AbituraufgabenBiomasse und Energiefluss

Ein breites Band „Futter 50 000 MJ (100 %)“ tritt von links ein. Nacheinander zweigen ab: Kot 17 500 MJ (35 %) zu den Destruenten, Harn und Methan 4 000 MJ (8 %), Zellatmung 25 500 MJ (51 %) als Wärme. Übrig bleibt der Zuwachs an Körpermasse mit 3 000 MJ (6 %), davon essbares Fleisch 1 500 MJ (3 %); der Rest des Zuwachses (Knochen, Haut, Organe) wird nicht gegessen. Die Bandbreiten entsprechen etwa den Anteilen, der Wärmepfeil ist der breiteste.

Ein Teil des Futters, vor allem Cellulose und Lignin, wird trotz der Mikroorganismen im Pansen nicht abgebaut und mit dem Kot ausgeschieden; diese Energie wurde nie assimiliert und steht Destruenten zur Verfügung. Mit dem Harn gehen energiehaltige Abbauprodukte wie Harnstoff ab, Methan entsteht bei der Gärung durch Pansenmikroorganismen und wird ausgerülpst. Der größte Posten ist die Zellatmung: Das Rind oxidiert assimilierte Nährstoffe in den Mitochondrien zu CO₂ und Wasser und gewinnt ATP für Herzschlag, Atmung, Verdauung, Bewegung und Proteinumsatz. Als gleichwarmes Tier muss es außerdem ständig Wärme erzeugen, um seine Körpertemperatur zu halten. Die dabei frei werdende Energie wird als Wärme abgegeben und ist für die Nahrungskette verloren. Nur 6 % werden in Körpermasse festgelegt.

Weizenbrot: \(100\,000\ \text{MJ} : 3\,650\ \text{MJ} \approx 27\) Menschen. Rindfleisch: \(3\,000\ \text{MJ} : 3\,650\ \text{MJ} \approx 0{,}8\) Menschen. Ein Hektar ernährt bei direkter pflanzlicher Nutzung also rund 33-mal so viele Menschen wie über den Umweg Rindermast. Grund: Beim Rindfleisch liegt eine zusätzliche Trophiestufe zwischen Pflanze und Mensch, und das Rind gibt nur etwa 3 % der Futterenergie als essbares Fleisch weiter.

Für die Forderung spricht: Jede zusätzliche Trophiestufe verringert die nutzbare Energie auf etwa ein Zehntel oder weniger (M1: 3 % beim Rind). Wird Futtergetreide direkt gegessen, kann dieselbe Ackerfläche ein Vielfaches an Menschen ernähren (c: 27 statt 0,8 je Hektar); weniger Fleischkonsum spart also Fläche, die sonst durch Rodung gewonnen werden müsste. Auch Hähnchen und Schwein sind deutlich weniger effizient als pflanzliche Nahrung (M2).

Einschränkungen: Wiederkäuer können Gras von Weiden und Bergwiesen verwerten, auf denen kein Ackerbau möglich ist; dort erschließen sie Primärproduktion, die Menschen nicht direkt nutzen können. Tiere verwerten auch Nebenprodukte wie Kleie oder Rapsschrot. Tierische Lebensmittel liefern hochwertiges Eiweiß und Vitamine (z. B. B12), die bei rein pflanzlicher Ernährung ergänzt werden müssen. Die Werte in M2 sind Modellwerte.

Urteil: Aus ökologischer Sicht ist die Forderung gut begründet, soweit sie Tiere betrifft, die mit Ackerfutter gemästet werden; „nur“ ist zugespitzt, da auch Ertragssteigerung, weniger Lebensmittelverschwendung und die Nutzung von Grünland beitragen.

Biomassepyramide: unten Phytoplankton, z. B. 4 cm breit (1 cm ≙ 1 g/m²), darüber Zooplankton und Bodentiere 21 cm breit — die Pyramide steht auf dem Kopf. Pyramide der Produktion: unten Phytoplankton 600 g/(m²·a), z. B. 12 cm (1 cm ≙ 50 g/(m²·a)), darüber Zooplankton 63 g/(m²·a), etwa 1,3 cm — sie ist nach oben deutlich schmaler. Beide Pyramiden sind mit Stufen, Werten und Maßstab beschriftet.

Die Biomasse in M3 ist ein Bestand zu einem Zeitpunkt, keine Produktion. Kieselalgen sind Einzeller, die sich unter günstigen Bedingungen etwa täglich teilen; ihr Bestand erneuert sich rund 150-mal im Jahr (M4). Sie werden aber fast ebenso schnell vom Zooplankton gefressen, sodass zu jedem Zeitpunkt nur wenig Phytoplankton vorhanden ist. Die Krebse leben dagegen Wochen bis Monate und speichern die aufgenommene Biomasse in ihrem Körper; ihr Bestand erneuert sich nur etwa dreimal im Jahr. Deshalb kann ein kleiner, schnell nachwachsender Bestand von Produzenten einen größeren, langsam umgesetzten Bestand von Konsumenten ernähren.

\(\eta = \dfrac{63\ \text{g/(m²·a)}}{600\ \text{g/(m²·a)}} \cdot 100\,\% = 10{,}5\,\%\). Unter der Annahme gleichen Energiegehalts je Gramm entspricht das der Faustregel von etwa 10 %. Die Produktion — und damit der Energiefluss — nimmt von Stufe zu Stufe auf rund ein Zehntel ab; die umgekehrte Biomassepyramide widerspricht dem Energiefluss also nicht. Einschränkend ist zu beachten, dass die Produktionswerte Modellwerte sind und bezogen auf die Nettoproduktion des Phytoplanktons berechnet wurden.

Energetisch ist der Vorschlag sinnvoll: Krill und Planktonfresser stehen auf der ersten bzw. zweiten Konsumentenstufe. Thunfisch als Endkonsument erhält nur einen Bruchteil davon; bei etwa 10 % Effizienz steht auf jeder tieferen Stufe rund zehnmal so viel Biomasse für die Ernte zur Verfügung.

Dagegen spricht: Krill und Kleinfische sind die Nahrungsgrundlage vieler Arten (Wale, Robben, Pinguine, Seevögel, Raubfische). Werden sie in großen Mengen entnommen, fehlt diese Energie den höheren Stufen; deren Bestände können einbrechen, das Nahrungsnetz wird verändert. Ein großer Teil der gefangenen Kleinfische wird heute ohnehin zu Fischmehl für Aquakulturen verarbeitet, wodurch der Vorteil verloren geht. Außerdem sind Fang und Verarbeitung von Krill aufwendig.

Urteil: Unter dem Kriterium „Nahrung je Primärproduktion“ ist der Vorschlag überzeugend, unter dem Kriterium „Erhalt des Ökosystems“ nur mit streng begrenzten Fangmengen vertretbar. Am sinnvollsten ist es, Krill und Kleinfische direkt als menschliche Nahrung zu nutzen statt als Tierfutter.