasser, Kohlenstoffdioxid oder Mineralstoffe. Organische Stoffe sind kohlenstoffhaltige Stoffe, die in Lebewesen vorkommen, zum Beispiel Traubenzucker, Stärke, Fette oder Eiweiße.

Der wichtigste Aufbauprozess ist die Fotosynthese. Fotosynthese ist der Vorgang, bei dem grüne Pflanzen mit Lichtenergie aus Kohlenstoffdioxid und Wasser Traubenzucker und Sauerstoff bilden. Dafür nutzen sie den grünen Blattfarbstoff Chlorophyll.

Definition

Produzenten sind Lebewesen, die organische Stoffe selbst herstellen können. Meist sind das Pflanzen und Algen. Sie bilden die Grundlage vieler Nahrungsketten.

Beispiel

Eine Buche nimmt Wasser über die Wurzeln auf. Über die Blätter nimmt sie Kohlenstoffdioxid aus der Luft auf. Mit Sonnenlicht stellt sie daraus Traubenzucker her. Aus diesem Zucker kann sie Holz, Blätter, Wurzeln und Früchte aufbauen.

Merke

Produzenten machen aus einfachen Ausgangsstoffen energiereiche organische Stoffe. Dadurch beginnt der Stoffkreislauf für viele Nahrungsketten.

Konsumenten geben Stoffe weiter

Pflanzen bleiben nicht allein im Kreislauf. Viele Tiere fressen Pflanzen oder andere Tiere. Dadurch wandern Stoffe von einem Körper in den nächsten.

Konsumenten sind Lebewesen, die andere Lebewesen oder deren Teile als Nahrung aufnehmen. Konsumenten können organische Stoffe nicht einfach aus Kohlenstoffdioxid und Wasser herstellen. Sie brauchen Nahrung, um Baustoffe und Energie zu bekommen. Zu ihnen gehören Pflanzenfresser, Fleischfresser, Allesfresser und auch der Mensch.

Wenn ein Reh Gras frisst, nimmt es Kohlenstoff, Wasser, Mineralstoffe und viele weitere Stoffe auf. Ein Teil wird in seinen Körper eingebaut, zum Beispiel in Muskeln oder Fell. Ein anderer Teil wird durch Atmung, Kot oder Harn wieder abgegeben.

Definition

Konsumenten sind Verbraucher im Ökosystem. Sie nehmen organische Stoffe über Nahrung auf und geben Stoffe über Atmung, Ausscheidungen oder nach ihrem Tod wieder ab.

Beispiel

Gras enthält organische Stoffe, die es durch Fotosynthese aufgebaut hat. Ein Hase frisst das Gras. Ein Fuchs frisst den Hasen. So gelangen Stoffe aus der Pflanze über mehrere Konsumenten weiter.

Gut zu wissen

Eine Nahrungskette zeigt eine einfache Fressreihenfolge, zum Beispiel Gras -> Hase -> Fuchs. Ein Nahrungsnetz ist genauer, weil viele Tiere mehrere Nahrungsquellen haben.

Destruenten schließen den Kreislauf

Ohne Zersetzer würden tote Blätter, tote Tiere und Kot immer weiter liegen bleiben. Außerdem wären viele Stoffe dann in Resten gebunden und für Pflanzen schwer erreichbar. Deshalb sind Destruenten für Stoffkreisläufe besonders wichtig.

Destruenten sind Lebewesen, die tote organische Reste und Ausscheidungen abbauen. Dazu gehören viele Bakterien, Pilze, Regenwürmer und andere Bodentiere. Beim Abbau entstehen wieder einfache Stoffe, zum Beispiel Mineralstoffe, Wasser und Kohlenstoffdioxid. Diesen Abbau nennt man Zersetzung.

Durch Zersetzung kommen Stoffe zurück in Boden, Wasser oder Luft. Pflanzen können viele dieser Stoffe wieder aufnehmen. So verbindet die Arbeit der Destruenten das Ende einer Nahrungskette mit dem Anfang einer neuen.

Definition

Destruenten sind Zersetzer. Sie bauen tote Lebewesen, Pflanzenteile und Ausscheidungen ab und machen Stoffe wieder für Produzenten verfügbar.

Beispiel

Im Wald fällt Laub auf den Boden. Regenwürmer zerkleinern es. Pilze und Bakterien bauen die Reste weiter ab. Dabei entstehen Nährstoffe im Boden, die Wurzeln wieder aufnehmen können.

Merke

Destruenten sind nicht nur Aufräumer im Ökosystem. Sie sind die Rückgabe-Stufe des Stoffkreislaufs.

Beispiel Kohlenstoffkreislauf

Jetzt schauen wir einen konkreten Stoff an: Kohlenstoff. Kohlenstoff ist ein chemisches Element, das in vielen organischen Stoffen steckt. Zucker, Stärke, Fette, Eiweiße und Holz enthalten Kohlenstoff. In der Luft kommt Kohlenstoff oft als Kohlenstoffdioxid vor. Kohlenstoffdioxid ist ein Gas mit der Formel \(CO_2\).

Beim Kohlenstoffkreislauf wandert Kohlenstoff zwischen Luft, Pflanzen, Tieren, Destruenten, Boden und manchmal auch langfristigen Speichern. Pflanzen nehmen \(CO_2\) aus der Luft auf und bauen den Kohlenstoff in Traubenzucker ein. Tiere nehmen Kohlenstoff auf, wenn sie Pflanzen oder andere Tiere fressen. Durch Zellatmung geben Lebewesen wieder \(CO_2\) ab.

