Stoff- und Energiewechselprozesse

In jeder lebenden Zelle laufen Stoffwechselprozesse und Energiewechselprozesse ab. Die Fotosynthese, die Atmung, die alkoholische Gärung und die Milchsäuregärung gehören zu den Stoff- und Energiewechselprozessen.

Der Stoff- und Energiewechsel ist die Aufnahme von Stoffen und Energie in die Zellen, die Umwandlung von Stoffen und Energie in den Zellen und die Abgabe von Stoffen und Energie aus den Zellen. In den Zellen werden ständig körpereigene organische Stoffe aufgebaut (Assimilation) und organische Stoffe zur Nutzbarmachung der in ihnen enthaltenen chemischen Energie abgebaut (Dissimilation). Die Assimilation und Dissimilation laufen gleichzeitig in den Zellen der Organismen ab. Zum Aufbau körpereigener organischer Stoffe in den Zellen (Assimilation) nehmen die Organismen anorganische Stoffe (z. B. Kohlenstoffdioxid und Wasser) oder organische Stoffe (z. B. in der Nahrung enthaltene Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße) auf. Deshalb unterscheidet man zwischen zwei Formen der Assimilation:

• Die autotrophe Assimilation ist die Form der Assimilation, bei der aus anorganischen Stoffen körpereigene organische Stoffe aufgebaut werden.
• Die Form der Assimilation, bei der aus organischen Stoffen körpereigene organische Stoffe aufgebaut werden, ist die heterotrophe Assimilation.

Die heterotrophe Assimilation läuft in den Zellen der Menschen, Tiere, Pilze und vieler Bakterien, aber auch in den Wurzelzellen der Sprosspflanzen ab.
Die Fotosynthese ist eine Form der autotrophen Assimilation. Sie läuft in den chlorophyllhaltigen Zellen der Pflanzen, in den Blaualgen und in einigen Bakterien ab. Die Energiequelle für den Aufbau des körpereigenen organischen Stoffs Glucose durch Fotosynthese ist die Sonne, sie gibt Lichtenergie ab.

Die Fotosynthese ist eine Form der autotrophen Assimilation, bei der der Aufbau von Glucose aus Kohlenstoffdioxid und Wasser unter Zufuhr von Lichtenergie und mithilfe des Chlorophylls erfolgt. Dabei wird Sauerstoff abgegeben.

Ein Teil der in den Zellen aufgebauten organischen Stoffe wird zur Nutzbarmachung der in ihnen enthaltenen chemischen Energie durch Dissimilation wieder abgebaut. Die Atmung und die Gärung sind zwei Formen der Dissimilation.

Bei der Atmung wird der organische Stoff Glucose zu den anorganischen Stoffen Kohlenstoffdioxid und Wasser abgebaut. Beim Abbau des organischen Stoffs Glucose durch Gärung entstehen andere organische Stoffe (z. B. Ethanol, Milchsäure). Neben der Glucose ist Sauerstoff ein Ausgangsstoff für die Atmung. Die Gärung verläuft dagegen ohne Sauerstoff.

Bei beiden Formen der Dissimilation wird die chemische Energie der Glucose in chemische Energie in Form von ATP (Adenosintriphosphat) und thermische Energie umgewandelt. Die im ATP gespeicherte chemische Energie ist die für die Lebensprozesse nutzbare Energie. Die Energiemenge, die ausgehend von einer bestimmten Anzahl Glucosemoleküle in chemische Energie in Form von ATP umgewandelt wird, ist bei der Atmung jedoch höher als bei der Gärung.

Die Bedeutung der Fotosynthese für das Leben auf der Erde

Die Fotosynthese als Form der autotrophen Assimilation, die heterotrophe Assimilation, die Atmung und andere Stoff- und Energiewechselprozesse wirken in der lebenden Natur zusammen.

