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Was bedeutet aerob, Was sind Aerobier: Definition und Bedeutung


Als Aerobie (altgriechisch aer = Luft) werden alle Lebensprozesse, welche unter Einwirkung von Sauerstoff stattfinden, zusammengefasst. Das Adjektiv aerob beschreibt die wesentliche Eigenschaft dieser Lebensprozesse (z.B. Entwicklung, Wachstum, Stoffwechsel, Fortpflanzung), wonach diese zwingend Sauerstoff benötigen, um dauerhaft gewinnbringend funktionieren zu können. Die Lebewesen, welche ihre Lebensprozesse unter Sauerstoffeinwirkung betreiben müssen, werden als aerobe Lebewesen oder Aerobier bezeichnet. Das Gegenteil der Aerobie ist die Anaerobie, deren Lebewesen einen Stoffwechsel ohne elementaren Sauerstoff betreiben können (z.B. Milchsäurebakterien bei der Gärung).

Was sind Aerobier: Gruppen, Bedeutung und Merkmale

Lebewesen, die in einer sauerstoffhaltigen Umgebung leben und gedeihen können, werden in der Biologie und verwandten Wissenschaften „Aerobier“ oder – etwas üblicher – „Aerobionten“ genannt. „Echte“ Aerobier im strengeren Sinn brauchen den Sauerstoff sogar, um zu leben.

Im Gegensatz hierzu werden Lebewesen, die entweder keinen Sauerstoff brauchen oder ihn nicht vertragen, Anaerobier genannt.

Grundsätzlich lassen sich diese Lebewesen folgendermaßen in fünf Gruppen einteilen:

  • Obligate Aerobier brauchen Sauerstoff in normalen Mengen
  • Mikroaerophile brauchen ebenfalls Sauerstoff, aber nur in geringen Mengen
  • Fakultative Anaerobe nutzen Sauerstoff, wenn er vorhanden ist, sie können aber auch anaerob leben
  • Aerotolerante Anaerobe können mit Sauerstoff zwar nichts anfangen, er schadet ihnen aber auch nicht
  • Obligate Anaerobier vertragen keinen Sauerstoff. Er schadet ihnen oder tötet sie sogar.

Die weitaus meisten der heute vorkommenden Lebewesen (Tiere, die allermeisten Pilze und auch sehr viele Bakterien) sind obligate Aerobier, sie sind also auf Sauerstoff angewiesen. Alle Organismen, die Sauerstoff brauchen oder zumindest vertragen, besitzen spezielle Enzyme, mit denen sie sich vor der giftigen Wirkung des Gases schützen.

Die Funktion des Sauerstoffs in aeroben Organismen

Der Sauerstoff spielt eine zentrale Rolle bei der Zellatmung aerober Lebewesen, mit der diese ihre Energie gewinnen. Eigentlich hat der Sauerstoff hierbei „nur“ die Funktion, bei den chemischen Reaktionen der Energiegewinnung frei werdende, nicht benötigte Atome aufzunehmen.

Ein gutes Beispiel ist die Verwertung von Glukose. Ziel des Stoffwechsels ist es, Energie zu erzeugen – welche für die Lebensprozesse benötigt werden. Der wichtigste Energieträger ist das Adenosintriphosphat (kurz ATP), welches allerdings nur als Adenosindiphosphat (kurz ADP) zur Verfügung steht. Erst durch die Reaktion mit Sauerstoff kann es als Energieträger umgewandelt werden, wodurch es Energie aufnehmen und in die Zellen einschleusen kann.

Und so geht’s…
Eine Zelle wandelt eine Einheit des mit der Nahrung aufgenommenen Zuckers mit sechs Einheiten Sauerstoff, 38 Einheiten des zelleigenen „Energietransportmoleküls“ ADP und 38 Einheiten Phosphat in 38 Einheiten hochenergetisches ATP, sechs Einheiten Kohlendioxid und 44 Einheiten Wasser um. Der Sauerstoff steckt also im Wasser und im Kohlendioxid, die als Abfallprodukte der Energiegewinnung ausgeschieden werden. Das ATP versorgt die Zelle mit der erforderlichen Energie und bildet sich dabei in ADP zurück, wonach es wieder zur Verfügung steht.

