Photosynthese: Was, wo, wie und warum?
Einführung in die Photosynthese
Was ist Photosynthese? Für viele ist es etwas, das wir gelernt oder von dem wir gehört haben, dessen Einzelheiten uns jedoch im Laufe der Jahre entfallen sind. Daher dachten wir, es könnte hilfreich sein, die wichtigsten Punkte und Begriffe dieses faszinierenden Prozesses für Sie noch einmal zusammenzufassen.
Ein wenig Biochemie lässt sich nicht vermeiden, aber wir werden es einfach und überschaubar halten. Hier sind die Themen:
- Was ist Photosynthese?
- Wie funktioniert die Photosynthese-Anlage?
- Warum ist die Photosynthese wichtig?
Wir hoffen, dass Sie am Ende dieses Artikels in der Lage sein werden, die Photosynthese wie ein Profi zusammenzufassen.
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 nutzt diese Zucker schließlich als Energiequelle, die sie für zahlreiche Stoffwechselprozesse benötigt, wie beispielsweise das Stammwachstum, die Blattbildung, die Blüte und die Fruchtbildung.
Abb. 2
Ort der Photosynthese – Wo findet sie statt?
Bei Grünpflanzen findet die Die Photosynthese findet in den „grünen“ Teilen der Pflanze statt, nämlich in den Blättern.
Bitte werfen Sie einen Blick auf Abbildung 4.
- Blätter bestehen aus Pflanzenzellen, die von einer äußeren Begrenzung umschlossen sind.
- Innerhalb der Blattzelle befinden sich kleinere, bohnenförmige Strukturen, die als Chloroplasten bezeichnet werden.
- Im Chloroplasten befinden sich übereinanderliegende, pfannkuchenartige Strukturen, die als Thylakoide bezeichnet werden.
- Thylakoide verfügen über 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.
How does the Photosynthesis factory work?
Man kann sich die Photosynthese als eine kleine Fabrik vorstellen, die Zucker herstellt. Eine Fabrik benötigt Betriebsmittel wie Energie und Rohstoffe.
In unserer Photosynthesefabrik verwendet ein Blatt Energie aus Licht, H2O (Wasser) und C02 (Kohlendioxid).
Und die Endprodukte sind Zucker und Sauerstoff. Der Zucker wird für Stoffwechselzwecke wieder in die Pflanze zurückgeführt. Der Sauerstoff wird als lebenswichtiges Abfallprodukt ausgeschieden und wird so zu der Luft, die wir atmen.
Abb. 5 – Die Photosynthese gleicht einer Fabrik
Abb. 6 – Inputs und Outputs der Photosynthese
Warum ist die Photosynthese wichtig?
Die Geschichte zweier Photosynthese-Fabriken
Tatsächlich besteht die Photosynthese aus zwei Prozessen – den Lichtreaktionen und dem Calvin-Zyklus.
Zunächst werden wir uns mit den Lichtreaktionen in der Thylakoidmembran befassen. Das Ziel dieser Anlage besteht darin, Lichtenergie in eine besser nutzbare Form umzuwandeln.
Abb. 7 – Die beiden „Fabriken“ der Photosynthese.
Light Reactions Factory – EINGABEN
In Abbildung 9 sehen Sie, wie das Licht in unser System eintritt. Sie können auch sehen, wie Wasser in das System eingeleitet wird. Und Sie können sehen, wie Sauerstoff aus dem System austritt.
Abb. 8 – Das Thylakoid
Abb. 9 – Eingaben für Lichtreaktionen
Lichtreaktionen – Energiegewinnung
In Abbildung 11 (rote Kreise) wird Lichtenergie in einem als Elektronentransport bezeichneten Prozess in H+ und e- umgewandelt. Es handelt sich um die Energien bzw. den Strom, die bzw. der im Laufe des Verarbeitungsprozesses gespeichert werden.
Ebenfalls in Abbildung 11 (blaue Kreise) sind die Endprodukte des Prozesses dargestellt: ATP und NADPH. Es handelt sich um vorübergehende Energiespeicher (Batterien), die für die zweite Stufe der Photosynthese genutzt werden. Dieser erste Teil der Photosynthese dient also dazu, Energiespeicher aufzubauen, die in der zweiten Fabrik genutzt werden sollen.
Abb. 10 – Das Thylakoid
Abb. 11 – Lichtreaktionen – Energieakkumulation
Die zweite „Fabrik“ der Photosynthese – der Calvin-Zyklus
In der zweiten Stufe wird Zucker synthetisiert – dieser Vorgang wird als Calvin-Zyklus bezeichnet, benannt nach dem renommierten Biochemiker Melvin Calvin.
In Abbildung 13 sehen Sie, wie das ATP und das NADPH aus der Lichtreaktion als Ausgangsstoffe in den Calvin-Zyklus eingespeist werden (Buchstaben E und D).
Beachten Sie außerdem, dass Kohlendioxid auch im Calvin-Zyklus verwendet wird (Buchstabe F). Das Endprodukt ist das Zucker-3-Phosphoglycerat (Buchstabe G).
Beachten Sie, dass der Calvin-Zyklus unmittelbar außerhalb des Thylakoids in den Zwischenräumen des Chloroplastenstromas stattfindet.
Abb. 12 – Melvin Calvin
Fig 13 – Die Geschichte zweier Photosynthesefabriken – der Calvin-Zyklus. (5. September 2023). In Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Calvin_cycle
Wie sieht es mit Chlorophyll aus?
Wir müssen noch über Chlorophyll sprechen, das entscheidende Molekül, das für die Aufnahme von Lichtenergie verantwortlich ist.
