Wie die Energie in unser Essen kommt

Die Aufnahme von Sonnenlicht in Pflanzen geschieht über Pigmente in den sogenannten Chloroplasten. Weil sie den grünen Anteil des Lichtes zurückwerfen, sehen wir die Blätter grün. Die Aufnahme von Sonnenlicht in Pflanzen geschieht über Pigmente in den sogenannten Chloroplasten. Weil sie den grünen Anteil des Lichtes zurückwerfen, sehen wir die Blätter grün.

Die heutige Atmosphäre besteht zu etwa 20 % aus Sauerstoff. Das Ein- und ausatmen von O2 ist für uns selbstverständlich. Wie es dazu kam, wer darunter leiden musste und wozu Sauerstoff sonst noch gut ist.

 

3020 Kilokalorien – laut Bundesamt für Statistik die im Jahr 2016 täglich über Nahrung zugeführte Menge an Energie eines Durschnittschweizers. Der weitaus grösste Teil stammt dabei aus pflanzlichen Produkten, angeführt von Getreideerzeugnissen. Doch warum liefern uns Brot und Nudeln eigentlich Energie, und sowieso - was ist Energie?
Die Suche nach Antworten führt uns unweigerlich zur bedeutendsten biochemischen Reaktion aller Zeiten, der Photosynthese.

Leben von Licht und Wasser

Es sei wichtig, einzusehen, dass wir in der heutigen Physik nicht wissen, was Energie ist – schrieb der Quantenphysiker und Nobelpreisträger Richard Feynman in einer seiner Vorlesungen für Physik. Letztlich lernen wir im  Physikunterricht, dass Energie in verschiedenen Formen auftritt und man sie nicht erschaffen, sondern lediglich in eine andere Form überführen kann. Genau durch eine solche Umwandlung gelangt Energie in unsere Nahrung. Die Photosynthese – von griech. phōs, Licht, und sýnthesis, Zusammensetzung – verwandelt die Lichtenergie der Sonne in chemische Energie; diese liegt anschliessend in Form chemischer Verbindungen in Zuckermolekülen gespeichert vor und wird von der Pflanze unter anderem zum Aufbau von Zellmaterial benutzt. Dieses ist wiederum die Nahrungsgrundlage aller übrigen Organismen. Denn: Nur Pflanzen und einigen Bakterien können selber organisches Material aufbauen; wir andern müssen es als Nahrung aufnehmen, nur so kommen wir an die zum Leben benötigte Energie.

Für die einen eine Katastrophe, für die anderen ein Segen

Während die frühsten Lebensformen ihre Energie noch aus einfachen chemischen Verbindungen gewannen, so steckt hinter dem heutigen Leben vor allem die Energie des Sonnenlichts.

Die zur Photosynthese nötige Zellmaschinerie entstand zuerst in Bakterien, Schätzungen zufolge vor rund 3 - 3.8 Mrd. Jahren. Aus CO2 in der Atmosphäre, Wasser und Sonnenenergie fingen die noch heute lebenden Cyanobakterien an, ihren Zucker herzustellen. Dabei entstand Sauerstoff. Aus bakterieller Sicht lediglich ein Abfallprodukt ihrer Energiegewinnung, hatte das Gas für andere Lebensformen allerdings tragische Auswirkungen:  Für viele von ihnen war Sauerstoff giftig und sie verschwanden von diesem Planeten. Währenddessen wuchsen die Cyanobakterien fröhlich weiter und reicherten die Atmosphäre stetig mit Sauerstoff an. Noch heute wird in etwa die Hälfte alles Luftsauerstoffes von Bakterien erzeugt; und das, obwohl die Evolution unterdessen mit den Pflanzen aufgekommen ist.

Wasser, Ozon und eine Menge Energie

Der Great Oxidation Event, bezeichnend für den rasanten Anstieg der Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre vor etwa 2.5 Mrd. Jahren, machte die Erde zu der, die wir heute kennen. So ermöglichte der Sauerstoff unter Einwirkung von UV-Strahlung die Bildung einer Ozonschicht in der Stratosphäre, rund 15 km über der Erdoberfläche. Die Ozonschicht wiederum schirmt kurzwellige, lebensfeindliche UV-Strahlung ab – eine wichtige Voraussetzung für die spätere Entwicklung des Lebens an Land.
Weiter wirkte der Sauerstoff dem stetigen Entfliehen des leichten Gases Wasserstoff ins Weltall entgegen, wie es etwa auf dem Mars und der Venus der Fall war. Der Wasserstoff in der Atmosphäre reagierte mit Sauerstoff zu Wasser. Dieses kondensierte und fiel als Niederschlag zurück auf die Erde. So behielt die Erde ihr Wasser, und Leben konnte bestehen bleiben.  

Nicht zuletzt zeichnet sich das O2-Molekül durch sein ausserordentlich hohes Redoxpotential aus. Das bedeutet: Mit ihm kann während der Verwertung von Nahrung besonders viel chemische Energie gewonnen werden. Wie wir nächste Woche im nächsten Teil dieser Artikelserie sehen werden, erwies sich Sauerstoff daher als  der ideale Stoff, komplexere Lebensformen hervorzubringen.

Aus Wasser und Kohlenstoffdioxid entsteht unter Einfluss von der Lichtenergie der Sonne O2 und Zucker. So lernen wir es in der Schule. Was allerdings häufig verschwiegen wird, ist die Tatsache, dass sich die obige Reaktion genau genommen aus zwei Prozessen zusammensetzt, die jeweils an unterschiedlichen Orten in der Zelle stattfinden. In der Primärreaktion (auch lichtabhängige Reaktion) werden Wassermoleküle unter Einfluss von Sonnenlicht gespalten; es entsteht Sauerstoff, und Energie wird frei. Diese Energie wird in der Sekundärreaktion (auch lichtunabhängige Reaktion) dazu verwendet, CO2 aus der Atmosphäre zu binden und den darin enthaltenen Kohlenstoff zum Aufbau von Zuckermolekülen zu verwenden.

Quellen und weitere Informationen:
Nahrungsmittelverbrauch nach Art der Nahrungsmittel 
Photosynthese: Die wichtigste Reaktion der Welt

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