Fotosynthese

Pflanzen nehmen Wasser und Mineralstoffe mit der Wurzel auf. Seit dem späten 18. Jahrhundert hat man außerdem festgestellt, daß Pflanzen aus der Luft CO2 aufnehmen und Sauerstoff abgeben. Jeder weiß heute, daß Pflanzen zum Wachstum Licht brauchen. Das Wachstum wird andererseits durch niedrige Temperaturen gebremst, wie man im Winter bemerkt.

Damit haben wir schon alle Faktoren, von denen die Photosynthese abhängt:

  • Licht
  • Temperatur
  • Wasser
  • CO2
  • fruchtbarer Boden.

Die ersten beiden Faktoren sind physikalischer Natur, die restlichen betreffen chemische Stoffe. Bemerkenswert ist, daß sich Pflanzen nur von anorganischen Stoffen ernähren.

Das Brot, das wir essen kommt aus Getreidekörnern und enthält Stärke, ein organischer Stoff. Die Vitamine eines Gemüses sind ebenfalls organische Stoffe und aus dem Biokurs Klasse 11 wissen wir, das eine Zelle, also auch eine Pflanzenzelle Enzyme enthält (Proteine) und in der Zellmembran Fette enthalten sind, alles beide organische Stoffe.

Demzufolge muß es in der Pflanze Stoffwechselvorgänge geben, die aus anorganischen, fremden Stoffen organische, eigene Stoffe herstellen (synthetisieren)

Den Aufbau körpereigener Stoffe aus körperfremden nennt man

Assimilation.

Die wichtigste Assimilation ist die Kohlenstoffassimilation, da daraus alle organischen Stoffe bestehen.

Die Lebensweise, aus anorganischen Stoffen organische herzustellen
nennt man

autotrophe Assimilation.

Im Gegensatz dazu nennt man die Lebensweise der Tiere, die organische Nahrung benötigen, um körpereigene organische Substanz herzustellen: heterotroph.

Die autotrophe Assimilation benötigt z. B. Licht. Licht ist eine Energieform. Aus der Chemie wissen wir, daß chemische Vorgänge, die Energie benötigen endotherm oder besser endergonisch sind.

Es gibt in der Natur 2 Formen der autotrophen Assimilation:

Wird Licht als Energiequelle verwendet, spricht man von

Photosynthese (grüne Pflanzen, einige Bakterien, Blaualgen),

wird chemische Energie verwendet, nennt man sie

Chemosynthese (einige Bakterien).

Die Photosynthese ist eine der bedeutensten Reaktionen in der Natur und Voraussetzung für das Leben aller tierischen Organismen einschließlich des Menschen, da durch diesen Vorgang der Sauerstoff zum Atmen gebildet wird. Man schätzt, daß die Photosynthese vor ca. 3,5 x 109 Jahren "erfunden" wurde. Die Atmosphäre der damaligen Erde enthielt u. a. Methan, aber keinen Sauerstoff. Die gesamten 21% O2 der heutigen Luft sind durch Milliarden Jahre lange photosynthetische Aktivität entstanden. Dazu wurde die Energie der Sonne verwendet.

Die Fotosynthese der Pflanzen ist ein grundlegender Prozess der Stoff- und Energieumwandlung, der in pflanzlichen Zellen vor sich geht. Sie ist eine Form der autotrophen Assimilation, bei der Pflanzen und auch einige Bakterien aus körperfremden Stoffen körpereigene Stoffe aufbauen. Ausgangsstoffe, Bedingungen und Produkte Das Grundprinzip der Fotosynthese ist in Bild 1 dargestellt. Ausgangsstoffe für die Fotosynthese sind über die Wurzeln der Pflanzen aufgenommenes Wasser und über die Blätter aufgenommenes Kohlenstoffdioxid der Luft. Als Produkte entstehen in den Blättern Kohlenhydrate (Glucose) und Sauerstoff, wobei der Sauerstoff über die Blätter an die Umgebung abgegeben wird.


Bedingungen für den Ablauf der Fotosynthese sind:

                       - Vorhandensein von Chlorophyll,
                       - Zufuhr von Lichtenergie, vorrangig in Form von Strahlungsenergie der Sonne.


Orte der Fotosynthese

Bau der Chloroplasten

Von den Pflanzen werden Kohlenhydrate, Fette, Eiweiße und viele andere organische Stoffe aufgebaut. Unter diesen Stoffen gibt es einen Stoff, der das Ausgangsmaterial für den Aufbau aller organischen Stoffe in der Pflanze darstellt. Es ist die Glucose (Traubenzucker), die innerhalb der Stoffgruppe der Kohlenhydrate zu den Einfachzuckern gehört.


Glucose entsteht in den Pflanzen an Orten, die man nur mit dem Mikroskop finden kann. Auf der Suche nach dem Entstehungsort der Glucose müssen wir mithilfe des Mikroskops in das Innere des Laubblattes vordringen.

In den Zellen des Palisaden- und Schwammgewebes befinden sich grüne, linsenförmige Zellbestandteile, die Chloroplasten. Sie haben einen Durchmesser von 4 bis 6 my und eine Dicke von 2 bis 3 my. Eine Zelle aus dem Palisadengewebe des Laubblattes enthält etwa 18-20 Chloroplasten.





