WissenÖkologie
\n\nIn der Prüfung bekommst du eine Toleranzkurve oder Messwerte zu einer Art und sollst Aussagen zum Vorkommen begründen; Punkte gibt es für den Bezug auf Minimum, Optimum und Maximum, nicht fürs Ablesen allein. Jede Art kann nur in einem bestimmten Bereich eines Umweltfaktors leben, zum Beispiel zwischen einer niedrigsten und einer höchsten Temperatur. Eine Toleranzkurve zeigt diesen Bereich mit Minimum, Optimum und Maximum. Misst man ohne Konkurrenten, etwa im Labor, erhält man die physiologische Potenz; in der Natur ist der genutzte Bereich oft kleiner und verschoben, das ist die ökologische Potenz. Arten mit breitem Toleranzbereich heißen euryök, solche mit schmalem stenök. Stenöke Arten zeigen an, wie die Bedingungen an einem Ort sind.
Warum wachsen Moose an feuchten Stellen und Kakteen in der Wüste? Weil jedes Lebewesen bestimmte Bedingungen braucht. Den Lebensraum mit seinen unbelebten Eigenschaften nennt man Biotopder Lebensraum mit seinen unbelebten Bedingungen, etwa ein See oder eine Wiese, alle Lebewesen darin zusammen die Biozönosedie Lebensgemeinschaft aller Arten in einem Biotop. Biotop und Biozönose zusammen bilden ein Ökosystemein Biotop mit allen Lebewesen darin und ihren Beziehungen.
\nAuf ein Lebewesen wirken zwei Arten von Umweltfaktoren. Abiotische Faktorenunbelebte Einflüsse: Temperatur, Licht, Wasser, pH-Wert, Salzgehalt, Nährstoffe sind unbelebt, etwa Temperatur, Licht, Wasser oder pH-Wert. Biotische FaktorenEinflüsse durch andere Lebewesen: Konkurrenten, Räuber, Beute, Parasiten, Partner kommen von anderen Lebewesen: Konkurrenten, Räuber, Parasiten, Partner. Wie stark ein Faktor ein Lebewesen beeinflusst, kann man messen und als Kurve darstellen.
\nToleranzkurve einer Art · Du siehst Kurven für einen Umweltfaktor. Breit heißt euryök, schmal heißt stenök.
\n\nGesetz vom Minimum: Das Wachstum richtet sich nach dem Faktor, der am knappsten ist, wie ein Fass mit unterschiedlich langen Brettern nur bis zum kürzesten Brett gefüllt werden kann. Mehr Dünger hilft nichts, wenn Wasser fehlt.
\n\nWechselwarmepoikilotherme Tiere: Ihre Körpertemperatur folgt der Umgebung, etwa Insekten, Fische, Reptilien (poikilotherme) Tiere wie Eidechsen oder Fische haben etwa die Temperatur ihrer Umgebung. Wird es kälter, laufen ihre Enzyme langsamer: Nach der RGT-RegelReaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel: 10 °C mehr verdoppeln bis verdreifachen die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen halbiert sich die Geschwindigkeit ungefähr bei 10 °C weniger. Sie werden träge oder fallen in Kältestarre. Gleichwarmehomoiotherme Tiere: halten ihre Körpertemperatur fast gleich, Vögel und Säugetiere (homoiotherme) Tiere, also Vögel und Säugetiere, halten ihre Körpertemperatur fast konstant. Das kostet viel Energie, macht sie aber unabhängiger von der Außentemperatur.
\n\nDer Botaniker Heinz Ellenberg legte in Hohenheim bei Stuttgart Beete an, deren Boden von einem Ende zum anderen immer weiter über dem Grundwasser lag: vorne nass, hinten trocken. Darauf säte er Wiesengräser, jede Art einmal allein (Reinkultur) und einmal alle zusammen (Mischkultur). Er wollte wissen, ob eine Art dort wächst, wo es ihr am besten passt, oder dort, wo die Konkurrenten sie lassen.
\nDas Ergebnis: In der Mischung waren die Arten anders verteilt als allein. Der Glatthafer (Arrhenatherum elatius) verdrängte die anderen über den größten Teil der Beete, und sein Vorsprung wuchs, je trockener der Boden war. Der Wiesen-Fuchsschwanz (Alopecurus pratensis) wuchs allein auch weiter hinten im Trockenen, in der Mischung hielt er nur am nassen Ende mit, die Aufrechte Trespe (Bromus erectus) schnitt in der Mischung überall schlechter ab, als ihr Wachstum allein erwarten ließ.
\nEllenberg, Berichte der Deutschen Botanischen Gesellschaft 1953; neu ausgewertet von Hector u. a., PLoS ONE 7 (2012), e43358.
\nDie Kurven in Reinkultur zeigen die physiologische Potenz, die in Mischkultur die ökologische. Genau diesen Unterschied verlangen Abituraufgaben: Die ökologische Potenz ist oft kleiner und verschoben, weil Konkurrenz eine Art aus Teilen ihres Bereichs verdrängt. Eine Darstellung, die die Vorkommen mehrerer Arten über zwei Faktoren zeigt (etwa Feuchte und Säure des Bodens), heißt Ökogrammein Diagramm, das zeigt, unter welchen Kombinationen zweier Faktoren welche Art vorherrscht.
\n\nThema: Wiesengräser und Grundwasser. Material ist der Versuch von Ellenberg oben.
\n1 Beschreiben Sie den Versuchsaufbau und nennen Sie die unabhängige und die abhängige Variable. (4 BE)
\n2 Erklären Sie die unterschiedliche Verbreitung des Wiesen-Fuchsschwanzes in Rein- und Mischkultur mithilfe der Begriffe physiologische und ökologische Potenz. (6 BE)
\n3 Ein Landwirt findet auf einer Wiese viel Wiesen-Fuchsschwanz und kaum Glatthafer. Leiten Sie daraus eine Aussage über den Boden ab und beurteilen Sie, wie sicher diese Aussage ist. (5 BE)
\nVon uns erstellt nach dem Muster der Abituraufgaben, mit den Ergebnissen des echten Versuchs. BE heißt Bewertungseinheiten.
