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Kapitel 2 - Energiefluss und Bioakkumulation - Biologie

Kapitel 2 - Energiefluss und Bioakkumulation - Biologie


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  • 2.1: Energie
    Praktisch jede Aufgabe, die von lebenden Organismen ausgeführt wird, erfordert Energie. Nährstoffe und andere Moleküle werden in die Zelle importiert, um diesen Energiebedarf zu decken. Energie wird beispielsweise für die Synthese und den Abbau von Molekülen sowie den Transport von Molekülen in und aus Zellen benötigt. Darüber hinaus benötigen Prozesse wie die Aufnahme und der Abbau von Nahrung, der Export von Abfällen und Toxinen sowie die Bewegung der Zelle Energie.
  • 2.2: Energiefluss durch Ökosysteme

Kapitelzusammenfassung

Ökosysteme existieren an Land, auf See, in der Luft und unter der Erde. Um zu verstehen, wie sich Umweltstörungen auf die Ökosystemstruktur und -dynamik auswirken, sind verschiedene Arten der Modellierung von Ökosystemen erforderlich. Konzeptuelle Modelle sind nützlich, um die allgemeinen Beziehungen zwischen Organismen und dem Stoff- oder Energiefluss zwischen ihnen aufzuzeigen. Analytische Modelle werden verwendet, um lineare Nahrungsketten zu beschreiben, und Simulationsmodelle funktionieren am besten mit ganzheitlichen Nahrungsnetzen.

46.2 Energiefluss durch Ökosysteme

Organismen in einem Ökosystem gewinnen Energie auf verschiedene Weise, die zwischen den trophischen Ebenen übertragen wird, während die Energie von unten nach oben im Nahrungsnetz fließt, wobei bei jeder Übertragung Energie verloren geht. Die Effizienz dieser Übertragungen ist wichtig, um die unterschiedlichen Verhaltensweisen und Essgewohnheiten von Warmblütern und Kaltblütern zu verstehen. Die Modellierung der Ökosystemenergie erfolgt am besten mit ökologischen Energiepyramiden, obwohl andere ökologische Pyramiden andere wichtige Informationen über die Ökosystemstruktur liefern.

46.3 Biogeochemische Kreisläufe

Mineralische Nährstoffe werden durch Ökosysteme und ihre Umgebung zirkuliert. Von besonderer Bedeutung sind Wasser, Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor und Schwefel. Alle diese Zyklen haben große Auswirkungen auf die Struktur und Funktion von Ökosystemen. Eine Vielzahl menschlicher Aktivitäten wie Umweltverschmutzung, Ölverschmutzungen und andere Ereignisse haben Ökosysteme geschädigt und möglicherweise den globalen Klimawandel verursacht. Die Gesundheit der Erde hängt davon ab, diese Zyklen zu verstehen und die Umwelt vor irreversiblen Schäden zu schützen.

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    • Autoren: Mary Ann Clark, Matthew Douglas, Jung Choi
    • Herausgeber/Website: OpenStax
    • Buchtitel: Biologie 2e
    • Erscheinungsdatum: 28.03.2018
    • Ort: Houston, Texas
    • Buch-URL: https://openstax.org/books/biology-2e/pages/1-introduction
    • Abschnitts-URL: https://openstax.org/books/biology-2e/pages/46-chapter-summary

    © 7. Januar 2021 OpenStax. Von OpenStax produzierte Lehrbuchinhalte sind unter einer Creative Commons Attribution License 4.0-Lizenz lizenziert. Der OpenStax-Name, das OpenStax-Logo, die OpenStax-Buchcover, der OpenStax CNX-Name und das OpenStax CNX-Logo unterliegen nicht der Creative Commons-Lizenz und dürfen ohne die vorherige und ausdrückliche schriftliche Zustimmung der Rice University nicht reproduziert werden.


    Energie

    Thermodynamik bezieht sich auf das Studium der Energie und des Energietransfers mit physischer Materie. Die Materie, die für einen bestimmten Fall der Energieübertragung relevant ist, wird als System bezeichnet, und alles, was außerhalb dieser Materie liegt, wird als Umgebung bezeichnet. Wenn Sie beispielsweise einen Topf mit Wasser auf dem Herd erhitzen, umfasst das System den Herd, den Topf und das Wasser. Die Energie wird innerhalb des Systems (zwischen Herd, Topf und Wasser) übertragen. Es gibt zwei Arten von Systemen: offene und geschlossene. In einem (n offenes System, kann Energie mit seiner Umgebung ausgetauscht werden. Das Kochfeldsystem ist geöffnet, da Wärme an die Luft abgegeben werden kann. EIN geschlossenes System kann keine Energie mit seiner Umgebung austauschen.

