Fotosynthese

Redaktion


 Alle grünen Pflanzen, Algen und einige Bakterien können sich von anorganischen Stoffen ernähren. Mithilfe von Chlorophyll und Sonnenlicht wandeln sie diese anorganischen (körperfremden) Stoffe in organische (körpereigene) um. Alle Lebewesen die kein Chlorophyll haben, können sich nur von organischen Stoffen ernähren.

Grundlagen der Fotosynthese

Das Chlorophyll hilft den Pflanzen dabei, das Sonnenlicht in chemische Energie umzuwandeln. Nur mit der Energie aus Licht bauen die Pflanzen aus Wasser und Kohlenstoffdioxid organischen Traubenzucker (Glukose) auf. Der Prozess, bei dem anorganische, körperfremde Stoffe in organische, körpereigene Stoffe umgebaut werden heißt Assimilation.

Hier findet die Fotosynthese statt

Die Fotosynthese läuft in allen grünen Teilen der Pflanzen ab, in Blättern, Tannennadeln oder Grashalmen.

An der Unterseite der Blätter befinden sich die Spaltöffnungen. Das sind winzige Poren, die jeweils zwei Schließmuskeln haben. Sie regulieren den Gasaustausch mit der Umgebung. Hier wird das Kohlenstoffdioxid aufgenommen und Wasserdampf und Sauerstoff wieder abgegeben.

Über das Schwammgewebe im Inneren des Blattes wird das aufgenommene Kohlenstoffdioxid dorthin transportiert, wo es für die Fotosynthese gebraucht wird – zum Pallisadengewebe. Im Pallisadengewebe findest du fast alle Zellen der Pflanze die Chlorophyll enthalten.

Das Wasser gelangt von den Wurzeln über das Xylem (Wasserleitungsbahnen) zu den chlorophyllhaltigen Zellen. Der Abtransport der gebildeten Nährstoffe erfolgt über das Phloem. Xylem und Phloem zusammen bilden die Leitungsbahnen.

In den chlorophyllhaltigen Pflanzenzellen angekommen, findet die eigentliche Reaktion in speziellen Zellorganellen, den Chloroplasten, statt. Die Chloroplasten enthalten das Chlorophyll, die lichtaktive Substanz. Das Chlorophyll ist der grüne Farbstoff, der die Blätter grün färbt. Die Farbe ist nur ein Nebeneffekt. Seine Hauptaufgabe besteht darin, das Sonnenlicht zu absorbieren (aufzunehmen).

Wie viele Chloroplasten eine Zelle enthält, ist verschieden. Das hängt von der Art der Pflanze, ihrem Standort, und noch vielen anderen Faktoren ab.

So läuft die Fotosynthese ab

Die eigentliche Fotosynthese ist ein chemischer Prozess, der in drei Schritten abläuft.

Schritt 1:
Licht einer bestimmten Wellenlänge wird vom Chlorophyll in den Chloroplasten aufgenommen.

Schritt 2:
Die Energie des Lichtes wird in chemische Energie umgewandelt. Dabei werden die beteiligten Elektronen mit Energie aufgeladen.

Schritt 3:
Mithilfe der aufgeladenen Elektronen findet die chemische Reaktion statt. Aus Kohlenstoffdioxid, Wasser und Licht entstehen Sauerstoff und Traubenzucker (Glukose).

Die chemische Reaktion:
6 H_2O + 6 CO_2 + Licht = 6 O_2 + C_6H_12O_6 oder in Worten
6 Moleküle Wasser + 6 Moleküle Kohlenstoffdioxid + Licht ergeben 6 Moleküle Sauerstoff + 1 Molekül Traubenzucker (Glukose)

Wenn zu 6 Molekülen Wasser und 6 Molekülen Kohlenstoffdioxid die Energie des absorbierten Sonnenlichts kommt, entstehen 6 Moleküle Sauerstoff und ein Molekül Traubenzucker.

