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1. Zielsetzung
2. Bedeutung der Photosynthese
3. Problemlegung
4. Entdeckung der Photosynthese
5. Bausteine der Photosynthese
6. Abhängigkeiten
7. Ablauf der Photosynthese
8. Der Reaktionsort
9. Die Bedeutung der Photosynthese
1.Zielsetzung
Wir stellen das Wachstum von Biomasse, sowohl über die biologischen Stoffwechselprozesse der Photosynthese als auch über den chemischen Aspekt der Energiefixierung in Molekülen dar und zeigen, dass mathematische Wachstumskurven durch biologische Systeme in ihrer Linearität durchbrochen werden. Auf Deutsch: Wir wollen der Fotosynthese auf den Zahn fühlen und sie von A bis Z kennen lernen und untersuchen
2.Bedeutung der Fotosynthese
Die Grundlage allen Lebens sind die Pflanzen; denn KEIN LEBEN OHNE PFLANZEN!!!! Der Vorgang der Fotosynthese produziert jährlich ca. 150.000.000.000 Tonnen energiereiche Kohlenhydrate und als \"Abfallprodukt\" eine ebenso gigantische Menge Sauerstoff (O2). Ausgangsstoffe für diesen Vorgang sind Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O). Und diese Ausgangsstoffe werden durch die Photosynthese in Kohlenstoffe umgewandelt. Photosynthesengleichung: 6CO2 + 12H2O --> C6H12O6 + 6O2 + 6H2O Definition: Die Photosynthese ist die biologische Umwandlung elektromagnetischer (oder Strahlungsenergie) in chemische Energie!
4. Entdeckung der Photosynthese
Beim Experiment VAN HELMONTS (ein Weidenzweig mit 2,5 kg war in einem Topf mit 100 kg Erde gepflanzt worden. In 5 Jahren hatte der Baum 84,5 kg, das Trockengewicht der Erde hatte sich aber nur um 60 g verringert) wog die Weidenpflanze nach fünf Jahren das Vielfache des Anfangsgewichts. Man weiß, dass eine solche Pflanze zu 80 % aus Wasser besteht, dies sind rund 67,5 kg. Das Trockengewicht dieser Pflanze beträgt demnach 84,5 kg - 67,5 kg = 17 kg.Die Gewichtszunahme der Weidenpflanze in fünf Jahren war 84,5 kg - 2,5 kg = 82 kg.Die Mineralsalzaufnahme von 60 g reicht nicht aus zu erklären, wo die 17 kg organischer Substanzzunahme herstammen. Neben der Aufnahme von Stoffen aus dem Boden muss es eine weitere Form der Stoffaufnahme geben. Dies führt zu der Frage, welche Bestandteile der Luft eine Rolle für das Leben der Pflanzen spielen. Die ersten Versuche zur Klärung dieser Problematik führte JOSEPH PRIESTLEY gegen Ende des 18. Jahrhunderts durch. PRIESTLEY brachte eine Kerze in einen abgeschlossenen Behälter. Die Kerze erlosch nach kurzer Zeit. Als er eine Maus in den gleichen Behälter brachte, starb sie. Daraufhin setzte er Maus und Kerze zusammen in den Behälter. Die Kerze erlosch schneller als sonst. Offenbar benötigten Maus und Kerze den gleichen Bestandteil der Luft. Wenn nun aber auf der Erde ständig Verbrennungsprozesse stattfinden und gleichzeitig viele Lebewesen atmen, müsste dann nicht dieser Luftbestandteil eines Tages verbraucht sein? Im Rahmen weiterer Versuche machte PRIESTLEY im Verlauf des Monats August 1771 eine wichtige Entdeckung. Am 17. August hatte er einen Minzezweig in die Luftmenge eingebracht in der zuvor eine Kerze erloschen war. Am 27. August konnte er in der ursprünglich verbrauchten Luft wieder eine Kerze