4 Gründe, warum Zellen, Organe oder Wir den Sauerstoff brauchen
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Der Sauerstoff in der Luft stellt eigentlich eine massive Bedrohung dar. Denn schließlich sind schon die Dinosaurier ausgestorben, weil es zu viel Sauerstoff in der Atmosphäre gab. Damit die Sauerstoffanreicherung nicht rapide anwächst, muss es Organismen geben – die Sauerstoff verbrauchen.
In der Stammesgeschichte der Lebewesen wurden schließlich Zellen bzw. Organismen entwickelt, die den Sauerstoffverbrauch möglich machten und somit dem Leben auf der Erde eine Chance gaben. Und schließlich entwickelten sich eine ganze Domänen von Lebewesen, welche sich auf den Sauerstoffverbrauch spezialisierten, spezielle Organe entwickelten – die den Sauerstoff aufnehmen, transportieren und zum Energiegewinn einsetzen konnten.
Inhalt
Warum brauchen lebende Systeme den Sauerstoff
Beim Stoffwechsel der Lebewesen wird zwischen aeroben und anaeroben Wegen unterschieden. Jene Lebewesen, welche elementaren Sauerstoff benötigen, werden als Aerobier bezeichnet. Dies sind bspw. Menschen und die meisten Tiere, welche Sauerstoff einatmen müssen. Das Gegenstück sind Anaerobier, deren Stoffwechsel nicht auf Sauerstoff beruht. Dazu zählen diverse Mikroorganismen, welche in extremen Biotopen leben – welche sauerstoffarm sind oder überhaupt keinen Sauerstoff bereitstellen. Solche Habitate sind bspw. der Verdauungstrakt von Wiederkäuern, wo Methanbildner vorkommen.
Um erklären zu können, welche Gründe dafür bestehen – warum der Sauerstoff für Zellen, Organe, Organsysteme wie die Muskeln oder allgemein für verschiedene Organismenarten notwendig sind, müssen wir kurz die Erdgeschichte und die Entstehungsgeschichte des Lebens zusammenfassen.
Als die Erde vor etwa 4,58 Milliarden Jahren entstand, bestand die Gashülle des Planeten lange Zeit aus Wasserstoff, Methan, Ammoniak und einigen Edelgasen – wie Helium. Der Sauerstoff trat circa 1,5 Milliarden Jahre später auf und löste eine Katastrophe aus, welche das erste Massenaussterben zur Folge hatte.
Man unterscheidet in der erdatmosphärischen Entwicklungsgeschichte vier Epochen bzw. Stufen, die Uratmosphäre und drei „echte“ Atmosphären. In der dritten Atmosphäre leben wir heute, welche durch Sauerstoff geprägt ist, allerdings nur das Ergebnis der drei vorangegangenen Stufen darstellt.
Die sogenannte Uratmosphäre war geprägt durch starke Hitze und ständig einschlagender Himmelskörper. Hinzu kam, dass die Kernfusion der Sonne zündete – wodurch es zu Sonnenwinden kam, welche letztlich die Uratmosphäre zerstörte.
Aber die Erde konnte Wärmestrahlung ins Weltall abgeben, wodurch sie sich allmählich abkühlte und die erste „echte“ Atmosphäre entstehen konnte. Diese zweite Stufe ist geprägt durch Vulkanismus. Aber im Erdinneren bildete sich ein Eisen-Nickel-Kern, welcher heute noch besteht. Das Eisen macht circa 80 Prozent des Kerns aus und das Nickel die verbliebenden 20 Prozent.
Im äußeren Erdkern entstand das Erdmagnetfeld, welches die Sonnenwinde abschirmte. Dies veränderte alles – da sich auf einmal andere Gase in der Gashülle bildeten. Jetzt wurden überwiegend Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und Schwefeldioxid durch die Vulkane freigesetzt. Der Methan-, Ammoniak- und Schwefelwasserstoffanteil sank. Die Erde war immer noch zu warm, um Gewässer bilden zu können. Flüssiges Wasser gab es nicht, nur Wasserdampf bildete einen Teil der Erdatmosphäre.
Doch die Erde gab immer mehr Wärmeenergie ins Weltall ab und kühlte dadurch regelrecht aus. Dies führte zur Kondensation des Wasserdampfes, welcher sich daraufhin als Niederschlag abregnete. Der Dauerregen bestimmte circa 40.000 Jahre lang die zweite Atmosphäre, schuf die Meere und Ozeane, Flüsse und Seen. Aber auch in dieser dritten Stufe gab es keinen elementaren Sauerstoff in der Atmosphäre. Dieser trat nur in gebundener Form im Wasser, Kohlendioxid und anderen chemischen Verbindungen auf. Somit konnte sich auch keine Ozonschicht bilden, welche heute die UV-Strahlung der Sonne abschwächt.
