Ernährung und Verdauung

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Inhaltsverzeichnis

Verdauung

Verdauungsorgane des Menschen benennen

Organe - vom Mund bis zum After

Der Energiebegriff - Hintergrundinformationen für Lehrer_innen

Grundsätzliches

Der Energieinhalt eines Systems ist sein Arbeitsvermögen. Dieser kann als kinetische (Bewegungsenergie) oder potentielle Energie (Lageenergie) vorliegen. Ein bewegter Körper besitzt Bewegungsenergie, die er auf andere Körper übertragen kann, das heißt, dass er bei so einem Vorgang Arbeit an dem anderen Körper leisten kann, z.B. indem er ihn beschleunigt.

Potentielle Energie ist Lageenergie in Bezug auf ein Kraftfeld. Das kann das Gravitationsfeld der Erde sein, ein elektrisches oder magnetisches Feld usw. Hoch über dem Erdboden besitzt ein Körper viel Lageenergie in Bezug auf das Gravitationsfeld der Erde. Entsprechendes gilt für ein Ion in einem elektrischen Feld.

Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik (Energieerhaltungssatz) besagt, dass Energie weder verlorengehen kann noch neu erzeugt werden kann. Energie kann höchstens von einer Energieform in eine andere überführt werden. Bei jedem Energieumwandlungsprozess von einer Energieform in eine andere entsteht neben der neuen Energieform auch Wärme. Insofern hat die Wärme eine besondere Stellung unter den verschiedenen Energieformen.

Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik (Entropiesatz)

Dieser Satz besagt, dass die Entropie (oder ganz einfach formuliert, die Unordnung) in einem geschlossenen System stets zunimmt. Der Entropiebegriff ist nicht einfach zu verstehen und ich will es hier nur auf anschaulicher Basis und auf die Biologie bezogen versuchen. Jeder weiß, dass sich eine erhitzte Substanz z.B. eine Tasse Tee von selbst abkühlt. Hier verteilt sich die Wärmeenergie gleichmäßig, d.h. die Wassermoleküle des Tees sind zuerst sehr schnell, stoßen an die Tassenwand, geben dort Bewegungsenergie ab. Außerdem werden dann sowohl durch die Wand wie durch das Wasser Luftteilchen beschleunigt. So werden die Wassermoleküle allmählich langsamer und die Umgebungsluft etwas wärmer. Auf diese Weise steigt die Entropie (also die Unordnung) des Systems an.

Ähnlich ist, dass sich der Zucker im Tee selbst verteilen würde, wenn man nur lange genug wartet. Der Zucker liegt zunächst nur in Kristallform vor, d.h. seine Moleküle sind nach einem genauen Muster angeordnet, die Entropie ist also gering, die Ordnung groß. Energieformen

Für Biologen sind besonders folgende Formen der Energie von Bedeutung:

  1. Chemische Energie
  2. Lichtenergie
  3. Wärmeenergie
  4. Elektrische Energie
  5. Mechanische Energie (in Form von Bewegungsenergie)

Zu den einzelnen Formen und ihrer Bedeutung für die Biologie sei Folgendes gesagt:

Chemische Energie

Sie ist insofern von zentraler Bedeutung für Organismen, als jeder Stoff durch Stoffumwandlungen chemische Energie aufnehmen oder abgeben kann. Bei chemischen Reaktionen werden Stoffe in andere Stoffe umgewandelt (Stoffwechsel in der Biologie). Dabei werden die Energieinhalte der Stoffe mitverändert. Dazu einige Beispiele:

a) C + O2 --> CO2 ist eine Oxidation von Kohlenstoff zu Kohlendioxid. Bei dieser Reaktion wird Energie in Form von Wärme freigesetzt (exergonische Reaktion), d.h., dass das entstehende CO2 weniger Energie enthält als das Gemisch der Ausgangsstoffe aus C und O2. Das bedeutet, dass CO2 als Stoff energiearm ist. Man kann also aus diesem Gas keine Energie freisetzen. Will man es spalten, so muss man Energie zuführen und zwar dieselbe Menge an Energie, wie sie bei der Reaktion freigeworden ist. Das ist ein Vorgang, der in der Photosynthese notwendig wird.

