Ernährung: Wie Nahrung zu Energie, Wachstum und Gesundheit wird

Was Ernährung wirklich bedeutet

Ernährung ist die Gesamtheit der biochemischen und physiologischen Vorgänge, durch die ein Lebewesen Nahrung und Wasser nutzt, um am Leben zu bleiben. Die Nahrung liefert Nährstoffe: Stoffe, die der Körper abbaut, um Energie freizusetzen, die er als Rohstoff zum Aufbau und zur Reparatur seiner Gewebe verwendet oder die er in kleinen Mengen braucht, damit seine chemischen Reaktionen ablaufen können. Jeder Herzschlag, jeder Gedanke und jedes wachsende Haar hängt von Molekülen ab, die einst als Teil einer Mahlzeit in den Körper gelangt sind.

Ernährung ist mehr als Essen. Sie umfasst den ganzen Weg der Nahrung: das Auswählen und Aufnehmen, das Verdauen in kleinere Bestandteile, die Aufnahme dieser Bestandteile ins Blut, den Transport zu den Zellen und schließlich ihre Nutzung im Stoffwechsel, dem Netz chemischer Reaktionen, das eine Zelle am Leben hält. Die Wissenschaft, die all dies untersucht, heißt Ernährungswissenschaft. Sie stützt sich auf Chemie, Biologie und Medizin, und obwohl sie alle Arten von Lebewesen umfasst, konzentriert sich die meiste Forschung auf die Ernährung des Menschen.

Ein Schlüsselbegriff ist das Gleichgewicht. Ein Nährstoff heißt essenziell, wenn der Körper ihn nicht oder nicht in ausreichender Menge selbst herstellen kann und ihn deshalb mit der Nahrung aufnehmen muss. Zu wenig eines essenziellen Nährstoffs verursacht Probleme, zu viel aber ebenso. Beides sind Formen der Fehlernährung, ein Begriff, der wörtlich schlechte Ernährung bedeutet und nicht einfach zu wenig Nahrung.

Die wichtigsten Nährstoffgruppen

Nährstoffe werden meist in zwei große Gruppen eingeteilt. Makronährstoffe werden in großen Mengen benötigt, gemessen in Gramm, und die meisten von ihnen liefern Energie. Mikronährstoffe werden in winzigen Mengen benötigt, gemessen in Milligramm oder sogar Mikrogramm, sind aber nicht weniger wichtig.

Kohlenhydrate

Kohlenhydrate bestehen aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Die einfachsten sind Zucker wie Glukose und Fruktose; längere Ketten bilden Stärke, die in Brot, Reis, Kartoffeln und Nudeln steckt. Der Körper spaltet Stärke in Glukose auf, den wichtigsten Brennstoff des Gehirns und einen wichtigen Brennstoff der Muskeln. Überschüssige Glukose kann als Glykogen in Leber und Muskeln gespeichert oder in Fett umgewandelt werden.

Proteine

Proteine sind lange Ketten aus kleineren Bausteinen, den Aminosäuren. Menschliche Proteine sind aus zwanzig Standard-Aminosäuren aufgebaut, und neun davon sind für Erwachsene essenziell, müssen also aus der Nahrung stammen. Proteine bilden Muskeln, Haut, Haare und Enzyme, die molekularen Maschinen, die chemische Reaktionen beschleunigen. Fleisch, Fisch, Eier, Milchprodukte, Bohnen, Linsen und Nüsse sind reich an Eiweiß. Tierische Proteine enthalten meist alle essenziellen Aminosäuren in guten Verhältnissen, während sich pflanzliche Lebensmittel kombinieren lassen, zum Beispiel Getreide mit Hülsenfrüchten, um den vollständigen Satz zu liefern.