Warum ist Aerobie wichtig bzw. ein Vorteil

Sauerstoff atmende Organismen sind bei der Energiegewinnung wesentlich effektiver als ihre älteren Vorläufer, die Anaeroben. Denn während das aerobe Lebewesen aus der Glukoseverwertung 38 Einheiten ATP herausholt, sind es bei anaerob funktionierenden Wesen nur zwei Einheiten Milchsäure. Der Vorteil aeroben Lebens ist offensichtlich, weshalb sich diese Lebensform im Laufe der Evolution immer weiter durchgesetzt hat.

Aber beinahe wäre es gar nicht so weit gekommen. Wie bereits erwähnt, gibt es Lebewesen, die Sauerstoff nicht vertragen. Früher – viel früher – waren dies fast alle. Hier ist es interessant, sich einmal die Entwicklungsgeschichte der Erdatmosphäre anzusehen und auch zu betrachten, wie die Atmosphäre und die Organismen einander beeinflussen.

Aerobe Lebewesen und deren Entstehung

Als die Erde vor 4,58 Milliarden Jahren gerade entstanden war, hatte sie eine Atmosphäre, die völlig anders war als die heutige. Sie bestand praktisch nur aus Wasserstoff und Helium, also aus den beiden Elementen, die im Universum am häufigsten vorkommen und die auch in der Gaswolke, aus der die Sonne und die Planeten entstanden sind, am häufigsten vertreten waren. Außer Wasserstoff und Helium gab es in der irdischen Uratmosphäre wahrscheinlich auch noch etwas Methan und Ammoniak. Insgesamt war dies eine „Luft“, die nichts mit der heutigen zu tun hatte.

Wasserstoff und Helium sind allerdings sehr leicht und entsprechend flüchtig. Dazu kommt, dass es auf der Erde sehr heiß war. Radioaktive Stoffe im Inneren der Erde haben gestrahlt. Die junge Erde ist noch unter ihrer eigenen Masse geschrumpft. Diese Verdichtung hat weitere Wärme freigesetzt, ständig sind Asteroiden und Kometen eingeschlagen… Und dann war da auch noch die Sonne. Nachdem in ihr die Kernfusion eingesetzt hatte, ging von ihr ein beständiger, starker Sonnenwind aus elektrisch geladenen Teilchen aus, der auf die Uratmosphäre traf. Gegen die Hitze und den Sonnenwind konnte die Erde mit ihrer Schwerkraft nichts ausrichten, und so wurde die Atmosphäre im Laufe von nur wenigen hundert Millionen Jahren vollständig ins Weltall geblasen.

Nun hatte die Erde zwar keine Atmosphäre mehr, aber dafür konnte sie leichter abkühlen. Es gab weniger Asteroideneinschläge, die Erde hat Wärmeenergie ins Weltall abgestrahlt, und nach einiger – langer – Zeit wurde die Erdkruste so kühl und fest, dass erste Vulkane entstehen konnten. Aus diesen stieg flüssiges Gestein aus dem Erdinneren an die Erdoberfläche auf, und in dem Gestein waren verschiedene Gase gelöst, die jetzt freigesetzt wurden und die eine neue Erdatmosphäre bildeten. Diese neue Atmosphäre wird die „erste Atmosphäre“ genannt, obwohl es ja tatsächlich bereits die zweite war. Aber die Uratmosphäre wird von Geologen nicht mitgezählt, weil sie nur so kurze Zeit vorhanden war.

Diese neue, erste Atmosphäre bestand zu etwa 80 Prozent aus Wasserdampf. Dazu kamen noch etwa zehn Prozent Kohlendioxid, sechs Prozent Schwefelwasserstoff und verschiedene andere Gase in geringen Anteilen, allerdings immer noch kein Sauerstoff. Aber weil es auf der frühen Erde immer noch viel heißer war, konnte der Wasserdampf nicht als Regen zur Erde fallen. Es gab kein freies Wasser auf der Erdoberfläche. Alles Wasser war in der Atmosphäre.

Aber die Erde kühlte weiter ab, und irgendwann hat es endlich geregnet. Viel und lang, etwa 40.000 Jahre lang. Aus dem Regen entstanden die Ozeane und die anderen Gewässer auf der Erde. Im Wasser entwickelten sich, wie, weiß man bis heute nicht, die ersten einfachen Lebensformen. Der Stoffwechsel dieser Bakterien hat Stickstoff und Methan freigesetzt, der sich in der Atmosphäre angereichert hat. Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid wurden in den Meeren aufgelöst und verschwanden so aus der Atmosphäre.

