Fotosynthese einfach erklärt: Ablauf und Einflussfaktoren

Lichtenergie wird in chemische Energie überführt

Pflanzen bauen mit Lichtenergie aus Kohlenstoffdioxid und Wasser organisches Material auf. Der Kohlenstoff aus dem CO₂ wird unter anderem für Zuckerbausteine genutzt. Daraus entstehen Speicherstoffe wie Stärke und Baustoffe wie Zellulose für die Zellwand. Durch Zellatmung kann die Pflanze später Energie aus solchen Stoffen verfügbar machen. Wasser und Mineralstoffe aus dem Boden sind wichtig, ersetzen aber nicht den Aufbau dieser energiereichen Verbindungen.

Fotosynthese liefert damit Biomasse für viele Nahrungsketten und setzt Sauerstoff frei, den zahlreiche Lebewesen zur Zellatmung brauchen. Auch Algen und bestimmte Bakterien betreiben Fotosynthese. Das folgende Zellmodell zeigt eine grüne Pflanzenzelle. Fotosynthetische Bakterien haben keine Chloroplasten und organisieren ihre Reaktionen anders.

Wo die Fotosynthese in einer Pflanzenzelle abläuft

In grünen Pflanzenzellen nehmen Chloroplasten das Licht auf. Dort sitzt der grüne Farbstoff Chlorophyll in den Membranen flacher Säckchen, der Thylakoide. Viele Thylakoide liegen in Stapeln zusammen. Ihre Membranen tragen die Proteine, die Lichtenergie weiterverarbeiten. Der umgebende Innenraum des Chloroplasten, das Stroma, bietet dagegen Platz für den anschließenden Aufbau von Kohlenstoffverbindungen.

Die Lichtreaktion an der Thylakoidmembran und der Calvin-Zyklus im Stroma arbeiten zusammen. Die Membran trennt zwei Räume und ermöglicht dadurch einen Unterschied in der Protonenkonzentration. Dieser Unterschied treibt die ATP-Bildung an. Zellkern, Vakuole und Zellwand helfen dir im Bild bei der Orientierung, sind aber nicht die Orte dieser beiden Reaktionsabschnitte.

Die lichtabhängigen Reaktionen

Chlorophyll nimmt Licht auf und gibt angeregte Elektronen an eine Transportkette weiter. Dabei wird ein Protonenunterschied über der Thylakoidmembran aufgebaut. Beim Rückstrom der Protonen bildet die ATP-Synthase aus ADP und Phosphat ATP, ausgeschrieben Adenosintriphosphat. ATP kann nachfolgende Reaktionen energetisch antreiben, wenn es wieder zu ADP und Phosphat umgesetzt wird. Es ist hier also der kurzfristige Energieüberträger zwischen Lichtreaktion und Stoffaufbau.

Wasser liefert Ersatz für die abgegebenen Elektronen. Bei seiner Spaltung wird Sauerstoff frei. Die transportierten Elektronen werden schließlich auf NADP⁺ übertragen, das dadurch zu NADPH reduziert wird. NADPH ist die reduzierte Form des Nicotinamidadenindinukleotidphosphats. Für den weiteren Ablauf zählt seine Aufgabe: Es liefert Elektronen für die Reduktion der Kohlenstoffverbindungen. ATP stellt damit die nutzbare Energie bereit, NADPH die nötigen Elektronen.

Der Calvin-Zyklus bindet Kohlenstoff

Im Calvin-Zyklus wird der Kohlenstoff des CO₂ in organische Verbindungen eingebaut. Diese erste Phase heißt Kohlenstofffixierung: Das Enzym Rubisco bindet anorganisches CO₂ an einen vorhandenen Kohlenstoffakzeptor. Die dabei entstehenden Stoffe werden anschließend mithilfe von ATP und NADPH zu kleinen Zuckerbausteinen umgewandelt. Fixierung ist also ein Teil des Calvin-Zyklus, nicht ein zusätzlicher unabhängiger Prozess.

Ein kleiner Teil der Zuckerbausteine verlässt den Zyklus und kann zum Aufbau weiterer Kohlenhydrate beitragen. Der größere Teil wird mithilfe von ATP zum Kohlenstoffakzeptor zurückgebildet, damit erneut CO₂ aufgenommen werden kann. Deshalb sprechen wir von einem Zyklus. Das verbrauchte ATP und NADPH kehrt als ADP, Phosphat und NADP⁺ zur Lichtreaktion zurück. Ohne deren Nachschub kommt der Stoffaufbau zum Stillstand. „Lichtunabhängig“ bedeutet deshalb nicht „läuft nur nachts“.

Die vereinfachte Stoffbilanz verstehen

Die Schulgleichung fasst viele Reaktionsschritte zusammen. Auf beiden Seiten müssen gleich viele Atome jeder Sorte stehen. Sie zeigt eine Nettobilanz und erklärt für sich allein nicht, aus welchem Ausgangsmolekül ein einzelnes Sauerstoffatom stammt.

Eine detailliertere Bilanz enthält Wasser auf beiden Seiten. Für die Herkunft des freigesetzten Sauerstoffs ist die Wasserspaltung in der Lichtreaktion entscheidend. Die Lichtenergie wird bei der Speicherung chemischer Energie nicht aus dem Nichts erzeugt.

Warum der knappste Faktor die Rate begrenzt

Die Fotosyntheserate ist die umgesetzte Stoffmenge pro Zeit. Bei wenig Licht kann mehr Licht die Rate erhöhen. Ist jedoch Kohlenstoffdioxid knapp oder die Verarbeitungskapazität ausgeschöpft, bringt weiteres Licht kaum zusätzlichen Nutzen. Sehr starkes Licht kann das System auch schädigen.

Temperatur beeinflusst enzymatische Prozesse. Erwärmung steigert die Rate daher nicht unbegrenzt. Wassermangel kann zum Schließen der Spaltöffnungen führen und so die Aufnahme von Kohlenstoffdioxid begrenzen. Das Zusammenwirken ist wichtiger als ein einzelner Merksatz.

Auch die Mineralstoffversorgung kann begrenzen. Stickstoff wird unter anderem für Chlorophyll und die Proteine der Fotosynthese benötigt. Phosphor steckt als Phosphat in ATP, außerdem in Erbsubstanz und Membranbausteinen. Fehlen diese Nährstoffe, kann die Pflanze ihren Fotosyntheseapparat und Energieumsatz nicht ausreichend aufrechterhalten. Dünger kann einen solchen Mangel ausgleichen, ersetzt aber weder Licht noch CO₂ oder Wasser. Mehr Dünger steigert die Fotosynthese daher nicht unbegrenzt.

Fotosynthese von Zellatmung und Messwerten unterscheiden

Auch Pflanzen betreiben Zellatmung. Dabei wird Energie aus organischen Stoffen für die Zelle nutzbar gemacht. Im Licht laufen Fotosynthese und Zellatmung gleichzeitig. Eine gemessene Sauerstoffabgabe beschreibt daher häufig eine Nettorate, nicht die gesamte Sauerstoffbildung.

In einem Schulversuch mit einer Wasserpflanze kann die Bläschenzahl als grober Hinweis dienen. Bläschen sind aber nicht immer gleich groß. Ändere nur einen Einflussfaktor, halte Temperatur und Pflanzenmenge möglichst konstant und beschreibe die Grenzen dieser Messmethode.

Diese Vorstellungen über Pflanzen korrigieren