Fette

Fette oder Lipide sind die konzentrierteste Energiequelle in der Nahrung. Sie bilden außerdem die Membranen um jede Zelle, helfen dem Körper, bestimmte Vitamine aufzunehmen, und dienen als Wärmeisolierung und schützendes Polster. Zwei Fettsäuren, die Linolsäure (eine Omega-6-Fettsäure) und die Alpha-Linolensäure (eine Omega-3-Fettsäure), sind für den Menschen essenziell. Sie kommen in Pflanzenölen, Nüssen, Samen und Fisch vor.

Vitamine

Vitamine sind organische Verbindungen, die der Körper in kleinen Mengen braucht. Der Mensch benötigt dreizehn davon. Vier sind fettlöslich (A, D, E und K) und können im Körperfett und in der Leber gespeichert werden. Die übrigen sind wasserlöslich: Vitamin C und die acht B-Vitamine. Die meisten von ihnen werden nicht lange gespeichert und müssen daher regelmäßig aufgenommen werden. Viele Vitamine helfen Enzymen bei ihrer Arbeit; Vitamin A wird für das Sehen gebraucht, Vitamin D für starke Knochen und Vitamin K für die Blutgerinnung.

Mineralstoffe

Mineralstoffe sind chemische Elemente, die der Körper braucht, etwa Calcium, Phosphor, Kalium, Natrium, Magnesium, Eisen, Zink und Iod. Calcium und Phosphor bauen Knochen und Zähne auf. Eisen sitzt im Zentrum des Hämoglobins, des Proteins in den roten Blutkörperchen, das Sauerstoff transportiert. Iod verwendet die Schilddrüse, um Hormone herzustellen, die steuern, wie schnell der Körper Energie verbraucht.

Wasser und Ballaststoffe

Wasser fehlt manchmal in Listen der Nährstoffe, dabei ist es das, worauf wir am kürzesten verzichten können. Es macht etwa 60 Prozent des Körpergewichts eines Erwachsenen aus, transportiert Nährstoffe und Abfallstoffe und hilft über das Schwitzen, die Körpertemperatur zu regeln. Ballaststoffe sind eine Gruppe pflanzlicher Kohlenhydrate, die menschliche Verdauungsenzyme nicht aufspalten können. Sie geben dem Darminhalt Volumen und halten die Verdauung in Gang, und Bakterien im Dickdarm vergären einen Teil davon zu Stoffen, die die Zellen der Darmwand ernähren.

Vom Teller in die Zelle: Verdauung und Stoffwechsel

Die Verdauung beginnt im Mund, wo die Zähne die Nahrung zerkleinern und der Speichel beginnt, Stärke abzubauen. Im Magen fangen starke Säure und Enzyme an, Proteine aufzuschließen. Der größte Teil der eigentlichen Arbeit geschieht im Dünndarm: Dort spalten Enzyme aus der Bauchspeicheldrüse und Galle aus der Leber Kohlenhydrate vollständig in Einfachzucker, Proteine in Aminosäuren und Fette in Fettsäuren. Die Innenwand des Dünndarms ist mit Millionen winziger fingerförmiger Ausstülpungen bedeckt, den Darmzotten, die eine riesige Oberfläche bieten, über die diese kleinen Moleküle in Blut und Lymphe gelangen.

Im Körper angekommen, nehmen die Nährstoffe an zwei Arten des Stoffwechsels teil. Der Katabolismus baut Moleküle ab, um Energie freizusetzen. In den Zellen werden Glukose und Fettsäuren schrittweise oxidiert, größtenteils in Strukturen namens Mitochondrien, und die Energie wird in einem Molekül namens ATP eingefangen, der Energiewährung der Zelle. Der Anabolismus tut das Gegenteil: Er nutzt Energie, um große Moleküle aufzubauen, etwa neue Proteine für wachsende Muskeln oder neue DNA für Zellen, die sich teilen.

Der Körper beherbergt außerdem Billionen von Mikroben, vor allem im Dickdarm. Diese Gemeinschaft, die Darmmikrobiota, hilft beim Abbau von Ballaststoffen und bildet einige Vitamine, darunter Vitamin K und bestimmte B-Vitamine. Forschende entdecken noch immer, wie stark diese Mikroben Verdauung und Gesundheit beeinflussen.

