Erstellt von: CK-12 /Adaptiert von Christine Miller

Diese wunderschönen Schlittenhunde sind ein wahres Wunderwerk. Während sie bis zu 160 Kilometer (etwa 99 Meilen) pro Tag laufen, verbrauchen und verbrennen sie jeweils etwa 12 Tausend Kalorien — etwa 240 Kalorien pro Pfund pro Tag, was etwa 24 Big Macs entspricht! Ein menschlicher Ausdauersportler hingegen verbrennt typischerweise nur etwa 100 Kalorien pro Pfund (0,45 kg) pro Tag. Wissenschaftler sind fasziniert von dem erstaunlichen Stoffwechsel von Schlittenhunden, obwohl sie immer noch nicht festgestellt haben, wie sie so viel Energie verbrauchen. Aber eines ist sicher: Alle Lebewesen brauchen Energie für alles, was sie tun, sei es ein Rennen oder ein Blinzeln. Tatsächlich benötigt jede Zelle Ihres Körpers ständig Energie, um grundlegende Lebensprozesse durchzuführen. Sie wissen wahrscheinlich, dass Sie Energie aus der Nahrung bekommen, die Sie essen, aber woher kommt die Nahrung? Wie kommt es dazu, Energie zu enthalten? Und wie bekommen Ihre Zellen die Energie aus der Nahrung?

In der wissenschaftlichen Welt wird Energie als die Fähigkeit definiert, Arbeit zu verrichten. In Lebewesen sieht man oft Energie bei der Arbeit — ein Vogel fliegt durch die Luft, ein Glühwürmchen leuchtet im Dunkeln, ein Hund wedelt mit dem Schwanz. Dies sind offensichtliche Möglichkeiten, wie Lebewesen Energie verbrauchen, aber Lebewesen verwenden Energie auch ständig auf weniger offensichtliche Weise.

In jeder Zelle aller Lebewesen wird Energie benötigt, um Lebensprozesse durchzuführen. Energie wird benötigt, um Moleküle abzubauen und aufzubauen und viele Moleküle über Plasmamembranen zu transportieren. Das ganze Lebenswerk braucht Energie. Viel Energie geht auch einfach als Wärme an die Umwelt verloren. Die Geschichte des Lebens ist eine Geschichte des Energieflusses – seine Erfassung, seine Veränderung der Form, seine Verwendung für die Arbeit und sein Verlust als Wärme. Energie (im Gegensatz zu Materie) kann nicht recycelt werden, daher benötigen Organismen einen konstanten Energieeintrag. Das Leben läuft mit chemischer Energie. Woher bekommen lebende Organismen diese chemische Energie?

Die chemische Energie, die Organismen benötigen, stammt aus der Nahrung. Lebensmittel bestehen aus organischen Molekülen, die Energie in ihren chemischen Bindungen speichern. In Bezug auf die Energiegewinnung gibt es zwei Arten von Organismen: Autotrophe und Heterotrophe.

Autotrophe

Autotrophe sind Organismen, die Energie aus nichtlebenden Quellen aufnehmen und diese Energie in den lebenden Teil des Ökosystems übertragen. Sie sind auch in der Lage, ihr eigenes Essen zu machen. Die meisten Autotrophen nutzen die Energie des Sonnenlichts, um bei der Photosynthese Nahrung herzustellen. Nur bestimmte Organismen — wie Pflanzen, Algen und einige Bakterien – können durch Photosynthese Nahrung herstellen. Einige photosynthetische Organismen sind in Abbildung 4.9.2 dargestellt.

	Abbildung 4.9.2 Photosynthetische Autotrophe, die mit der Energie des Sonnenlichts Nahrung herstellen, umfassen Pflanzen (links), Algen (Mitte) und bestimmte Bakterien (rechts).

Autotrophe werden auch Produzenten genannt. Sie produzieren Nahrung nicht nur für sich selbst, sondern auch für alle anderen Lebewesen (bekannt als Verbraucher). Aus diesem Grund bilden Autotrophe die Grundlage von Nahrungsketten, wie sie in Abbildung 4.9.3 dargestellt sind.

Sehen Sie sich das Video „The simple story of photosynthesis and food – Amanda Ooten“ von TED-Ed an, um mehr über Photosynthese zu erfahren:

The simple story of photosynthesis and food – Amanda Ooten, TED-Ed, 2013.

