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Photosynthese: Was, wo, wie und warum?

von | Okt 17, 2023 | blogs, Lichter wachsen lassen | 0 Kommentare

Einführung

Was ist Photosynthese? Für viele ist es etwas, das sie gelernt oder von dem sie gehört haben, aber die Details sind ihnen im Laufe der Jahre entgangen. Wir haben uns daher gedacht, dass es hilfreich sein könnte, die wichtigsten Punkte und die Terminologie dieses erstaunlichen Prozesses für Sie zusammenzufassen.

Ein wenig Biochemie ist unvermeidlich, aber wir werden es einfach und überschaubar halten. Hier sind die Themen:

  • Was ist Photosynthese?
  • Wo findet die Photosynthese statt?
  • Wie funktioniert die Photosynthese?
  • Warum ist die Photosynthese wichtig?

Wir hoffen, dass Sie am Ende dieses Artikels in der Lage sein werden, die Photosynthese wie ein Profi zusammenzufassen.

 

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Abb. 1

Was ist Photosynthese?

Wie Sie vielleicht wissen, ist die Photosynthese ein Prozess, bei dem Pflanzen die Energie des Lichts nutzen, um „Zucker“ zu produzieren.

Die Pflanze verwendet diese Zucker schließlich als Energie, die sie für zahlreiche Stoffwechselvorgänge wie Stammwachstum, Blattbildung, Blüte und Fruchtbildung benötigt.

 

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Abb. 2

Wo findet die Photosynthese statt?

Bei grünen Pflanzen findet die Photosynthese in den „grünen“ Teilen der Pflanze statt, nämlich in den Blättern.

Schauen Sie sich bitte Abbildung 4 an.

 

  1. Blätter bestehen aus Pflanzenzellen, die von einer äußeren Begrenzung umschlossen sind.
  2. Im Inneren der Blattzelle befinden sich kleinere bohnenartige Objekte, die Chloroplasten genannt werden.
  3. Im Inneren des Chloroplasten befinden sich übereinander gestapelte, pfannkuchenartige Gebilde, die Thylakoide.
  4. Thylakoide haben eine äußere Membran – innerhalb dieser Membran findet der erste Teil der Photosynthese statt.

Abb. 3 (Albert Melu auf Unsplash)

Abb. 4 – Wo die Photosynthese stattfindet.

Wie funktioniert die Photosynthese?

Man kann sich die Photosynthese wie eine kleine Fabrik vorstellen, die Zucker herstellt. Eine Fabrik benötigt Inputs wie Energie und Material.

In unserer Photosynthesefabrik verwendet ein Blatt Energie aus Licht, H2O (Wasser) und C02 (Kohlendioxid).

Und die Ergebnisse sind Zucker und Sauerstoff. Der Zucker wird für Stoffwechselzwecke wieder in die Pflanze zurückgeführt. Der Sauerstoff wird als lebenswichtiges Abfallprodukt ausgestoßen, das zur Luft wird, die wir atmen.

Abb. 5 – Die Photosynthese ist wie eine Fabrik

Abb. 6 – Inputs und Outputs der Photosynthese

Die Geschichte von zwei Fabriken

Die Photosynthese besteht eigentlich aus zwei Fabriken – Lichtreaktionen und Calvin-Zyklus.

Wir werden zunächst die Lichtreaktionen in der Thylakoidmembran behandeln. Ziel dieser Fabrik ist es, Lichtenergie in eine besser nutzbare Form umzuwandeln.

 

Abb. 7 – Die beiden Fabriken der Photosynthese.

Lichtreaktionsfabrik – INPUTS

In Abbildung 9 sehen Sie, wie das Licht in unser System fällt. Sie können auch sehen, wie das Wasser in das System eingegeben wird. Und Sie können sehen, wie der Sauerstoff aus dem System austritt.