Energie: Kalorien zählen

Die Energie in Lebensmitteln wird in Kilokalorien oder in Kilojoule gemessen. Eine Kilokalorie ist die Energie, die nötig ist, um ein Kilogramm Wasser um ein Grad Celsius zu erwärmen. Im Englischen wird diese Einheit auf Lebensmitteletiketten oft als Calorie mit großem C geschrieben, was verwirrend sein kann, denn eine solche Nahrungskalorie entspricht tausend kleinen Kalorien.

Zuerst maßen Wissenschaftler die Energie von Lebensmitteln, indem sie diese in einem verschlossenen, von Wasser umgebenen Behälter, einem Bombenkalorimeter, verbrannten und festhielten, wie stark sich das Wasser erwärmte. Im späten 19. Jahrhundert ermittelte der amerikanische Chemiker Wilbur Atwater, wie viel dieser Energie der menschliche Körper tatsächlich nutzen kann. Seine einfache Regel wird bis heute angewandt: etwa 4 Kilokalorien pro Gramm Kohlenhydrat, etwa 4 pro Gramm Protein und etwa 9 pro Gramm Fett.

Selbst in völliger Ruhe verbraucht der Körper einen großen Teil seiner Energie allein dafür, am Leben zu bleiben: Das Herz muss schlagen, die Lunge atmen und der Körper warm bleiben. Das nennt man den Grundumsatz. Allein das Gehirn verbraucht etwa ein Fünftel der Ruheenergie des Körpers, obwohl es nur rund 2 Prozent des Körpergewichts ausmacht. Kinder brauchen zusätzliche Energie und Nährstoffe für das Wachstum, weshalb eine gute Ernährung in der Kindheit so wichtig ist.

Wenn die Ernährung aus dem Gleichgewicht gerät: Fehlernährung

Unterernährung

Wenn ein Mensch über lange Zeit nicht genug Energie oder Protein bekommt, beginnt der Körper, sein eigenes Gewebe als Brennstoff zu nutzen. Zu den schweren Formen gehören der Marasmus, bei dem der Körper extrem abmagert und auszehrt, und Kwashiorkor, das mit einem schweren Proteinmangel verbunden ist und Schwellungen verursacht, besonders an Beinen und Bauch. Unterernährung schwächt das Immunsystem, sodass Infektionen häufiger und gefährlicher werden, und bei Kindern kann sie zu Wachstumsverzögerung führen, das heißt, sie werden kleiner, als sie sein sollten.

Mangelkrankheiten

Das Fehlen eines einzigen Mikronährstoffs kann eine bestimmte Krankheit auslösen. Ohne Vitamin C kann Kollagen nicht richtig gebildet werden, und es entsteht Skorbut mit blutendem Zahnfleisch und schlecht heilenden Wunden. Ein Mangel an Vitamin D oder an Calcium in der Kindheit verursacht Rachitis, bei der die Knochen weich werden und sich verbiegen. Zu wenig Thiamin (Vitamin B1) führt zu Beriberi, die Nerven und Herz schädigt, während ein Niacinmangel Pellagra verursacht, die Haut, Verdauungstrakt und Gehirn betrifft. Iodmangel kann die Schilddrüse zu einem Kropf vergrößern und in der Schwangerschaft die Gehirnentwicklung des Babys schädigen. Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation ist Eisenmangel der häufigste Nährstoffmangel der Welt, und Vitamin-A-Mangel ist eine der Hauptursachen vermeidbarer Erblindung bei Kindern. Weil diese Mängel auch dann bestehen können, wenn Menschen genug Kalorien haben, spricht man manchmal vom verborgenen Hunger.