    Biologische Organismen sind offene Systeme. Energie wird zwischen ihnen und ihrer Umgebung ausgetauscht, indem sie Energie aus der Sonne nutzen, um Photosynthese durchzuführen oder energiespeichernde Moleküle zu verbrauchen und Energie an die Umgebung abzugeben, indem sie Arbeit verrichten und Wärme abgeben. Wie alle Dinge in der physischen Welt unterliegt Energie physikalischen Gesetzen. Die Gesetze der Thermodynamik regeln den Energietransfer in und zwischen allen Systemen des Universums. Im Allgemeinen, Energie ist definiert als die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten oder irgendeine Art von Veränderung herbeizuführen. Energie existiert in verschiedenen Formen: elektrische Energie, Lichtenergie, mechanische Energie und Wärmeenergie sind alle verschiedene Arten von Energie. Um zu verstehen, wie Energie in und aus biologischen Systemen fließt, ist es wichtig, zwei der physikalischen Gesetze zu verstehen, die Energie bestimmen.

    Die erster Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Gesamtenergiemenge im Universum konstant und erhalten ist. Mit anderen Worten, es gab und wird immer genau die gleiche Energiemenge im Universum geben. Energie existiert in vielen verschiedenen Formen. Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik kann Energie von Ort zu Ort übertragen oder in verschiedene Formen umgewandelt, aber nicht erzeugt oder zerstört werden. Die Übertragungen und Umwandlungen von Energie finden ständig um uns herum statt. Glühbirnen wandeln elektrische Energie in Licht- und Wärmeenergie um. Gasöfen wandeln chemische Energie aus Erdgas in Wärmeenergie um. Pflanzen führen eine der biologisch nützlichsten Energieumwandlungen auf der Erde durch: die Umwandlung der Energie des Sonnenlichts in chemische Energie, die in organischen Molekülen gespeichert ist (Abbildung 2 unten).

    Die Herausforderung für alle lebenden Organismen besteht darin, Energie aus ihrer Umgebung in Formen zu gewinnen, die für zelluläre Arbeit nutzbar sind. Zellen haben sich entwickelt, um diese Herausforderung zu meistern. Chemische Energie, die in organischen Molekülen wie Zuckern und Fetten gespeichert ist, wird übertragen und durch eine Reihe zellulärer chemischer Reaktionen in Energie in ATP-Molekülen (Adenosintriphosphat) umgewandelt. Energie in ATP-Molekülen ist leicht zugänglich, um Arbeit zu verrichten. Beispiele für die Arten von Arbeit, die Zellen leisten müssen, sind der Aufbau komplexer Moleküle, der Transport von Materialien, das Antreiben der Bewegung von Zilien oder Geißeln und das Kontrahieren von Muskeln, um Bewegung zu erzeugen.

    Abbildung 2. Gezeigt sind einige Beispiele von Energie, die von einem System in ein anderes und von einer Form in eine andere übertragen und umgewandelt wird. Die Nahrung, die wir konsumieren, versorgt unsere Zellen mit der Energie, die sie für die Ausführung von Körperfunktionen benötigt, ebenso wie Lichtenergie Pflanzen die Möglichkeit gibt, die benötigte chemische Energie zu erzeugen. (Credit “ice cream”: Modifikation der Arbeit von D. Sharon Pruitt Credit “kids”: Modifikation der Arbeit von Max aus Providence Credit “leaf”: Modifikation der Arbeit von Cory Zanker)

    Die Hauptaufgaben einer lebenden Zelle, Energie zu gewinnen, umzuwandeln und zu verwenden, um Arbeit zu verrichten, mögen einfach erscheinen. Allerdings ist die Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik erklärt, warum diese Aufgaben schwieriger sind, als sie erscheinen. Alle Energieübertragungen und -transformationen sind nie vollständig effizient. Bei jeder Energieübertragung geht ein Teil der Energie in unbrauchbarer Form verloren. In den meisten Fällen handelt es sich bei dieser Form um Wärmeenergie.

    Thermodynamisch, Wärmeenergie ist definiert als die Energie, die von einem System auf ein anderes übertragen wird und nicht arbeitet. Wenn beispielsweise eine Glühbirne eingeschaltet wird, geht ein Teil der Energie, die von elektrischer Energie in Lichtenergie umgewandelt wird, als Wärmeenergie verloren. Ebenso geht bei zellulären Stoffwechselreaktionen ein Teil der Energie als Wärmeenergie verloren.

    Ein wichtiges Konzept in physikalischen Systemen ist das der Ordnung und Unordnung. Je mehr Energie ein System an seine Umgebung verliert, desto weniger geordnet und zufälliger ist das System. Wissenschaftler bezeichnen das Maß der Zufälligkeit oder Unordnung innerhalb eines Systems als Entropie. Hohe Entropie bedeutet hohe Unordnung und niedrige Energie. Moleküle und chemische Reaktionen haben ebenfalls unterschiedliche Entropie. Zum Beispiel nimmt die Entropie zu, wenn Moleküle in hoher Konzentration an einer Stelle diffundieren und sich ausbreiten. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Energie immer als Wärme bei Energieübertragungen oder -umwandlungen verloren geht. Lebewesen sind hochgeordnet und erfordern einen konstanten Energieeintrag, um in einem Zustand niedriger Entropie gehalten zu werden.


    Schau das Video: Stoffkreisläufe und Energiefluss - Ökologie (Kann 2022).