\nZu 1 (AFB I): Beete mit einem Gefälle des Abstands zum Grundwasser (nass bis trocken), jede Art allein und alle zusammen gesät. Unabhängige Variable: Abstand zum Grundwasser (Bodenfeuchte) und die Konkurrenz (allein oder gemischt). Abhängige Variable: Wachstum, gemessen als Pflanzenmasse.
\nZu 2 (AFB II): Allein wächst der Fuchsschwanz auch im trockeneren Bereich → das zeigt seine physiologische Potenz, ohne Konkurrenz gemessen. In der Mischung verdrängt ihn der konkurrenzstärkere Glatthafer aus dem trockeneren Bereich → er bleibt am nassen Ende, wo er konkurrenzfähig ist → seine ökologische Potenz ist kleiner und zum nassen Ende verschoben.
\nZu 3 (AFB II und III): Ableitung: Der Boden ist wahrscheinlich feucht, weil der Fuchsschwanz sich in Konkurrenz vor allem auf nassem Boden hält. Beurteilung: Die Aussage ist eher unsicher. Kriterien: Der Versuch prüfte nur einen Faktor; auf der Wiese wirken weitere Faktoren (Düngung, Mahd, Beweidung, Licht), und es wachsen andere Konkurrenten. Für eine sichere Aussage müsste man die Bodenfeuchte messen.
\nWas die Korrektur erwartet: Variablen richtig benannt, beide Potenzen mit Begründung (Konkurrenz), beim Beurteilen Kriterien und ein klares Urteil.
\nEine echte Abituraufgabe zu Konkurrenz, ökologischer Nische und Klima mit Lösung: „Alpenschneehase und Feldhase“, grundlegendes Niveau (PDF).
\n\nWelche Punkte dein Kurs braucht, steht im Kasten deines Landes oben.
\nEine Algenart wächst bei 10, 15 und 20 °C, am schnellsten bei 20 °C. a) Reichen diese Daten für eine Toleranzkurve? b) Plane, wie du das Experiment verbessern würdest.
\na) Nein. Drei Werte zeigen nur einen Anstieg. Ob 20 °C das Optimum ist, weiß man nicht, weil Werte darüber fehlen. Minimum und Maximum sind unbekannt.
\nb) Mehr Temperaturen über den ganzen Bereich, etwa von 0 bis 40 °C in Schritten von 5 °C, bis kein Wachstum mehr messbar ist. Alle anderen Faktoren gleich halten (Licht, Nährstoffe, Gefäß), mehrere Ansätze je Temperatur, Mittelwerte bilden. Erst dann Minimum, Optimum und Maximum ablesen.
\nWissenÖkologie
\nIn der Prüfung bekommst du eine Wachstumskurve und sollst sie beschreiben und erklären; Punkte gibt es für die Begründung mit den Faktoren, die das Wachstum fördern oder begrenzen, nicht nur für die Beschreibung. Eine Population wächst, solange mehr Tiere geboren werden als sterben. Bei unbegrenzten Ressourcen wächst sie exponentiell: Je mehr Tiere es gibt, desto mehr Nachwuchs, die Kurve wird immer steiler. In der Natur werden Nahrung und Platz irgendwann knapp, dann bremsen dichteabhängige Faktoren wie Konkurrenz und Krankheiten, und die Population nähert sich der Kapazität K des Lebensraums: Das ist logistisches Wachstum. Arten mit vielen Nachkommen und wenig Brutpflege heißen r-Strategen, Arten mit wenigen, gut versorgten Nachkommen K-Strategen.
Nur LK: „exponentielles und logistisches Wachstum, Wachstumsrate r, … Kapazität K“, r- und K-Strategen.
\nLehrplan Biologie Hauptphase, Leistungskurs (2023) · Grundkurs (2023)
Eine Populationalle Lebewesen einer Art, die in einem Gebiet leben und sich miteinander fortpflanzen können sind alle Tiere oder Pflanzen einer Art in einem Gebiet, zum Beispiel alle Rehe eines Waldes. Ihre Größe ändert sich ständig: Tiere werden geboren, sterben, wandern zu oder ab.
\nDie GeburtenrateZahl der Geburten in einer bestimmten Zeit, bezogen auf die Größe der Population minus die SterberateZahl der Todesfälle in einer bestimmten Zeit, bezogen auf die Größe der Population ergibt die Wachstumsrate rum welchen Anteil die Population in einer Zeiteinheit wächst, zum Beispiel 0,3 heißt: 30 % mehr pro Jahr. Ist r positiv, wächst die Population, ist r negativ, schrumpft sie.
\nWichtig ist: Der Zuwachs hängt davon ab, wie viele Tiere schon da sind. Zehn Paare bekommen mehr Junge als zwei Paare. Deshalb wächst eine Population nicht gleichmäßig wie ein Sparkonto mit festem Betrag, sondern wie eines mit Zinseszins.
\nExponentielles und logistisches Wachstum · Zwei Kurven mit denselben Startwerten. Du siehst, wo die logistische an die Grenze K stößt.
\n\nDie Kapazität Kdie größte Zahl an Individuen, die ein Lebensraum auf Dauer ernähren kann ist die größte Zahl an Tieren, die ein Lebensraum auf Dauer ernähren kann. Sie hängt von Nahrung, Platz und Verstecken ab. Als Formel: Zuwachs = r · N · (K − N) : K. Ist N klein, ist der Bruch fast 1, das Wachstum fast exponentiell. Nähert sich N der Kapazität, geht der Bruch gegen 0.
\n\nNur dichteabhängige Faktoren können eine Population auf Dauer um K halten, denn nur sie werden mit wachsender Zahl stärker. Ein harter Winter kann eine Population trotzdem stark verkleinern, besonders wenn sie schon geschwächt ist.
