5._Teil_2_OEkologie_See_0809
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Ökologie Energiedurchfluss Von der täglichen, auf die Erdatmosphäre treffenden Sonnenenergie dringen lediglich 1/10 in Form von Licht durch die Erdatmosphäre. Denn 9/10 der Sonnenenergie werden in der Atmosphäre reflektiert oder dort in Wärmeenergie umgewandelt. Von der eintreffenden Lichtenergie wird nur etwa 1% durch Photosynthese in chemisch gebundene Energie umgewandelt, z.B. in Energie im Traubenzucker. Diese Masse der von den Produzenten gebildeten energiereichen Stoffe wird als Bruttoprimärproduktion bezeichnet. Etwa die Hälfte dieser Bruttoprimärproduktion davon bauen die Pflanzen für ihre Aktivitäten des Stoffwechsels wieder ab (Dissimilation). Der Rest wird genutzt für den Baustoffwechsel, für den Aufbau von Biomasse: Die Pflanze wächst, blüht, bildet Samen und Früchte. Diese Biomasse, die sogenannte Nettoprimärproduktion, wird früher oder später von Konsumenten oder Destruenten gefressen. Alle Konsumenten und Destruenten leben direkt oder indirekt also von der Nettoprimärproduktion der Pflanze! Sie benutzen das organische Material und die darin gespeicherte Energie nach dem gleichen Schema wie die Pflanzen. Die Konsumenten gewinnen aus ihrer Nahrung die Nährstoffe (Bruttoproduktion). Ca. die Hälfte der Energie dieser Bruttoproduktion wird abgebaut und geht in Form von Wärme verloren (Dissimilation), die andere Hälfte, die Energie der Nettoproduktion, gelangt an die Destruenten oder an die Konsumenten der nächst höheren Nahrungsstufe. Abb. 1: Energiefluss (helle Pfeile) im Ökosystem See. Die dunklen Pfeile zeigen Ausschnitte aus dem Kohlenstoff-Kreislauf. Da die Energie, die von der nächsten Nahrungsstufe genutzt werden kann, im Mittel um 90 % abnimmt, kann die Verteilung der Energie auf den einzelnen Nahrungsebenen durch eine Pyramide dargestellt werden. Abb. 2: Die Energiepyramide (Bruttoproduktion) Biologie 1aAN / 1fM 08 / 09 Ökologie 1. Wieviel Prozent der Energie der Bruttoproduktion wird durchschnittlich für die Dissimilation und wieviel für den Aufbau von körpereigener Biomasse benötigt? Für Dissimilation: Für Biomasse: 2. Ergänzen Sie die Gleichung: Energie der Bruttoproduktion = Energie der Nettoproduktion (Biomasse) + __________________________ 3. Wieviel Prozent der Energie aus der Bruttoproduktion gelangen schliesslich an die Destruenten, wieviel an die Konsumenten der nächst höheren trophischen Stufe? An die Destuenten: An die Konsumenten: 4. Reiherenten fressen Wandermuscheln. Die Wandermuscheln liefern den Enten also ihre Bruttoproduktion. Um welchen Faktor muss die Bruttoproduktion der Wandermuscheln grösser gewesen sein als diejenige der Enten? Begründen Sie. 5. Es besteht ein grosser Unterschied in der für den Menschen nutzbaren Energiemenge, wenn er aus 10'000 kJ Weizen Rindfleisch produziert, oder wenn ob er 10’000kJ Weizen selber isst. Erklären Sie warum. 6. Diskutieren Sie auf dem Hintergrund des Energiedurchflusses die Futtermittelimporte (Getreide) aus Entwicklungsländern für die Fleischproduktion in den Industrieländern. Biologie 1aAN / 1fM 08 / 09 Ökologie 4. Reiherenten fressen Wandermuscheln. Die Wandermuscheln liefern den Enten also ihre Bruttoproduktion. Um welchen Faktor muss die Bruttoproduktion der Wandermuscheln grösser gewesen sein als diejenige der Enten? Begründen Sie. 4. Reiherenten fressen Wandermuscheln. Die Wandermuscheln liefern den Enten also ihre Bruttoproduktion. Um welchen Faktor muss die Bruttoproduktion der Wandermuscheln grösser gewesen sein als diejenige der Enten? Begründen Sie. 4. Reiherenten fressen Wandermuscheln. Die Wandermuscheln liefern den Enten also ihre Bruttoproduktion. Um welchen Faktor muss die Bruttoproduktion der Wandermuscheln grösser gewesen sein als diejenige der Enten? Begründen Sie. Biologie 1aAN / 1fM 08 / 09 Ökologie Energie in der Einbahnstrasse Ökosysteme sind auf ständigen „Energienachschub“ von ___________________ angewiesen. Doch nur geringer Teil der auf die grünen Pflanzen auftreffende Energie wird von den _______________________ überhaupt absorbiert, der größte Teil wird in Form von ___________________________ in