Die Photosynthese

Man stelle sich vor es würde gelingen, aus Licht Nahrung zu gewinnen. Man stelle sich weiter vor, dass jeder dies könnte. Man könnte an Nahrung kein Geld mehr verdienen und niemand müsste hungern. Ja, wo kämen wir denn da hin? Das muss verhindert werden! Was in unserer menschlichen oder auch besser unmenschlichen Welt wie Revolution gegen das Kapital klingt, ist in der Natur durchaus praktikabel.

Diese Bemerkung ist, so glaube ich, die größte Untertreibung, die bisher den Weg aus meinem Computer geschafft hat.

Photosynthese ist der wichtigste biochemische Prozess auf der Erde. Ohne sie gäbe es kein niederes und kein höheres Leben. Es gäbe keine Nahrung und es gäbe auch keine mit Sauerstoff angereicherte Luft zum Atmen. Es gäbe wahrscheinlich auch keine anaeroben Lebewesen, wie Bakterien. Dieser Ort wäre ein Klumpen Gestein im All – klingt poetisch, ist aber ein Inferno.

Gehen wir der Sache einmal populärwissenschaftlich auf den Grund und versuchen dieses komplexe Thema einfach zu erklären.

Photosynthese – wissenschaftlich erklärt

Das Wort "Photosynthese" leitet sich vom altgriechischen pho-s ("Licht") undsy´nthesis ("Zusammensetzung") her. Sie ist ein biophysikalischer Prozess zur Erzeugung energiereicher Biomoleküle aus energieärmeren Stoffen mit Hilfe von Lichtenergie. Sie wird sowohl von Pflanzen, als auch von Algen und sogar von manchen Bakterien betrieben. Bei diesem Vorgang wird Lichtenergie mit Hilfe von lichtabsorbierenden Farbstoffen wie Chlorophyll in chemische Energie umwandelt. Diese Energie wird dann genutzt, um aus energiearmen anorganischen Stoffen (vor allem Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O)) energiereiche organische Verbindungen (vor allem Kohlenhydrate) aufzubauen.

Der genutzte Anteil der eingestrahlten Energie wird "photosynthetische Effizienz" genannt. Soweit die energiereichen organischen Stoffe zu Bestandteilen des Lebewesens werden, bezeichnet man deren Synthese als Assimilation.

Es gibt zwei unterschiedliche Photosynthesearten:

• Die oxygene Photosynthese setzt molekularen Sauerstoff (O2) frei.
• Die anoxygene Photosynthese, die nur von Bakterien betrieben wird, bildet statt Sauerstoff andere anorganische Stoffe, beispielsweise elementaren Schwefel (S).

Die Photosynthese ist der einzige biochemische Prozess, bei dem Lichtenergie, in der Regel Sonnenlicht, in chemisch gebundene Energie umgewandelt wird. Somit sind indirekt auch fast alle heterotrophen Lebewesen, die keine Photosynthese durchführen können, von ihr abhängig. Sie verdanken der Photosynthese letztlich ihre Nahrung und auch den zur Energiegewinnung benötigten Sauerstoff.

Aus diesem entsteht wiederum die schützende Ozonschicht der Erdatmosphäre.

Wie funktioniert das Ganze

Man kann den Ablauf der Photosynthese einfach in drei Etappen unterteilen:

• Erste Etappe: Zuerst wird die elektromagnetische Energie in Form von Licht geeigneter Wellenlänge unter Verwendung von Farbstoffen (unter anderem Chlorophylle oder Carotinoide) aufgenommen, oder besser: "absorbiert".
• Zweite Etappe: In ihr erfolgt eine Umwandlung der elektromagnetischen Energie des Lichtes in chemische Energie durch Elektronenübertragung. Diese Elektronen werden durch Lichtenergie in einen energiereichen Zustand versetzt.
• Dritte Etappe: Hier wird diese chemische Energie zur Synthese energiereicher organischer Verbindungen verwendet, die den Lebewesen sowohl im Baustoffwechsel für das Wachstum als auch im Energiestoffwechsel für die Gewinnung von Energie dienen.

Die erste und zweite Etappe werden als Lichtreaktion bezeichnet, die dritte Etappe läuft weitgehend ohne Licht ab und wird als Dunkelreaktion definiert.

Die Synthese der energiereichen organischen Stoffe geht überwiegend von der Kohlenstoffverbindung Kohlenstoffdioxid (CO₂) aus. Für dessen Verwertung muss diese Verbindung umgebaut beziehungsweise reduziert werden. Dazu ist ein Reduktionsmittel notwendig. Hierfür sind die Elektronen oxidierbarer Stoffe bestens geeignet: Wasser (H₂O), elementarer, molekularer Wasserstoff (H₂), Schwefelwasserstoff (H₂S), zweiwertige Eisenionen (Fe²+) oder einfache organische Stoffe (wie Säuren und Alkohole). Darüber hinaus können die Elektronen auch aus der Oxidation einfacher Kohlenhydrate gewonnen werden. Die Auswahl ist groß und welches Reduktionsmittel zur Anwendung kommt, hängt vom Organismus ab und von seinen Enzymen, die ihm zur Nutzung der Reduktantien zur Verfügung stehen.