\n\nAuf der unbewohnten Insel St. Matthew im Beringmeer setzte die US-Küstenwache im August 1944 29 Rentiere als Nahrungsreserve aus. Die Insel war mit dicken Flechtenteppichen bedeckt, Raubtiere für Rentiere gab es keine, und die Männer der Station verließen die Insel bald. Der Wildbiologe David Klein zählte die Tiere später mehrmals:
\n\nRentiere auf der St.-Matthew-Insel · Echte Zählungen von 1944 bis 1966. Zwischen den Zählungen verbindet die Linie nur die Punkte.
\n\n1957 waren die meisten Tiere gut genährt, aber Flechten waren an manchen Stellen schon zertrampelt und abgefressen. 1963 standen etwa 47 Rentiere auf einer Quadratmeile. 1966 lebten nur noch 42 Tiere, 41 Weibchen und ein Männchen, keine Jungtiere. Der Winter 1963/64 war in der Gegend außergewöhnlich hart. Quellen: Klein, Journal of Wildlife Management 1968; Alaska Science Forum 2003.
\n\nThema: Populationsentwicklung auf einer Insel. Material sind die Zählungen der Rentiere oben.
\n1 Beschreiben Sie die Entwicklung der Rentierpopulation von 1944 bis 1966. (3 BE)
\n2 Berechnen Sie die mittlere jährliche Wachstumsrate für 1944 bis 1957 und für 1957 bis 1963 und deuten Sie den Unterschied. (5 BE)
\n3 Erklären Sie den Zusammenbruch der Population und beurteilen Sie, ob das Modell des logistischen Wachstums die Entwicklung beschreibt. (6 BE)
\nVon uns erstellt nach dem Muster der Abituraufgaben, mit echten Zählungen. BE heißt Bewertungseinheiten.
\nZu 1 (AFB I): Von 29 Tieren 1944 steigt die Zahl auf 1 350 im Jahr 1957 und auf etwa 6 000 im Jahr 1963, also auf mehr als das 200-Fache. Danach bricht sie innerhalb von drei Jahren auf 42 Tiere ein, das sind 0,7 % des Höchststands.
\nZu 2 (AFB II): 1944 bis 1957: Faktor 1 350 : 29 ≈ 46,6 in 13 Jahren; jährlicher Faktor 46,6^(1/13) ≈ 1,34, also etwa 34 % Zuwachs pro Jahr. 1957 bis 1963: Faktor 6 000 : 1 350 ≈ 4,44 in 6 Jahren; jährlicher Faktor ≈ 1,28, etwa 28 % pro Jahr. Das Wachstum war über lange Zeit annähernd exponentiell, mit etwas geringerer Rate in der zweiten Phase. Das passt dazu, dass die Nahrung bei hoher Dichte schon knapper wurde.
\nZu 3 (AFB II und III): Ohne Räuber und mit reichlich Flechten wuchs die Population fast ungebremst und überschritt die Kapazität der Insel weit. Die Rentiere fraßen und zertrampelten die Flechten, die nur sehr langsam nachwachsen. Damit sank die Kapazität selbst. Im harten Winter 1963/64 fanden die Tiere nicht genug Nahrung und verhungerten. Dichteabhängiger Faktor (Nahrungsmangel) und dichteunabhängiger Faktor (Winter) wirkten zusammen. Das logistische Modell beschreibt diese Entwicklung nicht: Es sagt eine Annäherung an K von unten voraus, ohne Überschießen und ohne Zusammenbruch, und es setzt eine feste Kapazität voraus. Hier schoss die Population weit über K hinaus und zerstörte ihre eigene Nahrungsgrundlage.
\nWas die Korrektur erwartet: Werte mit Jahreszahlen, der Rechenweg nachvollziehbar, beim Beurteilen ein klares Urteil mit Kriterien aus dem Modell (feste Kapazität, kein Überschießen). Andere richtige Lösungen zählen genauso.
\nIn den meisten Ländern gehören r- und K-Strategien und oft auch die Wachstumsmodelle zum Leistungskurs oder erhöhten Niveau. Was für dich gilt, steht im Kasten deines Landes oben.
\nAusgedacht: 20 Kaninchen werden auf einer Insel ohne Räuber ausgesetzt. In den ersten Jahren verdoppelt sich ihre Zahl jedes Jahr. Wie viele sind es nach 5 Jahren, wenn das so bleibt? Warum bleibt es nicht so?
\n20 · 2⁵ = 20 · 32 = 640 Kaninchen.
\nMit wachsender Zahl wird die Nahrung knapp, Krankheiten breiten sich leichter aus: Dichteabhängige Faktoren bremsen das Wachstum, und die Population nähert sich der Kapazität der Insel. Fressen die Kaninchen dabei ihre Nahrungspflanzen so stark ab, dass diese nicht nachwachsen, kann es wie bei den Rentieren zum Zusammenbruch kommen.
\nWissenÖkologie
\nIn der Prüfung bekommst du ein Diagramm zu zwei Beständen oder eine Beziehung zwischen Arten und sollst es deuten; Punkte gibt es für die Begründung der Schwankungen, nicht fürs Nacherzählen der Kurve. Arten beeinflussen sich gegenseitig: Räuber fressen Beute, Konkurrenten streiten um dieselbe knappe Ressource, Symbiosepartner nützen einander, Parasiten leben auf Kosten ihres Wirts. Bei Räuber und Beute schwanken beide Bestände, und die Räuber folgen der Beute zeitversetzt; das Lotka-Volterra-Modell fasst das in Regeln. Die ökologische Nische beschreibt, wie eine Art ihre Umwelt nutzt, sie ist eine Rolle, kein Ort. Zwei Arten mit genau gleicher Nische können auf Dauer nicht nebeneinander bestehen, deshalb weichen Konkurrenten einander aus.
GK: Wechselwirkungen zwischen Populationen beschreiben. Nur LK: Lotka-Volterra-Regeln, zu denen du Hypothesen aufstellst und sie mit einer Simulationssoftware prüfst.
\nLehrplan Biologie Hauptphase, Leistungskurs (2023) · Grundkurs (2023)
Kein Lebewesen lebt allein. Ob eine Population wächst oder schrumpft, hängt nicht nur von Wetter und Nahrung ab, sondern auch von anderen Arten: von Fressfeinden, von Konkurrenten, von Partnern. Solche Einflüsse heißen biotische FaktorenEinflüsse durch andere Lebewesen, etwa Räuber, Konkurrenten, Parasiten oder Partner, im Gegensatz zu den abiotischen Faktoren wie Temperatur oder Licht.
