Arten von Energie

Was bedeutet es, Energie zu haben? Denk mal darüber nach, wie du dich fühlst, wenn du morgens aufwachst. Wenn du viel Energie hast, dann fühlst du dich wach, bereit loszulegen und bist in der Lage, alles zu machen, was an diesem Tag ansteht. Wenn du keine Energie hast (vielleicht, weil du keine acht Stunden Schlaf bekommen hast), dann willst du nicht aufstehen, dich bewegen oder irgendwelche Dinge erledigen.

Auch wenn das eine alltägliche und keine wissenschaftliche Definition der Energie ist, hat sie viele Gemeinsamkeiten mit der formalen Definition der Energie (und kann dir dabei helfen, sie dir zu merken). Im Speziellen ist Energie definiert als die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten – was man sich für biologische Zwecke als Fähigkeit vorstellen kann, eine Veränderung zu verursachen. Energie kann viele verschiedene Formen einnehmen: Wir sind zum Beispiel vertraut mit Licht, Wärme und elektrischer Energie.

Hier schauen wir uns einige Arten von Energie an, die in biologischen Systemen besonders wichtig sind, einschließlich kinetischer Energie (Bewegungsenergie), potenzieller Energie (Lageenergie aufgrund von Position oder Aufbau) und chemischer Energie (die potenzielle Energie chemischer Bindungen). Energie geht niemals verloren, aber sie kann von einer dieser Formen in eine andere umgewandelt werden.

Wenn ein Objekt in Bewegung ist, verfügt das Objekt über Energie. Warum sollte das der Fall sein? Sich bewegende Objekte sind in der Lage, eine Veränderung zu verursachen oder, anders ausgedrückt, Arbeit zu verrichten. Stell dir zum Beispiel eine Abrissbirne vor. Sogar eine sich langsam bewegende Abrissbirne kann einem anderen Objekt, wie einem leeren Haus, einen großen Schaden zufügen. Eine Abrissbirne, die sich nicht bewegt, verrichtet keine Arbeit (schlägt nicht in Gebäude ein).

Die Energie, die mit der Bewegung eines Objektes in Verbindung steht, wird kinetische Energie genannt. Eine abgefeuerte Kugel, eine gehende Person und elektromagnetische Strahlung wie Licht besitzen alle kinetische Energie. Ein weiteres Beispiel für kinetische Energie ist die Energie, die in Verbindung mit dem konstanten, zufälligen Aufeinanderprallen von Atomen oder Molekülen steht. Diese wird auch thermische Energie genannt – je größer die thermische Energie ist, desto größer ist die kinetische Energie der Atombewegung und umgekehrt. Die durchschnittliche thermische Energie einer Gruppe von Molekülen ist das, was wir Temperatur nennen. Wenn thermische Energie zwischen zwei Objekten übertragen wird, nennen wir das Wärme.

Schauen wir uns nochmal das Beispiel der Abrissbirne an. Die bewegungslose Abrissbirne besitzt keine kinetische Energie. Aber was würde passieren, wenn sie mit einem Kran zwei Etagen nach oben angehoben wird und über einem Auto schwebt? In diesem Fall bewegt sich die Abrissbirne nicht, aber sie besitzt tatsächlich noch Energie. Die Energie der schwebenden Abrissbirne spiegelt ihr Potenzial wieder, Arbeit zu verrichten (in diesem Fall, Schaden anzurichten). Wenn die Abrissbirne losgelassen wird, würde sie Arbeit verrichten, indem sie das Auto von irgendeiner armen Person zerquetscht. Und je schwerer die Abrissbirne ist, umso größer ist die Energie, die sie besitzt.

Diese Art von Energie wird potenzielle Energie genannt und sie wird durch die Lage und Aufbau eines Objektes bestimmt. Die Energie in chemischen Bindungen hängt zum Beispiel vom Aufbau des Moleküls und der Position der Atome zueinander ab. Chemische Energie, die Energie, die in chemischen Bindungen gespeichert ist, gilt daher als eine Form der potenziellen Energie. Alltägliche Beispiele für potenzielle Energie sind die Energie von Wasser, das von einem Damm gehalten wird, oder die einer Person, die aus einem Flugzeug mit einem Fallschirm abspringt.

Die Energie eines Objektes kann von einer Form in eine andere umgewandelt werden. Betrachten wir zum Beispiel unser Lieblingsbeispiel, die Abrissbirne. Wenn die Abrissbirne bewegungslos ein paar Etagen höher hängt, besitzt sie keine kinetische Energie, aber eine Menge potenzielle Energie. Wenn sie losgelassen wird, wird die kinetische Energie größer, weil sie aufgrund der Schwerkraft schneller wird. Gleichzeitig wird die potenzielle Energie geringer, weil sie nicht mehr so weit vom Boden entfernt ist. Kurz bevor sie auf den Boden auftrifft, besitzt die Abrissbirne fast keine potenzielle Energie, aber eine große Menge kinetische Energie.

Die gleichen Arten von Umwandlungen sind auch mit chemischer Energie möglich und wir sehen in unserem täglichen Leben viele Beispiele dafür. Oktan, ein Kohlenwasserstoff in Benzin, besitzt zum Beispiel aufgrund seiner molekularen Struktur (siehe Abbildung oben) chemische Energie (potenzielle Energie). Diese Energie kann in einem Motor freigesetzt werden, wenn das Benzin verbrennt, wobei Gase mit hoher Temperatur entstehen, welche die Motorkolben und schließlich das Auto vorwärts bewegen (kinetische Energie).${}^1$‍ Ein Teil der chemischen Energie wird in kinetische Energie des Autos umgewandelt und ein Teil in thermische Energie, die vom Motor als Wärme abgegeben wird.

Energie kann in Lebewesen in einer ähnlichen Weise seine Form ändern. In Bindungen des kleinen Moleküls ATP gespeicherte Energie (potenzielle Energie) kann zum Beispiel die Bewegung eines Motorproteins und seiner Ladung entlang eines Mikrotubulis oder die Kontraktion von Muskelzellen antreiben, um eine Gliedmaße zu bewegen (kinetische Energie).