Trophiestufen bestimmen: Nahrungsketten und Energiefluss

Das Wort trophisch bedeutet „die Ernährung betreffend“. Eine Trophiestufe fasst Organismen mit einer vergleichbaren Ernährungsweise zusammen.

Die Zählung beginnt bei den Produzenten:

1. Produzenten bilden die erste Trophiestufe.
2. Primärkonsumenten bilden die zweite Trophiestufe.
3. Sekundärkonsumenten bilden die dritte Trophiestufe.
4. Tertiärkonsumenten bilden die vierte Trophiestufe.
5. Weitere Räuber können noch höhere Stufen bilden.

Eine Nahrungskette zeigt eine einzelne Abfolge von Nahrungsbeziehungen. Mehrere miteinander verknüpfte Nahrungsketten bilden ein Nahrungsnetz.

Produzenten bauen aus anorganischen Ausgangsstoffen wie Wasser und Kohlenstoffdioxid organische Stoffe wie Zucker auf. Pflanzen und Algen nutzen dazu meist Sonnenlicht: Bei der Fotosynthese entstehen aus Wasser und Kohlenstoffdioxid energiereiche organische Stoffe, etwa Zucker. Zum Wachsen benötigen sie außerdem Mineralstoffe. Die organische Substanz von Lebewesen nennen wir hier Biomasse, zum Beispiel Blätter oder Muskelgewebe.

Die meisten Nahrungsketten beruhen auf Fotosynthese. Manche Bakterien gewinnen die nötige Energie stattdessen aus chemischen Reaktionen mit anorganischen Stoffen. Auch sie können Produzenten sein.

Konsumenten müssen andere Lebewesen oder deren Biomasse als Nahrung aufnehmen:

• Primärkonsumenten fressen Produzenten. Es handelt sich meist um Pflanzenfresser.
• Sekundärkonsumenten fressen Primärkonsumenten.
• Tertiärkonsumenten fressen Sekundärkonsumenten.
• Ein Spitzenprädator ist ein Räuber ohne regelmäßige natürliche Fressfeinde im betrachteten Nahrungsnetz. Allein das letzte Glied einer gezeichneten Kette zu sein, macht ein Tier noch nicht zum Spitzenprädator.

Eine Art hat dabei nicht automatisch eine einzige, unveränderliche Stufe. Kohlmeisen fressen sowohl pflanzliche Nahrung als auch Tiere. Frisst eine Kohlmeise einen Samen, ist sie in dieser Beziehung Primärkonsument. Frisst sie eine pflanzenfressende Raupe, ist sie Sekundärkonsument. Allesfresser verbinden so verschiedene Nahrungsketten.

Auch im Wasser gilt dieselbe Zuordnung. Phytoplankton umfasst im Wasser schwebende, Fotosynthese betreibende Organismen. Zooplankton ist tierisches Plankton; es ernährt sich je nach Art unterschiedlich. Die folgende vereinfachte Modellkette betrachtet ausdrücklich algenfressendes Zooplankton und einen Orka, der den dargestellten Raubfisch frisst:

Phytoplankton → algenfressendes Zooplankton → kleiner Fisch → Raubfisch → Orka

Diese Kette besitzt fünf Trophiestufen. Der Orka ist darin Konsument vierter Ordnung.

Fotosynthese betreibende Produzenten wandeln Sonnenenergie in chemische Energie um und speichern einen Teil davon in ihrer Biomasse. Frisst ein Konsument diese Biomasse, wird nur ein Teil der enthaltenen Energie in neue eigene Biomasse überführt.

Energie steht der nächsten Trophiestufe aus mehreren Gründen nicht vollständig zur Verfügung:

• Nicht alle Teile eines Organismus werden gefressen.
• Nicht alle gefressenen Bestandteile werden verdaut.
• Organismen verbrauchen Energie für Lebensvorgänge, etwa Bewegung und Stoffwechsel.
• Ein Teil der Energie wird als Wärme an die Umwelt abgegeben.

Als grobe Näherung dient die 10-%-Regel: Etwa 10 % der Energie, die auf einer Stufe in neuer Biomasse gespeichert wird, werden auf der nächsten Stufe in neue Biomasse überführt. Rund 90 % werden auf diesem Weg nicht weitergegeben. Die tatsächlichen Anteile unterscheiden sich zwischen Organismen und Ökosystemen.

Verglichen wird die Energie in der gesamten neu gebildeten Biomasse einer Stufe für denselben Zeitraum und denselben betrachteten Bereich. Die Regel bedeutet weder, dass jedes Tier genau 10 % seiner Nahrung als Körpermasse ansetzt, noch dass sämtliche übrige Energie sofort Wärme wird. Ungefressene Reste können beispielsweise noch Zersetzern als Nahrung dienen.

Die geringe Energieübertragung begrenzt die Länge vieler Nahrungsketten. Für immer weitere Konsumentenstufen bleibt meist zu wenig nutzbare Energie, um dauerhaft weitere Gruppen von Konsumenten zu ernähren. Daraus folgt aber keine feste Höchstzahl für jede Nahrungskette.

Destruenten oder Zersetzer bauen tote Biomasse und organische Abfälle ab. Dazu gehören viele Pilze und Bakterien. Sie setzen beim Abbau unter anderem anorganische Nährstoffe frei, die Produzenten erneut nutzen können.

Tiere wie Regenwürmer unterstützen den Abbau: Sie fressen und zerkleinern abgestorbenes Material und mischen es in den Boden ein. Mikroorganismen übernehmen wesentliche Schritte der weiteren Zersetzung. Das Freisetzen anorganischer Nährstoffe aus organischem Material heißt Mineralisierung.

Destruenten lassen sich nicht immer sinnvoll als bloße „letzte Stufe“ einer einzigen Nahrungskette darstellen. Sie verwerten Material von Produzenten und Konsumenten verschiedener Trophiestufen und verbinden diese mit dem Stoffkreislauf.

Gehe bei einer neuen Nahrungskette in vier Schritten vor:

1. Suche den Produzenten. Er bildet die erste Trophiestufe.
2. Folge den Pfeilen in Richtung des fressenden Organismus.
3. Bestimme bei jedem Konsumenten, welche vorherige Stufe er frisst.
4. Zähle die Energieübertragungen und erkläre, warum dabei jeweils nur ein Teil der Energie in neuer Biomasse der nächsten Stufe ankommt.

Deine Anwendung

Ordne die Organismen der Kette Ringelblume → Raupe → Kohlmeise → Sperber den Trophiestufen zu. Erkläre anschließend, warum beim Sperber weniger nutzbare Energie ankommt als bei der Raupe.

Lösung und Begründung

Die Ringelblume ist Produzentin auf Stufe 1. Die Raupe frisst sie und steht als Primärkonsument auf Stufe 2. Die Kohlmeise frisst die Raupe und steht auf Stufe 3. Der Sperber frisst die Kohlmeise und steht auf Stufe 4. Zwischen Raupe und Sperber liegen zwei weitere Fressschritte. Dabei wird Energie für Lebensvorgänge genutzt und als Wärme abgegeben; nur ein Teil gelangt jeweils in neue Biomasse.

Du kannst eine Nahrungskette nun vom Produzenten aus lesen, die Konsumentenordnungen bestimmen und die begrenzte Länge der Kette mit dem gerichteten Energiefluss erklären.