zum Brennen bringen. Die Pflanze hatte der Luft offensichtlich den Bestandteil wiedergegeben, der ihr zunächst durch die Kerze entnommen worden war. Der holländische Arzt IAN INGENHOUSZ (1730-1799) entdeckte die Bedeutung des Lichtes und der grünen Pflanzenteile für die Wiederherstellung "guter" Luft. Seine Forschungen zeigten, dass der entscheidende Anteil der "schlechten" Luft das Kohlenstoffdioxid war und derjenige der "guten" Luft der Sauerstoff. Im Jahre 1804 bewies der Schweizer DE SAUSSURE durch sorgfältigen Vergleich des Gewichts der von der Pflanze produzierten organischen Substanz und des von ihr abgegebenen Sauerstoffs mit der Menge des aufgenommenen Kohlenstoffdioxids, dass zwischen den Ausgangsstoffen und Reaktionsprodukten eine Differenz besteht. Dies konnte nur dann erklärt werden, wenn neben dem Kohlenstoffdioxid auch das Wasser zur Ernährung der Pflanze beiträgt. Damit war die qualitative Beschreibung der Photosynthese in ihren Grundzügen gelungen:Kohlenstoffdioxid + Wasser (+ Licht) --> organische Substanz + Sauerstoff. In der Folgezeit fand man heraus, dass die Menge des aufgenommenen CO2 genau der Menge des abgegebenen O2 entspricht. Dieses Verhältnis wird als Photosynthesequotient bezeichnet. Das organische Photosyntheseprodukt in den belichteten Sprossen erwies sich als Stärke. Da Stärke aus Glucosebausteinen aufgebaut ist, durfte man mit Recht vermuten, dass zunächst Glucose als organisches Reaktionsprodukt auftrat. Die Ausgangsstoffe der Photosynthese (CO2, H20) sind energiearme Verbindungen, Glucose ist dagegen energiereicher. Diese Verbindung kann in Form von Stärke gespeichert und bei Bedarf für bestimmte Lebensprozesse genutzt werden. Hierdurch unterscheidet sich die Photosynthese wesentlich von anderen Photochemischen Prozessen (z. B. Ausbleichen von Farben oder Photographische Prozesse), bei denen die Reaktionsprodukte sofort zerfallen und ihre Energie in Form von Wärme freisetzen.
5. Bausteine der Photosynthese
Insgesamt kann man von 8 Bausteinen ausgehen:
1. Kohlenstoff
welcher in der Luft als Kohlendioxid vorkommt oder unter Wasser in Form der Kohlensäure, und als Calciumcarbonat
Nachweis:Glaskammerversuch:
Stellt man eine Pflanze in einen luftdicht verschlossenen Behälter und misst den CO2-Gehalt in Abständen
2. Wasser (Isotop)
H2 O (schweres Wasser)
Der bei der Photosynthese entstehende Sauerstoff kommt aus dem Wasser
3. Licht
Mehr Licht steigert die Photosynthesenaktivität, aber zu viel Licht kann eine Schädigung der Blätter hervorrufen ( = Photooxidation des Chlorophylls). Lichtsättigung bedeutet, dass so viel Licht vorhanden ist, dass eine maximale Photosyntheseleistung stattfinden kann.
4. Chlorophyll
Es gibt Schattenblätter und Sonnenblätter . Schattenblätter haben eine dünnere lichtdurchlässigere Oberfläche, Sonnenblätter können dicker sein, da sie mehr Licht ausgesetzt werden.
Nachweis:
Färbt man ein panaschiertes Blatt (= Blatt welches nur an bestimmten Stellen Chlorophyll besitzt) mit Jod (Kaliumjodit), dann färbt sich die Stärke, die ein Endprodukt der Photosynthese ist und nur dort vorhanden sein kann, wo sich auch das Chlorophyll befindet, blau.
