Die Wissenschaft des Lebens
PHOTOSYNTHESE
Entdecken Sie, wie Wasser die treibende Kraft hinter dem wichtigsten biochemischen Prozess unseres Planeten ist.
Geschichte
Die Evolution der Photosynthese
Von den ersten Cyanobakterien bis zur modernen Wissenschaft – die Geschichte der Photosynthese ist die Geschichte des Lebens selbst.
Erste Photosynthese
Cyanobakterien entwickeln die oxygene Photosynthese und beginnen, Sauerstoff zu produzieren.
Große Sauerstoffkatastrophe
Die Atmosphäre reichert sich mit Sauerstoff an, was zum Massensterben anaerober Organismen führt.
Endosymbiose
Aufnahme von Cyanobakterien in eukaryotische Zellen – Entstehung der Chloroplasten.
Landpflanzen
Erste Pflanzen erobern das Land und transformieren die Ökosysteme der Erde.
Priestley & Ingenhousz
Entdeckung, dass Pflanzen „verbrauchte Luft" regenerieren und Licht dafür benötigen.
Julius Robert Mayer
Erkenntnis, dass Pflanzen Lichtenergie in chemische Energie umwandeln.
Van Niel's Hypothese
Cornelius van Niel zeigt, dass Sauerstoff aus Wasser und nicht aus CO₂ stammt.
Calvin-Zyklus
Melvin Calvin erhält den Nobelpreis für die Entschlüsselung des Calvin-Zyklus.
Der Prozess
Wie funktioniert Photosynthese?
Die Photosynthese besteht aus zwei Hauptphasen: der Lichtreaktion in den Thylakoiden und der Dunkelreaktion (Calvin-Zyklus) im Stroma der Chloroplasten.
Lichtabsorption
Chlorophyll-Moleküle in den Thylakoiden absorbieren Lichtenergie. Diese Energie wird verwendet, um Wassermoleküle zu spalten.
Wichtige Punkte:
- Photosystem II absorbiert Licht bei 680nm
- Photosystem I absorbiert Licht bei 700nm
- Energie wird auf Elektronentransportkette übertragen
Die Rolle des Wassers
Wasser als Ursprung des Lebens
Ohne Wasser gäbe es keine Photosynthese. Es ist nicht nur ein Reaktionspartner, sondern die fundamentale Quelle für Elektronen, Protonen und den Sauerstoff, den alle aeroben Lebewesen benötigen.
Elektronenquelle
Wasser liefert die Elektronen, die für die Lichtreaktion der Photosynthese benötigt werden. Bei der Fotolyse wird Wasser gespalten und Elektronen werden freigesetzt.
H₂O → 2H⁺ + 2e⁻ + ½O₂Protonenlieferant
Die bei der Wasserspaltung freigesetzten Protonen (H⁺) werden für die Bildung von NADPH und ATP benötigt, den Energieträgern der Zelle.
Chemiosmose & ATP-SynthaseSauerstoffproduktion
Der Sauerstoff (O₂), den wir atmen, stammt aus der Wasserspaltung während der Photosynthese. Ein Nebenprodukt, das für das Leben auf der Erde essentiell ist.
6H₂O → 6O₂ + 12H⁺ + 12e⁻6
H₂O Moleküle pro Glucose
12
Elektronen freigesetzt
70%
Atmosphärischer O₂ aus Photosynthese
∞
Leben ermöglicht
Die Gleichung
Chemische Gesamtreaktion
Kohlendioxid
Wasser
Chlorophyll
Glucose
Sauerstoff
Edukte (Eingangsstoffe)
- 6 Moleküle Kohlendioxid aus der Luft
- 6 Moleküle Wasser aus dem Boden
- Lichtenergie von der Sonne
Produkte (Ausgangsstoffe)
- 1 Molekül Glucose (Traubenzucker)
- 6 Moleküle Sauerstoff (O₂)
- Gespeicherte chemische Energie
Molekulare Prozesse
Elektronentransportkette und Lichtreaktionen
Die Lichtreaktionen finden in den Thylakoiden statt. Hier werden Wassermoleküle durch Lichtenergie gespalten und die Energie in ATP und NADPH umgewandelt.
PSII (Photosystem II)
Wasserspaltung findet hier statt. Licht bei 680nm spaltet H₂O in O₂, H⁺ und e⁻. Diese Elektronen starten ihre Reise durch die Kette.
Zytochrom b6f Komplex
Pumpiert Protonen in den Thylakoid-Lumen. Dies erzeugt ein Protonengradient, der ATP-Synthase antreibt und ATP erzeugt.
PSI (Photosystem I)
Reduziert NADP⁺ zu NADPH. Dies ist ein wichtiger Elektronenakzeptor, der im Calvin-Zyklus verwendet wird. Licht bei 700nm treibt diese Reaktion an.
Kritische Faktoren
Wasser und Photosynthese: Grenzfälle
Das richtige Maß an sauberem Wasser ist essentiell. Zu viel, zu wenig, kein oder verseuchtes Wasser – alle führen zu unterschiedlichen Problemen für die fotosynthetischen Prozesse.
Zu viel Wasser (Wasserstau)
Übermäßiges Wasser behindert die Wurzelatmung und führt zu Hypoxie (Sauerstoffmangel) im Wurzelbereich.
Auswirkungen auf die Photosynthese:
Wurzeln können nicht atmen – Sauerstoffmangel
Wurzeln verfaulen und sterben ab
Nährstoffaufnahme wird behindert
Pflanze welkt trotz ausreichend Wasser
Chlorophyll-Produktion sinkt
Photosyntheseleistung um bis zu 80% reduziert
Chemischer Mechanismus:
O₂-Mangel → Anaerobe Atmung → Ethanol- & CO₂-ProduktionStruktur & Funktion
Spaltöffnungen (Stomata) - Die Tore der Photosynthese
Stomata sind mikroskopische Öffnungen auf Blattoberflächen, die CO₂-Aufnahme und Wasserdampfabgabe regulieren. Sie sind das Hauptkontrollventil der Photosynthese.
Querschnitt einer Blattoberfläche mit offenen und geschlossenen Stomata
Funktion der Stomata
- →
CO₂-Aufnahme
Regeln den Eintritt von Kohlendioxid in das Blatt
- →
Wasserdampfabgabe
Ermöglichen Transpiration zur Temperaturregelung
- →
Osmotische Regulation
Schließzellen öffnen/schließen durch Turgor
- →
Wasserstressreaktion
ABA-Hormon bewirkt Schließung bei Trockenheit
Bedeutung für Wassermangel
Bei Wassermangel schließen sich die Stomata präventiv. Dies reduziert zwar die Wasserverdunstung, hemmt aber auch die CO₂-Aufnahme und damit die Photosyntheseleistung um bis zu 50%.