\nMan ordnet die Beziehungen danach, wer gewinnt und wer verliert. Innerhalb einer Art heißen sie intraspezifischinnerhalb derselben Art, etwa Konkurrenz zwischen zwei Füchsen, zwischen verschiedenen Arten interspezifischzwischen verschiedenen Arten, etwa zwischen Feldhase und Alpenschneehase.
\n| Beziehung | Art A | Art B | Beispiel |
|---|---|---|---|
| Räuber und Beute | + | − | Luchs frisst Schneeschuhhase; auch Pflanzenfresser und Pflanze |
| Konkurrenzzwei Lebewesen nutzen dieselbe knappe Ressource, beide haben Nachteile | − | − | zwei Hasenarten fressen dieselben Gräser |
| Symbioseenges Zusammenleben zweier Arten zum Vorteil beider | + | + | Flechte aus Pilz und Alge; Pilze an Baumwurzeln (Mykorrhiza) |
| Parasitismusein Lebewesen lebt auf Kosten eines anderen, des Wirts, meist ohne ihn sofort zu töten | + | − | Bandwurm im Darm, Zecke auf der Haut |
Ein Räuber tötet seine Beute meist. Ein Parasit braucht seinen Wirt lebend, oft über lange Zeit.
\n\nRäuber und Beute im Modell · Beide Kurven schwanken, die Räuber erreichen ihren Gipfel später. Du liest die Verschiebung ab.
\n\nDas Lotka-Volterra-Modellmathematisches Modell für eine Räuberart und eine Beuteart; daraus folgen drei Regeln über ihre Schwankungen fasst das in drei Regeln. Nicht jedes Land verlangt sie, schau in den Kasten oben.
\nGrenzen: Das Modell kennt nur ein Räuber-Beute-Paar. In der Natur fressen Räuber mehrere Beutearten, die Beute hat weitere Feinde und begrenzte Nahrung, das Wetter wirkt mit. Echte Daten schwanken deshalb unregelmäßiger. Ein bekanntes Beispiel sind Kanadischer Luchs und Schneeschuhhase: Fangzahlen der Pelzhändler über viele Jahrzehnte zeigen Zyklen von etwa zehn Jahren, beobachtet 9 bis 11. Ob vor allem der Luchs die Hasen steuert oder auch ihr Futter, wird bis heute untersucht.
\n\nDie ökologische Nischedie Gesamtheit der Ansprüche einer Art an ihre Umwelt: wie sie Nahrung, Raum, Zeit und Umweltfaktoren nutzt; kein Ort, sondern eine Rolle beschreibt, wie eine Art ihre Umwelt nutzt: was sie frisst, wann sie aktiv ist, welche Temperaturen sie verträgt, wo sie brütet. Sie ist eine Rolle, kein Wohnort.
\nAbituraufgabe „Alpenschneehase und Feldhase“ (grundlegendes Niveau). Der Alpenschneehase ist nach der letzten Eiszeit aus einer Population von Feldhasen entstanden. Material 1 vergleicht die beiden Arten. Beide fressen Gräser, Rinde, Kräuter, Knospen und Blätter, der Feldhase auch Feldfrüchte. Beide schlafen tagsüber in flachen Mulden und haben dieselben Feinde: Fuchs, Greifvögel, Rabenvögel. Der Alpenschneehase lebt an der Baumgrenze bei etwa 4 °C Jahresmittel, mit Schnee von Oktober bis Mai, sein Fell ist von Oktober bis April weiß. Der Feldhase lebt in gemäßigtem Klima bei etwa 10 °C, kaum Schnee, sein Fell ist das ganze Jahr braun. Material 2: Weiße Haare sind mit Luft gefüllt und isolieren besser als braune, die mit Farbstoff gefüllt sind.
\n1 Beschreiben Sie anhand von zwei Aspekten die interspezifische Konkurrenz zwischen den beiden Hasenarten (M 1). Erläutern Sie anhand der jeweiligen Eigenschaften der Haare die Angepasstheit der jeweiligen Hasenarten an ihren Lebensraum (M 1, M 2). (11 BE)
\nAufgabentext wörtlich aus der Abituraufgabe 2026 (IQB), Material in eigenen Worten. BE heißt Bewertungseinheiten.
\nBeschreiben (4 BE, AFB I): Erstens: gleiche Nahrung, zum Beispiel Gräser, Rinde und Kräuter. Zweitens: Vorkommen an den gleichen Orten, etwa auf halboffenen Flächen, und dadurch Konkurrenz um Schlafplätze.
\nErläutern (7 BE, AFB I und II): Das weiße Haar des Alpenschneehasen ist von Oktober bis April luftgefüllt. Das tarnt ihn im Schnee vor Fressfeinden. Und es isoliert gut: geringe Wärmeverluste, keine Unterkühlung in der kalten alpinen Zone. Das grau-braune, mit Farbstoff gefüllte Haar des Feldhasen tarnt ihn auf erdbraunen Flächen vor Fressfeinden.
\nWas die Korrektur erwartet: zwei klar getrennte Aspekte mit Belegen aus der Tabelle; beim Erläutern zu jeder Art die Eigenschaft des Haars, die Funktion (Tarnung, Wärme) und der Bezug zum Lebensraum. Andere richtige Lösungen zählen genauso.
\nDie ganze Aufgabe mit Klimadaten und den Höhenlagen beider Arten: „Alpenschneehase und Feldhase“ (PDF, IQB). Wie der Klimawandel die beiden Arten trifft, steht auf dem Lernzettel zum Einfluss des Menschen.
\n\nIn einem Gebiet werden Füchse und ihre Hauptbeute, Feldmäuse, gleichermaßen durch ein Gift dezimiert. Was sagt das Lotka-Volterra-Modell für die nächsten Jahre voraus? Und warum könnte es in der Natur anders kommen?