5. Sauerstoff
Nachweis:
Bei Aquariumpflanzen kann man kleine sichtbare Blässchen erkennen, dies ist der Sauerstoff, den die Pflanze benötigt
6. Temperatur
Das Optimum beträgt 33°C, bei zu niedriger Temperatur würden die chemischen Reaktionen versagen und bei zu hoher gäbe es Probleme mit der Enzymfunktion
7. Glukose (Zucker)
Ist das Endprodukt der Photosynthese. Ein großer Baum produziert in zwei Std. ca. 1 Mol ( 1 Mol entspricht 6 * 10 Teilchen)
8. Blatt
Hat an der Unterseite ca. 600 Spaltöffnungen, welche für den Gasaustausch bei der Photosynthese dienen
6. Abhängigkeiten der Photosynthese
Die Photosynthese hängt entscheidend von der Lichtmenge ab. Ist kein Licht vorhanden, so kann man keine Photosynthese messen; die Pflanze betreibt Atmung und verbraucht dabei Sauerstoff. Am Lichtkompensationspunkt ist die Lichtmenge so groß, dass sich die Photosynthese und Atmung gerade aufheben. Bei zu viel Licht nimmt die Photosyntheseleistung ab, weil die Pigmente zersört werden. Neben der Lichtquantität spielt auch die Lichtqualität eine wichtige Rolle, also die Wellenlänge bzw. Farbe des Lichts. Dies hängt mit den Photosynthesepigmenten zusammen.Da in der Dunkelreaktion CO2 fixiert wird, ist auch die Konzentration des Kohlenstoffdioxids wichtig. Die Luft enthält ca. 0,03% CO2 , optimal wären jedoch 0,1%. Bei diesem Faktor gibt es einen CO2-Kompensationspunkt. Hier handelt es sich um die CO2-Konzentration, bei der sich Atmung der Pflanze und Photosynthese gegenseitig aufheben.Die Enzyme der Dunkelreaktion sind wie alle Enzyme temperaturabhängig. Sie folgen der RGT-Regel: Die Erhöhung der Temperatur um 10°C bewirkt eine Verdoppelung der Reaktionsgeschwindigkeit. Ab 40!C denaturieren die Enzyme jedoch, da sie aus Proteinen bestehen. Zusätzlich ist die Photosynthese noch abhängig von Faktoren, die die Pflanze insgesamt beeinflussen, z.B. vom Wassergehalt des Bodens und der Luftfeuchtigkeit. Wenn es sehr heiß und trocken ist, wir die Pflanze ihre Spaltöffnungen schließen, um wenig Wasser zu verlieren. Dadurch gelangt aber auch kein CO2 ins Blatt und die Photosyntheserate sinkt. Auch das Mineralstoffangebot des Bodens hat einen Einfluss auf die Photosynthese: Die Pigmente der Lichtreaktion enthalten zum Teil Metallionen, die Coenzyme ATP und NADP benötigen Phosphor und einige Enzyme der Dunkelreaktion sind ebenfalls auf bestimmte Ionen angewiesen; um die Enzyme zu synthetisieren, benötigt die Zelle Aminosäuren, die wiederum auf einem ausreichenden Nitratangebot im Boden beruhen. So kann ein fehlendes Mineral den gesamten Photosyntheseablauf behindern. Meistens ist der Phosphatgehalt des Bodens bzw. Wassers der limitierende Faktor
7. Ablauf der Photosynthese
Die Photosynthese verläuft in zwei Schritten ab: In der Lichtreaktion , die lichtabhängig ist, jedoch temperaturunabhängig und in der Dunkelreaktion, die lichtunabhängig ist.