Überernährung

Zur Fehlernährung gehört auch, mehr Energie aufzunehmen, als der Körper verbraucht. Die überschüssige Energie wird als Fett gespeichert, und über Jahre kann das zu Adipositas führen, die das Risiko für Typ-2-Diabetes, Herzkrankheiten und einige andere Erkrankungen erhöht. Auch zu viel eines einzelnen Nährstoffs kann schaden. Besonders fettlösliche Vitamine können sich bis zu giftigen Mengen anreichern: Arktisforscher, die Eisbärleber aßen, die außergewöhnlich reich an Vitamin A ist, wurden schwer krank. Heute stehen viele Länder vor einer doppelten Last der Fehlernährung: Unterernährung und Adipositas gibt es nebeneinander, manchmal sogar in derselben Familie.

Wie Wissenschaftler die Nährstoffe entdeckten

Die meiste Zeit der Geschichte wussten die Menschen, dass bestimmte Lebensmittel sie gesund hielten, ohne zu wissen, warum. Eines der ersten kontrollierten Experimente der Medizin drehte sich um Ernährung. 1747 teilte der schottische Schiffsarzt James Lind an Skorbut erkrankte Seeleute in kleine Gruppen ein und gab jeder Gruppe eine andere Behandlung. Diejenigen, die Orangen und Zitronen erhielten, erholten sich auffallend schnell. Dennoch dauerte es noch Jahrzehnte, bis die britische Marine ihre Seeleute regelmäßig mit Zitrussaft versorgte.

Im späten 18. Jahrhundert zeigte der französische Chemiker Antoine Lavoisier, dass die Atmung eine Art langsame Verbrennung ist: Der Körper nutzt Sauerstoff, um Energie aus der Nahrung freizusetzen, und gibt Kohlendioxid ab, genau wie eine Kerze. Diese Idee legte den Grundstein für die Erforschung des Stoffwechsels. Im 19. Jahrhundert identifizierten Chemiker Kohlenhydrate, Fette und Proteine, und viele glaubten, dass diese zusammen mit Mineralstoffen und Wasser alles seien, was ein Mensch brauche.

Diese Annahme brach wegen eines Rätsels um die Beriberi zusammen. In den 1890er-Jahren bemerkte der niederländische Arzt Christiaan Eijkman, der in Niederländisch-Indien (dem heutigen Indonesien) arbeitete, dass Hühner, die mit poliertem weißem Reis gefüttert wurden, an einer beriberiähnlichen Krankheit erkrankten, während Hühner, die ungeschälten Reis bekamen, gesund blieben. Etwas in den äußeren Schichten des Korns schützte sie. 1912 schlug der polnische Biochemiker Casimir Funk vor, dass solche Krankheiten durch das Fehlen besonderer Stoffe verursacht werden, die er Vitamine nannte, abgeleitet von vital amines, lebenswichtigen Aminen. Als sich herausstellte, dass nicht alle davon Amine sind, ließ man im Englischen das End-e weg, und so entstand das heutige Wort vitamin. Eijkman teilte sich 1929 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin mit dem englischen Biochemiker Frederick Gowland Hopkins, der gezeigt hatte, dass Tiere neben den bekannten Nährstoffen zusätzliche akzessorische Nahrungsfaktoren brauchen.

Im frühen 20. Jahrhundert wies der amerikanische Arzt Joseph Goldberger nach, dass die Pellagra, damals im Süden der Vereinigten Staaten weit verbreitet, durch einseitige Ernährung und nicht durch Krankheitserreger verursacht wurde. In den 1920er-Jahren begannen die Schweiz und die Vereinigten Staaten, dem Speisesalz Iod zuzusetzen, eine der einfachsten und erfolgreichsten Maßnahmen der öffentlichen Gesundheit überhaupt, die den Kropf stark zurückdrängte.

Ernährung jenseits des Menschen

Alle Lebewesen brauchen Nahrung, doch sie beschaffen sie sich auf sehr unterschiedliche Weise. Autotrophe Organismen wie Pflanzen, Algen und manche Bakterien stellen ihre organischen Moleküle selbst her. Pflanzen nutzen Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser für die Photosynthese und nehmen dann über ihre Wurzeln Mineralstoffe aus dem Boden auf. Die drei Mineralstoffe, die sie in den größten Mengen brauchen, sind Stickstoff, Phosphor und Kalium, deshalb sind sie die Hauptbestandteile von Gartendüngern. Heterotrophe Organismen, darunter Tiere und Pilze, müssen ihre organischen Moleküle gewinnen, indem sie andere Lebewesen oder deren Überreste fressen oder aufnehmen.