b) S + H2 --> H2S ist eine Reduktion von Schwefel. Um diese Reaktion zu ermöglichen, muss man Energie zuführen (endergonische Reaktion). Der entstehende Schwefelwasserstoff kann also, wenn man ihn zerlegt, Energie freisetzen, nämlich gerade die, die bei seiner Synthese aufgewandt werden musste. Schwefelbakterien benutzen ihn dafür. Sie geben dann S als Stoffwechselendprodukt ab (sozusagen ihr Kot).

c) Glucose + ATP --> Glucose-6-phosphat + ADP ist eine wichtige Reaktion in allen Zellen, weil hierdurch aktivierte Glucose gebildet wird. Das ATP enthält sehr viel potentielle chemische Energie. Ein Teil davon überträgt es in dieser Reaktion auf die Glucose indem dieser Stoff phosphoryliert wird. Das entstehende Glucose-6-phosphat enthält mehr Energie als die Glucose und das ADP weniger als das ATP (zusätzlich fällt etwas Wärme bei einer solchen Reaktion an). Solche Aktivierungsreaktionen haben für biologische Prozesse eine immense Bedeutung. Praktisch alle Stoffe in den Zellen sind relativ reaktionsträge und müssen durch solche Aktivierungsreaktionen aktiviert werden. Aminosäuren, Fettsäuren müssen aktiviert werden, wenn aus ihnen andere Stoffe aufgebaut werden sollen. Sie müssen aber auch dann aktiviert werden, wenn sie abgebaut werden sollen, d.h. sie müssen vor jeder Reaktion aktiviert werden. In den meisten Fällen geschieht das dadurch, dass der Stoff phosphoryliert wird, d.h. dass eine Phosphatgruppe an ihn gebunden wird. (Es kommen aber auch andere Bindungen in Frage, auf die ich hier nicht eingehen kann).

Weiter gilt, dass alle oxidationsfähigen Stoffe, und dazu gehören alle organischen Stoffe, dazu verwendet werden können, Energie freizusetzen. Die freiwerdende Energie kann im Prinzip für endergonische Reaktionen eingesetzt werden ansonsten wird sie als Wärme frei (ein Teil der Energie wird immer in Form von Wärme frei), die sich ausbreitet und nicht weiter genutzt werden kann.

Die chemische Energie ist also bei allen Reaktionen von Bedeutung. Darüber hinaus besitzen alle organischen Stoffe einen hohen Energieinhalt (im Unterschied zu den anorganischen) und eignen sich daher als Energiespeicher. In diesem Sinne werden Fette und Kohlenhydrate (Glycogen von Tieren, Stärke von Pflanzen) verwendet.

Anmerkung
Im Unterricht können diese Beispiele stark vereinfacht mit Formen der Nahrung, die wir zu uns nehmen, durchgespielt werden. Was passiert, wenn Nahrung zerkleinert wird? Was ist das Ziel der Verdauung von Nahrungsbestandteilen (z.B. die Umwandlung von chemischer in Bewegungsenergie, um Sport machen zu können)?

Wärmeenergie

Wärmeenergie ist ungerichtete kinetische Energie der Teilchen. Wegen ihrer Ungerichtetheit kann sie nicht zur Arbeitsleistung herangezogen werden im Unterschied zu gerichteter Bewegungsenergie. Die Wasserteilchen in einem Glas Wasser bewegen sich in alle möglichen Richtungen. Dabei sind manche langsam, andere schneller, weil dauernd Zusammenstöße vorkommen, wodurch sich die Geschwindigkeiten der verschiedenen Teilchen jeweils ändern können. Bei dieser Energieform ist es wichtig zwischen Wärmemenge (quantitativer Begriff, entspricht der gesamten kinetischen Energie sämtlicher Teilchen) und der Temperatur (qualitativer Begriff, entspricht der mittleren Geschwindigkeit der Teilchen) zu unterscheiden. Würden sich die Teilchen gar nicht bewegen, so wäre der absolute Nullpunkt der Temperatur erreicht. Eine tiefere Temperatur gibt es dann nicht mehr (-273 Grad Celsius = 0 Grad Kelvin). Bewegen sie sich langsam, so ist die Temperatur niedrig. Würde man sämliche Bewegungsenergien sämtlicher Teilchen zusammen rechnen, so wäre das der Wärmeenergieinhalt des Wasserglases.

Bei gleicher Temperatur sind leichtere Atome oder Moleküle natürlich schneller als schwere. Gasteilchen sind schneller als Flüssigkeitsteilchen und in Feststoffen spiegelt sich die Temperatur im Hin- und Herschwingen der Atom- oder Molekulargruppen wieder.

