Fotosynthese

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

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 Laubblatts vordringen.

In den Zellen des Palisaden- und Schwammgewebes befinden sich grüne, linsenförmige Zellbestandteile, die Chloroplasten. Sie haben einen Durchmesser von 4 bis 6 $\mu m^{{}_{}}$und eine Dicke von 2 bis 3 $\mu m^{{}_{}}$. Eine Zelle aus dem Palisadengewebe des Laubblatts enthält etwa 18–20 Chloroplasten.

Mit dem Elektronenmikroskop konnten die Wissenschaftler den Bau des Chloroplasten genauer erforschen.

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 als Produkte gebildet.

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 ist 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 kann man folgende Gleichung schreiben:

Kohlenstoffdioxid

+

Wasser

Glucose

+

Sauerstoff

$6\text{‌}\text{‌}C{O}_2$

+

$C_6{H}_{12}{O}_6$

+

$6O_2$

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:

$E_{\mathrm{Kohlenstoffdioxid}+\mathrm{Wasser}}<E_{\mathrm{Glucose}+\mathrm{Sauerstoff}}$

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 hat einen sehr hohen Energiegehalt, sie ist ein energiereicher Stoff. Während der Fotosynthese nimmt das Chlorophyll Lichtenergie auf. In den Chloroplasten wird Lichtenergie in chemische Energie der Glucose umgewandelt.

Der Arzt und Naturforscher JULIUS ROBERT MAYER (1814–1878) erkannte als erster Wissenschaftler, dass während der Fotosynthese eine Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie erfolgt. Das von MAYER entdeckte Gesetz der Erhaltung und Umwandlung der Energie gilt nicht nur in der nicht lebenden Natur, sondern auch in der lebenden Natur, z. B. beim Ablauf der Fotosynthese.

Bildung weiterer organischer Stoffe

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. Betrachtet man die Formel von Glucose ($C_6{H}_{12}{O}_6$) lässt sich feststellen, dass sie 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.

Neben den Kohlenhydraten, Fetten und Eiweißen wird in den Pflanzenzellen eine große Zahl anderer Stoffe gebildet. Dazu gehören Vitamine, Nektar, Harz, Duft- und Geschmacksstoffe, Holzstoff (Lignin), Farbstoffe und Alkaloide. Einige Stoffe aus der Gruppe der Alkaloide werden wirtschaftlich vom Menschen genutzt (z. B. das Koffein aus den Früchten des Kaffeestrauchs als Genussmittel, das Atropin aus den Früchten der Tollkirsche als Mittel zur Erweiterung der Pupillen beim Augenarzt).

Beeinflussung der Fotosynthese durch Umweltfaktoren

Viele unserer Zimmerpflanzen kommen aus tropischen Klimagebieten mit gleichmäßigen Tageslängen (12 Stunden). In den Wintermonaten, wenn es bei uns nur 7 Stunden hell ist, beobachtet man bei diesen Pflanzen nur ein geringes oder gar kein Wachstum. Im Sommer wachsen die Zimmerpflanzen wieder schneller und die Laubblätter werden größer.

Während der günstigen Lichtverhältnisse im Sommer läuft die Fotosynthese in den Zimmerpflanzen intensiver ab als in den Wintermonaten. Bis zum Erreichen einer bestimmten Lichtstärke, die für verschiedene Pflanzenarten unterschiedlich hoch ist, bewirkt eine Erhöhung der Lichtstärke eine Erhöhung der Intensität der Fotosynthese. Es werden mehr Fotosyntheseprodukte (Glucose) gebildet, die den Pflanzen für die Bildung weiterer organischer Stoffe und damit für das Wachstum zur Verfügung stehen. Durch eine zusätzliche Belichtung der tropischen Zimmerpflanzen von November bis Ende Februar, z. B. mit Leuchtstofflampen, kann man erreichen, dass diese Pflanzen auch im Winter optimal gedeihen.

In Gewächshäusern nutzt man die Zusatzbelichtung vor allem bei der Anzucht von Jungpflanzen und der Produktion von Zierpflanzen (z. B. Rosen) in den Wintermonaten. Dazu werden in den Gewächshäusern Natriumhochdruckdampflampen installiert.

Die Intensität der Fotosynthese wird auch vom Kohlenstoffdioxidgehalt der Luft beeinflusst. Die Luft enthält 0,03–0,04 % Kohlenstoffdioxid. Die Erhöhung des Kohlenstoffdioxidgehalts der Luft (z. B. auf 0,08 % in Gewächshäusern) bewirkt, dass die Fotosynthese in den Pflanzen intensiver abläuft. Dazu wird Kohlenstoffdioxid aus $C{O}_2$-Tanks durch Schläuche in das Gewächshaus geleitet ($C{O}_2$-Begasung). Mithilfe von Messfühlern wird der Gehalt an Kohlenstoffdioxid in der Luft des Gewächshauses kontrolliert.

Außerdem müssen die Pflanzen ausreichend mit Wasser versorgt werden. Steht den Pflanzen genügend Wasser zur Verfügung, sind die Spaltöffnungen der Laubblätter geöffnet, und die Pflanzen können das Kohlenstoffdioxid als Ausgangsstoff für die Fotosynthese aufnehmen. Verengen sich die Spaltöffnungen infolge von Wassermangel, wird die Aufnahme von Kohlenstoffdioxid behindert und dadurch der Ablauf der Fotosynthese eingeschränkt.