Heute möchte ich über Energie in der Biologie sprechen.
Mit "in der Biologie" meine ich die Gesamtheit der Biologie,
von der Evolution bis zur Ökologie, zur Physiologie und der Zellbiologie.
Und der Grund, warum dieses Thema aus so vielen Blickwinkeln der Biologie betrachtet werden kann ist,
dass wir Energie nutzen, für alles was wir tun
und dass wir einen großen Teil unserer Zeit und unserer Fähigkeiten dafür einsetzen
Energie zu bekommen und zu erzeugen.
Aus diesem Grund gibt es unendlich viele Wege
über Energie zu sprechen
unendlich viele Möglichkeiten, Ihnen Energie zu beschreiben.
Was für mich den Reiz des Themas ausmacht und worin für mich die Kunst der Wissenschaft liegt,
ist die Entscheidung über die Einteilung des Themas.
Um diese Einheiten zu finden, muss man oft eine Frage herausarbeiten
oder über ein Ziel nachdenken, das erreicht werden soll.
Für dieses Video habe ich mich für diese beiden Fragestellungen entschieden:
Eine hängt mit der Evolution zusammen, welche Rolle Energie da spielt
und inwiefern Energie dafür benötigt wird.
Die andere gehört eher in die Physiologie und Ökologie:
Wie bekommen wir Energie,
und wie erzeugen wir sie?
Aus evolutionärer Sicht
ist das Hauptthema Fitness,
also, wieviele Nachkommen
wir bis in die nächste Generation bekommen.
Um das zu erreichen müssen wir zunächst selber wachsen und uns erhalten, damit wir uns fortpflanzen können.
Daher ist eines der Hauptthemen der Evolution Entwicklung und Wachstum.
Auf dieser Folie ist eine wachsende Pflanze zu sehen,
von einem frühen Stadium bis zu späteren.
Um das zu erreichen muss sie viele Zellen erzeugen,
neue Zelltypen und neue Strukturen.
Das verbraucht sehr viel Energie, es ist ein sehr energieintensiver Prozess.
Das gilt auch für Tiere und deren Wachstum.
Dieses Bild zeigt zwei Vögel,
die nach ihren Eltern rufen, damit sie sie füttern.
Denn sie brauchen sehr viel mehr Futter um zu wachsen
und die Energie zu haben, so groß zu werden, dass sie sich selber fortpflanzen können.
Das nächste Thema über das ich mit Bezug zur Energie sprechen möchte, ist die Erhaltung.
Das ist ein weniger offensichtliches Thema,
denn man sieht nicht, dass Zellen oder Strukturen sich verändern oder fortpflanzen.
Es sieht mehr oder weniger aus, als ob alles gleich bleibt.
In Wirklichkeit ist sehr viel Energie nötig um Zellen zu ersetzen wenn sie sterben
oder um ihnen so viel Energie zuzuführen, dass sie am Leben bleiben.
Ein extremes Beispiel sind diese Mammutbäume.
Es sind gewaltige Mengen an Energie nötig, schon allein um das Wasser bzw. den Saft bis zu den Blättern im Wipfel zu pumpen
denn dabei muss ein riesiger Höhenunterschied überwunden werden.
Es müssen die Strukturen aufgebaut werden um sie zu erhalten, und um diesen Fluss zu gewährleisten.
Und es sind gewaltige Energiemengen nötig
für den Transportvorgang selbst.
In ähnlicher Weise brauchen auch wir Energie für alle Strukturen unseres Körpers.
Auch da gibt es Extrembeispiele:
Ein Pfau
bildet gewaltige Schwanzfedern für sein Rad
deren Wachstum und Erhaltung jede Menge Energie erfordert.
Der Pfau nutzt diese Federn um ein Weibchen anzulocken
sie dienen also letztendlich der Fortpflanzung.
die für die Evolution wichtig ist.
Hier möchte ich noch kurz etwas einschieben, bevor wir zum Thema Fortpflanzung kommen,
etwas zum Thema Erhaltung, das ich sehr interessant finde.
Ein Mensch braucht für den biologischen Unterhalt seines Körpers
etwas so viel Energie pro Zeit wie eine Glühbirne.
Aber wenn man einbezieht
wieviel Energie wir für Autos, Computer, Beheizung unserer Häuser, und eben auch Glühbirnen verbrauchen.
