Stoff- und Energiewechsel

Der Stoff- und Energiewechsel beschreibt die Ernährungsweise von Lebewesen. Das synonyme Fachwort lautet Trophie (von altgriechisch τροφή (trophé) = Ernährung): Alle Organismen benötigen Energie, um ihre Lebensprozesse aufrechtzuerhalten. Und außerdem benötigen alle irdischen Organismen Kohlenstoff, den sie ihrer Umwelt entnehmen und in körpereigene Biomasse einbauen.

Unter den irdischen Lebensformen können viele, recht unterschiedliche Stoff- und Energiewechsel gefunden werden. Jede Trophie wird dabei nach drei Kriterien charakterisiert.

1. Trophie nach Art der Energiequelle: Phototrophie, Radiotrophie, Chemotrophie
2. Trophie nach Art des Elektronendon(at)ors: Lithotrophie, Hydrotrophie, Organotrophie
3. Trophie nach Art der Kohlenstoffquelle: Autotrophie, Heterotrophie

Weiterhin benötigen alle Lebewesen im gewissen Umfang thermische Energie, um die biochemischen Reaktionen in ihren Zellen anzustoßen und im Gang zu halten. Ansonsten kommen die Lebensvorgänge zum Erliegen. Die Bereitstellung der thermischen Energie wird jedoch im Rahmen der Kriterien des Stoff- und Energiewechsels nicht berücksichtigt. Der Verfügbarmachung der thermischen Energie ist also keine Frage an die Trophie, sondern an die Thermie (→ Ektothermie, Endothermie, Thermogenese).

Übersicht: Stoff- und Energiewechsel^[1]

Energiequelle	Licht	Photo-			-trophie
	Ionisierende Strahlung	Radio-
	Redoxreaktion	Chemo-
Elektronendon(at)or	anorganischer Stoff		Litho-
	Wasser		Hydro-
	organischer Stoff		Organo-
Kohlenstoffquelle	anorganischer Stoff			Auto-
	organischer Stoff			Hetero-

Die Charakterisierung des Stoff- und Energiewechsels besitzt besonders herausragende Bedeutung für die Mikrobiologie. Denn gerade innerhalb der Mikroorganismen evolvierten die Trophien zu größter Vielfalt. Zudem verfügen viele von ihnen über mehr als einen Stoffwechseltyp. Im Gegensatz zu derlei vielseiten Archaeen, Bakterien und Protisten verhalten sich die meisten Vielzeller stoffwechselphysiologisch einförmig: Grüne Pflanzen betreiben Photohydroautotrophie. Tiere und Pilze benutzen Chemoorganoheterotrophie.

Trophie nach der Art der Energiequelle: Phototrophie, Radiotrophie, Chemotrophie

Es wird eine Energiequelle benötigt, um Adenosintriphosphat (ATP) primär zu synthetisieren. Die Spaltung des ATP liefert anschließend die Energie für den Aufbau von Biomasse.

• Phototrophie: Die Stoffwechselenergie stammt aus Licht. Typische phototrophe Organismen sind grüne Pflanzen.
• Radiotrophie: Die Stoffwechselenergie stammt aus ionisierender Strahlung. Diese Form der Trophie wurde bisher nur für melanin-haltige Pilze belegt.^[2]
• Chemotrophie: Die Stoffwechselenergie stammt aus exergonen Stoffumsetzungen, beispielsweise Redoxreaktionen bestimmter chemischer Verbindungen. Zu den chemotrophen Stoffwechselformen zählen Atmung und Gärung. Typische chemotrophe Organismen sind Tiere.

Trophie nach Art des Elektronendon(at)ors: Lithotrophie, Hydrotrophie, Organotrophie

Es wird eine Elektronenquelle (Elektronendon(at)or, Reduktionsmittel) benötigt, um Reduktionen im Zuge des Baustoffwechsels durchzuführen. Als Elektronenüberträger zwischen der Elektronenquelle und den Stoffen des Baustoffwechsels fungieren Nicotinamidadenindinukleotid (NAD)⁺ und Nicotinamidadenindinukleotidphosphat (NADP⁺). Beide Moleküle werden zu diesem Zweck zu NADH bzw. NADPH reduziert. Die anschließende Oxidation des NAD(P)H (zurück zu NAD(P)) liefert später die Elektronen für den Aufbau von Biomasse.

• Lithotrophie: Die Elektronen stammen aus der Oxidation anorganischer Stoffe. Typische lithotrophe Organismen sind nitrifizierende Bakterien.
  • Hydrotrophie: Die Elektronen stammen aus der Oxidation des anorganischen Stoffs Wasser. Damit ist die Hydrotrophie bloß eine bestimmte Form der Lithotrophie. Allerdings wird sie wegen ihrer Wichtigkeit gesondert herausgestellt.^[3] Typische hydrotrophe Organismen sind grüne Pflanzen.
• Organotrophie: Die Elektronen stammen aus der Oxidation organischer Stoffe. Typische organotrophe Organismen sind Tiere.

Trophie nach Art der Kohlenstoffquelle: Autotrophie, Heterotrophie

Es wird eine Kohlenstoffquelle benötigt, um Biomasse aufzubauen.

• Autotrophie: Der Kohlenstoff stammt aus Kohlendioxid (CO₂), beziehungsweise aus Hydrogencarbonat-Ionen (HCO₃⁻). Typische autotrophe Organismen sind grüne Pflanzen.
• Heterotrophie: Der Kohlenstoff stammt aus organischen Verbindungen. Typische heterotrophe Organismen sind Tiere.

Organismen, die sowohl zur Autotrophie als auch zur Heterotrophie fähig sind, betreiben Mixotrophie.

Literatur

• Madigan MT, Martinko JM: Brock Mikrobiologie. München, 2006 ISBN 3-8273-7187-2
• Sonnewald U: Physiologie. In: Strasburger Lehrbuch der Botanik. Heidelberg, 2008 ISBN 978-3-8274-1455-7

Einzelnachweise