\nDie Mäuse erholen sich zuerst und schneller, weil es kaum noch Räuber gibt. Die Füchse folgen verzögert, sobald wieder genug Beute da ist. Danach schwanken beide wieder um ihre früheren Mittelwerte.
\nIn der Natur fressen Füchse auch andere Beute, etwa Kaninchen oder Vögel, und die Mäuse haben weitere Feinde wie Greifvögel. Außerdem können Nahrung und Wetter die Mäuse stärker bremsen als die Füchse. Das Modell mit nur einem Paar sagt das nicht voraus.
\nWissenÖkologie
\n\nIn der Prüfung bekommst du ein Nahrungsnetz oder ein Diagramm zum Ökosystem und sollst Zusammenhänge erklären; Punkte gibt es, wenn du Folgen von Veränderungen begründest, nicht wenn du nur Arten aufzählst. In einem Ökosystem bauen Produzenten wie Pflanzen mit Lichtenergie organische Stoffe auf, Konsumenten fressen sie oder einander, und Destruenten zersetzen alles Tote wieder zu Mineralstoffen und CO₂. Weil fast jede Art mehrere Nahrungsquellen und Feinde hat, entsteht ein Nahrungsnetz. Energie fließt nur in eine Richtung: Von einer Ebene zur nächsten kommt grob ein Zehntel an, der Rest geht vor allem als Wärme verloren. Stoffe wie Kohlenstoff dagegen kreisen: Fotosynthese bindet CO₂, Zellatmung und Zersetzung setzen es wieder frei.
Ein Wald, ein See oder eine Wiese ist mehr als eine Ansammlung von Lebewesen. Die Lebewesen fressen einander, konkurrieren und hängen von Licht, Wasser und Boden ab. Ein solches Gefüge heißt Ökosystemein Lebensraum mit allen Lebewesen darin und ihren Beziehungen untereinander und zur Umwelt. Es besteht aus dem Biotopder Lebensraum mit seinen unbelebten Bedingungen wie Boden, Wasser, Licht und Klima, dem Lebensraum, und der Biozönosedie Lebensgemeinschaft aller Arten, die in einem Biotop zusammenleben, der Lebensgemeinschaft.
\nAlle Lebewesen brauchen Energie und Baustoffe. Pflanzen holen sich beides selbst: Energie aus dem Licht, Kohlenstoff aus dem CO₂ der Luft. Alle anderen bekommen sie, indem sie andere Lebewesen fressen. Wer wen frisst, ordnet die Lebewesen in Stufen, die TrophieebenenStufen der Ernährung: Produzenten, Konsumenten 1. Ordnung, 2. Ordnung und so weiter.
\nEine Nahrungskette zeigt einen Strang, etwa Eiche → Insekt → Specht → Wildkatze. Weil fast jede Art mehrere Nahrungsquellen hat und von mehreren gefressen wird, verknüpfen sich die Ketten zu einem Nahrungsnetz. Die Pfeile zeigen dabei vom Gefressenen zum Fresser, also in die Richtung, in die Stoffe und Energie fließen.
\n\nVon einer Trophieebene zur nächsten kommt im Mittel nur etwa ein Zehntel der Energie an. Das ist eine Faustregel; in der Natur liegt der Anteil etwa zwischen 5 und 20 %. Der Rest geht vor allem so verloren:
\nDeshalb gibt es selten mehr als vier oder fünf Ebenen, und große Raubtiere an der Spitze sind selten. Zeichnet man die Energie je Ebene als Balken übereinander, entsteht eine Pyramide, die nach oben schmal wird. Die Energie fließt nur in eine Richtung: von der Sonne durch die Ebenen hinaus als Wärme. Stoffe wie Kohlenstoff und Stickstoff dagegen werden immer wieder verwendet, sie kreisen.
\n\nEchte Messwerte: Auf dem Vulkan Mauna Loa auf Hawaii wird der CO₂-Gehalt der Luft seit 1958 gemessen. Innerhalb eines Jahres schwankt er:
\n\nCO₂ am Mauna Loa 2024 · Echte Messwerte als Monatsmittel. Du liest die Kurve über das Jahr ab.
\n\nVon Mai bis September sinkt der CO₂-Gehalt um fast 5 ppm. Dann wachsen auf der Nordhalbkugel, wo der meiste Landpflanzenwuchs liegt, die Pflanzen, und die Fotosynthese bindet mehr CO₂, als Atmung und Zersetzung freisetzen. Im Herbst und Winter ist es umgekehrt: Laub wird zersetzt, kaum Fotosynthese, der CO₂-Gehalt steigt. Von Jahr zu Jahr liegt die ganze Kurve höher, vor allem weil Kohle, Erdöl und Erdgas verbrannt werden.
\n\nAbituraufgabe „Der Leipziger Auwald“ (grundlegendes Niveau). Material 1 beschreibt den Auwald: Über 200 Gras- und Kräuterarten wie das Leipziger Windröschen dienen vielen Insekten als Nahrung, etwa dem Schmetterling Maivogel. Viele Baumkronen- und Totholzbewohner hängen von Stieleichen ab. Der Mittelspecht frisst Pflanzensamen und Insekten an der Stieleiche und wird selbst von der Europäischen Wildkatze gefressen. Die Wildkatze erbeutet auch Fledermäuse, die Mückenfledermaus frisst fliegende Insekten.
\n1 Beschreiben Sie den allgemeinen Aufbau von Nahrungsketten in einem Ökosystem. Skizzieren Sie ein Nahrungsnetz des Leipziger Auwalds unter Berücksichtigung von sechs Organismen (M 1). (8 BE)
\nAufgabentext wörtlich aus der Abituraufgabe 2025 (IQB), Material in eigenen Worten. BE heißt Bewertungseinheiten.
\nBeschreiben (4 BE, AFB I): Am Anfang stehen Produzenten, Pflanzen, die ihre Biomasse durch Fotosynthese aufbauen. Konsumenten 1. Ordnung fressen Pflanzen (Pflanzenfresser). Konsumenten 2. Ordnung fressen Konsumenten 1. Ordnung (Fleischfresser). Diese können Konsumenten höherer Ordnung als Nahrung dienen.
