Weshalb bezeichnet man Lebewesen als offene Systeme
Alle Lebewesen stehen notwendigerweise im ständigen Austausch mit ihrer Umgebung. Für das Leben ist es notwendig, dass Stoffe und Energie aus der Umwelt aufgenommen oder an sie abgegeben werden. Somit sind Lebewesen, physikalisch betrachtet, offene Systeme.
Inhalt
Lebewesen als Teile der Thermodynamik
Die Bezeichnung „offenes System“ stammt aus der Thermodynamik, einem Teilgebiet der Physik. Thermodynamik behandelt, vereinfacht gesagt, Energie und Wärme. Ein sehr intuitives Beispiel für ein thermodynamisches Problem ist die Funktion eines Verbrennungsmotors. Chemische Energie im Treibstoff wird über Wärmeenergie in mechanische Arbeit umgewandelt.
Anhand thermodynamischer Grundlagen kann man drei Kategorien von Systemen definieren. Ein System ist hierbei ein Objekt, Körper oder Raum, für den man eine Energiebilanz aufstellen kann. Lebewesen sind also als System im thermodynamischen Sinne zu verstehen.
Die drei Kategorien von Systemen sind: offene, geschlossene und isolierte Systeme.
Offene Systeme stehen im Stoff- und Energieaustausch mit ihrer Umgebung. Hier ist ein offener Kochtopf ein Beispiel aus dem Alltag. Es wird Wärme und Wasserdampf abgegeben.
Geschlossene Systeme stehen zwar im Energieaustausch mit der Umwelt, jedoch ist kein Stoffaustausch möglich. Schließt man den Kochtopf aus dem obigen Beispiel völlig, dann kann kein Wasserdampf, also keine Materie, mehr an die Umgebung abgegeben werden. Trotzdem wird die Umgebung erwärmt.
Isolierte Systeme (auch abgeschlossene Systeme genannt) stehen in keiner thermodynamischen Verbindung zu ihrer Umgebung. Es findet weder Stoff- noch Energieaustausch statt. In der Realität gibt es keine absolut isolierten Systeme, sondern nur Versuche der Annäherung. Eine Thermoskanne ist ein Versuch, ein möglichst isoliertes System zu schaffen.
Lebewesen und ihre Umwelt
Es gibt eine große Vielfalt an Lebewesen. Gemeinsame Eigenschaften aller Lebewesen sind gar nicht einfach festzulegen, schließlich umfasst das Leben alle Tiere, Pflanzen, Pilze und Mikroorganismen. Einige Kriterien des Lebens sind jedoch bekannt: Wachstum, Fortpflanzung, Evolution, Informationsaustausch, Stoffaustausch und Energieaustausch. Viren werden hingegen nicht zu den Lebewesen gezählt: Sie sind für ihren Stoffwechsel und ihre Reproduktion von ihrem Wirt abhängig.
Der Stoffwechsel der Lebewesen besteht aus dem Stoff- und dem Energieaustausch mit ihrer Umwelt. Der Stoffwechsel ist von großer Bedeutung für das Leben. Weder Energie noch Stoffe entstehen einfach so. Der Körper aller Lebewesen ist aus chemischen Verbindungen aufgebaut, die in einer oder anderen Form aus der Umwelt aufgenommen wurden. Um diese Verbindungen zu verändern und daraus den Körper aufzubauen, ist Energie notwendig. Auch für diese sind Lebewesen von der Umwelt abhängig.
Wie bekommen Lebewesen Energie und Stoffe?
Der Stoffwechsel von Lebewesen kann sehr kompliziert sein. Besonders im Reich der Bakterien oder Archaeen (bakterienähnliche Mikroorganismen) gibt es faszinierende Beispiele. Anschaulicher sind die Stoffwechsel von Pflanzen und Tieren.
Pflanzen betreiben Fotosynthese und liefern damit die Grundlage für alle anderen höheren Lebensformen auf dem Planeten. Bei der Fotosynthese wird die Energie der Sonne in chemischen Verbindungen gespeichert. So bauen Pflanzen z. B. Kohlenhydrate auf, von denen besonders Zucker oder Stärke bekannt sind. Die nötigen Stoffe dafür nehmen sie aus der Umgebungsluft oder dem Boden auf. Als Nebenprodukt scheiden Pflanzen zudem Sauerstoff aus.
Alle Tiere greifen für ihren Stoffwechsel direkt oder indirekt auf pflanzliche Quellen zurück. Pflanzenfresser, etwa Kühe, fressen Pflanzen. Raubtiere, etwa Wölfe, fressen hingegen Pflanzenfresser. Tiere bekommen die nötige Energie also aus der gespeicherten Energie von Pflanzen und lebensnotwendige Stoffe aus den chemischen Verbindungen, die Pflanzen zuvor aufgebaut haben. Tiere können nicht alle Teile ihrer Nahrung nutzen. So werden unbrauchbare Bestandteile und Nebenprodukte über den Kot oder den Urin ausgeschieden. Auch die Atmung ist ein Prozess des Stoffwechsels: Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid werden aufgenommen oder ausgeschieden.
Lebewesen sind offene Systeme
Nicht alle Lebewesen betreiben die gleiche Art von Stoffwechsel. Das haben die oben genannten Beispiele klar aufgezeigt. Jedes Lebewesen steht jedoch im ständigen Austausch mit der Umgebung. Ein Lebewesen, das nicht atmet oder Nahrung aufnimmt, ist unvorstellbar. Wendet man nun thermodynamische Begriffe auf Lebewesen an, so ist die Zuordnung einfach. Lebewesen sind offene Systeme.
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