Energie und Leben

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Wozu brauchen Lebewesen Energie?

Energie ist die Fähigkeit Arbeit zu leisten. Wozu brauchen Lebewesen Energie? Sie brauchen sie für alle Lebensprozesse. Um zu wachsen (Wachstum), körpereigene Substanzen aufzubauen (Stoffwechsel), um sich zu teilen (Fortpflanzung) und zu entwickeln (Entwicklung) oder zur Muskelarbeit (Bewegung), um zu denken oder auf äußere Reize zu reagieren (Reizbarkeit)… Für alle diese Lebensprozesse wird Energie benötigt. Lebewesen benötigen sogar Energie im Ruhezustand, weil sie auch in der Ruhe Stoffe auf- und umbauen.

Wie wird Energie eingefangen und zum Leben verwendet?

Lebewesen haben im Wesentlichen zwei Arten der Energiegewinnung und ein gemeinsames Prinzip der Energiespeicherung. Die zwei Arten der Energiegewinnung sind:

1. die Fotosynthese
2. die Atmung

Fotosynthese

Fotosynthese (kann man auch Photosynthese schreiben)  ist einer der wichtigsten Prozesse auf der Erde. Als die Erde vor ca. 4,5 Milliarden Jahren entstand, bestand die Atmosphäre aus giftigen Gasen. Erst im Laufe der Erdgeschichte haben die ersten Pflanzen als Abfallprodukt ihres Stoffwechsels Sauerstoff (0₂) in der Atmosphäre abgegeben. Ohne diesen Sauerstoff könnnten wir nicht auf der Erde leben. Und ohne die Pflanzen könnten wir uns auch nicht ernähren. Ohne Pflanzen gäbe es uns gar nicht. Wir benötigen den Sauerstoff und die Energie aus den Pflanzen um zu leben.

Doch wie genau produzieren Pflanzen nun Sauerstoff und warum eigentlich? Einfach gesagt machen Pflanzen (und bestimmte Bakterien) folgendes: sie nutzen Licht, Wasser und Kohlendioxid, um daraus neue Stoffe herzustellen: nämlich Glucose (das ist Traubenzucker) und Sauerstoff. Also: aus energiearmen anorganischen Stoffen entstehen mit Hilfe der Sonnenenergie energiereiche organische Stoffe. Aus der Strahlungsenergie des Lichts wird chemische Energie. Um das zu verstehen schauen wir uns zunächst die chemische Reaktionsgleichung der Fotosynthese an. Vereinfacht lautet sie:

6 CO₂ + 6 H₂O + Lichtenergie → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Das bedeutet: 6 Moleküle Kohlenstoffdioxid (CO₂) und 6 Moleküle Wasser (H₂O) werden mit Hilfe von Lichtenergie in 1 Molekül Zucker bzw. Kohlenhydrate (C₆H₁₂O₆) und 6 Moleküle Sauerstoff (O₂) umgewandelt. Das Hauptprodukt ist also Glucose. Als Abgas entsteht Sauerstoff.

Aus energiereicher Glucose und anderen Stoffen stellen die Pflanzen Biomasse her, also alle weiteren Stoffe, die sie während ihres Lebens benötigen z.B. Eiweiße, Cellulose für Zellwand, Erbsubstanz (DNA, DNS), Fette und Stärke. Das alles sind organische Stoffe = Stoffe die von Lebewesen hergestellt werden. Sie bestehen zum großen Teil aus Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H). Die nicht-organischen Stoffe werden als anorganisch bezeichnet.

Aber wo genau läuft denn dieser Prozess ab? Die grünen Pflanzen haben ihre Farbe durch den grünen Blattfarbstoff, das Chlorophyll („chloro“ kommt aus dem Griechischen und bedeutet „grün“). Das Chlorophyll findet sich in kleinen Zellbestandteilen jeder grünen Zelle. Diese kleinen Behälter werden als Chloroplasten bezeichnet, den Organellen in den Zellen der Pflanzen. Genau dort findet die Fotosynthese statt. Wichtig: Nur Zellen mit dem grünen Blattfarbstoff, dem Chlorophyll können Sonnenlicht aufnehmen, das für den Prozess benötigt wird. In den winzigen Chloroplasten findet dann die gesamte Fotosynthese statt. 

Pflanzen sind in der Lage, direkt aus dem Licht der Sonne ihre Energie zu beziehen, andere Lebewesen (Menschen und Tiere) hingegen sind auf die von den Pflanzen produzierte chemische Energie angewiesen, die sie über die Nahrung aufnehmen. Die Pflanzen bezeichnet man als autotroph, d.h. sie können leben, ohne andere Organismen zu fressen, die anderen Lebewesen sind heterotroph (siehe unten).

Für uns Menschen ist die Fotosynthese lebenswichtig: wir benötigen das „Abfallprodukt“ der Pflanzen, nämlich den Sauerstoff (O₂). Gleichzeitig bauen die Pflanzen das für uns schädliche CO₂ ab. Die von den Pflanzen hergestellten Kohlenhydrate nutzen wir für unsere Ernährung. Die darin gespeicherte chemische Energie dient uns als Energielieferant. Auf der Erde hat sich also über Millionen von Jahren ein perfektes Gleichgewicht eingestellt.