Vor circa 4,6 bis 4,0 Milliarden Jahren entstand im ersten Äon der Erdgeschichte die sogenannte Protoerde. Beim letzten großen Einschlag, bei der die Protoerde mit dem marsgroßen Planeten Theia zusammenstieß, löste sich ein größerer Teil der Materie ab und wurde zum heutigen Erdmond.
Die Energiefreisetzung beim Aufprall von Himmelskörpern, aber auch der Zerfall von radioaktiven Elementen im Erdmantel gelten als zwei Ursachen für die Mantelkonvektion. Diese bewirkt, dass sich die Erdoberfläche umwälzt – wodurch Gebirge entstanden, aber auch vulkanische Spalten und die Plattentektonik. In dieser Umgebung entstanden die sogenannten Schwarzen Raucher, hydrothermale Quellen am Meeresgrund – in denen man heute den Ursprung des Lebens vermutet.
Die dort ansässigen Lebensformen benötigten zwar keinen Sauerstoff, veränderten allerdings die zweite Erdatmosphäre so stark, dass es zu einer Großen Sauerstoffkatastrophe kam – auf dem das größte Massenaussterben der Erdgeschichte folgte. Aber schließlich führte die Anreicherung von Sauerstoff zur Bildung der dritten Atmosphäre, also der vierten Stufe der atmosphärischen Entwicklungsgeschichte. Diese dritte Atmosphäre hat heute noch Bestand, weshalb viele Lebewesen den Sauerstoff für ihre Atmung benötigen bzw. verbrauchen müssen.
Sauerstofferzeugung veränderte das Leben
Die Schwarzen Raucher am Gewässergrund der Weltmeere sind ein extremes Biotop. Dort tritt heißes Wasser, in welchem diverse Stoffe gelöst sind, aus dem Meeresgrund aus und vermischt sich mit dem kälteren Umgebungswasser. Da die Partikel des ausströmenden Wassers sich zu einer Röhre formen, entsteht der Eindruck, dass Rauch austritt – was zur Namensbildung führte. Tatsächlich tritt nur heißes Wasser aus, welches allerdings verschiedene Gesteinspartikeln und Mineralien enthält. Je nach Zusammensetzung erscheint die Wolke schwarz oder weiß, weshalb man diese Quellen auch „Weiße Raucher“ nennt.
Die Raucher befinden sich in der Tiefsee, also weit weg vom Sonnenlicht. Zu Beginn der zweiten Atmosphäre existierte noch kein elementarer Sauerstoff in der Gashülle und somit konnte kein Ozon gebildet werden. Die Ultraviolettstrahlung, welche heute zur Erde gelangt, wird von der Ozonschicht gefiltert und somit abgemildert. Aber UV-Strahlung vermag es, organische Substanzen zu spalten. Und da jedes Lebewesen aus organischen Verbindungen besteht, ist diese Sonnenstrahlung zutiefst lebensbedrohlich. Aber gleichzeitig liefert Sonnenlicht auch Energie.
Das Energieerhaltungsgesetz ist eines der wichtigsten Prinzipien aller Naturwissenschaften und besagt, dass Energie nicht verschwinden – sondern nur gewandelt werden kann. Die Sonnenenergie kann demnach genutzt werden, um in Biosystemen eigene chemische Reaktionen zu ermöglichen. Und dies taten die ersten Lebewesen, welche die externe Energiequelle nutzten, um einen Stoffwechsel zu vollziehen. Zu diesen Lebewesen gehörten die Cyanobakterien und Archaeen, welche im Archaikum – vor 3,5 Mrd. Jahren – erstmalig auftraten.
Diese Mikroorganismen bildeten Pigmente aus, welche das Sonnenlicht absorbieren konnten, somit eine Startenergie für einen eigenen Stoffwechsel hatten und diesen betrieben. Es handelt sich bei diesen Einzellern um Prokaryoten ohne Zellkern, welche allerdings Photosynthese betrieben, indem sie Mineralien des Urozeans oxidieren ließen.
Ähnlich wie heutige Pflanzen und Algen, fanden die Urbakterien im Urozean diverse Minerale vor, welche sie als Nährstoffe nutzen und entsprechend verstoffwechseln konnten – um dadurch Energie zu schöpfen. Die Pigmente der Archaeen funktionierten auf ähnliche Weise, wie die Chloroplasten der Pflanzen, welche Licht ebenfalls in einer bestimmten Wellenlänge absorbieren können.
Durch die Absorption und anschließende Stoffumwandlung konnten die Mikroorganismen eigene Kohlenhydrate aufbauen und deren Energie speichern bzw. nutzen.