Wer hat's erfunden?

Die Prozesse laufen im Verborgenen ab. Wer hat sie eigentlich entdeckt?

In der Zeit des Aristoteles herrschte die Vorstellung, dass die Pflanze ihre Nahrung aus der Erde entnimmt. Dieser Irrglaube bestand bis 1671. Erst zu diesem Zeitpunkt unterzog Marcello Malpighi dieser Anschauung eine experimentelle Überprüfung. Sein Forschungsergebnis enthielt folgende Schlussfolgerung: Der Nahrungssaft in den Blättern verarbeitet die Kraft des Sonnenlichts und erst dadurch kann das Wachstum beginnen.

1770 wird der Sauerstoff entdeckt und 1779 zeigte Jan Ingenhousz, dass dieser in grünen Blättern gebildet wird, wenn sie dem Licht ausgesetzt sind. Außerdem stellte er 1796 fest, dass die Pflanze aus der aufgenommenen "Kohlensäure" (Kohlendioxid) den Kohlenstoff als Nahrung entnimmt und den Sauerstoff "aushaucht".

Trotz dieser Erkenntnisse hielt sich der Irrglaube, dass "Lebendiges nur aus Lebendigem" entstehen kann, bis in die Mitte des 19. Jahrhunderts.

Erst 1840 kam Bewegung in den wissenschaftlichen "Muff". Mit den Forschungen von Justus von Liebig (1840) mit Mineraldünger wurde es unabweisbar, dass Pflanzen anorganische Substanzen assimilieren können. 1860 beschrieb Julius von Sachs, dass Chloroplasten im Licht Stärke ansammeln, die vermutlich aus Zucker als dem primären Produkt der Photosynthese gebildet wird.

Wie die Assimilation des Kohlendioxids vor sich geht und wie dieser Vorgang mit der Einwirkung des Lichts zusammenhängt, blieb noch lange Zeit unklar. Neben der Annahme, dass das Kohlendioxid direkt durch das Chlorophyll photolytisch gespalten wird, veröffentlichten Frederick Blackman und Gabrielle Matthaei 1905, dass zwischen einer photochemischen Lichtreaktion und einer enzymatischen Dunkelreaktion zu unterscheiden sei. Robert Hill berichtete 1937, dass isolierte Chloroplasten auch in Abwesenheit von Kohlendioxid Sauerstoff bilden, wenn Eisensalze als künstliche Elektronenakzeptoren vorhanden sind. Im Laufe der 1950er Jahre wurden dann von zahlreichen Forschern die Einzelheiten der Licht- und Dunkelreaktionen aufgeklärt.

Absorption von Lichtenergie

Die Energie des Lichts wird bei phototrophen Organismen durch Farbstoffe eingefangen. In grünen Pflanzen sind es Chlorophylle. Licht von unterschiedlichen Wellenlängenbereichen wird durch diese Farbstoffe absorbiert. Die sogenannte Grünlücke führt dabei zur charakteristischen grünen Farbe.

Die lichtabsorbierenden Farbstoffe werden auch "Chromophore" genannt. Bilden diese mit umgebenden Proteinen Komplexe, werden diese auch als "Pigmente" bezeichnet.

Trifft Licht auf ein Pigment, so geht das Chromophor in einen angeregten Zustand über. Bei den in Pflanzen vorkommenden Chlorophyllen werden hauptsächlich blaues und rotes Licht absorbiert, grünes Licht dagegen nicht. Das durch Licht angeregte Chlorophyll kann sein angeregtes Elektron nun auf einen anderen Stoff, einen Elektronenakzeptor, übertragen. Es bleibt ein positiv geladenes Chlorophyllradikal übrig. Das übertragene Elektron kann über eine Elektronentransportkette schließlich über weitere Elektronenüberträger zum Chlorophyllradikal zurückgelangen. Auf diesem Wege transportiert das Elektron Protonen durch die Membran (Protonenpumpe), womit die Lichtenergie in ein elektrisches und osmotisches Potential umgesetzt wird.

Eine Photosynthese durch einfache Pigmente wäre relativ ineffizient, da diese dem Licht nur eine geringe Fläche entgegenstellen und zudem nur in einem engen Wellenlängenbereich absorbieren würden. Durch die Anordnung von chlorophyllhaltigen Lichtsammelkomplexen zu Antennen um ein gemeinsames Reaktionszentrum, wird sowohl der Querschnitt vergrößert, als auch das Absorptionsspektrum verbreitert. Die eng benachbarten Chromophore in den Antennen geben die Lichtenergie von einem Pigment zum anderen weiter.