das Weltall abgestrahlt. Jedes Glied der Nahrungskette verbraucht etwa _______ % der aufgenommenen Energie für seine eigenen Lebensprozesse. Im Schnitt werden der Rest, etwa _______ % der aufgenommenen Energie in Biomasse gespeichert. Etwa _______ % werden von einem Glied der Nahrungskette zum nächsten weitergegeben. Auch die in der Biomasse gespeicherte Energie wird früher oder später von den ______________________ genutzt und dabei in Wärmeenergie umgewandelt. Die von der Sonne aufgenommene Energie wird also beim Durchlaufen der Nahrungskette in ___________________________ umgewandelt, die für lebende Organismen nicht mehr nutzbar ist. Biologie 1aAN / 1fM 08 / 09 Ökologie Aufgaben zur Produktivität von Pflanzen und Tieren Abb. 1: Nettoprimärproduktion verschiedener Ökosysteme und ihr Beitrag an der Biosphäre 1. Welche Ökosysteme produzieren am meisten Biomasse pro Fläche? ................................................................................................................................................................... 2. Welche Ökosysteme der Biosphäre leisten den grössten Anteil an der jährl. Nettoprimärprodukten? ................................................................................................................................................................... 3. Warum sind die genannten Ökosysteme aus 1. nicht übereinstimmend mit denjenigen in 2.? ................................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................... Abb. 2: Energieverwertung bei verschiedenen Konsumenten: In jedem Kästchen finden Sie Angaben zum Anteil der Energie, welcher verloren geht durch Ausscheidung von Unverdaulichem (dunkel), welcher genutzt wird für die Dissimilation (gepunktet) und welcher in Form von körpereigener Biomasse gespeichert wird (hell). (!! : 100% entsprechen nicht der Nettoproduktion der vorangehenden trophischen Stufe, sondern der Menge an gefressener Nahrung.) 4. Berechnen Sie den Anteil der BRUTTOPRODUKTION an der Mege der gefressenen Nahrung. Pflanzenfressende Säuger: ............ Greifvögel: .............. Insekten: ............ 5. Warum können Pflanzenfresser weniger Energie aus der Nahrung nutzen als Fleischfresser? ................................................................................................................................................................... 6. Warum besitzen Greifvögel im Unterschied zu den Pflanzenfressern eine hohe Dissimilationsrate? .................................................................................................................................................................. 7. Nicht nur Insekten, sondern viele wechselwarmen Tiere besitzen eine hohe Nettoproduktion. Weshalb? ................................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................... 8. Inwiefern unterscheidet sich die Netto(primär)produktion der vorangehenen trophischen Stufe von der Menge an Nahrung, welche durch die Tiere gefressen wird? ................................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................... Biologie 1aAN / 1fM 08 / 09 Ökologie Stoffkreislauf am Beispiel des Kohlenstoffs 1. Bezeichnen Sie die Zahlen mit folgenden Begriffen: (Auch zwei Zahlen pro Begriff möglich) ............. Zellatmung, ............ Photosynthese, .............. Bildung von Kohlensäure, ............ Verbrennung, ................Ausgasen von Kohlendioxid, .................. Bindung im Gestein. 2. Je .............................. die Artenvielfalt, desto ...................................... ist die Vernetzung zwischen den verschiedenen trophischen Stufen, desto .................................... ist das biologische Gleichgewicht innerhalb eines Stoffkreislaufs. 3. Der Mensch nutzt die fossilen Energiestoffe. Woher stammt die Energie in dieser Biomasse ursprünglich? ........................................................................................................................................................................... ........................................................................................................................................................................... 