Dann braucht jeder US-Bürger heute
ungefähr so viel Energie wie ein Blauwal.
Wir sind also gewaltige Energieverbraucher im Sinne unseres biologischen Fußabdrucks.
Das letzte Thema hier zur Energie soll die Fortpflanzung sein.
Also, das, worum es bei der Evolution letztendlich meistens geht.
Und das, woraus so etwas entsteht wie
Orangen an einem Baum, die uns dazu verführen, sie zu essen
weil sie so schön und schmackhaft sind.
Und dann gehen wir weiter und verteilen die Samen
was dazu beiträgt, dass Orangenbäume woanders wachsen können und zahlreicher werden.
Oder auch ein Embryo, der im Innern seiner Mutter wächst
und dabei sehr viel Energie und Zeit braucht
damit die Fortpflanzung gelingt.
Wachstum, Erhaltung und Fortpflanzung
sind also die Hauptthemen über Evolution nachzudenken
und darüber, wo Energie benötigt wird.
Jetzt möchte ich den Standpunkt ändern und mich
der Physiologie und Ökologie zuwenden, und wo da Energie benötigt wird.
Das hat eine Menge damit zu tun
wie man Energie bekommt und erzeugt.
Evolution spielt da immer noch eine große Rolle, denn diese Dinge sind nötig um zu überleben
aber aus diesem Blickwinkel steht sie nicht mehr so im Vordergrund.
Es geht also darum, Energie zu bekommen.
Dies ist ein dramatisches Bild einer Eule, die eine Maus erjagt um sie zu fressen.
Das ist ein Beispiel für mögliche Futterquellen
durch das, was wir "Jagen"[?] nennen.
Aber es gibt auch andere Möglichkeiten
wie "Grasen", so wie eine Kuh auf einer Weide
oder "Lauern", der Methode von Schlangen oder Spinnen, die darauf warten, dass die Beute in ihre Nähe kommt.
Pflanzen verhalten sich auch ein bisschen so
um Energie zu bekommen.
Gewissermaßen lauern sie auch darauf, dass etwas zu ihnen kommt
und bilden dafür Strukturen aus.
Wir sehen bei diesem Baum hier eine sehr ausgeprägte Verzweigung.
Wenn die Äste voller Blätter sind
kann so möglichst viel Licht aus der Umgebung aufgefangen werden.
Damit kann das Licht in dem beschränkten Raum der Baumkrone optimal ausgenutzt werden.
Diese Verzweigung spiegelt sich auch unter der Oberfläche
im Wurzelsystem, durch das Wasser und Nährstoffe aus dem Boden aufgenommen werden.
Auch das muss möglichst fein verzweigt sein
um möglichst viele Nährstoffe zu erreichen.
Wenn die Rohstoffe gewonnen sind,
müssen sie verarbeitet werden um Energie zu erzeugen.
Bei Tieren ist der erste Schritt dazu die Verdauung.
Wie Sie wissen,
durchläuft das Futter dazu den Magen usw.
Worauf ich hier aber hinaus will,
sind die mikrobiellen Systeme in unserem Darm.
Es wird heute oft als "Mikrobiom" bezeichnet
und wir brauchen es um Energie zu verarbeiten.
Es ist eine eigene kleine Welt, ein Ökosystem in unserem Körper.
Und die Art, wie es Energie verarbeitet und welche Energie es verbraucht,
hat große Auswirkungen darauf, welche Bakterien, auch welche Diversität an Bakterien, dort zu finden sind.
Und wenn das nicht funktioniert, kann das Ihre Verdauung sehr stark beeinflussen.
Der erste Schritt ist also die Umwandlung der Energie,
von der Form, in der wir sie aufgenommen haben, in eine besser nutzbare.
Dann muss sie aber noch in den Rest des Körpers transportiert werden, damit sie dort verwendet werden kann,
von den Finger- bis zu den Zehenspitzen und in den Kopf.
Das geschieht durch ein verzweigtes System in unserem Körper.
Es sieht der Verzweigung der Äste oder Wurzeln eines Baumes ähnlich.
Die Rede ist vom Herz-Kreislauf-System:
Wir haben ein Herz um Blut in unsere Gliedmaßen und in den Kopf zu pumpen.
Und das verzweigt sich in feine Kapillaren,
wo der Austausch von Sauerstoff und anderen Nährstoffen stattfindet.