Aufbau eines Chloroplasten.
Hierbei liegen die Thylakoidmembranen entweder in gestapelte (7) oder in ungestapelte (8) Form vor. 1: äußere Hüllmembran; 2: Intermembranraum ; 3: innere Hüllmembran; 4: Stroma; 5: Thylakoidlumen; 6: Thylakoidmembran; 7: Granum; 8: Thylakoid; 9: Stärkekörper; 10: plastidäres Ribosom; 11: plastidäre DNS; 12: Plastoglobulus



Die Photosysteme einer Pflanze als vereinfachte Darstellung. Bei allen grünen Pflanzen, Algen sowie Cyanobakterien sind beide Photosyntheseapparate funktionell hintereinander geschaltet. Abkürzungen: PS = Photosystem; PQH2 = reduziertes Plastochinon; PC = Plastocyanin; Fd = Ferredoxin; Fp = Ferredoxin-NADP-Reduktase



Der Chloroplast ist von einer Chloroplastenhülle umgeben, die aus zwei Membranen besteht. Eine Membran ist eine sehr dünne Haut aus Plasma. Der Innenraum des Chloroplasten ist von einer farblosen Grundsubstanz ausgefüllt.

Sie wird von Membranen durchzogen, die Membranstapel bilden. Auf den Membranen ist ein grüner Farbstoff aufgelagert, der als Chlorophyll bezeichnet wird. Das Chlorophyll ist ein kompliziert aufgebauter organischer Stoff, der nur in Pflanzen und Bakterien vorkommt. 

  • Stoff- und Energieumwandlungen während der Fotosynthese

  • Das Vorhandensein von Chlorophyll und die Zufuhr von Lichtenergie sind die Bedingungen für den Ablauf der Fotosynthese. Während der Fotosynthese werden Kohlenstoffdioxid und Wasser in die Chloroplasten aufgenommen. Diese Stoffe sind die Ausgangsstoffe für die Fotosynthese.

  • In den Chloroplasten werden während der Fotosynthese Glucose und Sauerstoff gebildet. Diese Stoffe sind die Produkte der Fotosynthese.

  • Die Ausgangsstoffe (Kohlenstoffdioxid und Wasser) und Produkte (Glucose und Sauerstoff) der Fotosynthese unterscheiden sich in ihren Eigenschaften. So ist zum Beispiel die Glucose ein weißer, kristalliner Stoff, der wasserlöslich ist und süß schmeckt, das Wasser eine farblose Flüssigkeit.

    Während der Fotosynthese entstehen in den Chloroplasten neue Stoffe mit anderen Eigenschaften. Das bedeutet, dass in den Chloroplasten chemische Reaktionen ablaufen. Dabei werden die Ausgangsstoffe Kohlenstoffdioxid und Wasser in die Produkte Glucose und Sauerstoff umgewandelt.

  • Für diese Stoffumwandlung während der Fotosynthese kann man folgende Gleichung schreiben:


  • Die Stoffumwandlungen während der Fotosynthese sind mit Energieumwandlungen verbunden. Wie alle chemischen Verbindungen enthalten auch die Ausgangsstoffe und Produkte der Fotosynthese chemische Energie.

    Bei einem Vergleich der Energieinhalte (E) der Ausgangsstoffe und der Produkte der Fotosynthese erkennt man, dass der Energieinhalt der Ausgangsstoffe kleiner ist als der Energieinhalt der Produkte:




  • Das bedeutet, dass die Fotosynthese ein endothermer Prozess ist. Zur Bildung von Glucose und Sauerstoff aus Kohlenstoffdioxid und Wasser während der Fotosynthese ist wie bei jeder endothermen chemischen Reaktion Energie notwendig. Bei der Fotosynthese ist das Lichtenergie. Die Glucose als ein Produkt der Fotosynthese hat einen sehr hohen Energiegehalt, die Glucose ist ein energiereicher Stoff. Während der Fotosynthese nimmt das Chlorophyll Lichtenergie auf. In den Chloroplasten wird Lichtenergie in chemische Energie der Glucose umgewandelt.


    Bildung weiterer organischer Stoff


    Die während der Fotosynthese gebildete Glucose ist Grundlage für die Bildung weiterer organischer Stoffe in den Pflanzenzellen. Die Glucose wird durch biochemische Reaktionen in andere Kohlenhydrate (z.B. Cellulose) und Fett umgewandelt. Die Cellulose ist zum Aufbau der Zellwände der Pflanzen notwendig, die Samen einiger Pflanzenarten besitzen einen hohen Gehalt von Fetten.

    Auch die Eiweiße entstehen auf der Grundlage von Fotosyntheseprodukten. Wenn man sich die Formel von Glucose  ansiehst, wird man feststellen, dass die Glucose wie alle Kohlenhydrate nur aus den chemischen Elementen Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) besteht.

    Eiweiße enthalten neben diesen chemischen Elementen aber auch Stickstoff (N) und Schwefel (S). Deshalb sind zum Aufbau von Eiweißen auch Mineralsalze notwendig (z.B. Nitrate und Sulfate), die diese chemischen Elemente enthalten. Eiweiße sind Hauptbestandteil des Zellplasmas. Durch den Einbau von Eiweißen in das Zellplasma kommt es zu einer Vermehrung der Plasmamenge, die Zelle wächst.


    Quelle der Bilder: Wikipedia