Ernährung, Stoffwechsel und Photosynthese im Überblick
Ernährung, Stoffwechsel und Photosynthese
Der Fluss der Materie ist zyklisch. Dabei verliert sich jedoch das Energieniveau auf der Ebene der Wärme an die Umgebung, ohne dass es möglich ist, diese zurückzugewinnen. Der Energiefluss verläuft in eine Richtung: Sonnenenergie wird durch Pflanzen in chemische Energie umgewandelt, wobei nur etwa 10 % der gespeicherten Energie als Wärmeenergie an die nächste trophische Ebene weitergegeben wird.
5.1. Konzept der Ernährung: Autotrophie und Heterotrophie
Ernährung ist der Austausch von Materialien und Energie, den jedes Lebewesen mit der äußeren Umgebung durchführen muss, um seine lebenswichtigen Aktivitäten zu entwickeln.
- Autotrophe Organismen: Sie nehmen freie Energie sowie anorganische, exoenergetische Substanzen auf und synthetisieren daraus organische, endoenergetische Verbindungen. Sie nehmen die erforderlichen Substanzen direkt durch Absorption auf.
- Photosynthetische Ernährung: Lichtenergie und Chlorophyll (nur Pflanzen).
- Chemosynthetische Ernährung: Energie aus Oxidationsreaktionen (manche Bakterien).
- Heterotrophe Organismen: Sie können keine freie Energie einfangen oder organische Stoffe aus anorganischen Quellen synthetisieren. Sie benötigen organische Stoffe (Materie und Energie) aus dem Abbau anderer Substanzen (Tiere, Pflanzen ohne Chlorophyll und Bakterien). Sie können Sauerstoff, Wasser und Mineralsalze direkt aufnehmen; organische Verbindungen müssen jedoch durch den Vorgang der Verdauung in ihre wesentlichen Komponenten zerlegt werden.
5.2. Konzept des Stoffwechsels
Als Stoffwechsel (Metabolismus) bezeichnet man die Gesamtheit der chemischen Reaktionen, die in lebenden Organismen, konkret in den Zellen, ablaufen. Er unterteilt sich in:
- Anabolismus: Prozesse der Assimilation oder der Aufbau von Grundstoffen.
- Katabolismus: Prozesse der Dissimilation oder der Abbau (Zersetzung) von unmittelbaren Prinzipien.
Die Zellatmung
Die Atmung wird als die oxidative Phase des Katabolismus definiert, durch die lebende Organismen die benötigte Energie gewinnen, um ihre lebenswichtigen Tätigkeiten zu verrichten. Sie ist somit der Energiestoffwechsel der Lebewesen. Alle Organismen müssen die Atmung durchführen, um zu leben und ihre Aktivitäten auszuführen. Bei allen Atmungsvorgängen werden organische Stoffe oxidiert.
Dabei verlieren sie Elektronen (durch Dehydrogenasen) und Protonen. Diese werden durch andere Stoffe gewonnen, die dadurch reduziert werden. Die Atmung ist somit ein Redox-Prozess (Oxidation-Reduktion). Je nach Beteiligung von freiem Sauerstoff unterscheidet man zwei Arten der Atmung:
- Aerobe Atmung: Vollständige Oxidation, bei der anorganisches Material mit niedrigem Energiegehalt entsteht.
- Anaerobe Atmung: Unvollständige Oxidation. Die Energieeffizienz ist hierbei geringer, da das Energiepotenzial der organischen Substanz nicht voll ausgeschöpft wird. Sie wird auch als intramolekulare Atmung bezeichnet.
Gärung (Fermentation)
Die Gärung ist die Zersetzung organischer Materie durch anaerobe Organismen, die auf fremde organische Stoffe treffen und Endprodukte des respiratorischen Prozesses zurückgeben. Es gibt verschiedene Typen:
- Alkoholische Gärung: Erzeugt Ethanol.
- Essigsäuregärung: Erzeugt Essigsäure.
- Milchsäuregärung: Erzeugt Milchsäure.
- Buttersäuregärung: Erzeugt Buttersäure.
- Fäulnis: Fermentation von Proteinen.
Die Photosynthese
Die Photosynthese, auch als Chlorophyll-Funktion der Ernährung bekannt, ist der Prozess, durch den aus Kohlendioxid und Wasser unter Einbeziehung von Lichtenergie Zucker und andere organische Stoffe unter Freisetzung von Sauerstoff synthetisiert werden. Die Photosynthese ermöglicht die Erfassung der Sonnenenergie und deren Umwandlung in biochemische Energie. Dies ist die einzige nutzbare Energiequelle für jeden metabolischen Weg.
Die Synthese von Molekülen nutzt Energie, die zuvor nicht in den Molekülen gespeichert war. Der Transformationsprozess von Lichtenergie in chemische Energie findet in den Chloroplasten statt. Damit die Lichtenergie in Lebewesen genutzt werden kann, muss sie von Molekülen eingefangen werden, die in der Lage sind, sie zu absorbieren. Diese Moleküle werden als Pigmente bezeichnet und befinden sich in den Thylakoiden der Chloroplasten. Zu diesen Pigmenten gehören Chlorophylle, Xanthophylle, Carotinoide usw.
Die Photosynthese umfasst zwei Phasen: Die Lichtreaktion, die von der Lichteinstrahlung abhängt und in den Grana-Thylakoiden der Chloroplasten stattfindet. Dabei wird Energie durch den Lichteinfall freigesetzt.