Es gab also immer mehr Stickstoff und immer weniger andere Gase. Das ging knapp 3,4 Milliarden Jahre lang so weiter, und aus der ersten wurde die zweite Atmosphäre, die fast komplett aus Stickstoff bestand. Es gab Leben auf der Erde, aber nur im Wasser, und dieses Leben bestand fast nur aus Bakterien und anderen Mikrolebewesen. Und immer noch gab es keinen Sauerstoff.

Den gab es in der dritten Atmosphäre. Einige Algen und Bakterien hatten mit einer neuen Art von Stoffwechsel begonnen, bei der als Abfallprodukt Sauerstoff entstand. Zunächst hatte das weiter keine Folgen. Der Sauerstoff hat sich mit anderen Atomen und Molekülen chemisch verbunden, zum Beispiel mit Eisen oder Schwefelwasserstoff. Aus dem Meer heraus und in die Atmosphäre hinein ist der Sauerstoff nicht gelangt. Das hat sich erst vor 2,3 Milliarden Jahren geändert. Mittlerweile befand sich schon so viel Sauerstoff in den Ozeanen, dass er in die Atmosphäre ausgasen konnte.

Vor einer Milliarde Jahre lag die Konzentration von Sauerstoff in der Atmosphäre erst bei drei Prozent. Aber für den größten Teil der damals lebenden Organismen war das genug für eine Katastrophe – die Große Sauerstoffkatastrophe, als die das Ereignis in der Literatur bekannt ist. Denn die Lebewesen waren darauf nicht vorbereitet, und der reaktionsfreudige Sauerstoff war für sie das pure Gift. So gut wie alle Lebewesen starben aus. Es war das größte Massensterben in der Geschichte der Erde.

Beinahe wäre das Aussterben total gewesen. Überlebt haben nur die wenigen Arten, die rein zufällig sogenannte Peroxidasen entwickelt hatten, also spezielle Enzyme, die in der Lage sind, die giftigen Sauerstoffverbindungen aufzuspalten und auf diese Weise ungefährlich zu machen. Und von diesen wenigen überlebenden Arten stammen so gut wie alle Lebewesen ab, die heute auf der Erde existieren. All diese Lebewesen brauchen nun aber gerade den Sauerstoff, der fast alles Leben ausgelöscht hatte, unbedingt zum Überleben.

Die Algen und Bakterien haben immer mehr Sauerstoff ausgeschieden, der hat sich in der Atmosphäre angereichert, und vor etwa 500 Millionen Jahren gab es so viel von dem Gas, dass sich in der oberen Atmosphäre aus einzelnen Sauerstoffatomen Ozonmoleküle bilden konnten. Seit dieser Zeit schützt die Ozonschicht die Erde und ihre Bewohner vor schädlichen Strahlen aus dem All.

Vor etwa 350 Millionen Jahren hat die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre ungefähr den heutigen Wert von 21 Prozent erreicht. Allerdings kam es im Laufe der Erdgeschichte immer wieder zu Schwankungen. Der Sauerstoffgehalt bewegte sich zwischen 15 und 30 Prozent, je nachdem, wie stark pflanzliches Leben gerade auf der Erde vorhanden war, wie sich die anderen Lebewesen entwickelt hatten und wie der geologische Zustand der Erde war. Aber mit dem Erscheinen der ersten Bäume auf der Erde konnte sich der Wert bei den knapp 21 Prozent eingependelt, die heute normal sind.

Die Geschichte der Großen Sauerstoffkatastrophe macht deutlich, wie komplex die komplette Ökologie der Erde ist. Der Stoffwechsel von ein paar Bakterien und Algen im Ozean hat gereicht, um den Planeten vollständig und dauerhaft zu verändern. Heute bilden das Phytoplankton der Meere und das Chlorophyll der Grünpflanzen die wesentliche Grundlage für die Photosynthese, wodurch aus Kohlendioxid immer wieder Sauerstoff hergestellt wird. Diese Produzenten sind in der Nahrungskette eines Ökosystems das erste Glied. Aerobe Lebewesen benötigen diesen Sauerstoff, welcher im Sauerstoffkreislauf der Erde immer wieder neu gewonnen wird.

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