Vor erdgeschichtlich langen Zeiträumen, als die ersten Organismen auf der Erde lebten, gab es noch keinen Sauerstoff in der Erdatmosphäre. Der Abbau organischer Stoffe zur Nutzbarmachung von Energie für die Lebensprozesse erfolgte durch Gärung. Erst nach der Entwicklung von chlorophyllhaltigen Organismen, die durch Fotosynthese Sauerstoff in die Erdatmosphäre abgaben, konnten sich auch Organismen entwickeln, die atmen.

Der durch die Fotosynthese gebildete Sauerstoff ist Voraussetzung für die Atmung.

Die ersten Organismen, die Sauerstoff durch Fotosynthese in die Erdatmosphäre abgaben, traten vor 3,8 Milliarden Jahren auf und waren den heutigen Blaualgen ähnlich. Durch die riesigen Steinkohlenwälder der Karbonzeit wurden gewaltige Mengen an Sauerstoff gebildet. Dadurch konnte sich der Sauerstoffgehalt der Erdatmosphäre auf den heutigen Wert von etwa 21 % erhöhen. Obwohl fast alle Organismen atmen, bleibt der Anteil an Sauerstoff in der Erdatmosphäre durch die Fotosynthese der Pflanzen annähernd konstant.

Durch die Fotosynthese wird der durch die Atmung der Organismen verbrauchte Sauerstoffanteil der Luft ständig erneuert.

Jährlich werden von den Pflanzen 4 x ${10}^{10}$ Tonnen Kohlenstoffdioxid zum Aufbau von Kohlenhydraten aus der Erdatmosphäre aufgenommen. Durch die Fotosynthese der Pflanzen entstehen gewaltige Mengen an Kohlenhydraten. Allein an einem Tag bildet eine Birke mit 200 000 Laubblättern etwa 12 kg Kohlenhydrate.

Durch Fotosynthese als Form der autotrophen Assimilation gebildete organische Stoffe (Kohlenhydrate) sind Voraussetzung für den Aufbau organischer Stoffe durch heterotrophe Assimilation.

Deshalb stehen Organismen, in denen die Fotosynthese abläuft, immer am Anfang von Nahrungsketten.

Ohne die ständige Neubildung organischer Stoffe durch die Fotosynthese wäre der Vorrat an organischen Stoffen auf der Erde bald erschöpft.

Für die heterotroph lebenden Organismen gäbe es dann keine Nahrung mehr.

Die Fotosynthese ist die Grundlage für die Ernährung heterotroph lebender Organismen und den Aufbau körpereigener organischer Stoffe durch heterotrophe Assimilation in den Zellen dieser Organismen.

Die Fotosynthese liefert aber nicht nur die stoffliche, sondern auch die energetische Grundlage für das Leben vieler Bakterien, der Pflanzen, der Tiere und der Menschen. Nur durch die Fotosynthese kann Lichtenergie der Sonne in chemische Energie und damit in für die Lebensprozesse der Organismen nutzbare Energie umgewandelt werden.

Die Fotosynthese ist die Grundlage für die Energieversorgung fast aller Organismen.

In Ökosystemen haben Pflanzen (z. B. Algen in einem See, Samenpflanzen in einem Laubwald) eine zentrale Stellung. Die meisten Pflanzen ernähren sich autotroph von anorganischen Stoffen (Wasser und Kohlenstoffdioxid) und bauen durch Fotosynthese organische energiereiche Stoffe (Kohlenhydrate) auf. Damit liefert die Fotosynthese die stoffliche und energetische Grundlage für das Leben der Organismen in einem Ökosystem, die sich heterotroph ernähren (z. B. Mensch, Tiere, Pilze, viele Bakterien). Diese Organismen bauen ihre körpereigenen Stoffe aus organischen energiereichen Stoffen auf.

Die Fotosynthese der Pflanzen liefert die stoffliche und energetische Grundlage für das Leben der heterotroph lebenden Organismen (z. B. Tiere, Mensch, Pilze). Deshalb stehen chlorophyllhaltige Organismen als Produzenten immer am Anfang von Nahrungsketten bzw. Nahrungsnetzen in einem Ökosystem.