Heterotrophe

Heterotrophe sind Lebewesen, die keine eigene Nahrung herstellen können. Stattdessen erhalten sie ihre Nahrung durch den Verzehr anderer Organismen, weshalb sie auch Konsumenten genannt werden. Sie können Autotrophe oder andere Heterotrophe konsumieren. Heterotrophe umfassen alle Tiere und Pilze sowie viele einzellige Organismen. In Abbildung 4.9.3, alle Organismen sind Verbraucher mit Ausnahme der Gräser und Phytoplankton. Was denken Sie, was mit den Verbrauchern passieren würde, wenn alle Produzenten von der Erde verschwinden würden?

Organismen verwenden hauptsächlich zwei Arten von Molekülen für chemische Energie: Glucose und ATP. Beide Moleküle werden in der gesamten lebenden Welt als Brennstoffe verwendet. Beide Moleküle spielen auch eine Schlüsselrolle bei der Photosynthese.

Glucose

Glucose ist ein einfaches Kohlenhydrat mit der chemischen Formel C6H12O6. Es speichert chemische Energie in konzentrierter, stabiler Form. In Ihrem Körper ist Glukose die Energieform, die in Ihrem Blut transportiert und von jeder Ihrer Billionen Zellen aufgenommen wird. Glukose ist das Endprodukt der Photosynthese und die nahezu universelle Nahrung für das Leben. In Abbildung 4.9.4 können Sie sehen, wie die Photosynthese Energie von der Sonne im Glukosemolekül speichert und dann, wie die Zellatmung die Bindungen in Glukose aufbricht, um die Energie abzurufen.

Wenn Sie sich an Abschnitt 3 erinnern.7 Nukleinsäuren, ATP (Adenosintriphosphat) ist das Energieträgermolekül, mit dem Zellen die meisten zellulären Prozesse antreiben (Nervenimpulsleitung, Proteinsynthese und aktiver Transport sind gute Beispiele für Zellprozesse, die auf ATP als Energiequelle angewiesen sind). ATP wird in der ersten Hälfte der Photosynthese hergestellt und dann in der zweiten Hälfte der Photosynthese zur Energiegewinnung verwendet, wenn Glukose hergestellt wird. ATP setzt Energie frei, wenn es eine seiner drei Phosphatgruppen (Pi) aufgibt und sich in ADP (Adenosindiphosphat mit zwei Phosphatgruppen) umwandelt, wie in Abbildung 4.9.5 gezeigt. Somit ist der Abbau von ATP in ADP + Pi eine katabole Reaktion, die Energie freisetzt (exotherm). ATP wird aus der Kombination von ADP und Pi hergestellt, einer anabolen Reaktion, die Energie aufnimmt (endotherm).

Warum brauchen Organismen sowohl Glukose als auch ATP

Warum brauchen Lebewesen Glukose, wenn ATP das Molekül ist, das Zellen für Energie verwenden? Warum machen Autotrophe nicht einfach ATP und sind damit fertig? Die Antwort ist in der „Verpackung.“ Ein Molekül Glukose enthält mehr chemische Energie in einem kleineren „Paket“ als ein Molekül ATP. Glukose ist auch stabiler als ATP. Daher ist Glukose besser zum Speichern und Transportieren von Energie geeignet. Glukose ist jedoch zu stark, als dass Zellen sie verwenden könnten. ATP hingegen enthält genau die richtige Menge an Energie, um Lebensprozesse in Zellen anzutreiben. Aus diesen Gründen werden sowohl Glukose als auch ATP von Lebewesen benötigt.

Der Energiefluss durch lebende Organismen beginnt mit der Photosynthese. Dieser Prozess speichert Energie aus Sonnenlicht in den chemischen Bindungen von Glukose. Durch das Aufbrechen der chemischen Bindungen in Glukose setzen Zellen die gespeicherte Energie frei und stellen das benötigte ATP her. Der Prozess, bei dem Glukose abgebaut und ATP hergestellt wird, wird als Zellatmung bezeichnet.

Photosynthese und Zellatmung sind wie zwei Seiten derselben Medaille. Dies ist in Abbildung 4.9.6 ersichtlich. Die Produkte eines Prozesses sind die Reaktanten des anderen. Zusammen speichern und setzen die beiden Prozesse Energie in lebenden Organismen frei. Die beiden Prozesse arbeiten auch zusammen, um Sauerstoff in der Erdatmosphäre zu recyceln.