Chlorophyll ist ein Pigmentmolekül, das so genannt wird, weil es eine Farbe reflektiert, die Blätter grün erscheinen lässt. Die übrigen Farben werden absorbiert, insbesondere im blauen und roten Bereich.
Abb. 14 – Chlorophyllmolekül
Abb. 15 – Pflanzenleuchten
Wenn wir uns noch einmal die Produktionskette der Lichtreaktion in der Thylakoidmembran ansehen, werden Sie ein PSII- und ein PSI-Modul erkennen. Hier befindet sich das Chlorophyll.
PSII und PSI enthalten zwei Arten von Chlorophyll, nämlich a und b. Beide Chlorophyllarten absorbieren blaues und rotes Licht, weshalb Pflanzenleuchten in der Regel blau und rot sind.
Pflanzen reagieren jedoch am empfindlichsten auf rotes Licht. PSII absorbiert rotes Licht bei 680 nm am effizientesten, während PSI rotes Licht bei 700 nm am effizientesten absorbiert, das als fernrotes Licht bezeichnet werden kann. Dabei geht es hauptsächlich um Chlorophyll a.
Abb. 16 – Chlorophyll in PSII und PSI
Was ist Lichtenergie?
Licht enthält Energie, die die gesamte photosynthetische Aktivität antreibt. Wenn Sie über Lichtenergie nachdenken, können Sie diese aus zwei Perspektiven betrachten – Licht als Teilchen und Licht als Wellen – das ist die Dualität des Lichts.
Abb. 17 – Spektrum vom Spektrometer
Licht als Teilchen
Wenn man sich Licht als Teilchen vorstellt, kann man sich vorstellen, wie Lichttröpfchen auf ein Blatt fallen. Diese Teilchen werden als Photonen bezeichnet.
Abb. 20 – Licht als Teilchen
Wenn Sie die Helligkeit oder Intensität des Lichts erhöhen, steigt die Anzahl der Photonen, und die Energie nimmt zu.
Abb. 18 – Helligkeit oder Intensität
Leicht wie Wellen
Wenn Sie sich Licht als Wellen vorstellen, sollten Sie dabei an Farben denken. Und wir beschreiben Farbe anhand von Wellenlängen.
Wellenlängen mit höherer Frequenz tendieren zum blauen Spektrum und weisen mehr Energie auf, während Wellenlängen mit niedrigerer Frequenz zum roten Spektrum tendieren und weniger Energie aufweisen.
Abb. 21 – Farbe, Wellenlänge und Energie
Ein Photon ist mit einer Wellenlänge verbunden
Jedem Lichtphoton ist eine bestimmte Wellenlänge zugeordnet. Sie werden also blaue Photonen, rote Photonen, grüne Photonen, gelbe Photonen usw. haben. Blaue Photonen besitzen mehr Energie als rote Photonen.
PSII nimmt blaue Photonen als sehr energiereiche Quelle auf, um energiereiches NADPH und ATP zu produzieren. Die meisten Blätter oberhalb des Baumkronendachs erhalten ausreichende Mengen an blauem Licht für die Photosynthese.
Dennoch können Blätter unterhalb des Blätterdachs weiterhin an der Photosynthese teilnehmen, da noch etwas blaues und rotes Licht in die Blätter eindringt. Tatsächlich ist der Farbraum von Chlorophyll-a breiter als der von Chlorophyll-b, um im Schatten eine möglichst hohe Lichtabsorption zu ermöglichen.
Abb. 22 – Photonen und Wellenlängen
Verwendung eines spektralen PAR-Messgeräts zur Messung der Lichtenergie.
Mit einem Spectral-PAR-Messgerät können Sie die Lichtenergie der Pflanzenleuchten oder der Sonne messen.
In Abbildung 23 sehen Sie ein Spektraldiagramm, das die Wellenlängen der Photonen und deren Intensitäten darstellt.
Wir beobachten eine Fülle hochenergetischer blauer Photonen, die PSII nutzen kann – allerdings entspricht die blaue Farbe nicht der optimalen Absorption durch Chlorophyll. Anhand der Form des Spektrums können Sie erkennen, dass es sich um eine LED-Pflanzenleuchte handelt – handelt es sich um eine „dynamische“ LED-Leuchte, müssen die Farben angepasst werden.
Abb. 23 – Photonen und Wellenlängen
Photosynthese Zusammenfassung
Die Photosynthese ist ein Prozess, mit dem Pflanzen Zucker bilden, einen lebenswichtigen Stoff, der für viele Stoffwechselfunktionen benötigt wird. Dieser Vorgang findet tief im Inneren der Pflanzenzelle statt, an einer Stelle, die als Thylakoidmembran bezeichnet wird. Es ist wie ein Fertigungsband in einer Fabrik mit Eingaben (Licht, Wasser, CO₂) und Ausgaben (Sauerstoff und Zucker).
Die Photosynthese umfasst zwei Phasen – die Lichtreaktion und den Calvin-Zyklus. In der Phase der Lichtreaktion wird Lichtenergie gewonnen und in eine besser verwertbare Form (ATP und NADPH) umgewandelt.
Im Calvin-Zyklus werden ATP und NADPH zur Synthese von Zucker für spätere Stoffwechselprozesse wie Pflanzenwachstum, Blüte und Fruchtbildung genutzt.
Die Photosynthese ist eines der Wunder der Natur, und ein solides Verständnis der Grundlagen gibt Landwirten das Selbstvertrauen, die Parameter anzupassen und die landwirtschaftliche Produktivität zu steigern.
Doch die Photosynthese ist nur die halbe Wahrheit, wenn es um Wachstumsbeleuchtung geht – im nächsten Beitrag werden wir Ihnen zeigen, wie Pflanzen Licht nutzen, um zu wachsen, zu blühen und Früchte zu tragen.
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Abb. 24 – Photosynthese
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