Damit bekommt jede Zelle die Energie,
die sie braucht um zu leben und Energie zu erzeugen.
Die Energieerzeugung in den Zellen geschieht hauptsächlich, zumindest bei Tieren, durch die Mitochondrien.
Jedes Mitochondrium ist wie eine kleine Maschine,
die Sauerstoff in Energie umwandelt.
Es sind in Wirklichkeit sehr alte Bakterien, die wir,
also nicht wir als Menschen, sondern unsere Vorfahren vor sehr langer Zeit,
in unsere Zellen aufgenommen haben, um für diese Energie zu erzeugen.
Es ist also eine sehr alte Methode um Energie zu erzeugen.
Und weil sie so alt ist, stellt sich die Frage:
funktioniert das überhaupt gut, ist es sonderlich effizient?
Ich würde davon ausgehen. Denn es ist so verbreitet,
dass es gut sein muss, sonst wäre irgendwann etwas besseres erfunden worden.
Aber es ist sehr interessant, was herauskommt,
wenn man es mit so etwas wie Solarzellen vergleicht.
Wenn man also das Gras und die Bäume im Hintergrund
mit den Solarzellen im Vordergrund vergleicht.
Beide wandeln Sonnenlicht in Energie um.
Bäume und Gras verwenden Photosynthese, die einen Wirkungsgrad von etwa 3% hat.
Solarzellen schaffen bis zu 30%, sind also 10 mal besser.
Das hat mich ziemlich erschüttert, als ich das zum ersten mal erfahren habe:
Solarzellen können das so viel besser!
Das bedeutet vielleicht,
dass sich biologische Systeme noch weiter entwickeln und verbessern können.
Aber der Haken ist, dass Solarzellen eine Menge an Elementen brauchen
die für biologische Organismen nicht einfach erreichbar sind.
Es kostet Geld, sie entweder durch Bergbau zu erschließen oder sie in geeigneter Form zu synthetisieren.
Evolution und Effizienz müssen immer
zusammen mit den Rahmenbedingungen gesehen werden.
Ich würde behaupten, dass die Biologie, unter den gegebenen Rahmenbedingungen, sehr gut funktioniert.
Aber wir können Dinge erreichen, die für die Biologie unerreichbar waren.
Sehen wir also die Frage der Effizienz noch einmal aus einem anderen Blickwinkel an.
Betrachten wir nochmal die Netzwerke,
die Verästelungen von Bäumen oder der Adern in unserem Körper,
so gäbe es Millionen von Möglichkeiten so ein Netzwerk aufzubauen.
Das Netzwerk soll einen Raum abdecken
um Blut oder Wasser überall hin zu transportieren, wo es benötigt wird.
Es soll möglichst effizient sein,
so dass keine großen Energiemengen nötig sind um das Blut zupumpen.
Es soll kein großer Energieverlust entstehen durch den Transport von Flüssigkeiten.
Man kann alle Möglichkeiten für die Struktur eines Netzwerks betrachten,
und Triebtheorie[?] zu Rate ziehen
um das Optimum zu finden,
Dann zeigt sich, dass die Biologie sehr erfolgreich darin war
diese Netzwerke für Effizienz zu optimieren.
Eine Folge davon zeigt dieser Plot:
der Umsatz (y-Achse) von Tieren unterschiedlicher Masse (x-Achse)
zeigt einen klaren, systematischen Zusammenhang:
je mehr Masse ein Tier hat, desto mehr Energie braucht es.
Das ist nicht überraschend.
Folgendes aber schon: der Zusammenhang ist nicht linear.
Ein Elefant hat die Masse von ca. 10 000 Mäusen,
braucht aber nur etwa so viel Energie wie 1000 Mäuse.
Die Zellen eines Elefanten brauchen also jeweils
nur etwas ein Zehntel der Energie, die eine Mäusezelle braucht.
So gesehen ermöglich der Größenzuwachs
also eine Steigerung der Effizienz.
Dabei möchte ich nochmal darauf hinweisen, dass die Skalen logarithmisch sind:
eine Kurve wird also als Gerade dargestellt
und was der Exponent einer mathematischen Gleichung wäre
entspricht hier der Steigung (hier 0.737.
Dieses Muster trifft nicht nur zu für diese riesige Spanne an Größen
bei Säugetieren, oder Tieren allgemein,
sondern auch bei Pflanzen.
