Aus der Energie des Sonnenlichts, dem von den Wurzeln aufgenommenen Wasser und dem Kohlendioxid aus der Atmosphäre entstehen durch Photosynthese Glukose und Sauerstoff
Die Photosynthese ist der Prozess, durch den Pflanzen und einige Mikroorganismen Stoffe wie Kohlenhydrate herstellen. Es handelt sich dabei um einen endothermen (unter Wärmezufuhr ablaufenden) chemischen Prozess, der das Sonnenlicht nutzt, um Kohlendioxid in Zucker umzuwandeln. Die Zucker werden von der Zelle als Energie und zum Aufbau anderer Moleküle verwendet.
Die Photosynthese ist für das Leben auf der Erde sehr wichtig. Grüne Pflanzen bauen sich durch Photosynthese auf. Auch Algen, Protisten und einige Bakterien nutzen sie. Einige Ausnahmen sind Organismen, die ihre Energie direkt aus chemischen Reaktionen beziehen; diese Organismen werden Chemoautotrophe genannt.
Die Photosynthese kann auf unterschiedliche Weise ablaufen, aber es gibt einige Teile, die allgemein bekannt sind.
6 CO2(g) + 6 H2O + Photonen → C6H12O6(aq) + 6 O2(g) Kohlendioxid + Wasser + Lichtenergie → Glukose + Sauerstoff Das Kohlendioxid gelangt durch die Spaltöffnungen durch Diffusion aus der Atmosphäre in das Blatt. Das Wasser wird aus dem Boden durch Wurzelhaarzellen aufgenommen, die eine vergrößerte Oberfläche für eine erhöhte Wasseraufnahme haben.
Die Photosynthese findet in den Chloroplasten der Blätter (oder anderen grünen Geweben) statt. Sie enthalten Chlorophyll, das grüne Pigment, das die Lichtenergie absorbiert. In den Blättern haben die Palisadenzellen Chloroplasten, die das Licht einfangen.
Sauerstoff ist ein Abfallprodukt der Photosynthese: Er verlässt die Pflanze durch Atmung. Der gesamte Sauerstoff in der Atmosphäre stammt aus Pflanzen (einschließlich der Mikroorganismen, die Photosynthese betreiben)
Glucose wird bei der Atmung verwendet (um Energie in den Zellen freizusetzen). Sie wird in Form von Stärke gespeichert (die in der Dunkelheit wieder in Glukose für die Atmung umgewandelt wird). Glukose kann auch in andere Verbindungen für Wachstum und Fortpflanzung umgewandelt werden, z. B. in Zellulose, Nektar, Fruktose, Aminosäuren und Fette.
Reaktionen des Prozesses
Schema eines Chloroplasten
Die Photosynthese hat zwei Hauptgruppen von Reaktionen. Lichtabhängige Reaktionen benötigen Licht, um Arbeit zu verrichten; und lichtunabhängige Reaktionen, die kein Licht benötigen, um Arbeit zu verrichten.
Lichtabhängige Reaktionen
Hauptseite: Lichtabhängige Reaktion
Die Lichtenergie der Sonne wird zur Spaltung von Wassermolekülen genutzt (Photolyse). Das Sonnenlicht trifft auf die Chloroplasten der Pflanze. Dies veranlasst ein Enzym, das Wasser zu spalten. Bei der Spaltung des Wassers entstehen Sauerstoff, Wasserstoff und Elektronen.
Wasserstoff wandelt zusammen mit den vom Licht angeregten Elektronen NADP in NADPH um, das dann in den lichtunabhängigen Reaktionen verwendet wird. Sauerstoffgas diffundiert als Abfallprodukt der Photosynthese aus der Pflanze, und ATP wird aus ADP und anorganischem Phosphat synthetisiert. Dies alles geschieht in der Grana der Chloroplasten.
