Photosynthese - Wie aus Luft, Wasser und Licht Biomasse wird

Die Photosynthese ist eine Innovation der Evolution, die schon bei Einzellern, nämlich den Cyanobakterien auftrat - lange bevor sich Samenpflanzen entwickelten. Durch sie ist die Entwicklung von höherem Leben, insbesondere die Entwicklung von Tieren und Menschen erst möglich geworden. Sie ist der mit Abstand effektivste Prozess zum Aufbau von Biomasse. Bis heute ist es uns Menschen nicht gelungen, einen vergleichbaren technischen Prozess unter Nutzung der Sonnenenergie zu entwickeln.

Die Photosynthese verläuft in zwei Abschnitten:

1. Den Lichtreaktionen, durch die das Wasser aufgespalten wird. Diese Reaktionen finden in den Thylakoidmembranen der Chloroplasten statt.

2. Den Dunkelreaktionen, einem Zyklus von biochemischen Reaktionen, durch die das CO2 unter Bildung von Zucker eingebaut wird. Diese Reaktionen verlaufen im Stroma, der gelatinösen Matrix der Chloroplasten.

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Lichtreaktionen

 Der faszinierende erste Schritt der Photosynthese ist die Aufspaltung des Wassers in Protonen (Wasserstoffiionen) und molekularen Sauerstoff. Es ist eine hohe Aktivierungsenergie nötig, um die molekularen Bindungen zu trennen. In den Photosystemen I und II der Chloroplasten läuft dieser Prozess über eine Elektronentransportkette ab, so dass die Energie in kleinen Stufen aufgewandt wird. Die beiden Protonen werden dabei auf das Coenzym NADP übertragen, so dass NADPH +H+ entsteht. In der Photophosphorylierung wird ein Teil der Lichtenergie genutzt, um ADP zu ATP aufzubauen. ATP (Adenosintriphosphat) ist die "Energiewährung" einer Zelle. Die im ATP gespeicherte Energie steht für biochemische Reaktionen zur Verfügung, wobei dann wieder ADP entsteht.

Dunkelreaktionen

Beim Einbau des CO2 wird zunächst ein instabiles Molekül mit 6 Kohlenstoffatomen (C6-Molekül) gebildet, das sofort in zwei C3-Moleküle zerfällt. Im Calvin-Zyklus entsteht schließlich nach mehreren Reaktionsschritten der Traubenzucker. Bei diesem Prozess wird ATP verbraucht und Wasser abgespalten.

Die theoretische Effizienz der Photosynthese liegt bei etwa 30%. Es wird also weniger als ein Drittel der absorbierten Energie umgesetzt. In der Natur, besonders unter schlechten Lichtbedingungen, liegt die Energieausbeute weit darunter. Dennoch: Durch die Assimilation der grünen Pflanzen sind auf unserem Planeten etwa 450 Milliarden Tonnen Kohlenstoff in Form von Biomasse festgelegt.

 

Variation

Bei vielen tropischen Gräsern wird das CO2 über eine Dicarbonsäure, ein C4-Molekül, in den Calvin-Zyklus eingeschleust. Dieser Weg ist zwar energieintensiver, allerdings können diese C4-Pflanzen unter trockenen, heißen Bedingungen (bei geschlossenen Spaltöffnungen) das CO2 viel effizienter binden als C3-Pflanzen.

Literatur:

 

MOORE, R., CLARK, W.D., 1995: Botany, Plant Form & Function. Brown Publ., 512 S.

 

 

 

 

 
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