Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid und Energie

Kerze.jpg

Was ist die Verbindung zwischen Atmung und Fotosynthese?

Mit jedem Atemzug findet ein Tausch der Gase Sauerstoff (O2) und Kohlenstoffdioxid (CO2) statt. Warum ist dieser Austausch wichtig? Warum braucht dein Körper Sauerstoff? Was passiert mit dem CO2? Woher bekommen wir O2? Diese sind nur einige der Fragen, die du mit Hilfe dieses Kapitels beantworten kannst.

Jede Zelle deines Körpers braucht Sauerstoff, um zu funktionieren und zu arbeiten. Du bekommst den Sauerstoff, den du für deine Zellen brauchst, aus der Luft. Die atmosphärische Luft besteht zu 20 % aus Sauerstoff. Der Rest der Luft besteht hauptsächlich aus Stickstoff (79 %). Deine Körperzellen benutzen den von dir eingeatmeten Sauerstoff, um Energie aus der Nahrung, die du aufnimmst, zu gewinnen. Diesen Prozess nennt man Zellatmung. Während der Zellatmung benutzt die Zelle den Sauerstoff, um Zucker aufzuspalten. Durch die Aufspaltung der Zuckermoleküle wird Energie bereitgestellt, die dein Körper braucht. Dies ist vergleichbar mit Holz, das in einem Feuer verbrennt. Während das Holz verbrennt und Sauerstoff verbraucht, werden Kohlenstoffdioxid und Energie in Form von Wärme freigesetzt. Wenn die Zellen Sauerstoff brauchen, um Zucker abzubauen, werden Energie und Kohlenstoffdioxid produziert. Statt die produzierte Energie als Wärme freizusetzen, wird die entstandene Energie der Zellatmung chemisch gespeichert, damit sie später von der Zelle verwendet werden kann. Kohlenstoffdioxid ist der ‚Abfallstoff’ der Zellatmung und wird bei der Ausatmung an die Luft abgegeben. Das Blut nimmt Sauerstoff auf und gibt Kohlenstoffdioxid an die Lunge ab. In den Zellen findet ein gegenläufiger Prozess statt: Das Blut gibt Sauerstoff an die Zelle ab und nimmt Kohlenstoffdioxid auf.

Der Atem des Lebens

Denke darüber nach, woher der Sauerstoff, den du einatmest, kommt, und wohin das Kohlenstoffdioxid, das du ausatmest, geht. Gasaustausch findet nicht nur in deinen Körperzellen, sondern eigentlich überall um dich herum statt. Es ist sogar so, dass Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid in die wichtigste Beziehung zwischen Pflanzen und Tieren eingebunden sind.

Blutkreislauf.png



Weißt du, woher der Sauerstoff kommt, den dein Körper braucht? Fast der gesamte Sauerstoff, den du einatmest, wird von Pflanzen produziert. Pflanzen sind in der Lage, bei einem Prozess, den man Fotosynthese nennt, Sauerstoff zu produzieren. Während der Fotosynthese nutzen grüne Pflanzen die Energie des Sonnenlichts, um die Zuckermoleküle Glukose und Fructose aus Kohlenstoffdioxid und Wasser zu bilden. Pflanzen produzieren Sauerstoff, wenn Kohlenstoffdioxid und Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht umgewandelt werden. Den bei der Fotosynthese gebildeten Zucker benutzen die Pflanzen für ihre eigenen Lebensprozesse. Als "Abfallstoff" wird der bei der Fotosynthese gebildete Sauerstoff von den Pflanzen an die atmosphärische Luft abgegeben.

Im Gegensatz zu Pflanzen, die Energie direkt aus dem Sonnenlicht beziehen können, müssen Tiere (wir Menschen eingeschlossen) ihre Energie aus der Nahrung, die sie essen, aufnehmen. Diese Nahrung kann entweder aus Pflanzen oder anderen Tieren bestehen. Denke nun an den Prozess der Zellatmung. Während der Zellatmung wird bei Tierzellen Sauerstoff mit den Nährstoffmolekülen kombiniert, um daraus Energie zu gewinnen, die für das Leben und die Funktion der Zellen notwendig sind. Kohlenstoffdioxid wird bei der Zellatmung von Tieren wieder an die Luft abgegeben, wo es von den Pflanzen wieder aufgenommen wird. Pflanzen helfen also Tieren und Tiere helfen Pflanzen.

Fotosynthese.png

Zellatmung (Respiration)

Alle Organismen betreiben 24 Stunden am Tag Zellatmung. Zellatmung findet in der Regel in jeder Minute an jedem Tag jedes Monats und jedes Jahres statt. Der Prozess der Zellatmung kann sowohl mit Worten als auch mit einer Reaktionsgleichung erklärt werden. Beide sind unten angegeben.

Formel

Glucose + Sauerstoff ⇨ Wasser + Kohlenstoffdioxid + ATP
C6H12O6 + 6O2 ⇨ 6H2O + 6CO2 + ATP



Betrachte zunächst die chemische Gleichung der Zellatmung. Die Gleichung zeigt, dass die Zelle sechs Sauerstoffmoleküle (6O2) benutzt, um ein Molekül Glukose (C6H12O6) abzubauen. Der Pfeil gibt an, dass etwas anderes entsteht, wenn Zucker abgebaut wird: Energie, Wasser und Kohlenstoffdioxid werden gebildet. Wenn die chemische Bindung des Glukosemoleküls aufgespalten wird, wird Energie freigesetzt. Die Zelle ist in der Lage, diese freigesetzte Energie in einer speziellen chemischen Verbindung zu speichern, dem Adenosin-Triphosphat (ATP). Die Energie, die in dem ATP-Molekül gespeichert ist, kann von der Zelle für verschiedene Aufgaben verwendet werden. Mit jedem aufgespalteten Molekül Glukose werden 36 Moleküle ATP gebildet. Wenn das Glukosemolekül aufgespalten wird, entstehen sechs Moleküle Kohlenstoffdioxid (6CO2) und sechs Wassermoleküle (6H2O).

Fotosynthese Kerze.jpg



Aufgabe

Zurück zur Normalität
Wie lange brauchen dein Herz und deine Lunge, um nach sportlicher Aktivität wieder zurück zum Normalzustand zu kommen? Finde es heraus. Miss deinen Puls im Ruhezustand, während du sitzt. Laufe nun für 3 Minuten auf der Stelle. Miss deinen Puls erneut. Warte eine Minute und miss deinen Puls ein drittes Mal. Warte wieder eine Minute und miss deinen Puls erneut. Notiere dir den Wert deines Pulsschlags nach jeder Messung. Wiederhole die Messung so oft, bis dein Puls wieder im Ruhezustand angekommen ist. Wie lange hat das gedauert? Glaubst du, dass dieser Zeitraum kürzer oder länger werden würde, wenn du ein olympischer Athlet wärst und jahrelang trainiert hättest? Wiederhole das Experiment mit deinen Atemzügen. Es ist besser, wenn du diese Übung mit einem Partner durchführst und dein Partner deine Atemzüge zählt, während du an etwas anderes denkst.



Aufgabe

Fragen zur Überprüfung

  1. Erläutere, wie Fotosynthese und Zellatmung Teil desselben Kreislaufs sind. Male ein Bild des Kreislaufs und erkläre es.
  2. Erkläre, inwieweit Zellen wie brennende Kerzen sind.
  3. Wie reagieren die Zellen in deinem Körper, wenn du sportlich aktiv bist?
  4. Wie reagieren dein Herz und deine Lunge auf den erhöhten Sauerstoffbedarf, wenn du sportlich aktiv bist?

Einzelnachweise