Der Fluss im Xylem[?] ist ein Maß für Pflanzen, das etwa dem Umsatz entspricht.
Hier ist ein Plot dieses Maßes, wieder im Verhältnis zur Größe.
Und wieder kann man eine sehr deutliche, gerade Linie erkennen.
Das gilt über eine riesige Bandbreite an Größen für die Pflanzen.
Und wieder ist der Exponent, der hier als Steigung zu sehen ist, nah an 3/4 (0.736).
Es taucht also wieder das gleiche Muster auf.
Der nächste wichtige Einflussfaktor, auf den Energieverbrauch,
auf nach der Körpergröße, ist die Temperatur.
Dieser Plot zeigt im wesentlichen:
je wärmer etwas ist - denken Sie an einen Frosch, eine Schildkröte, oder eine Pflanze -
desto schneller verbraucht es Energie.
Und dieser Wert steigt exponentiell, schneller und schneller.
Bis zu diesem Punkt mit extremen Temperaturen,
ab da beginnt es auseinandere zu fallen, die Lebewesen beginnen zu sterben.
Aber bis zu diesem Punkt, oder bis kurz davor gilt:
je wärmer etwas ist, desto schneller verbraucht es eine Energiemenge.
Wie wir zu Beginn dieses Videos gesehen haben,
brauchen wir für alles was wir tun Energie.
Daher ist das Verständnis davon, wie Masse und Temperatur unseren Energieumsatz beeinflussen,
oder die Energie, die wir produzieren,
ganz wesentlich um viele ander Dinge in der Biologie zu verstehen.
Wenn wir uns z.B. die Herzfrequenz verschiedener Säugetiere ansehen,
also wieder einem anderen Aspekt um Mäuse und Elefanten zu vergleichen,
zeigt sich, dass das Herz eines Elefanten etwa zehn mal langsamer schlägt als das einer Maus.
Jedes mal, wenn das Herz eines Elefanten einmal schlägt,
schlägt das Herz der Maus zehn mal sehr schnell.
Wenn wir uns die Ökologie ansehen,
und den Einfluss von Temperatur und ähnlichem herausrechnen,
dann ist die Produktion jedes Individuums in einem System ganz klar gekoppelt an seine Masse.
Es ergibt sich ein sehr enger, klarer Zusammenhang,
der für eine riesige Auswahl an Taxa (Arten) gilt,
u.a. für Pflanzen, Insekten, Fische, Säugetiere...
fast alles, was einem in den Sinn kommt.
Und zum Schluss noch ein Beispiel aus der Ökologie:
es geht um die Anzahl von Individuen,
genau genommen der Anzahl pro Fläche, also der Dichte.
Je größer, je wärmer ein Lebewesen ist, je mehr Energie es braucht,
desto weniger Individuen findet man auf der gleichen Fläche,
auch dies ist ein sehr klarer Zusammenhang.
Man sieht hier das systematische Muster für Säugetiere,
dargestellt durch die roten Punkte (um die untere Linie)
und für Pflanzen, den grünen Punkten (um die obere Linie).
Man sieht hier einen Interessanten Effekt,
die Dichte von Tieren ist jeweils viel kleiner als die gleich großer Pflanzen.
Das liegt an der Effizienz der Umwandlung:
Pflanzen wandeln Sonnenlicht in Energie um
Tiere dagegen, beziehen ihre Energie im Wesentlichen,
direkt oder indirekt, aus Pflanzen.
Letztendlich können sie etwa ein Zehntel der Energie von Pflanzen nutzen
um die jeweilige Anzahl von Individuen zu erzeugen.
Sie sind also seltener,
denn auf dem Weg von der Pflanze zum Tier geht eine Menge Effizienz verloren.
Das waren also die wesentlichen Botschaften, die ich heute rüberbringen wollte.
Ich möchte zum Abschluss noch einige Verweise geben.
Es gibt sehr viele Möglichkeiten, diese Themen zu betrachten
und zu jeder könnte man jede Menge lesen.
Ich versuche hier, die wirklich großen, umfassenden Referenzen anzugeben,
die sich als Einstiegspunkt für jeden eignen, der an dem Thema interessiert ist
und von wo aus Sie noch viel mehr finden können, wenn es Sie interessiert.