Berühren sich zwei Körper von unterschiedlicher Temperatur (die Wärmemenge in den Körpern spielt keine Rolle), so fließt vom wärmeren Körper eine bestimmte Wärmemenge in den kühleren Körper bis beide die gleiche Temperatur besitzen. Für die Erwärmung von Wasser von 14,5 auf 15,5 0C ist eine Wärmemenge von 1 cal bzw. 4,18 Joule pro ml Wasser erforderlich.

Für Organismen spielt sowohl die Temperatur als auch die Wärmemenge eine erhebliche Rolle. So erfordert Leben generell eine bestimmte Mindesttemperatur, die natürlich für verschiedene Arten unterschiedlich sein kann. Ebenso gibt es eine obere Temperatur, die gerade noch toleriert werden kann, die bei den meisten Organismen zwischen 40 0C und 50 0C liegt. Dazwischen liegt ein Bereich, der für die gerade betrachtete Art optimal ist. Die Wärmemenge ist besonders für gleichwarme Tiere von Bedeutung, weil sie ihre Körpertemperatur in engen Grenzen konstant halten. Daher müssen sie die Wärmemenge, die sie an die Umgebung verlieren (ihre Körpertemperatur liegt immer über der Umgebungstemperatur) ersetzen. Aber auch für wechselwarme Organismen ist sie insofern von Bedeutung, als sie sich von der Sonne aufwärmen lassen, wofür eine bestimmte Wärmemenge erforderlich ist, um ihren Körper auf eine höhere Temperatur aufzuheizen.

Organismen können sich an bestimmte Temperaturen gewöhnen, was man Akklimatisation nennt. Das läßt sich durch verschiedene Temperaturoptima ihrer Enzyme erklären. Bei verschiedenen Temperaturen können evtl. verschiedene Enzyme für die gleiche Reaktion gebildet werden.

Lichtenergie

Lichtenergie wird von Pflanzen in der Photosynthese absorbiert und z.T. in chemische Energie umgewandelt (ein anderer weit größerer Teil geht in Wärme über und ist für die Nutzung verloren). In der Photolyse (Zerlegung des Wassers) der Photosynthese wird Lichtenergie dazu genutzt, um Wasser in H und O zu zerlegen. Der Wasserstoff wird dazu benutzt, CO2 zu reduzieren und so C in eine niedrigere Oxidationsstufe zu überführen, wodurch die entstehenden Verbindungen energiereicher als CO2 sind.

Einige Tiere sind in der Lage, Licht zu erzeugen und als Signal einzusetzen. Z.B. Glühwürmchen (Käfer) und Tiefseefische.

Die Tageslänge wird von vielen Organismen zur Messung der Jahreszeit eingesetzt, um den richtigen Termin zum Blühen oder für die Fortpflanzung zu erkennen.

Elektrische Energie

Werden positive und negative Ladungen getrennt, so entsteht eine elektrische Spannung. Wird eine leitende Verbindung zwischen den getrennten Ladungen hergestellt, so fließt ein elektrischer Strom bis zum Ladungsausgleich. Das ist z.B. in Batterien der Fall. In Organismen besteht eine elektrische Spannung zwischen dem Zelläußeren und dem Zellinneren (bei jeder Zelle). Nerven-, Sinnes- und Muskelzellen nutzen diese Spannung, um Ströme fließen zu lassen. Einige Fische wie der Zitteraal können hohe elektrische Spannungen erzeugen und damit Stromstöße austeilen, um ihre Gegner zu lähmen. Andere Fische nutzen das aufgebaute elektrische Feld zur Orientierung.

Bewegungsenergie

Dabei denkt man natürlich in erster Linie an die Fortbewegung der Tiere. Es ist selbstverständlich, dass sie Energie erfordert. Aber auch im Körper müssen z.B. das Blut bewegt werden, das Herz schlagen usw. Das Gleiche gilt für den Darminhalt. Sehr wichtig sind aber auch Bewegungen in jeder Zelle. So werden Mitochondrien, Chloroplasten zu bestimmten Orten in der Zelle transportiert, Vesikel, die Stoffe enthalten, die ausgeschleust werden sollen (z.B. Insulin) werden zur Zellmembran transportiert, selbst größere Moleküle wie Proteine und RNA können nicht durch Diffusion an ihr Ziel kommen sondern werden von Motorproteinen entlang bestimmter Fibrillen transportiert.

Materialien

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