Techniklexikon

Energiekonservierung, biologische

Biophysik, Fixierung von freier Enthalpie in der Struktur der Lebewesen. Biologische Systeme (Leben) sind strukturell hochorganisiert und haben einen hohen Informationsgehalt. Sie sind daher im Sinne des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik Systeme mit geringer Entropie. Vergleichbare Systeme mit hohem Ordnungsgrad aus der nichtlebenden Natur sind als Kristalle bekannt. Strukturbildung biologischer Systeme erfolgt nach völlig anderen Prinzipien. Die Erkenntnis, dass Nichtgleichgewichtszustände offener Systeme auch zur Bildung von raum-zeitlichen, sogenannten dissipativen Strukturen führen können, ist der Verdienst der Brüsseler Schule (unter der Leitung von I. Prigogine). In Zusammenhang mit der Organisation lebender Systeme entstehen folgende Fragen:

1) Wie weit sind die Organismen vom thermodynamischen Gleichgewicht entfernt?

2) Was ist ihre Quelle freier Enthalpie?

3) Welche Apparate wurden von der Natur zur Fixierung der freien Energie entwickelt?

4) Wie erfolgt die Kopplung der energetischen Fundamentalprozesse und der biologischen Einzelaktivitäten (Muskelkontraktion, Generation des Membranpotentials, Biosynthese komplizierter Moleküle etc.)?

Die universelle Quelle der zur biologischen Strukturbildung notwendigen freien Enthalpie ist die Sonne. Entsprechend dem zweiten Haupsatz findet eine mit dem Wärmefluss von der Sonne zur Erde gekoppelte Umwandlung elektromagnetischer Strahlung in chemische Nutzarbeit (Photosynthese) in den photoautotrophen Organismen statt. Diese mit dem Energiefluss gekoppelte Entropieverringerung wird auch als Negentropie bezeichnet. Thermodynamisch kann der grundlegende Elementarprozess als lichtbetriebene Umwandlung von Sauerstoff und Wasser zu Glukose angesehen werden. Nur eine sehr geringe Zahl von Mikroorganismen ist chemoautotroph; d.h. sie beziehen die freie Enthalpie aus der Oxydation von in der nichtlebenden Natur vorkommenden anorganischen Substanzen (H₂, S, NH₃, etc.). Alle übrigen heterotrophen Organismen leben auf der Basis der chemischen Umsetzung organischer Verbindungen anderer Lebewesen (Biosphäre).