\nSkizzieren (4 BE, AFB I): zum Beispiel so:
\n\nNahrungsnetz im Leipziger Auwald · Nachgezeichnet nach dem Material der Abituraufgabe. Die Pfeile zeigen vom Gefressenen zum Fresser, Grün sind die Produzenten.
\n\nWas die Korrektur erwartet: mindestens sechs Organismen aus dem Material, Pfeile einheitlich in Fressrichtung, mindestens eine Verzweigung, damit es ein Netz und keine Kette ist. Andere richtige Lösungen zählen genauso.
\nDie ganze Aufgabe mit ökologischen Nischen von Eiche und Ahorn: „Der Leipziger Auwald“ (PDF, IQB).
\n\nWelche Punkte dein Kurs braucht, steht im Kasten deines Landes oben.
\nAusgedachte Werte: Die Pflanzen einer Wiese binden im Jahr 10 000 kJ Energie. Wie viel Energie kommt nach der Zehntel-Faustregel bei den Konsumenten 2. Ordnung an? Und warum braucht man für eine pflanzliche Ernährung weniger Ackerfläche als für eine mit viel Fleisch?
\nKonsumenten 1. Ordnung: 10 000 kJ : 10 = 1 000 kJ. Konsumenten 2. Ordnung: 1 000 kJ : 10 = 100 kJ.
\nWer Pflanzen direkt isst, ist Konsument 1. Ordnung. Wer Fleisch isst, steht eine Ebene höher, und auf dem Weg über das Tier gehen grob neun Zehntel der Energie verloren. Für dieselbe Energiemenge braucht man daher über Fleisch ein Vielfaches an Pflanzen und Fläche.
\nWissenÖkologie
\nIn der Prüfung bekommst du ein Schema zum Stickstoffkreislauf und sollst Stationen und Folgen erklären; Punkte gibt es für die richtigen Stoffe und Organismen an jeder Station, nicht fürs Aufzählen. Lebewesen brauchen Stickstoff für Proteine und Nukleinsäuren, können den Stickstoff der Luft (N₂) aber nicht nutzen; nur bestimmte Bakterien können ihn binden. Pflanzen nehmen Stickstoff als Nitrat oder Ammonium aus dem Boden auf, Tiere bekommen ihn mit der Nahrung. Destruenten machen aus totem Material wieder Ammonium, nitrifizierende Bakterien daraus Nitrat, und denitrifizierende Bakterien geben Stickstoff als N₂ an die Luft zurück. Kunstdünger hat die Menge an nutzbarem Stickstoff stark erhöht; was ins Wasser gelangt, kann über Algenblüte und Sauerstoffmangel einen See umkippen lassen.
Nur LK: „erläutern unter Bezugnahme auf den Stickstoffkreislauf Folgen des Stickstoffeintrags in den Boden“.
\nLehrplan Biologie Hauptphase, Leistungskurs (2023) · Grundkurs (2023)
Jede Aminosäure enthält Stickstoff, ebenso jede Base der DNA. Ohne Stickstoff kein Protein und kein Wachstum. Stickstoff ist also wie Kohlenstoff ein Baustoff des Lebens, und wie Kohlenstoff kreist er zwischen Lebewesen, Boden, Wasser und Luft.
\nDer Unterschied: Kohlenstoff nehmen Pflanzen direkt als CO₂ aus der Luft. Stickstoff liegt in der Luft als N₂ vor, zwei Atome mit einer sehr festen Dreifachbindung. Diese Bindung können nur einige Bakterien knacken. Deshalb hängt der ganze Kreislauf an Mikroorganismenmikroskopisch kleine Lebewesen, vor allem Bakterien und Pilze, die jeweils einen Schritt übernehmen.
\nStickstoffkreislauf in fünf Schritten · Welcher Schritt aus welchem Stoff was macht und wo Bakterien nötig sind.
\n\nLuft besteht zu etwa 78 % aus Stickstoff (N₂). Lebewesen brauchen Stickstoff für Proteine und Nukleinsäuren, aber Pflanzen und Tiere können N₂ nicht nutzen: Die Dreifachbindung ist zu stabil. Pflanzen nehmen Stickstoff als Nitrat (NO₃⁻) oder Ammonium (NH₄⁺) aus dem Boden auf. Deshalb ist Stickstoff in vielen Ökosystemen der begrenzende Faktor für das Pflanzenwachstum.
\n\n| Schritt | Was passiert | Wer |
|---|---|---|
| Stickstofffixierung | N₂ → Ammonium (bei Blitzen: N₂ → Stickoxide → Nitrat) | bestimmte Bakterien, etwa Knöllchenbakterien in den Wurzeln von Hülsenfrüchtlern (Klee, Bohnen) oder Cyanobakterien; außerdem Blitze und die Industrie (Kunstdünger) |
| Assimilation | Nitrat und Ammonium werden in Aminosäuren eingebaut | Pflanzen; Tiere bekommen den Stickstoff über die Nahrung |
| Ammonifikation | organischer Stickstoff aus Kot und totem Material → Ammonium | Destruenten (Bakterien, Pilze) |
| Nitrifikation | Ammonium → Nitrit → Nitrat, braucht Sauerstoff | nitrifizierende Bakterien (zum Beispiel Nitrosomonas, dann Nitrobacter) |
| Denitrifikation | Nitrat → N₂ (und etwas Lachgas, N₂O), läuft ohne Sauerstoff | denitrifizierende Bakterien in nassen, sauerstoffarmen Böden |
Wie beim Kohlenstoff kreist der Stoff, die Energie nicht. Ohne Bakterien wäre der Kreislauf an mehreren Stellen unterbrochen.
\n\n1913 nahm die BASF in Oppau bei Ludwigshafen die erste große Anlage nach dem Haber-Bosch-Verfahren in Betrieb. Sie stellt aus Luftstickstoff und Wasserstoff Ammoniak her, den Grundstoff für Kunstdünger. Damit hat der Mensch die Menge an nutzbarem Stickstoff stark erhöht. Was die Pflanzen nicht aufnehmen, wird als Nitrat ins Grundwasser ausgewaschen oder in Bäche und Seen gespült.