4. Das biologische Gleichgewicht im Kohlenstoffkreislauf verschiebt sich durch die Nutzung der fossilien Energiträger kontinuierlich. Beschreiben Sie die Veränderungen in der Atmosphäre und die Konsequenzen für das Klima. ........................................................................................................................................................................... ........................................................................................................................................................................... 5. Wie könnte sich folglich das Klima zur Zeit der Ablagerung der fossilen Brennstoffe verändert haben. ........................................................................................................................................................................... ........................................................................................................................................................................... Biologie 1aAN / 1fM 08 / 09 Ökologie Schadstoffanreicherung Bei PCB handelt es sich um Polychlorierte Biphenyle, welche bis in die 80ger Jahre des letzten Jahrhunderts in elektrischen Bauteilen verwendet wurden. Weiter wurde PCB als Weichmacher in Kunststoffen und Lacken verwendet. In den folgenden Jahren folgte ein Verbot für die Verarbeitung von PCB. Denn PCB Verbindungen sind biologisch schwer abbaubar und giftig. Über ungenügend gereinigte Abwasseranlagen gelangten diese PCB Verunreinigungen in Flüsse und Seen, von dort ins Meer, wo diese von Algen aufgenommen wurden. Noch heute tragen wir Altlasten aus der Zeit ihrer Verwendung: Aufgaben: 1. Abb. 1: Schadstoffanreicherung Welche wichtigen Eigenschaften ein Stoff besitzen muss, damit es in der Nahrungskette zur Anreicherung kommt. ............................................................................................................................ 2. Welche Bedeutung besitzt diese Erkenntnis bezüglich Stoffanreicherung in der Nahrungskette für den Menschen als Endkonsumenten? ................................................................................................................... ........................................................................................................................................ ............................................................................. ............................................................................. ............................................................................. ............................................................................. Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor „“ benötigt. ............................................................................. Abb. 2: Belastung der Meerestiere mit PCB in ihrem Körperfett (Grenzwert 0,3 mgPCB/kg Gesamtmasse) Biologie 1aAN / 1fM 08 / 09 Ökologie Stoffkreislauf und Energiedurchfluss (zu Natura für Schweizer Mittelschulen Seiten 116 / 117) 1. Begriffe in den Lücken ergänzen: Produzenten, Konsumenten 1. Ordn., Konsumenten 2. Ordn., Konsumenten 3. Ordn., Destruenten. 2. Pfeile mit Farbe nachzeichnen: Kohlenstoff in der Biomasse rot, Kohlenstoff im CO2 blau. 3. Weg der Energie neu einzeichnen mit einer dritten Farbe: Energie in Form von Licht: Energieverluste durch Dissimilation: Energieweitergabe in der Biomasse 4. Stoffkreislauf bedeutet: ..................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... 5. Energiedurchfluss bedeutet: ..................................