Lichtreaktion
Der erste Schritt bei der Photosynthese ist die Absorption von Licht durch spezielle Pigmente (Farbstoffe), die meist an Proteine gebunden sind und charakteristische Absorptionsspektren aufweisen. Der Hauptfarbstoff der Photosynthese ist Chlorophyll I a. Dies nimmt Lichtenergie aus den violetten und roten Anteilen des Spektrums auf. Chlorophyll II b sowie andere Pigmente absorbieren leicht abweichende Wellenlängen und können die Lichtenergie an das Chlorophyll weiterleiten. Diese Pigmente verbreitern damit das Lichtspektrum, das zur Energiegewinnung durch Photosynthese genutzt werden kann. Die Photosynthese findet innerhalb der Zellen in bestimmten Organellen, den Chloroplasten, statt. Die wichtigsten Strukturelemente der Chloroplasten sind Membransysteme, die Thylakoide. In den Thylakoidmembranen sind die Photosynthesepigmente und Enzymsysteme für die verschiedenen Photosynthesereaktionen lokalisiert, wobei jeweils mehrere Pigmente zu Photosystemen zusammengefasst sind. Durch die Absorption eines Lichtquants werden die Elektronen der Pigmentmoleküle auf höhere Energieniveaus angehoben. Anschließend wird die dadurch gebundene Lichtenergie in Form des angeregten Elektrons über verschiedene Zwischenpigmente bis zum zentralen Molekül des jeweiligen Photosystems, dem Reaktionszentrum, weitergeleitet. Es lassen sich zwei Lichtreaktionssysteme unterscheiden, Photosystem I und II. Durch Absorption von Licht wird zunächst das Photosystem II angeregt und die energiereichen Elektronen über eine Elektronentransportkette dem Photosystem I zugeführt. Durch Weitergabe des Elektrons entstehen Elektronenlücken bei den Chlorophyllmolekülen im Photosystem II. Diese werden durch Elektronen ersetzt, die aus gespaltenen Wassermolekülen stammen, wobei Sauerstoff freigesetzt wird. Die energiereichen Elektronen werden über eine Elektronentransportkaskade zurück an das Photosystem I geleitet. Die bei der Elektronenübertragung freiwerdende Energie wird zur Bildung von Adenosintriphosphat (ATP) verwendet. Die vom Photosystem I aufgenommene Lichtenergie wird an das Reaktionszentrum weitergeleitet und für die Anregung der Chlorophylla-Moleküle verbraucht. Energiereiche Elektronen werden über eine zweite Elektronentransportkette zum Coenzym NADP geleitet, das sie zu energiereichem NADPH2 reduzieren. Die Elektronen, die das Photosystem bei dieser Reaktion abgibt, werden durch Elektronen ersetzt, die vom Photosystem II zugeleitet wurden. Dadurch fällt das Chlorophyllmolekül in den neutralen Grundzustand zurück. Die Lichtreaktion resultiert daher in einem Energiegewinn in Form der Moleküle ATP und NADPH2, die im pflanzlichen Stoffwechsel benötigt werden.
Dunkelreaktion
Die Dunkelreaktion findet im Stroma des Chloroplasten statt. Dort wird die als ATP und NADPH2 gespeicherte Energie genutzt, um Kohlendioxid zu organischen Kohlenstoffverbindungen zu reduzieren. Dieser Vorgang vollzieht sich nach dem Mechanismus des Calvin-Zyklus. Bei jeder Runde dieses Zyklus tritt ein Kohlendioxidmolekül in den Kreislauf ein. Das Kohlendioxid wird zunächst an eine Pentose (ein Zuckermolekül mit fünf Kohlenstoffatomen) gebunden, die in zwei dreigliedrige Kohlenstoffmoleküle zerfällt. Drei vollständige Durchläufe des Zyklus liefern eines der dreigliedrigen Kohlenstoffmoleküle, wobei jeder einzelne Zyklus ein Molekül Kohlendioxid, zwei Moleküle NAD PH2 und drei Moleküle ATP verbraucht. Zwei dieser Kohlenstoffmoleküle dienen als Ausgangsstoffe für die Synthese von Hexosen (Zucker mit sechs Kohlenstoffatomen) im Cytoplasma wie der Glucose (Traubenzucker). Daraus werden wiederum die wichtigsten Transport- und Speicherformen für Zucker, Saccharose und Stärke gebildet. Das Bindemolekül für Kohlendioxid wird mit jeder Umdrehung des Kreislaufes wieder regeneriert. Während des Prozesses wird unter Freisetzung von Sauerstoff Wasser gespalten, um Elektronen für die Elektronentransportketten bereitzustellen. Kohlendioxid wird bei der Dunkelreaktion reduziert und liefert dadurch die Grundbausteine für das Endprodukt, das Zuckermolekül.
