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2.4: Energie gelangt durch Photosynthese in Ökosysteme - Biologie

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Zellen werden mit chemischer Energie betrieben, die hauptsächlich in Kohlenhydratmolekülen enthalten ist, und die meisten dieser Moleküle werden durch einen Prozess hergestellt: die Photosynthese. Durch Photosynthese wandeln bestimmte Organismen Sonnenenergie (Sonnenlicht) in chemische Energie um, die dann zum Aufbau von Kohlenhydratmolekülen verwendet wird. Die Energie, die in den Bindungen gespeichert ist, um diese Moleküle zusammenzuhalten, wird freigesetzt, wenn ein Organismus Nahrung abbaut. Zellen verwenden diese Energie dann, um Arbeit zu verrichten, wie zum Beispiel Bewegung. Die aus der Photosynthese gewonnene Energie gelangt kontinuierlich in die Ökosysteme unseres Planeten und wird von einem Organismus zum anderen übertragen. Daher liefert der Prozess der Photosynthese direkt oder indirekt den größten Teil der Energie, die von Lebewesen auf der Erde benötigt wird. Die Photosynthese führt auch zur Freisetzung von Sauerstoff in die Atmosphäre. Kurz gesagt, der Mensch hängt zum Essen und Atmen fast vollständig von den Organismen ab, die Photosynthese betreiben.

Sonnenabhängigkeit und Nahrungsmittelproduktion

Einige Organismen können Photosynthese betreiben, andere nicht. Ein autotroph ist ein Organismus, der seine eigene Nahrung produzieren kann. Die griechischen Wurzeln des Wortes autotroph bedeuten „self“ (auto) „feeder“ (troph). Pflanzen sind die bekanntesten Autotrophen, aber es gibt auch andere, darunter bestimmte Arten von Bakterien und Algen (Abbildung (PageIndex{1})). Ozeanische Algen tragen enorme Mengen an Nahrung und Sauerstoff zu den globalen Nahrungsketten bei. Genauer gesagt sind Pflanzen photoautotrophe, eine Art von Autotrophen, die Sonnenlicht und Kohlenstoff aus Kohlendioxid verwendet, um chemische Energie in Form von Kohlenhydraten zu synthetisieren. Alle Organismen, die Photosynthese betreiben, benötigen Sonnenlicht.

Heterotrophe sind Organismen, die zur Photosynthese nicht in der Lage sind und daher Energie und Kohlenstoff aus der Nahrung gewinnen müssen, indem sie andere Organismen verzehren. Die griechischen Wurzeln des Wortes heterotroph bedeuten "andere" (Hetero) "Zufuhr" (Trophäe), was bedeutet, dass ihre Nahrung von anderen Organismen stammt. Auch wenn der konsumierte Organismus ein anderes Tier ist, führt er seine gespeicherte Energie auf Autotrophe und den Prozess der Photosynthese zurück. Menschen sind Heterotrophe, wie alle Tiere und Pilze. Heterotrophe hängen entweder direkt oder indirekt von Autotrophen ab. Ein Reh gewinnt beispielsweise Energie, indem es Pflanzen frisst. Ein Wolf, der ein Reh frisst, bezieht Energie, die ursprünglich aus den von diesem Reh gefressenen Pflanzen stammt (Abbildung (PageIndex{2})). Mit dieser Argumentation können alle vom Menschen verzehrten Lebensmittel auf Autotrophen zurückgeführt werden, die Photosynthese betreiben.

Zusammenfassung der Photosynthese

Photosynthese benötigt Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser als Ausgangsreaktanten (Abbildung (PageIndex{3})). Nachdem der Prozess abgeschlossen ist, setzt die Photosynthese Sauerstoff frei und produziert Kohlenhydratmoleküle, am häufigsten Glukose. Diese Zuckermoleküle enthalten die Energie, die Lebewesen zum Überleben brauchen. Die komplexen Reaktionen der Photosynthese lassen sich durch die in Abbildung (PageIndex{4}) unten gezeigte chemische Gleichung zusammenfassen.

Obwohl die Gleichung einfach aussieht, sind die vielen Schritte, die während der Photosynthese ablaufen, tatsächlich ziemlich komplex. Bei Pflanzen findet die Photosynthese hauptsächlich in den Chloroplasten der Blätter statt. Chloroplasten haben eine doppelte (innere und äußere) Membran. Innerhalb des Chloroplasten befindet sich eine dritte Membran, die gestapelte, scheibenförmige Strukturen bildet, die als Thylakoide bezeichnet werden. Eingebettet in die Thylakoidmembran sind Moleküle von Chlorophyll, ein Pigment (ein Molekül, das Licht absorbiert), durch das der gesamte Prozess der Photosynthese beginnt.