Atmung (Zellatmung)

Jede Zelle des Körpers braucht Sauerstoff, um zu funktionieren, z.B. die Muskelzellen, um sich zusammenzuziehen, oder die Gehirnzellen zum Denken. Die Körperzellen benötigen den eingeatmeten Sauerstoff aus der Luft, um Energie aus der Nahrung zu gewinnen. Diesen Vorgang nennt man Zellatmung. In der Zelle wird die Nahrung mit Hilfe des Sauerstoffs „verbrannt“. Durch die „Verbrennung“ der Zuckermoleküle wird die Energie gewonnen, die alle Zellen deines Körpers für die verschiedenen Lebensprozesse brauchen. Diese biologische Verbrennung ist eine Oxidation. Sie erfolgt in kleinen Schritten und so langsam, dass die Zellen durch den Temperaturanstieg nicht zerstört werden. Diese Verbrennung in kleinen Schritten wird als biologische Oxidation bezeichnet. Als Oxidation wird eine Reaktion mit Sauerstoff bezeichnet. 

Die Zellatmung ist das Gegenstück zur Fotosynthese und beschreibt die Stoffwechselvorgänge die für die Energiegewinnung der Zelle notwendig sind. Auch die Zellatmung findet wie die Fotosynthese der Pflanzen in kleinen Zellbestandteilen statt. Diese kleinen Behälter, die Zellorganellen (die kleinen Organe der Zelle) sind die Mitochondrien (Einzahl: Mitochondrium; Aussprache).

Die Mitochondrien werden auch als Kraftwerke der Zelle bezeichnet. Die Hauptaufgabe der Mitochondrien ist die Produktion von Energie in Form von ATP (Adenosintriphosphat). Die Zellatmung findet also in den Mitochondrien statt! Die chemische Reaktionsgleichung lautet:

C₆H₁₂O₆+ 6 O₂ – > 6 CO₂ + 6  H₂O + ATP (Energie)

H₂O = Wasser
CO₂ = Kohlenstoffdioxid
O₂ = Sauerstoff
C₆H₁₂O₆ = Glucose (Traubenzucker)

Um sich mit Energie zu versorgen, nehmen Zellen Traubenzucker (C₆H₁₂O₆) auf, der innerhalb der Zelle in den Mitochondrien zu Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) abgebaut wird. Während der Zellatmung stellt die Zelle noch eine energiereiche Verbindung her, das ATP, welches für uns als Energiespeicher sehr wichtig ist. In diesem Molekül wird die Energie in Form von chemischer Energie gespeichert. Das Molekül ATP ist somit der „Energiespeicher“ der Zellen, der für alle Vorgänge zur Verfügung steht, bei denen Energie benötigt wird. ATP ist ein kompliziert aufgebauter Stoff, der Energie speichern und wieder abgeben kann. Den Aufbau dieses Moleküls musst du nicht wissen. Du solltest dir nur merken, dass ATP ein wichtiges Molekül zur Speicherung von Energie ist. Mehr zur Energiegewinnung in den Mitochondrien findest du auf der Seite von planet schule.

Zusammenhang zwischen Fotosynthese und Atmung 

Tiere und Menschen besitzen in ihren Zellen Mitochondrien, die Kraftwerke der Zelle. Dort findet die Energiegewinnung statt. Pflanzen besitzen in ihren Zellen Chloroplasten und Mitochondrien. In den Chloroplasten findet die Fotosynthese
statt, und es werden mit Hilfe der Strahlungsenergie des Lichts Glucose und Sauerstoff gebildet. Ohne Licht (in der Nacht) erhalten die Pflanzen ihre Energie nur durch Zellatmung, die in den Mitochondrien abläuft und bei der Glucose verwendet wird. In den Mitochondrien findet die Zellatmung zwar zu jeder Tageszeit statt, bei Tageslicht überwiegt aber die Fotosynthese.

Tiere und wir Menschen sind also auf die Pflanzen angewiesen, sie benötigen sowohl Nährstoffe (Fette, Eiweiße, Kohlenhydrate), als auch den von Pflanzen abgegebenen Sauerstoff. Tiere sind Konsumenten oder heterotroph.

Einen guten Überblick erhältst du auf der Youtube-Seite des SimpleClubs:

Der Link zum Video: Wie funktioniert die Photosynthese? (Datenschutzhinweis: Wenn du den Link anklickst wird deine IP-Adresse übermittelt und Youtube erfährt, dass du das Video angesehen hast.)

Arbeitsblätter

Die Arbeitsblätter findest du im Internen Bereich. Du benötigst ein Passwort. Intern 11K (Passwort)

Übungen

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Tests

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Weiterführende Links

Schulbuch -O-Mat: Atmung und Fotosynthese.  Dort ist der Zusammenhang zwischen Atmung und Fotosynthese gut beschrieben. 

planet schule: Fotosynthese und Zellatmung