Abb. 8 – Das Thylakoid

Abb. 9 – Eingänge für Lichtreaktionen

Lichtreaktionen – Energie akkumulieren

In Abbildung 11 (rote Kreise) wird die Energie des Lichts in H+ und e- umgewandelt, was als Elektronentransport bezeichnet wird. Das sind die Energien oder die Elektrizität, die sich während des gesamten Prozesses ansammeln.

Die ebenfalls in Abbildung 11 (blaue Kreise) dargestellten Ergebnisse des Prozesses sind ATP und NADPH. Sie sind temporäre Energiespeicher (Batterien), die für die zweite Stufe der Photosynthese verwendet werden. Dieser erste Teil der Photosynthese dient also dem Aufbau von Energiespeichern, die in der zweiten Fabrik verwendet werden können.

Abb. 10 – Das Thylakoid

Abb. 11 – Lichtreaktionen – Energieakkumulation

Die 2. Fabrik der Photosynthese – Der Calvin-Zyklus

Die 2. Fabrik oder Stufe ist die, in der wir Zucker synthetisieren – sie wird Calvin-Zyklus genannt, benannt nach dem berühmten Biochemiker Melvin Calvin.

In Abbildung 13 sind ATP und NADPH aus der Lichtreaktion zu sehen, die als Input für den Calvin-Zyklus verwendet werden (Buchstaben E und D).

Beachten Sie auch, dass Kohlendioxid auch im Calvin-Zyklus verwendet wird (Buchstabe F). Das Endprodukt ist der Zucker 3-Phosphoglycerat (Buchstabe G).

Beachten Sie, dass der Calvin-Zyklus unmittelbar außerhalb des Thylakoids in den Räumen des Chloroplastenstromas stattfindet.

Abbildung 12 – Melvin Calvin

Abb. 13 – Die Geschichte von zwei Fabriken – Calvin-Zyklus. (2023, 5. September). In Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Calvin_cycle

Was ist mit Chlorophyll?

Wir müssen noch über Chlorophyll sprechen, das wesentliche Molekül, das für die Absorption der Lichtenergie verantwortlich ist.

Chlorophyll ist ein Pigmentmolekül, das so heißt, weil es eine Farbe reflektiert, die Blätter grün aussehen lässt. Die anderen Farben werden absorbiert, insbesondere in den blauen und roten Bereichen.

Abb. 14 – Chlorophyll-Molekül

Abb. 15 – Wachsende Lichter

Wenn wir auf die Produktionslinie der Lichtreaktion in der Thylakoidmembran zurückgehen, werden Sie ein PSII- und ein PSI-Modul bemerken. Hier befindet sich das Chlorophyll.

PSII und PSI enthalten zwei Arten von Chlorophyll, nämlich a und b. Beide Arten von Chlorophyll absorbieren blaues und rotes Licht, und deshalb sind die Wachstumslampen typischerweise blau und rot.

Pflanzen sind jedoch am empfindlichsten für rotes Licht. PSII ist am effizientesten bei der Absorption von rotem Licht bei 680 nm, und PSI ist am effizientesten bei der Absorption von rotem Licht bei 700 nm, was man als fernrotes Licht bezeichnen kann. Es handelt sich meist um Chlorphyll-a.

Abb. 16 – Chlorophyll in PSII und PSI

Was ist Lichtenergie?

Licht enthält die Energie, die alle photosynthetischen Aktivitäten antreibt. Wenn man über Lichtenergie nachdenkt, kann man sie aus zwei Perspektiven betrachten – Licht als Teilchen und Licht als Wellen – das ist die duale Natur des Lichts.

 

Abb. 17 – Spektrum vom Spektrometer

Licht als Teilchen

Wenn man sich Licht als Teilchen vorstellt, kann man sich Lichttröpfchen vorstellen, die auf ein Blatt fallen. Diese Tröpfchen werden als Photonen bezeichnet.

Abb. 20 – Licht als Teilchen

Erhöht man die Helligkeit oder Intensität des Lichts, nimmt die Anzahl der Photonen zu und die Energie steigt.

