Aerobe vs. Anaerobe Prozesse

Alle Lebewesen brauchen eine kontinuierliche Energieversorgung, damit ihre Zellen normal funktionieren und gesund bleiben. Einige Organismen, so genannte Autotrophen, können ihre eigene Energie unter Verwendung von Sonnenlicht oder anderen Energiequellen durch Prozesse wie Photosynthese produzieren. Andere, wie Menschen, müssen essen, um Energie zu produzieren.

Dies ist jedoch nicht die Art von Energiezellen, mit der sie funktionieren. Stattdessen verwenden sie ein Molekül namens Adenosintriphosphat (ATP), um sich selbst am Laufen zu halten. Die Zellen müssen daher die Möglichkeit haben, die in Lebensmitteln gespeicherte chemische Energie in das ATP umzuwandeln, das sie zum Funktionieren benötigen. Die Prozesszellen, die diese Änderung vornehmen, werden als Zellatmung bezeichnet.

Zwei Arten von zellulären Prozessen

Die Zellatmung kann aerob ("mit Sauerstoff") oder anaerob ("ohne Sauerstoff") sein. Welchen Weg die Zellen einschlagen, um das ATP zu erzeugen, hängt einzig und allein davon ab, ob genügend Sauerstoff vorhanden ist, um eine aerobe Atmung durchzuführen. Wenn nicht genügend Sauerstoff für die aerobe Atmung vorhanden ist, greifen einige Organismen auf die anaerobe Atmung oder andere anaerobe Prozesse wie die Fermentation zurück.

Aerobe Atmung

Um die Menge an ATP, die bei der Zellatmung gebildet wird, zu maximieren, muss Sauerstoff vorhanden sein. Da sich eukaryotische Arten im Laufe der Zeit entwickelten, wurden sie komplexer mit mehr Organen und Körperteilen. Es wurde notwendig, dass Zellen in der Lage sind, so viel ATP wie möglich zu erzeugen, um diese neuen Anpassungen ordnungsgemäß laufen zu lassen.

Die Atmosphäre der frühen Erde hatte sehr wenig Sauerstoff. Erst nachdem die Autotrophen reichlich vorhanden waren und große Mengen Sauerstoff als Nebenprodukt der Photosynthese freigesetzt hatten, konnte sich die aerobe Atmung entwickeln. Der Sauerstoff ermöglichte es jeder Zelle, um ein Vielfaches mehr ATP zu produzieren als ihre Vorfahren, die auf anaerober Atmung beruhten. Dieser Prozess geschieht in der Zellorganelle, den Mitochondrien.

Anaerobe Prozesse

Primitiver sind die Prozesse, die viele Organismen durchlaufen, wenn nicht genügend Sauerstoff vorhanden ist. Die bekanntesten anaeroben Prozesse sind die Fermentation. Die meisten anaeroben Prozesse beginnen auf die gleiche Weise wie die aerobe Atmung, aber sie stoppen auf halbem Weg, weil der Sauerstoff nicht zur Verfügung steht, um den aeroben Atmungsprozess zu beenden, oder sie verbinden sich mit einem anderen Molekül, das nicht Sauerstoff ist, als endgültiger Elektronenakzeptor. Durch die Fermentation wird viel weniger ATP gebildet und es werden in den meisten Fällen auch Nebenprodukte von Milchsäure oder Alkohol freigesetzt. Anaerobe Prozesse können in den Mitochondrien oder im Zytoplasma der Zelle auftreten.

Milchsäuregärung ist die Art von anaerobem Prozess, den Menschen durchlaufen, wenn Sauerstoffmangel herrscht. Zum Beispiel haben Langstreckenläufer das Gefühl, dass sich in ihren Muskeln Milchsäure ansammelt, weil sie nicht genug Sauerstoff aufnehmen, um den Energiebedarf für das Training zu decken. Die Milchsäure kann im Laufe der Zeit sogar Krämpfe und Muskelkater verursachen.

Alkoholische Gärung findet beim Menschen nicht statt. Hefe ist ein gutes Beispiel für einen Organismus, der alkoholische Gärung erfährt. Der gleiche Prozess, der in den Mitochondrien während der Milchsäuregärung abläuft, findet auch bei der alkoholischen Gärung statt. Der einzige Unterschied besteht darin, dass das Nebenprodukt der alkoholischen Gärung Ethylalkohol ist.

Die alkoholische Gärung ist wichtig für die Bierindustrie. Bierhersteller geben Hefe hinzu, die alkoholisch fermentiert wird, um dem Gebräu Alkohol hinzuzufügen. Ähnlich ist auch die Weingärung, die den Alkohol für den Wein liefert.

Welches ist besser?

Die aerobe Atmung ist bei der Herstellung von ATP viel effizienter als anaerobe Prozesse wie die Fermentation. Ohne Sauerstoff werden der Krebszyklus und die Elektronentransportkette in der Zellatmung gestört und funktionieren nicht mehr. Dies zwingt die Zelle, die viel weniger effiziente Fermentation zu durchlaufen. Während die aerobe Atmung bis zu 36 ATP produzieren kann, können die verschiedenen Fermentationstypen nur einen Nettogewinn von 2 ATP aufweisen.

Evolution und Atmung

Es wird angenommen, dass die älteste Art der Atmung anaerob ist. Da bei der Entwicklung der ersten eukaryotischen Zellen durch Endosymbiose wenig bis gar kein Sauerstoff vorhanden war, konnten sie nur anaerob beatmet oder fermentationsähnlich behandelt werden. Dies war jedoch kein Problem, da diese ersten Zellen einzellig waren. Die gleichzeitige Produktion von nur 2 ATP reichte aus, um die Einzelzelle am Laufen zu halten.

Als mehrzellige eukaryotische Organismen auf der Erde zu erscheinen begannen, brauchten die größeren und komplexeren Organismen mehr Energie, um Energie zu produzieren. Durch natürliche Selektion überlebten und vermehrten sich Organismen mit mehr Mitochondrien, die aerob beatmet werden konnten, und gaben diese günstigen Anpassungen an ihre Nachkommen weiter. Die älteren Versionen konnten mit der Nachfrage nach ATP im komplexeren Organismus nicht mehr mithalten und starben aus.