Die Natur hat einige überraschende Lösungen hervorgebracht. Fleischfressende Pflanzen wie die Venusfliegenfalle wachsen auf nährstoffarmen, sumpfigen Böden und fangen Insekten vor allem, um Stickstoff und andere Mineralstoffe zu gewinnen, nicht Energie. Kühe und andere Wiederkäuer können die Cellulose im Gras nicht selbst verdauen; das übernehmen Mikroben in ihren großen, mehrteiligen Mägen. Auch Termiten, die sich von Holz ernähren, sind auf Mikroben in ihrem Darm angewiesen, um es abzubauen.

Eine ausgewogene Ernährung zusammenstellen

Kein einzelnes Lebensmittel enthält alle Nährstoffe in den richtigen Mengen, deshalb empfehlen Gesundheitsfachleute eine abwechslungsreiche Ernährung. Viele Länder veröffentlichen Ernährungsempfehlungen in Form einfacher Bilder. Die Vereinigten Staaten ersetzten 2011 ihre bekannte Ernährungspyramide durch ein Tellermodell namens MyPlate, das zeigt, dass Gemüse und Obst etwa die Hälfte einer Mahlzeit ausmachen sollten, während sich Getreideprodukte und eiweißreiche Lebensmittel den Rest teilen.

Zu den Ratschlägen, die sich in den meisten nationalen Empfehlungen finden, gehören:

• Reichlich Gemüse, Obst, Vollkornprodukte, Bohnen und Nüsse essen.
• Wasser als Hauptgetränk wählen.
• Zuckerhaltige Getränke und Lebensmittel mit viel zugesetztem Zucker einschränken. Die Weltgesundheitsorganisation rät, freie Zucker unter 10 Prozent der täglichen Energiezufuhr zu halten.
• Weniger Salz verwenden. Für Erwachsene empfiehlt die Weltgesundheitsorganisation weniger als 5 Gramm am Tag.
• Ungesättigte Fette, wie sie in Pflanzenölen, Nüssen und Fisch vorkommen, großen Mengen gesättigter Fette vorziehen.

Der Bedarf ändert sich auch im Laufe des Lebens. Säuglinge, heranwachsende Jugendliche, schwangere Frauen und ältere Menschen haben jeweils besondere Anforderungen, weshalb Ernährungsempfehlungen oft auf Alter und Lebensphase zugeschnitten sind.

Überraschende Fakten zur Ernährung

• Die meisten Säugetiere können ihr eigenes Vitamin C herstellen, der Mensch jedoch nicht. Diese Unfähigkeit teilen wir mit Menschenaffen und anderen Affen, Meerschweinchen und einigen Fledermäusen, weshalb Skorbut Menschen treffen kann, nicht aber Hunde oder Katzen.
• Vitamin D ist ungewöhnlich: Die Haut kann es bilden, wenn sie Sonnenlicht ausgesetzt ist, sodass es gewissermaßen teils Vitamin, teils Hormon ist.
• Vitamin B12 wird ausschließlich von Mikroben gebildet. Tiere erhalten es über ihre Nahrung oder von Bakterien, weshalb Menschen, die keine tierischen Produkte essen, angereicherte Lebensmittel oder Nahrungsergänzungsmittel empfohlen werden.
• Ballaststoffe galten lange als nutzloser Ballast. Heute werden sie als Nahrung für die Darmmikrobiota und wegen ihres Zusammenhangs mit einem gesunden Verdauungssystem geschätzt.
• Der Satz Du bist, was du isst stimmt in einem Sinn sogar wörtlich: Viele Atome in deinem Körper werden nach und nach durch Atome ersetzt, die aus deinem Essen und Trinken stammen.