Abb. 18 – Helligkeit oder Intensität

Licht als Wellen

Wenn Sie an Licht als Wellen denken, sollten Sie an Farben denken. Und wir beziehen uns auf Farbe in Form von Wellenlängen.

Höhere Frequenzwellenlängen tendieren zum blauen Spektrum und haben mehr Energie, während niedrigere Frequenzwellenlängen zum roten Spektrum tendieren und weniger Energie haben.

Abb. 21 – Farbe, Wellenlänge und Energie

Ein Photon hat eine zugehörige Wellenlänge

Jedes Lichtphoton hat eine bestimmte Wellenlänge. Sie haben also blaue Photonen, rote Photonen, grüne Photonen, gelbe Photonen usw. Blaue Photonen haben mehr Energie als rote Photonen.

PSII absorbiert blaue Photonen als eine sehr hohe Energiequelle, um energiereiches NADPH und ATP zu produzieren. Die meisten Blätter oberhalb des Kronendachs erhalten ausreichende Mengen an blauem Licht für die Photosynthese.

Die Blätter unter dem Kronendach können jedoch weiterhin an der Photosynthese teilnehmen, da ein Teil des blauen und roten Lichts noch in die Blätter eindringt. Tatsächlich ist der Farbbereich von Chlorophyll-a breiter als der von Chlorophyll-b, um eine möglichst große Lichtabsorption im Schatten zu ermöglichen.

Abb. 22 – Photonen und Wellenlängen

Verwendung eines Spektral-PAR-Messgeräts zur Messung der Lichtenergie.

Sie können ein Spektral-PAR-Messgerät verwenden, um die Lichtenergie von den Grow-Lampen oder der Sonne zu messen.

In Abbildung 23 sehen Sie ein Spektraldiagramm, das die Wellenlängen der Photonen und ihre Intensitäten zeigt.

Wir sehen eine Fülle hochenergetischer blauer Photonen, die PSII nutzen kann – allerdings ist die blaue Farbe nicht auf eine optimale Chlorophyllabsorption abgestimmt. An der Form des Spektrums können Sie erkennen, dass es sich um ein LED-Wachstumslicht handelt – wenn es sich um ein „dynamisches“ LED-Licht handelt, müssen die Farben angepasst werden.

 

LED-Lichtfarbe und Ausrichtung der Photosynthese

Abb. 23 – Photonen und Wellenlängen

Zusammenfassung

Die Photosynthese ist ein Prozess, mit dem Pflanzen Zucker herstellen, ein lebenswichtiges Element, das für viele Stoffwechselfunktionen benötigt wird. Dieser Prozess findet tief in der Pflanzenzelle statt, an einem Ort, der Thylakoidmembran genannt wird. Es ist wie ein Fließband mit Input (Licht, Wasser, CO2) und Output (Sauerstoff und Zucker).

Die Photosynthese besteht aus zwei Phasen – der Lichtreaktion und dem Calvin-Zyklus. In der Lichtreaktionsphase wird die Energie des Lichts genutzt und in eine besser verwertbare Form(ATP und NADPH) umgewandelt.

Der Calvin-Zyklus nutzt ATP und NADPH, um den Zucker für spätere Stoffwechselprozesse wie Pflanzenwachstum, Blüte und Fruchtbildung zu synthetisieren.

Die Photosynthese ist eines der Wunder der Natur, und ein gutes Verständnis der Grundlagen gibt den Landwirten die Sicherheit, die Parameter zu optimieren und die Produktivität der Landwirtschaft zu verbessern.

Aber die Photosynthese ist nur die Hälfte der Geschichte mit dem Wachstumslicht – im nächsten Beitrag werden wir zeigen, wie Pflanzen das Licht nutzen, um zu wachsen, zu blühen und Früchte zu tragen.

 

 

Abb. 24 – Photosynthese

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