Die Photosynthese hat nur einen Nachteil, und zwar, dass Sauerstoff als Nebenprodukt entsteht. Das gewünschte Produkt der Photosynthese ist Zucker, welches die Urbakterien, aber auch Pflanzen und Algen heute noch nutzen, um im Abbaustoffwechsel dieses Kohlenhydrat wieder abzubauen, um aus dem Abbauprozess entsprechende Energie zu schöpfen.
Im Wasser und Kohlendioxid, welche als Ausgangsstoffe in die Photosynthese einfließen, ist der Sauerstoff nur gebunden. Doch durch die chemischen Reaktionen des Stoffwechselvorgangs werden die Ausgangsstoffe zu neuen Kohlenstoffverbindungen (Kohlenhydraten) umgebaut, wodurch der Sauerstoff nur noch in Elementarform übrigbleibt – welcher fortan an die Atmosphäre abgegeben wurde.
Auf einmal war elementarer Sauerstoff in der Atmosphäre und veränderte wirklich Alles.
Sauerstoffverbrauch ist lebensnotwendig für die Biosphäre
Durch das Auftreten von elementarem Sauerstoff in der Atmosphäre veränderte sich die Welt drastisch. Womit Sauerstoff in Kontakt kam, wurde verändert. Aus Eisen wurde Rost, blanke Felsen verätzten und aus Kohlenstoff wurde Kalkstein. Sämtliche Mineralien und Gesteine oxidierten. Vor circa 2,4 bis 2,1 Mrd. Jahren stieg die Sauerstoffkonzentration, aus ungeklärten Gründen, so massiv an – dass die Erde ein lebensbedrohlicher Ort wurde.
Diese Lebensbedrohung durch Sauerstoff hat zwei Gründe. Der erste Grund ist, dass elementarer Sauerstoff für Archaeen und alle anaeroben Lebewesen ein pures Toxin darstellt. Als zweiter Grund sei erwähnt, dass Sauerstoff hochentzündlich ist. Selbst, wenn der Anteil am Sauerstoff nur etwa 2 Prozent in der Erdatmosphäre wäre und es keine Lebewesen gäbe – die diesen verbrauchen – wäre dies, wie eine tickende Zeitbombe. Ein kleiner Brand könnte das Spurenelement zum Todeselement werden lassen.
Und so ähnlich trug es sich zur Großen Sauerstoffkatastrophe zu, welche vor circa 2,4 Mrd. Jahren einsetzte und das größte Massenaussterben in der Geschichte des Lebens war. Sämtliche Mikroorganismen verbrannten oder wurden vergiftet und dies einzig und allein, weil Sauerstoff in der Atmosphäre angereichert war. Aber die Große Sauerstoffkatastrophe stellt auch den Übergang von der zweiten zur jetzigen Atmosphäre dar.
Sauerstoff kam, um zu bleiben. Heute gilt Sauerstoff als das am häufigsten auftretende Element der Erdkruste. Sein Anteil liegt zwischen 46 und 48 Prozent. Silizium folgt an zweiter Stelle mit circa 28 Prozent. Auf der gesamten Erde ist Sauerstoff das zweithäufigste Element hinter Eisen.
Der hohe Sauerstoffanteil veränderte sich allerdings häufig. Zur Zeit der Dinosaurier, vor circa 66 Millionen Jahren, war der Sauerstoffanteil in der Erdatmosphäre deutlich höher, weshalb die Urzeitgiganten auch deutlich größer wurden. Als dann allerdings der Meteor auf die Erde stürzte, entzündete sich der Sauerstoff dermaßen, dass der komplette Himmel wahrscheinlich schwarz gefärbt war. Auch die Dinosaurier verbrannten beim lebendigen Leib, wodurch sich das fünfte große Massenaussterben zutrug.
Und dies führt zum Grund, weshalb Tiere und andere Organismen den Sauerstoff brauchen. Ganz einfach, weil er verbraucht werden muss. Zu viel Sauerstoff bedroht die Biosphäre, aufgrund seiner toxischen Eigenschaft auf anaerobe Lebewesen und aufgrund seiner Entzündbarkeit. Aber Sauerstoff hat auch Vorteile, bspw. in der Energiegewinnung. (siehe unten)
Einsatz von Sauerstoff in den Zellen
Laut Evolution passt sich das Leben den Umweltbedingungen an und nicht umgekehrt. Der Grund, weshalb zahlreiche Organismen den Sauerstoff zum Atmen benötigen, liegt darin begründet – dass genügend vorhanden war. Wäre ein anderes Element ausreichend vorhandengewesen, hätte sich die Entwicklung des Lebens auch anders gestalten können.
Und so entstanden zwangsweise Lebewesen, welche den Sauerstoff verbrauchen konnten. Damals bildeten diese Mikroorganismen noch eine ökologische Nische, aber waren erst einmal konkurrenzlos. Dieser neue Stoffwechselweg benötigte einen kleinen Umbau in den Zellen der Mikroorganismen.
