Autotrophie

Grundidee der Autotrophie

Autotrophie ist die Fähigkeit von Lebewesen, ihre Baustoffe und organischen Reservestoffe ausschließlich aus anorganischen Stoffen aufzubauen. Für diesen Stoffaufbau wird Energie benötigt. Meist bezieht sich „autotroph“ auf die Kohlenstoffquelle: Kohlenstoff-autotrophe Organismen decken ihren gesamten Kohlenstoffbedarf aus anorganischen Quellen.

Autotrophe Lebewesen sind vor allem photosynthesebetreibende Primärproduzenten, insbesondere Pflanzen. Ihre Biomasse bildet eine Grundlage für Heterotrophie: Heterotrophe Organismen verwenden organische Verbindungen als Baustoffe. Tiere, Pilze sowie viele Bakterien und Archaeen leben heterotroph, entweder als Konsumenten oder als Destruenten.

Formen und Energiequellen

Nach der Energiequelle unterscheidet man zwei Formen:

• Photoautotrophie: Licht liefert die Energie.
• Chemoautotrophie: Chemische Stoffumsetzungen liefern die Energie.

Autotrophie kann sich außerdem auf andere Baustoffe als Kohlenstoff beziehen. Stickstoff fixierende Bakterien sind beispielsweise hinsichtlich ihrer Stickstoffquelle autotroph.

Photoautotrophie und Photosynthese

Photoautotrophie ist die Nutzung von Licht als Energiequelle bei der Autotrophie. Photoautotrophe Lebewesen sind fast alle Pflanzen und Algen sowie einige Bakterien, zum Beispiel Schwefelpurpurbakterien und Grüne Schwefelbakterien.

Mit Chlorophyll-haltigen Systemen wandeln sie Lichtenergie in chemische Energie in Form von ATP um. Diese Phototrophie liefert die Energie, um Bau- und Reservestoffe aus anorganischen Stoffen aufzubauen. Ein Beispiel ist der Schwimmfarn Salvinia minima: Lichtenergie, Wasser, anorganische Stoffe und Kohlendioxid aus der Luft genügen ihm als Nahrung.

Bei der oxygenen Photosynthese wird Wasserstoff aus Wasser für Reduktionen bei der Assimilation von Kohlenstoffdioxid gewonnen. Der dabei nicht benötigte Sauerstoff des Wassers wird als molekularer Sauerstoff (O₂) freigesetzt. Heterotrophe Lebewesen können diesen Sauerstoff zur Atmung nutzen.

Chemoautotrophie

Chemoautotrophie ist die Nutzung chemischer Energie, um CO₂ zum Aufbau von Biomasse zu verwenden. Sie kommt bei Bakterien und Archaeen vor. Dazu zählen unter anderem Schwefelbakterien, nitrifizierende Bakterien und einige Methanbildner.

Diese Organismen können die Reduktionsmittel für die CO₂-Fixierung aus anorganischen Stoffen gewinnen. Sie werden deshalb lithotroph genannt; in Verbindung mit Chemoautotrophie heißt dies chemolithoautotroph.

Kohlenstoffassimilation

Kohlenstoff-autotrophe Organismen verwenden in der Regel Kohlenstoffdioxid (CO₂) als anorganische Kohlenstoffquelle. Bei einigen Wasserpflanzen wurde zusätzlich die Aufnahme von Carbonat-Ionen nachgewiesen. Die anorganischen Kohlenstoffverbindungen werden reduziert, also chemisch mit Elektronen beziehungsweise Wasserstoff umgesetzt, und der Kohlenstoff wird in organische Verbindungen eingebaut.

Wichtige Wege der CO₂-Assimilation sind der Calvinzyklus, der Wood-Ljungdahl-Weg, der reverse Citratzyklus und die Carboxylierung von Pyruvat. Alle Pflanzen nutzen den Calvinzyklus; er ist zugleich der energieaufwändigste Weg. Einige Mikroorganismen besitzen andere Assimilationswege, etwa den reversen Citratzyklus.

Auch heterotrophe Organismen können geringe Teile ihres Kohlenstoffbedarfs durch CO₂-Assimilation decken, etwa bei der Carboxylierung von Pyruvat zu Beginn der Gluconeogenese oder als anaplerotische Reaktion zum Auffüllen des Citratzyklus. Sie gelten dennoch nicht als autotroph: Per Definition müssen autotrophe Organismen ihren Kohlenstoffbedarf ausschließlich aus anorganischen Quellen decken.