Als Chromophore dienen aber nicht nur Chlorophyll aund b, sondern auch Carotine und Xanthophylle. Diese schützen zum einen die Antenne, falls ein Chlorophyllmolekül einen schädlichen Triplettzustand ausbildet. Zum anderen verbreitern diese Chromophore den Wellenlängenbereich zum Einfangen von Licht.

In Cyanobakterien sind die Antennen von außen auf die Thylakoidmembran aufgelagert. Die Antennenkomplexe werden Phycobilisomen genannt, deren Phycobilinproteine insbesondere grünes Licht absorbieren.

Oxygene Photosynthese

Die grünen Pflanzen, Algen und Cyanobakterien nutzen die Energie des Lichts, um Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) zu speichern und als Reduktionsmittel Elektronen aus Wasser zu gewinnen. Wasser (H₂O) wird oxidiert, indem ihm Elektronen entzogen werden, und dabei werden molekularer Sauerstoff (O₂) und Protonen (H+) freigesetzt. Diese Form der Photosynthese wird wegen der Freisetzung von Sauerstoff als oxygene Photosynthese bezeichnet. Die gewonnenen Elektronen werden dabei über eine Reihe von Elektronenüberträgern in der Thylakoidmembran auf den finalen Akzeptor NADP+ übertragen, welche im Stoffwechsel des Organismus vor allem für den Aufbau von Kohlenhydraten (Dunkelreaktion) notwendig sind.

Um einerseits Wasser oxidieren und andererseits NADP+ reduzieren zu können, sind zwei verschiedene Photosysteme hintereinandergeschaltet, deren Redoxpotentiale durch Absorption von Licht geändert werden. Photosystem II stellt ein starkes Oxidationsmittel zur Oxidation von Wasser bereit, während an Photosystem I ein starkes Reduktionsmittel zur Reduktion von NADP+ erzeugt wird. Diese Reaktion wird gemeinhin als "Lichtreaktion" bezeichnet, da dieser Teil der Photosynthese direkt von Licht abhängig ist.

Anoxygene Photosynthese

Viele phototrophe Bakterien betreiben eine anoxygene Photosynthese. Hierbei ist ein einziges Photosystem involviert, entweder eines mit einem Reaktionszentrum des pflanzlichen Typs I (PS I) oder Typs II (PS II). Eine genauere Beschreibung soll an dieser Stelle nicht weiter ausgeführt werden.

Wie läuft die Photosynthese ab?

Zu Beginn der Photosynthese benötigt die Pflanze Kohlenstoffdioxid (CO2), Wasser (H2O und Energie. Die Energie erhält die Pflanze vom Licht der Sonne und das Wasser nimmt sie über ihre Wurzeln auf. Das Kohlenstoffdioxid liegt meist in der Luft vor, da es unter anderem von Menschen ausgeatmet wird.

Weil es sich um eine chemische Reaktion handelt, muss die Pflanze die Lichtenergie der Sonne in chemische Energie umwandeln. Dafür sind die sogenannten Chloroplasten mit ihrem Farbstoff Chlorophyll verantwortlich.

Nach dieser Umwandlung kann die Reaktion beginnen.

Die Pflanze nimmt das Wasser und das Kohlenstoffdioxid auf und verwendet die Lichtenergie. Sie bildet daraus den Zucker Glucose (C₆H₁₂O₆), mit dem sie sich selbst ernähren und wachsen kann. Zusätzlich produziert sie dabei den für Menschen lebenswichtigen Sauerstoff (O₂).

Photosynthese Formel

Zusammengefasst sieht die Photosynthese Reaktionsgleichung so aus:

6 CO₂ + 6 H₂O + Lichtenergie C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

• Kohlenstoffdioxid (CO₂)
• Wasser (H₂O)
• Zucker/Glucose (C₆H₁₂O₆)
• Sauerstoff (O₂)

Wo findet Photosynthese statt?

Die Photosynthese findet in den Chloroplasten in Pflanzenzellen statt. Chloroplasten sind kleine, rundliche Bestandteile einer Zelle, die den grünen Farbstoff Chlorophyll enthalten. Dieser Farbstoff verleiht den Blättern der Pflanzen auch ihre grüne Farbe.

Das Chlorophyll der Chloroplasten erfüllt dabei eine wichtige Aufgabe. Es ist nämlich für die Aufnahme des Sonnenlichts zuständig. Und aus dem Licht zieht die Pflanze die Energie, die sie für den Vorgang braucht.

Quellen

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Wikipedia

Uwe Bienert

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