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................................... Biologie 1aAN / 1fM 08 / 09 Ökologie Die Schichten im See (ergänzend zu Natura, Biologie für Schweizer Mittelschulen, Seite 112 - 113) 1. LICHT FÜHRT ZUR SCHICHTUNG Der abiotischer Umweltfaktor Licht bestimmt, bis zu welcher Wassertiefe, es Pflanzen in einem See gibt. Denn Pflanzen benötigen diesen Faktor für ihre Fotosynthese Dieser Faktor ist je nach Wassertiefe unterschiedlich. Denn je nach Trübung durch Schlamm oder Algen bleiben in einem Meter Wassertiefe von der gesamten Lichteinstrahlung nur etwa 50% übrig! Daher bleiben viele Pflanzen nahe an der Wasseroberfläche und sind Erzeuger (Produzenten) der Nahrung für die anderen Lebewesen. Das Prifil eines Sees lässt sich nun nach den vorherrschenden Aufbau- und Abbauprozessen in zwei Stockwerke gliedern. In der oberen Etage, der Nährschicht, reicht die Lichtstärke für die Fotosynthese der Pflanzen aus. Hier wird mehr organische Substanz hergestellt als die Pflanzen selber durch ihre Dissimilation verbrauchen. In der dunklen Schicht darunter sinken viele abgestorbenen Pflanzen und Tiere ab. Abfallfresser zerkleinern ihre Leichen. Bakterien und Pilze zersetzen die Überreste zu Mineralstoffen und Kohlendioxid. Da alle Destruenten in dieser Zone nur die in der Nährschicht produzierten organischen Substanzen verbrauchen, nennt man sie die Zehrschicht. Neben dem Licht führt der Umweltfaktor Temperatur zur Ausbildung einer Schichtung. Diese Schichtung hängt ab von der Stärke der jahreszeitlichen Sonneneinstrahlung. Biologie 1aAN / 1fM 08 / 09 Ökologie 2. DER EINFLUSS DER TEMPERATUR: Modellversuch zur Dichte des Wassers in Abhängigkeit der Temperatur Wasser als Grundlage ein jeden Lebens besitzt tatsächlich besondere physikalische Eigenschaften. Diese Besonderheiten hängen mit der Chemie, d.h. mit dem Aufbau des Wassermoleküls zusammen. Außergewöhnlich im Vergleich zu anderen Stoffen verändert sich zum Beispiel die Dichte (spezifisches Gewicht) in Abhängigkeit der Temperatur. Dazu ein Versuch: Material und Geräte: Eiswürfel mit Kaliumpermanganat Standzylinder (1 Liter) Thermometer Durchführung: 1. Man füllt den Standzylinder mit Leitungswasser. 2. Anschließend gibt man vorsichtig auf die Oberfläche des Zylinders die KaliumpermanganatEiswürfel. 3. Nach Auflösung der Eiswürfel misst man in verschiedenen Wassertiefen die Temperatur. 4. Die Ergebnisse werden in der Zeichnung dargestellt. Ausganssituation: Eiswürfel wird auf das Wasser gelegt Endzustand: Eiswürfel schmilzt, kaltes Wasser vermischt sich mit wärmerem Wasser Resultate: AUSGANSSITUATION ENDZUSTAND Interpretation: ............................................................................................................................................................................ ............................................................................................................................................................................ ............................................................................................................................................................................ Biologie 1aAN / 1fM 08 / 09 Ökologie 2. DER EINFLUSS DER TEMPERATUR Modellversuch zur Dichte des Wassers in Abhängigkeit der Temperatur Wasser als Grundlage ein jeden Lebens besitzt tatsächlich besondere physikalische Eigenschaften. Diese Besonderheiten hängen mit der Chemie, d.h. mit dem Aufbau des Wassermoleküls zusammen. Außergewöhnlich im Vergleich zu anderen Stoffen verändert sich zum Beispiel die Dichte (spezifisches Gewicht) in Abhängigkeit der Temperatur. Dazu ein Versuch: Material und Geräte: Warmes Wasser mit Kaliumpermanganat (violetter Farbstoff) Eiswürfel Leitungswasser 4°C Glaszylinder Aquarium Klarsichtfolie Durchführung: 1. • Man füllt den Zylinder mit Leitungswasser. • Nun gibt man vorsichtig auf die Oberfläche des Wassers die Eiswürfel. • Nun wird die Wassertempertur in verschiedenen Höhen des Zylinders gemessen. • Die Ergebnisse zu diesem ersten Versuch werden in einer Zeichnung protokolliert. 2. • Das Aquarium wird mit 4°C Wasser gefüllt. • Die Oberfläche bedeckt man einem Stück Klarsichtfolie. • Das warme farbige Wasser wird nun vorsichtig über die Folie gebracht. • Darauf wird die Klarsichtfolie sorgfältig weggezogen. • Es wird die Durchmischung des violetten Wassers mit dem Leitungswasser beobachte und die Ergebnisse in einer Zeichnung festgehalten. Resultate: VERSUCH MIT EISWÜRFELN VERSUCH MIT GEFÄRBTEM WARMEM WASSER Interpretation: ............................................................................................................................................................................ ............................................................................................................................................................................ http://www.chemie-interaktiv.net/bilder/dichteanomalie.swf Biologie 1aAN / 1fM 08 / 09 Ökologie 3. DER SEE IM JAHRESLAUF 1. Unter welcher Bedingung kann das Wasser in der Tiefe eines Sees kälter als 4°C werden? ............................................................................................................................................................................ 