Grundlagen der Biologie: Materie, Energie, Photosynthese & Zellatmung

Biotische und Abiotische Komponenten der Materie

• Materie ist das, was einen Platz im Ökosystem einnimmt, Gewicht und Volumen besitzt, Transformationen durchläuft und eine eigene Form haben kann oder auch nicht.
• Materie wird in biotische (organische) Materie (in lebenden Organismen und deren Derivaten wie Proteinen, Fetten, Zuckern usw.) und abiotische (anorganische) Materie (in der unbelebten Welt, z. B. Wasser, Mineralien, Gase) klassifiziert.
• Organische Materie: Besteht aus Kohlenstoff, Wasserstoff und manchmal Sauerstoff und Stickstoff (CHON). Sie enthält viele Atome, reichlich chemische Energie im potenziellen Zustand und bildet große Moleküle.
• Anorganische Materie: Besitzt Moleküle von reduzierter Größe, Atome mit weniger Energie und kann eine beliebige Kombination von Atomen aufweisen.
• Materie besteht aus Einheiten, die die charakteristischen Eigenschaften dieser Materie bewahren, den sogenannten Molekülen (gebildet durch ein oder mehrere Atome, die gleich oder verschieden sein können).
• Bindungsenergie ist die Energie, die Atome in Molekülen zusammenhält.

Energie: Formen und Transformationen

• Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Sie kann in verschiedene Formen umgewandelt werden, geht aber niemals verloren (Energieerhaltungssatz). Bei jeder Energieumwandlung findet auch eine Transformation von Materie statt.
• Potenzielle Energie: Energie, die in einem System gespeichert ist und zur Verrichtung von Arbeit bereitsteht. Beispiel: Brennholz (chemisch gebundene Energie).
• Kinetische Energie: Energie der Bewegung. Beispiel: Schwimmen, Fliegen, Laufen.
• Mechanische Energie: Energie, die durch die Bewegung oder Position von Objekten erzeugt wird. Beispiel: Bewegliche Teile einer Maschine (z.B. Lüfterflügel).
• Lichtenergie: Energie, die als Licht wahrgenommen wird. Beispiel: Flammen, Sonnenlicht.
• Elektrische Energie: Energie, die durch den Fluss von elektrischen Ladungen entsteht und zur Reizleitung dient. Beispiel: Elektrische Wellen, Gehirn- und Herzaktivität.
• Chemische Energie: Energie, die in den chemischen Bindungen von Verbindungen gespeichert ist. Beispiel: Lebensmittel, Benzin, Holz.
• Wärmeenergie (Kalorische Energie): Energie, die sich in Form von Wärme manifestiert und oft als die am stärksten degradierte Energieform gilt, da sie in die Atmosphäre abgeführt wird und schwer wiederverwendbar ist.

Beispiel für Materietransformation: Holz → Kohlendioxid, Rauch → Asche (Abfallprodukt).

Beispiel für Energieumwandlung: Chemische potenzielle Energie → Licht, Wärme (Energieverlust an die Atmosphäre).

Photosynthese: Der Prozess der Energieumwandlung

• Prozess: Pflanzen besitzen in ihren grünen Organen (Blättern und krautigen Stängeln) ein Pigment namens Chlorophyll, das in den Chloroplasten (mikroskopische Strukturen) enthalten ist und Sonnenlichtenergie einfängt. Diese Lichtenergie wird in chemische Energie umgewandelt, die in komplexen organischen Molekülen in Speicherorganen (Stängeln, Wurzeln, Samen, Früchten) eingelagert wird und auf Pflanzenfresser übertragen wird, wenn diese die Pflanze fressen.
• Definition: Die Photosynthese ist der Prozess der Umwandlung anorganischer Stoffe in organische Substanzen unter Einwirkung von Licht, der ausschließlich von Pflanzen durchgeführt wird.
• Formel: 6 H₂O + 6 CO₂ + Lichtenergie (Chlorophyll) → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂
• Wasser wird von den Pflanzenwurzeln aufgenommen und gelangt über die Blätter dorthin, wo die Lichtenergie durch Chlorophyll eingefangen wird. Diese Energie spaltet Wassermoleküle und trennt die Atome. Der Sauerstoff wird über die Spaltöffnungen in die Atmosphäre abgegeben. Die Wasserstoffatome werden an das Kohlendioxid gebunden, das ebenfalls absorbiert wird, und die eingefangene Energie wird in chemische Energie umgewandelt. Es entsteht ein einfaches Kohlenhydrat (bestehend aus C, H, O), das wasserlöslich ist (und leicht zu den benötigten Organen transportiert werden kann). Durch den Zusammenschluss dieser einfachen Kohlenhydrate entsteht ein komplexes Kohlenhydrat namens Stärke (nicht wasserlöslich und in speziellen Organen wie Stängeln, Wurzeln und Keimblättern gespeichert).
• Akteure: Produzenten (Pflanzen)
• Zeitpunkt: Tagsüber
• Ziele: Bildung organischer Stoffe, Aufnahme anorganischer Stoffe, Gasaustausch.
• Wasser: Wird absorbiert und transportiert.
• Sauerstoff: Wird freigesetzt.
• Organische Materie: Wird synthetisiert.
• Kohlendioxid: Wird verbraucht.
• Energieverbrauch: Energie wird aufgenommen.
• Beteiligte Energieformen: Lichtenergie (aufgenommen), chemische Energie (gebildet), Wärmeenergie (als Nebenprodukt).

Zellatmung: Energiegewinnung in Organismen

• Grüne Pflanzen produzieren energiereiche Nahrung durch Photosynthese und werden daher als Produzenten bezeichnet.
• Tiere nehmen diese energiereiche Nahrung auf und werden daher als Konsumenten bezeichnet.
• Um die chemische Energie aus der Nahrung freizusetzen, muss diese mit Sauerstoff kombiniert werden (Oxidation). Dies führt zur Freisetzung und Nutzung von Energie, wobei die Nahrung in einfache anorganische Moleküle umgewandelt wird.
• Dieser Prozess, bei dem Nahrung im Körper von Lebewesen mit Sauerstoff (O₂) kombiniert wird, ist bekannt als Zellatmung, biologische Oxidation oder Verbrennung von Nahrung. Er findet in den Zellen von Pflanzen, Tieren und Menschen statt, insbesondere in den mikroskopischen Strukturen, die als Mitochondrien bezeichnet werden.