\nViel Nitrat (und Phosphat) im See → Algen vermehren sich massenhaft → abgestorbene Algen sinken ab → Destruenten bauen sie unter Sauerstoffverbrauch ab → am Grund wird der Sauerstoff knapp → Fische und andere Tiere sterben, ohne Sauerstoff entstehen Faulgase. Das nennt man Eutrophierung.
\nThema: Ein See kippt um. Material (ausgedachte Werte): In einen See gelangt über einen Bach Wasser von gedüngten Feldern. Im Sommer misst man den Sauerstoffgehalt in verschiedenen Tiefen. Oberfläche: 12 mg/l, 5 m: 9 mg/l, 10 m: 2 mg/l, Grund in 15 m: 0 mg/l. Am Grund riecht es nach faulen Eiern. Vor einigen Jahren lag der Wert am Grund bei 6 mg/l.
\n1 Beschreiben Sie die Messwerte. (3 BE)
\n2 Erklären Sie den Sauerstoffmangel am Grund als Folge des Düngereintrags. (6 BE)
\n3 Schlagen Sie zwei Maßnahmen vor und begründen Sie sie mit dem Stickstoffkreislauf. (4 BE)
\nVon uns erstellt nach dem Muster der Abituraufgaben. BE heißt Bewertungseinheiten.
\nZu 1 (AFB I): Der Sauerstoffgehalt nimmt mit der Tiefe ab, von 12 mg/l an der Oberfläche über 9 mg/l in 5 m auf 2 mg/l in 10 m und 0 mg/l am Grund. Früher lagen am Grund noch 6 mg/l.
\nZu 2 (AFB II): Mit dem Wasser von den Feldern gelangen Nitrat und andere Nährstoffe in den See → Algen vermehren sich massenhaft, oben entsteht durch Fotosynthese viel Sauerstoff → abgestorbene Algen sinken zum Grund → Destruenten bauen sie unter Sauerstoffverbrauch ab → am Grund wird der Sauerstoff aufgebraucht → ohne Sauerstoff bauen Bakterien weiter ab und bilden Faulgase, etwa Schwefelwasserstoff (Geruch nach faulen Eiern). Das ist Eutrophierung.
\nZu 3 (AFB II und III): Weniger oder bedarfsgerecht düngen → weniger Nitrat, das die Pflanzen nicht aufnehmen und das ausgewaschen wird. Ein Uferstreifen mit Pflanzen oder ein nasses Feuchtgebiet vor dem See → Pflanzen nehmen Nitrat auf, in sauerstoffarmem nassem Boden bauen denitrifizierende Bakterien Nitrat zu N₂ ab.
\nWas die Korrektur erwartet: Werte mit Einheit und Tiefe, eine lückenlose Kette bis zum Sauerstoffmangel mit den Destruenten als Ursache, Maßnahmen mit Bezug auf einen Schritt des Kreislaufs. Andere richtige Lösungen zählen genauso.
\nEin Landwirt sät nach dem Getreide Klee aus und pflügt ihn später unter. Das Feld braucht im Jahr danach weniger Dünger. Erkläre mit dem Stickstoffkreislauf.
\nIn den Wurzelknöllchen des Klees fixieren Bakterien Luftstickstoff zu Ammonium; der Klee baut ihn in seine Proteine ein. Untergepflügt wird der Klee von Destruenten abgebaut (Ammonifikation), Bakterien machen daraus Nitrat (Nitrifikation). Die nächste Pflanze kann es aufnehmen. Der Klee hat also Stickstoff aus der Luft in den Boden gebracht.
\nWissenÖkologie
\nDer Mensch verändert Ökosysteme stärker als jede andere Art. Durch das Verbrennen von Kohle, Erdöl und Erdgas steigt der CO₂-Gehalt der Luft, der Treibhauseffekt verstärkt sich, und Arten müssen ausweichen oder verlieren ihre Angepasstheit. Mit der Vielfalt der Arten gehen Ökosystemleistungen verloren, von denen Menschen leben, etwa Bestäubung oder sauberes Wasser. Gegenmaßnahmen sind Schutz, Renaturierung und eine nachhaltige Nutzung, bei der nicht mehr verbraucht wird, als nachwächst. In Aufgaben erklärst du Eingriffe als lückenlose Ursache-Wirkungs-Kette und bewertest Maßnahmen mit Werten und Fakten.
GK und LK: natürlicher und anthropogener Treibhauseffekt, Klimawandel, „erläutern die Bedeutung der Biodiversität“. Der LK-Lehrplan nennt außerdem hormonartig wirkende Substanzen, Ökosystemmanagement, den ökologischen Fußabdruck und Neobionten.
\nLehrplan Biologie Hauptphase, Leistungskurs (2023) · Grundkurs (2023)
Menschen roden Wälder, legen Moore trocken, begradigen Flüsse, düngen Felder und verbrennen fossile Brennstoffe. Jeder dieser Eingriffe verändert abiotische Faktoren wie Temperatur, Wasser oder Nährstoffe und damit die Lebensbedingungen vieler Arten. Weil in einem Ökosystem alles zusammenhängt, wirkt ein Eingriff oft weit über die erste Folge hinaus.
\nDie Leitidee für den Umgang damit heißt Nachhaltigkeitso wirtschaften, dass nicht mehr verbraucht wird, als nachwächst, damit auch spätere Generationen dieselben Möglichkeiten haben: so nutzen, dass nicht mehr verbraucht wird, als nachwächst, und dass auch spätere Generationen dieselben Möglichkeiten haben. Ein Förster, der nur so viel Holz schlägt, wie im selben Zeitraum nachwächst, wirtschaftet nachhaltig.
\nAlpenschneehase und Klimawandel · Die Kette von der steigenden Temperatur bis zur fehlenden Tarnung, Schritt für Schritt.