Dunkelreaktion
Hauptseite: Lichtunabhängige Reaktion
Bei dieser Reaktion werden aus Kohlendioxid und den Produkten der lichtabhängigen Reaktionen (ATP und NADPH) und verschiedenen anderen Chemikalien, die in der Pflanze im Calvin-Zyklus vorkommen, Zucker aufgebaut. Daher kann die lichtunabhängige Reaktion nicht ohne die lichtabhängige Reaktion ablaufen. Kohlendioxid diffundiert in die Pflanze und zusammen mit Chemikalien im Chloroplasten, ATP und NADPH wird Glukose hergestellt und schließlich durch Translokation durch die Pflanze transportiert.
Faktoren, die die Photosynthese beeinflussen
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Es gibt drei Hauptfaktoren, die die Photosynthese beeinflussen:
- Lichtintensität
- Kohlendioxidkonzentration
- Temperatur
Lichtintensität
Wenn wenig Licht auf eine Pflanze fällt, funktionieren die lichtabhängigen Reaktionen nicht effizient. Das bedeutet, dass die Photolyse (Aufspaltung von Wasser durch Licht) nicht schnell abläuft und daher wenig NADPH und ATP gebildet wird. Dieser Mangel an NADPH und ATP führt dazu, dass die lichtunabhängigen Reaktionen nicht funktionieren, da NADPH und ATP für das Funktionieren der lichtunabhängigen Reaktionen benötigt werden.
Die erforderliche Lichtintensität lässt sich an einer Wasserpflanze wie dem Laichkraut leicht untersuchen. Die abgegebenen Sauerstoffblasen können gezählt oder das Volumen gemessen werden. Indem man den Abstand zwischen Licht und Pflanze verändert, kann man die Lichtintensität variieren. Die Veränderung der Lichtintensität wirkt sich auf die Veränderung der Photosyntheserate aus. Künstliche Beleuchtung kann in der Dunkelheit eingesetzt werden, um die Photosyntheserate zu maximieren.
Kohlendioxidgehalt
Kohlendioxid wird für die lichtunabhängigen Reaktionen verwendet. Es verbindet sich mit NADPH und ATP und verschiedenen anderen Chemikalien (wie Ribulosebisphosphat) zu Glucose. Wenn also nicht genügend Kohlendioxid vorhanden ist, kommt es zu einer Anhäufung von NADPH und ATP, und es wird nicht genügend Glukose gebildet.
Temperatur
Es gibt viele Enzyme, die an photosynthetischen Reaktionen beteiligt sind – wie zum Beispiel das Enzym der Photolyse. Alle Enzyme arbeiten am besten bei ihrer optimalen Temperatur. Alle lichtabhängigen und lichtunabhängigen Reaktionen laufen normalerweise bei durchschnittlichen oder optimalen Temperaturen ab. Tropische Pflanzen haben ein höheres Temperaturoptimum als Pflanzen, die an ein gemäßigtes Klima angepasst sind.
Wenn die Temperaturen zu niedrig sind, gibt es wenig kinetische Energie, so dass die Reaktionsgeschwindigkeit sinkt. Wenn die Temperaturen zu hoch sind, werden die Enzyme denaturiert und die Katalyse der Photosynthesereaktion kommt zum Erliegen.
Gewächshäuser müssen eine optimale Temperatur für das normale Funktionieren der Pflanzen aufrechterhalten.
Frühe Evolution
Die ersten photosynthetischen Organismen haben sich wahrscheinlich früh in der Geschichte des Lebens entwickelt. Sie nutzten möglicherweise nicht Wasser, sondern Reduktionsmittel wie Wasserstoff oder Schwefelwasserstoff als Elektronenquelle. Cyanobakterien traten erst später auf, und der von ihnen produzierte Sauerstoffüberschuss trug zur Sauerstoffkatastrophe bei. Dies ermöglichte die Entwicklung von komplexem Leben.
Effektivität
Heute beträgt die durchschnittliche Energiegewinnung durch Photosynthese weltweit etwa 130 Terawatt, was etwa sechsmal so viel ist wie der derzeitige Energieverbrauch der menschlichen Zivilisation. Photosynthetische Organismen wandeln außerdem pro Jahr etwa 100-115 Milliarden Tonnen Kohlenstoff in Biomasse um.
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