Zellatmung ist der Vorgang, bei dem Zellen Traubenzucker mithilfe von Sauerstoff abbauen und nutzbare Energie gewinnen. Dabei entstehen Kohlenstoffdioxid und Wasser. Zellatmung läuft bei Pflanzen, Tieren, Pilzen und vielen Einzellern ab.

Beispiel

Eine Pflanze nimmt \(CO_2\) aus der Luft auf. Bei der Fotosynthese baut sie daraus Traubenzucker. Eine Schnecke frisst ein Blatt und übernimmt Kohlenstoff aus diesem Zucker. Die Schnecke betreibt Zellatmung und gibt einen Teil als \(CO_2\) ab. Stirbt die Schnecke, bauen Destruenten ihren Körper ab und setzen ebenfalls Kohlenstoffverbindungen frei.

Merke

Beim Kohlenstoffkreislauf wechselt Kohlenstoff zwischen \(CO_2\) in der Luft und organischen Stoffen in Lebewesen.

Stoffkreislauf und Energiefluss

Stoffe können in einem Ökosystem immer wieder umgebaut und genutzt werden. Bei Energie ist das anders. Deshalb musst du Stoffkreislauf und Energiefluss sauber unterscheiden.

Energiefluss bedeutet: Energie gelangt in ein Ökosystem, wird weitergegeben und verlässt es nach und nach als Wärme. Die wichtigste Energiequelle ist meist Sonnenlicht. Produzenten speichern einen Teil dieser Energie in organischen Stoffen wie Traubenzucker. Konsumenten nehmen diese Energie über Nahrung auf. Bei jeder Umwandlung wird aber ein Teil als Wärme abgegeben.

Ein Stoff kann also im Kreislauf bleiben. Energie braucht dagegen immer wieder Nachschub von außen, meistens durch die Sonne. Darum spricht man bei Stoffen von Kreislauf und bei Energie von Fluss.

Beispiel

Eine Pflanze nutzt Sonnenlicht für Fotosynthese. Ein Kaninchen frisst die Pflanze. Ein Fuchs frisst das Kaninchen. Die Stoffe können über Destruenten zurückgeführt werden. Die Energie wird aber bei jeder Stufe teilweise als Wärme abgegeben und kehrt nicht vollständig zur Pflanze zurück.

Definition

Ein Energiefluss ist die Weitergabe von Energie durch ein Ökosystem. Er ist kein Kreislauf, weil Energie bei Umwandlungen als Wärme abgegeben wird und ständig neu zugeführt werden muss.

Gut zu wissen

Der Unterschied ist qualitativ: Stoffe können zurückgeführt werden, Energie wird durch das Ökosystem weitergegeben und als Wärme abgegeben. Deshalb passt hier kein Zahlenvergleich, sondern die Frage nach dem Weg.

Typische Aufgaben sicher lösen

In Aufgaben sollst du oft Pfeile in einem Kreislauf erklären. Frage dich immer: Welcher Stoff wird betrachtet? Wo ist er gerade? Wer nimmt ihn auf? Wer gibt ihn wieder ab?

Bei Stoffkreisläufen sind drei Gruppen besonders hilfreich: Produzenten, Konsumenten und Destruenten. Wenn du diese Rollen erkennst, kannst du viele Abbildungen erklären. Danach ergänzt du die Prozesse: Fotosynthese baut organische Stoffe auf, Zellatmung gibt \(CO_2\) ab, Zersetzung führt Stoffe zurück.

Beispiel

Aufgabe: Erkläre den Weg von Kohlenstoff im Wald.

Gute Antwort: Kohlenstoff liegt zuerst als \(CO_2\) in der Luft vor. Pflanzen nehmen das \(CO_2\) auf und bauen den Kohlenstoff bei der Fotosynthese in Traubenzucker und andere organische Stoffe ein. Tiere nehmen den Kohlenstoff über Nahrung auf. Durch Zellatmung, Ausscheidungen und Zersetzung gelangt Kohlenstoff wieder als \(CO_2\) oder in anderen Formen in Luft und Boden.

Merke

Eine starke Erklärung nennt immer Stoff, Lebewesen-Gruppe und Prozess.

Zusammenfassung

Ein Stoffkreislauf zeigt, wie Stoffe in einem Ökosystem aufgenommen, weitergegeben, umgebaut und zurückgeführt werden. Produzenten wie Pflanzen bauen aus einfachen Stoffen organische Stoffe auf. Konsumenten nehmen diese Stoffe über Nahrung auf. Destruenten zersetzen tote Reste und Ausscheidungen, damit Stoffe wieder verfügbar werden.

Beim Kohlenstoffkreislauf nehmen Pflanzen Kohlenstoffdioxid aus der Luft auf und bauen den Kohlenstoff in Zucker und andere organische Stoffe ein. Tiere übernehmen Kohlenstoff über Nahrung. Durch Zellatmung und Zersetzung gelangt Kohlenstoff wieder zurück in Luft, Boden oder Wasser.

Der wichtigste Unterschied lautet: Stoffe können in Kreisläufen wiederverwendet werden. Energie fließt dagegen durch das Ökosystem und wird bei jeder Stufe teilweise als Wärme abgegeben.