8. Der Reaktionsort
Chloroplast
1 = äußere Membran
2 = innere Membran
3 = Intermembranraum
4 = Grana-Thylakoid
5 = Stroma-Thylakoid
6 = DNA
7 = Ribosomen
8 = Stärke
9 = Lipidtröpfchen
10 = Stroma
Nach außen hin ist ein Chloroplast durch die Chlorplastenhülle, einer Doppelmembran aus äußerer Membran , innerer Membran und Intermembranraum begrenzt. Die innere Chloroplastenmembran bildet nach innen ein Membrannetz, das sich aus stapelförmigen Grana-Thylakoiden und diese verbindenden Stroma-Thylakoiden zusammensetzt. In diesen Thylakoiden findet die Lichtreaktion statt.Im Stroma findet man eine eigene, von der restlichen Zelle unabhängige, DNA. Die Stroma ist eine farblose Grundsubstanz. Im Stroma laufen die Vorgänge der Dunkelreaktion der Fotosynthese ab. Hierbei werden die energiereichen Zwischenprodukte der Lichtreaktion genutzt, um Traubenzucker und Sauerstoff zu produzieren. Traubenzucker wird in Form von Stärke gespeichert. Als weitere Speichersubstanz findet man Lipidtröpfchen.
9. Die Bedeutung der Photosynthese für uns heute
Jährlich nehmen die autotrophen Pflanzen etwa 200 Milliarden t Kohlenstoff aus dem CO2 der Luft auf und legen ihn in organischen Verbindungen fest. Diese Menge würde einen Güterzug füllen, der etwa zweitausendmal um die Erde reicht - der wäre also etwa 80 000 km lang. In der Biomasse der gesamten heute lebenden Organismen der Erde sind zwischen 500 und 1000 Milliarden t Kohlenstoff festgelegt, der im Laufe der Erdgeschichte durch Photosynthese fixiert worden ist. Die Fixierungsdauer eines Kohlenstoffatoms ist allerdings recht unterschiedlich. Es kann manchmal nur für wenige Stunden bis hin zu einem Tag gebunden werden. Für ein oder wenige Jahre wie in den Blättern eines Baumes, aber auch über mehrere hundert Jahre wie im Holz und in Zersetzungsprodukten organischer Materie. Durch die Zersetzer wird das organische Material zu Humus und schließlich zu anorganischer Materie abgebaut. Dabei gelangt das von den Pflanzen gebundene CO2 wieder in die Atmosphäre zurück. Zwischen der Atmosphäre, in der das CO2 nur mit einem Anteil von 0,03 % enthalten ist, und der Biosphäre findet also ein ständiger Kohlenstoffaustausch statt. Durch die Photosynthese grüner Pflanzen in vergangenen Erdzeitaltern sind die Energievorräte also Rohstoffe der Erde in Form von Kohle, Erdöl und Erdgas entstanden. Man schätzt, dass im Laufe von etwa 3 Milliarden Jahren auf diese Weise ca. 1016 t Kohlenstoff gebunden worden sind. Man mache sich einmal bewusst, dass z. B. die Energie zum Betrieb unserer Autos durch die Photosynthese der Pflanzen früherer Erdperioden aus der Sonnenstrahlung gewonnen wurde.
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