Und so entstanden Mitochondrien, welche es möglich machten – Sauerstoff für den Energiegewinn einzusetzen. Diese Mitochondrien besitzen eine eigene Erbinformation, die sogenannte mitochondriale DNS (kurz: mtDNA) – weshalb man davon ausgeht, dass dieses Zellorganell aus einer Vererbungslinie von Bakterien, welche bereits Sauerstoff einschleusen konnten und den Vorläufern heutiger Eukaryonten entstand.
Fakt ist: Mitochondrien gelten als Kraftwerk der Zelle, weil sie den Energieträger Adenosintriphosphat (ATP) regenerieren können. Dieses ATP ist sozusagen die universelle Energiewährung der Zellen, welches viel mehr Energie speichert als Stoffwechselprodukte bei anaeroben Prozessen.
Energiegewinn durch den Einsatz von Sauerstoff in den Organen
Die Aufnahme von Sauerstoff erfolgt durch Atmungsorgane, wie bspw. durch den Bronchialapparat der Lungen oder der Kiemensystem bei Fischen. Dies wird als äußere Atmung bzw. Respiration bezeichnet. Doch es gibt noch eine innere Atmung bzw. Zellatmung, welche in den Mitochondrien stattfindet. Diese umfasst drei Einzelprozesse: den Citronensäurezyklus, die Glykolyse (Zuckerzerlegung) und Atmungskette.
Aufgenommene Nahrung – bestehend aus Fettsäuren oder Kohlenhydrate – wird durch den Sauerstoff oxidiert. Dies geschieht im Citronensäurezyklus – bei dem hauptsächlich Fettsäuren, Aminosäuren oder Alkohol abgebaut wird. Ort des Zyklus sind die Mitochondrien bzw. Zellkraftwerke.
Durch Sauerstoff wird die Oxidation der Nahrungspartikel möglich. Bei dieser Oxidation in den Zellkraftwerken entsteht der Energieträger ATP, welcher für alle energiezehrenden Prozesse im Körper dienlich ist. So wird ATP investiert, um chemische Substanzen in Drüsen zu erzeugen, um mechanische Arbeit über Muskeln zu verrichten oder um Stoffe durch Biomembranen zu schleusen.
Dieser Energieträger besteht aus einem Rest von Adenin– einer Base – welche ein Baustein der DNA ist, dem Zucker Ribose und drei Phosphatbindungen. Jene Phosphatbindungen können abgespalten werden, wodurch Energie freigesetzt wird.
Sobald diese Phosphatverbindungen abgespalten werden, wird ATP (3 Bindungen) – zu Adenosindiphosphat (ADP) – mit nur noch 2 Phosphatbindungen – oder zu Adenosinmonophosphat (AMP), mit nur noch einer Phosphatkette. Um diesen Energieträger wieder aufzubauen, braucht es die Mitochondrien, in denen AMP bzw. ADP wieder zu ATP regeneriert wird. Das Enzym, welches dieses ermöglicht – wird als ATP-Synthase bezeichnet.
Ein weiterer Weg, Energie aus Nahrung zu schöpfen, ist die Glykolyse. Anders als der Citronensäurezyklus sind keine aeroben Bedingungen notwendig, um Kohlenhydrate auf diesem Weg abzubauen. Somit bedarf es keinen Sauerstoff und dennoch kann ATP synthetisiert werden. Allerdings ist dieser Weg durchaus ineffizienter. Der Glykolyse-Weg erzeugt circa 1/15 bzw. 6,7 % des ATP auf ein eingesetztes Kohlenhydratpartikel gegenüber dem Stoffwechselweg des Citronensäurezyklus.
Zusammenfassung
- Viele Lebewesen benötigen Sauerstoff aufgrund ihrer Phylogenese, ihrer Cytologie, ihrer Physiologie und weil Sauerstoff eine Bedrohung für die gesamte Biosphäre sein könnte.
- Sauerstoff wird beim Ab- und Umbau von Nahrung (Fetten, Kohlenhydraten, Eiweißen) verwendet – um daraus den Energieträger ATP zu synthetisieren.
- Diese Synthese ist nur möglich, da Sauerstoff das geeignete Oxidationsmittel für den Aufbau ist.
- ATP wird bei allen Prozessen, welche Energie benötigen, investiert – weshalb Sauerstoff sekundär für alle Lebensprozesse notwendig ist.
- Durch die Atmung nehmen wir Sauerstoff auf, welcher über die Atmungssysteme einströmt, durch das Blut im Organismus verteilt wird und schließlich an Zielzellen geliefert wird.
- Elementarer Sauerstoff entstand erst spät in der Geschichte der Erdatmosphäre, weshalb sich die Organismen auf diesen Stoffwechselweg einstellen mussten.
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