Die zwei Teile der Photosynthese

Die Photosynthese findet in zwei Stufen statt: den lichtabhängigen Reaktionen und dem Calvin-Zyklus. In dem lichtabhängige Reaktionen Chlorophyll nimmt Energie aus dem Sonnenlicht auf und wandelt sie dann mit Hilfe von Wasser in chemische Energie um. Die lichtabhängigen Reaktionen lösen Sauerstoff als Nebenprodukt bei der Wasserspaltung. In dem Calvin-Zyklus, die aus den lichtabhängigen Reaktionen gewonnene chemische Energie treibt sowohl die Bindung von Kohlenstoff in Kohlendioxid Moleküle und der anschließende Aufbau von Zuckermolekülen.

Die globale Bedeutung der Photosynthese

Der Prozess der Photosynthese ist aus folgenden Gründen für die Biosphäre von entscheidender Bedeutung:

  1. Es schafft O2, was aus zwei Gründen wichtig ist. Der molekulare Sauerstoff in der Erdatmosphäre wurde von photosynthetischen Organismen erzeugt; ohne Photosynthese gäbe es kein O2 zur Unterstützung der Zellatmung (siehe Kapitel 3.2), die von komplexem, vielzelligem Leben benötigt wird. Photosynthetische Bakterien waren wahrscheinlich die ersten Organismen, die Photosynthese betrieben, und stammten vor 2-3 Milliarden Jahren. Dank ihrer Aktivität und einer Vielfalt heutiger Photosynthese-Organismen besteht die Erdatmosphäre derzeit zu etwa 21% aus O2. Auch diese O2 ist entscheidend für die Bildung der Ozonschicht (siehe Kapitel 10.2), die das Leben vor schädlicher ultravioletter Strahlung der Sonne schützt. Ozon (O3) entsteht durch den Abbau und den Wiederzusammenbau von O2.
  2. Es liefert Energie für fast alle Ökosysteme. Durch die Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie liefert die Photosynthese die Energie, die von Organismen verwendet wird, seien es Pflanzen, Heuschrecken, Wölfe oder Pilze. Die einzigen Ausnahmen sind in sehr seltenen und isolierten Ökosystemen zu finden, wie etwa in der Nähe von hydrothermalen Quellen der Tiefsee, wo Organismen Energie beziehen, die ursprünglich aus Mineralien und nicht aus der Sonne stammt.
  3. Es liefert den Kohlenstoff, der für organische Moleküle benötigt wird. Organismen bestehen hauptsächlich aus zwei Dingen: Wasser und organischen Molekülen, wobei letztere auf Kohlenstoff basieren. Durch den Prozess der Kohlenstoff-Fixierung, Photosynthese nimmt Kohlenstoff aus CO2 und wandelt es in Zucker (die organisch sind) um. Kohlenstoff in diesen Zuckern kann wiederverwendet werden, um die anderen Arten von organischen Molekülen zu erzeugen, die Organismen benötigen, wie Lipide, Proteine ​​und Nukleinsäuren. Zum Beispiel war der Kohlenstoff, der zur Herstellung Ihrer DNA verwendet wurde, einst CO2 von photosynthetischen Organismen verwendet (siehe Abschnitt 3.1 für weitere Informationen zu Nahrungsnetzen).

2.4: Energie gelangt durch Photosynthese in Ökosysteme - Biologie

Ökosysteme benötigen eine kontinuierliche Energiezufuhr, um Lebensprozesse zu befeuern und als Wärme verlorene Energie zu ersetzen.

Verwenden Sie Theorien, um Naturphänomene zu erklären – das Konzept des Energieflusses erklärt die begrenzte Länge von Nahrungsketten.

4.2.U1 Die meisten Ökosysteme sind auf die Energieversorgung aus Sonnenlicht angewiesen.

4.2.U2 Lichtenergie wird in Kohlenstoffverbindungen durch Photosynthese in chemische Energie umgewandelt.

4.2.U3 Chemische Energie in Kohlenstoffverbindungen fließt durch die Nahrungskette durch Nahrungsketten.

4.2.U4 Energie, die bei der Atmung aus Kohlenstoffverbindungen freigesetzt wird, wird in lebenden Organismen genutzt und in Wärme umgewandelt.

4.2.U5 Lebende Organismen können Wärme nicht in andere Energieformen umwandeln.

4.2.U6 Wärme geht aus Ökosystemen verloren.

4.2.U7 Energieverluste zwischen trophischen Ebenen begrenzen die Länge der Nahrungsketten und die Biomasse höherer trophischer Ebenen.

4.2.S1 Quantitative Darstellungen des Energieflusses mit Hilfe von Energiepyramiden.