2. Eine Durchmischung zwischen warmem Oberflächenwasser und unterem kaltem Tiefenwasser ist im Sommer kaum möglich. Erklären Sie, warum sich im Sommer diese so genannte Sprungschicht im See bildet, eine Schicht, welche den See in eine untere Kaltwasserzone und die obere Warmwasserzone trennt. ............................................................................................................................................................................ ............................................................................................................................................................................ 3. Zeichnen Sie in jede der vier Darstellungen (Sommer-Herbst-Winter-Frühling) den Temperaturverlauf des Wassers in Abhängigkeit der Wassertiefe ein (Schätzwerte). 4. Begründen Sie das starke Wachstum des Phytoplanktons und das unterschiedliche Wachstum des Zooplanktons in Abhängigkeit der abiotischen und biotischen Faktoren. (Abb. 2 und 3) ....................................................................................... ....................................................................................... ....................................................................................... ....................................................................................... Abb. 2: abiotische Faktoren im Jahreslauf Abb. 3: Phytoplankton und Zooplankton im Jahreslauf (aus Kronberg, Natura für Gymnasien, Ökologie, Klettverlag, 1996) Biologie 1aAN / 1fM 08 / 09 Ökologie Der See im Jahreslauf Fragen: 1. Unter welchen Bedingungen kann das Tiefenwasser kälter als 4°C sein? 2. Erklären Sie die Bildung des Metalimnials in eigenen Worten. 3. Begründen Sie das starke Wachstum des Phytoplanktons im Frühling und Herbst in Abhängigkeit der abiotischen Faktoren. (Abb. 2 und 3) 4. Begründen Sie das unterschiedl. Wachstum des Zooplanktons! (Abb. 2 und 3) 2 abiotische Faktoren im Jahreslauf 3 Phytoplankton und Zooplankton um Jahreslauf (aus Kronberg, Natura für Gymnasien, Ökologie, Klettverlag, 1996) Biologie 1aAN / 1fM 08 / 09 Ökologie Eutrophierung (zu Natura für Schw. Mittelschulen Seite 114) ZUR GRAPHIK 1: 1. Schätzen Sie den Sauerstoffgehalt des Wassers eines gesunden Sees im Jahreslauf und zeichnen die Kurven. 2. Welche Merkmale (z.B. Wassertiefe, Klima im Jahreslauf, Größe, ...) eines Sees führen dazu, dass er im eutrophen Zustand weniger stark vom Umkippen bedroht ist? Warum? ZUR GRAPHIK 2: 3. Im Verlaufe der Jahreszeiten verändern sich die einzelnen biotischen und abiotischen Faktoren in der Nährschicht eines gesunden Sees. Zeichnen die Kurven zur Veränderung von: (a) Temperatur, (b) Licht, (c) Phytoplankton, (d) Zooplankton (Konsument 1. Ordn., frisst Phytoplankton) 4. Welcher Faktor ist die hauptsächliche Ursache für eine Eutrophierung? Warum? ZUR GRAPHIK 3: 5. Im Jahreslauf verändern sich die einzelnen biotischen und abiotischen Faktoren in der Zehrschicht des gesunden Sees. Zeichnen die Kurven zur Veränderung von: (a) Toter Biomasse aus der Massenvermehrung im Frühsommer, (b) Aeroben Destruenten, (c) Anaeroben Bakterien, (d) Faulschlamm und -gase. 6. Fast jeder See bildet Faulschlamm in der Tiefe. Aber unter welchen Bedingungen kommt es zum „Umkippen“? 1: SAUERSTOFFGEHALT DES SEEWASSERS IM JAHRESLAUF 2: VERÄNDERUNGEN IN DER NÄHRSCHICHT (a) Temperatur (b) Licht (c) Phytoplankton (d) Zooplankton (e) Mineralstoffe 3: VERÄNDERUNGEN IN DER ZEHRSCHICHT (a) Tote Biomasse (b) Aerobe Destruenten (c) Anaerobe Bakterien (d) Faulschlamm und Faulgase (e) Mineralstoffe Biologie 1aAN / 1fM 08 / 09
