Brei!
Diese wunderschönen Schlittenhunde sind ein wahres Wunderwerk. Während sie bis zu 100 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 normalerweise nur etwa 100 Kalorien pro Pfund 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?
Was ist Energie?
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.
Warum Lebewesen Energie brauchen
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?
Wie Organismen Energie erhalten
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 der folgenden Abbildung dargestellt.
Photosynthetische Autotrophe, die aus der Energie des Sonnenlichts Nahrung herstellen, umfassen (a) Pflanzen, (b) Algen und (c) bestimmte Bakterien.
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 für Nahrungsketten, wie die unten gezeigte Nahrungskette.
Eine Nahrungskette zeigt, wie Energie und Materie vom Erzeuger zum Verbraucher fließen. Materie wird recycelt, aber Energie muss weiter in das System fließen. Woher kommt diese Energie? (Obwohl die Zersetzer als letzter Schritt in dieser Nahrungskette gezeigt werden, zersetzen diese Organismen Material aus jedem Schritt der Nahrungskette. Weitere Informationen finden Sie in den Ökologiekonzepten.)
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 der obigen Abbildung sind alle Organismen mit Ausnahme des Grases Verbraucher. Was denken Sie, was mit den Verbrauchern passieren würde, wenn alle Produzenten von der Erde verschwinden würden?
Energiemoleküle: Glucose und ATP
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.
ATP
ATP (Adenosintriphosphat) ist das Energieträgermolekül, das Zellen zur Energiegewinnung nutzen. Es wird von allen Zellen in den meisten zellulären Prozessen zur Energiegewinnung verwendet. 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 der folgenden Abbildung 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.
Wie Energie durch Lebewesen fließt
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 der folgenden Abbildung 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.
Dieses Diagramm vergleicht und kontrastiert Photosynthese und Zellatmung. Es zeigt auch, wie die beiden Prozesse zusammenhängen.
Zusammenfassung
- Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Es wird von allen Lebewesen und jeder lebenden Zelle benötigt, um Lebensprozesse durchzuführen, z. B. Moleküle abzubauen und aufzubauen und viele Moleküle über Zellmembranen zu transportieren.
- Die Energieform, die Lebewesen für diese Prozesse benötigen, ist chemische Energie und stammt aus der Nahrung. Lebensmittel bestehen aus organischen Molekülen, die Energie in ihren chemischen Bindungen speichern.
- Autotrophe stellen ihre Nahrung selbst her. Pflanzen zum Beispiel machen Nahrung durch Photosynthese. Autotrophe werden auch Produzenten genannt.
- Heterotrophe erhalten Nahrung, indem sie andere Organismen fressen. Heterotrophe werden auch als Konsumenten bezeichnet.
- Organismen nutzen hauptsächlich die Moleküle Glucose und ATP zur Energiegewinnung. Glukose ist eine kompakte, stabile Energieform, die im Blut transportiert und von Zellen aufgenommen wird. ATP enthält weniger Energie und wird verwendet, um Zellprozesse anzutreiben.
- Der Energiefluss durch Lebewesen beginnt mit der Photosynthese, die Glukose erzeugt. In einem Prozess, der als Zellatmung bezeichnet wird, bauen die Zellen von Organismen Glukose ab und stellen das benötigte ATP her.
Rezension
1. Energie definieren.
2. Warum brauchen Lebewesen Energie?
3. Vergleichen und kontrastieren Sie die beiden grundlegenden Arten, wie Organismen Energie gewinnen.
4. Beschreiben Sie die Rollen und Beziehungen der Energiemoleküle Glucose und ATP.
5. Fassen Sie zusammen, wie Energie durch Lebewesen fließt.
6. Erklären Sie, warum die vom menschlichen Körper verbrauchte Energie letztendlich von der Sonne stammt.
7. Richtig oder falsch: Einige Menschen (wie Vegetarier) sind Autotrophe.
8. Wahr oder falsch: Glukose speichert chemische Energie in ihren Bindungen.
9. Produzenten werden auch genannt ______________ .
10. Verbraucher werden auch genannt ______________ .
11. Welche der folgenden Stoffe speichert chemische Energie?
a. ATP
b. glukose
c. keines der oben genannten
d. sowohl A als auch B
12. Welche der folgenden sind nicht heterotrophe?
a. Pilze (Pilze)
b. Kühe
c. Mais
d. sowohl A als auch C