\n\nSonnenlicht erwärmt die Erdoberfläche, die Wärmestrahlung abgibt. Gase wie Wasserdampf, CO₂, Methan und Lachgas nehmen einen Teil dieser Wärmestrahlung auf und strahlen ihn auch zur Erde zurück. Ohne diesen natürlichen TreibhauseffektErwärmung der Erde, weil Gase in der Luft einen Teil der Wärmestrahlung der Erdoberfläche zurückhalten läge die mittlere Temperatur an der Erdoberfläche bei etwa −18 °C. Der Mensch verstärkt ihn vor allem durch das Verbrennen fossiler Brennstoffe, durch Waldrodung und Landwirtschaft. Das heißt anthropogenvom Menschen verursacht.
\nFolgen für Ökosysteme: Arten verschieben ihre Verbreitung in kühlere Gebiete, also polwärts oder bergauf. Lebenszyklen geraten aus dem Takt, etwa wenn Pflanzen früher blühen, ihre Bestäuber aber nicht früher fliegen. Korallen bleichen in zu warmem Wasser. Spezialisten mit engem Toleranzbereich trifft es am härtesten, weil sie nicht ausweichen können.
\n\nAbituraufgabe „Alpenschneehase und Feldhase“ (grundlegendes Niveau). Der Alpenschneehase lebt an der Baumgrenze der Alpen. Sein Fell ist von Oktober bis April weiß, von Mai bis September grau-braun; wann es wechselt, richtet sich nach der Tageslänge. Material 3 zeigt Klimadaten aus San Bernardino in Graubünden (Schweiz), einem Verbreitungsgebiet des Hasen, über 30 Jahre: die Jahresmitteltemperatur und die Zahl der Frosttage. Man kann davon ausgehen, dass es nach Schneefall an Frosttagen eine geschlossene Schneedecke gibt.
\n2 Fassen Sie die in Abbildung 2 dargestellten Untersuchungsergebnisse zusammen (M 3). Leiten Sie eine mögliche Folge für den Alpenschneehasen ab (M 1, M 3). (7 BE)
\nAufgabentext wörtlich aus der Abituraufgabe 2026 (IQB), Material in eigenen Worten; die Abbildung beruht auf Schai-Braun und andere, Global Change Biology 2021. BE heißt Bewertungseinheiten.
\nZusammenfassen (4 BE, AFB I): Die Jahresmitteltemperatur ist in den 30 Jahren bis 2020 um etwa 1 °C gestiegen, eine Zunahme ist erkennbar. Die Zahl der Frosttage ist im selben Zeitraum im Mittel von etwa 230 auf etwa 190 im Jahr zurückgegangen.
\nAbleiten (3 BE, AFB II): Der Fellwechsel hängt von der Tageslänge ab, nicht von der Temperatur → der Hase wird weiterhin im Oktober weiß → es gibt weniger Tage mit Schneedecke → die Tarnung fällt weg → ein weißer Hase auf braunem oder grünem Untergrund wird von Fressfeinden leichter entdeckt.
\nWas die Korrektur erwartet: beide Größen mit Zahlen und Zeitraum, beim Ableiten die Kette von der Tageslänge bis zum Fressfeind. Andere richtige Lösungen zählen genauso.
\nDie ganze Aufgabe: „Alpenschneehase und Feldhase“ (PDF, IQB). Die Konkurrenz der beiden Hasenarten steht auf dem Lernzettel zu Räuber, Beute und Konkurrenz.
\n\nBiodiversitätdie Vielfalt des Lebens auf drei Ebenen: genetische Vielfalt, Artenvielfalt, Vielfalt der Ökosysteme gibt es auf drei Ebenen: Vielfalt der Gene innerhalb einer Art, Vielfalt der Arten und Vielfalt der Ökosysteme. Sie sichert Ökosystemleistungenalles, was Ökosysteme für Menschen leisten, etwa Nahrung, Bestäubung oder Erholung, die man in vier Gruppen teilt:
\nArtenreiche Ökosysteme sind oft stabiler gegenüber Störungen, weil eine Art die Aufgabe einer anderen übernehmen kann. Manche Länder verlangen auch, Ökosystemleistungen in Geld zu bewerten, um Kosten und Nutzen eines Eingriffs zu vergleichen.
\nEchte Messwerte: In 63 Naturschutzgebieten in Deutschland fingen Insektenkundler 27 Jahre lang fliegende Insekten mit immer gleich aufgebauten Fallen und wogen den Fang. Die Masse der Insekten ging über die Saison gerechnet um 76 % zurück, im Hochsommer um 82 %. Das zeigte sich in allen Lebensraumtypen. Wetter, Landnutzung und Merkmale der Gebiete konnten den Rückgang in der Auswertung nicht erklären. Weniger Insekten heißt weniger Bestäubung und weniger Nahrung für Vögel und Fledermäuse.
\nHallmann und andere, PLOS ONE 2017, „More than 75 percent decline over 27 years in total flying insect biomass in protected areas“.
\n\nMoor wird entwässert → Torf kommt mit Luft in Kontakt → Destruenten bauen ihn ab → CO₂ wird frei → Treibhauseffekt verstärkt. Gleichzeitig verschwinden Arten, die an nasse, nährstoffarme Moore angepasst sind, Spezialisten mit engem Toleranzbereich.
\nWiedervernässung kehrt die Kette um: Der Torfabbau stoppt, und auf Dauer kann neuer Torf wachsen.
\nWelche Punkte dein Kurs braucht, steht im Kasten deines Landes oben.
\nSee-Experiment: Kidd und andere, PNAS 104 (2007), „Collapse of a fish population after exposure to a synthetic estrogen“.
\nEin Fluss wird begradigt, um Ackerfläche zu gewinnen. Stell die Folgen als Ursache-Wirkungs-Kette dar (mindestens drei Glieder) und nenne zwei betroffene Ökosystemleistungen.
\nBegradigung → Wasser fließt schneller ab, Auen werden nicht mehr überflutet → Lebensräume für Auenarten verschwinden, Hochwasser läuft flussabwärts höher auf.
\nBetroffen: Hochwasserschutz (regulierend), Selbstreinigung des Wassers in Auen und Ufern (regulierend), Erholung (kulturell). Gewonnen: Nahrung von der Ackerfläche (bereitstellend).
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