Den Sauerstoff brauchen die Pflanzen nicht. Er wird zu den Spaltöffnungen transportiert und an die Luft abgegeben.

Der Traubenzucker wird weiter verarbeitet. Daraus entstehen in weiteren Reaktionen Stärke, Fette und Eiweiße, die der Pflanze als Nahrung oder Baustoff dienen.

Energiebilanz und Fotosytheserate

Jedes mal, wenn 6 Wassermoleküle mit 6 Kohlenstoffdioxidmolekülen reagieren, entstehen nicht nur 6 Sauerstoffmoleküle und Traubenzucker. Zusätzlich dazu werden noch 2875 kJ/mol Energie freigesetzt. KJ/mol oder Kilojoule pro Mol ist eine Energieeinheit je Materialmenge.

Die Intensität mit der die Reaktion abläuft, bestimmt die Fotosyntheserate. Sie wird von vielen Faktoren beeinflusst. Dazu gehören die Lichtintensität, die Wellenlänge des Lichts, der Kohlenstoffdioxidgehalt der Luft, die Temperatur und die Wasserversorgung der Pflanze. Sind alle Bedingungen optimal, ist die Fotosyntheserate hoch. Die Pflanzen wachsen und entwickeln sich ausgezeichnet.
Für die Landwirtschaft und den Gartenbau ist es wichtig, den angebauten Pflanzen eine hohe Fotosyntheserate zu ermöglichen. Dann bringen sie bei der Ernte hohe Erträge.

Und wenn es dunkel ist?

Ohne Licht, im Dunkeln, gibt es keine Fotosynthese. Ohne die Energie des Lichtes reagieren Kohlenstoffdioxid und Wasser nicht. Die Schritte 1 und 2 der Reaktion laufen nicht ab. Deshalb werden sie auch als Lichtreaktion bezeichnet.

Für Schritt 3 ist kein Licht erforderlich, er wird auch Dunkelreaktion genannt.

Wenn es dunkel ist, atmen die Pflanzen Sauerstoff ein und verbrauchen zur Energiegewinnung Traubenzucker. Sie atmen Kohlenstoffdioxid aus.

Es läuft der entgegengesetzte Prozess zur Fotosynthese, die Zellatmung, ab.

Bedeutung der Fotosynthese für das Leben auf der Erde

Ohne Fotosynthese würde es auf der Erde kein Leben geben, so wie du es kennst. In der Atmosphäre wäre kein Sauerstoff. Alle Lebewesen, die Sauerstoff zum Atmen brauchen, könnten nicht existieren.

Ohne Sauerstoff würde es auch keine schützende Ozonschicht geben.

Die Uratmosphäre bestand bis vor ca. 4,5 Milliarden Jahren aus Ammoniak, Helium, Wasserstoff und Methan. Dann entstanden die ersten Bakterien und Algen. Als Nebenprodukt ihres Stoffwechsels entstand freier Sauerstoff. In vielen Millionen Jahren reicherte sich der Sauerstoffgehalt der Luft an. Heute beträgt er ca. 21 %.

Wasser und Kohlenstoffdioxid sind energiearme anorganische Stoffe. Durch Zufuhr von chemischer Energie (Sonnenlicht) entstehen daraus energiereicher organischer Traubenzucker und andere Stoffe. Aus dem einfachen Traubenzucker (Monosaccharid) bilden die Pflanzen Mehrfachzucker (Polysaccharide), z. B. Stärke. Polysaccharide sind wasserunlöslich und bleiben deshalb in den Pflanzenzellen. Die Pflanzen ernähren sich davon, wachsen und vermehren sich. Die Pflanzen selbst sind wiederum Nahrung für viele andere Organismen.

Alle Pflanzen der Erde wandeln jährlich ca. 400 Milliarden Tonnen klimaschädliches Kohlenstoffdioxid in Sauerstoff und Traubenzucker um.

Durch Fotosynthese entstehen nachwachsende Rohstoffe wie Holz, Biogas oder Pflanzenöle.

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