Energiebilanz (Ökologie)

Begriff und Energiefluss

Eine Energiebilanz oder ein Energiehaushalt (englisch energy budget) untersucht und beschreibt in Ökologie und Ökophysiologie die kontinuierlichen Energieumwandlungen. Sie gehört zur Bioenergetik. Energiebilanzen können sich auf einen einzelnen Organismus oder auf eine Population beziehen.

Grüne Pflanzen nehmen die für Stoffwechsel und Wachstum benötigte Energie als Strahlungsenergie auf. Tiere gewinnen sie als organisch gebundene Energie durch Nahrung. Energie wird unter anderem für Wachstum, Nachkommenproduktion, sekretorische Funktionen und weitere energiebedürftige Prozesse abgegeben. Die Weitergabe gespeicherter Energie entlang einer Nahrungskette oder innerhalb eines Nahrungsnetzes heißt Energiefluss.

Bilanzgleichungen und Größen

Energiebilanzen gelten immer für eine bestimmte Zeitspanne, etwa eine Sekunde, einen Tag, ein Jahr oder die gesamte Lebenszeit eines Individuums. Streng genommen handelt es sich deshalb um Leistungsbilanzen: Leistung ist Energie pro Zeitspanne. Der Begriff Energiebilanz ist jedoch gebräuchlicher.

Energie wird beispielsweise in Joule [J] oder Kilojoule [kJ] angegeben. Für Leistung beziehungsweise Raten verwendet man etwa [J/s] (= Watt) oder [kJ/d]. Für Menschen und Tiere gilt vereinfacht:

C = A + E

A = P + R

C ist die Konsumptions-, Ingestions- oder Fressrate. A bezeichnet die Assimilationsrate, also die im Darmsystem absorbierte Energie. P ist die Produktionsrate: Energie für Gewebewachstum sowie für Eier oder Embryos. R ist die Respirations- oder Atmungsrate. E ist die Egestionsrate aus Defäkation und Exkretion.

Je nach Tiergruppe müssen weitere Energieverluste berücksichtigt werden, etwa Energiegehalte abgegebener Häutungen bei Insekten und Schlangen. Bei Vögeln und Insekten lassen sich Defäkation und Exkretion oft nicht getrennt messen, weil beide Bestandteile vermischt abgegeben werden.

Messung und Beispiel Mensch

Häufig werden nicht Energieeinheiten unmittelbar gemessen, sondern Ersatzgrößen wie Frischmasse, Trockenmasse, aschefreie Trockenmasse oder die Masse organisch gebundenen Kohlenstoffs. Der Kohlenstoffgehalt von Nahrung, Gewebe oder Ausscheidungen lässt sich mit einer Verbrennungsapparatur (Kalorimeter) oder einer chemischen Oxidationsreaktion bestimmen und ist gut mit dem Energiegehalt einer Probe korreliert. Die Atmungsrate wird üblicherweise aus dem Sauerstoffverbrauch oder der Kohlendioxidproduktion abgeschätzt. Untersuchungen an Tieren und Pflanzen erfolgen experimentell oder kombiniert experimentell-freilandanalytisch.

Ein Mensch nimmt täglich mit der Nahrung etwa 8.000–10.000 kJ auf; dies entspricht C und kann stark schwanken. Damit ist eine Stoffwechselleistung von 100 W möglich. Sie kann auf über 200 W bei mittelschnellem Gehen oder beim Ziehen eines leichten Wagens und kurzfristig auf über 1000 W bei maximaler Körperanstrengung steigen. Energie wird für mechanische Arbeit der Skelett- und Kreislaufmuskulatur, Atembewegungen, Osmoregulation und molekulare Transportprozesse eingesetzt. Bei allen Energiewandlungen entsteht auch Wärme. Die Summe mechanischer, zellulärer und thermischer Energie wird als Respirationsenergie R erfasst; eine genaue Aufschlüsselung der Einzelanteile ist oft schwierig.

Bedeutung für Ökosysteme und Nutzung

Energiebilanzen machen Energieflüsse in Ökosystemen verständlich und helfen damit, ihren Energie- und Stoffhaushalt zu erklären. Sie sind auch für Verhaltens- und Evolutionsbiologie wichtig: Energie, die ein Organismus in Wachstum, Fortpflanzung oder Bewegung investiert, steht nicht zugleich im gleichen Umfang für andere energiebedürftige Aktivitäten zur Verfügung.

Unterschiedliche Strategien zeigen sich etwa bei Räubern: Räuberisch lebende Säugetiere und Vögel benötigen vergleichsweise viel Energie für den Beutefang. Krokodile verbrauchen durch Auflauern weniger Energie und können deshalb längere Hungerphasen ertragen.

Energiebilanzen und ihre Optimierung bilden Grundlagen für Produktionsberechnungen in Landwirtschaft, Viehwirtschaft und Aquakultur sowie für irdische Stoffbilanzen. Rinder geben gut 6 % ihrer über die Nahrung aufgenommenen Energie, rund 300 Liter pro Tag, als Methan über die Atemluft ab. Das belastet ihre Energiebilanz und beeinflusst den Treibhauseffekt. Die Energiebilanz ganzer Ökosysteme wird als Energiefluss berechnet; Energie- und Stoffbilanzen sind eng gekoppelt.