Direkt zum Inhalt

Kompaktlexikon der Biologie: Fotosynthese

Fotosynthese, die Synthese organischer aus anorganischen Verbindungen, bei der die Energie des Sonnenlichtes gespeichert wird und somit für zelluläre Prozesse zur Verfügung steht. Samenpflanzen, Farne, Moose, Algen und Cyanobakterien führen eine so genannte oxygene F. durch, bei der Sauerstoff produziert wird, wohingegen fototrophe Bakterien zur anoxygenen F. befähigt sind, da sie andere Verbindungen als H2O wie z.B. H2S oxidieren. Bei allen eukaryotischen Zellen, die zur F. fähig sind, findet die F. in den Chloroplasten in unterschiedlichen Kompartimenten statt. In und an den Thylakoidmembranen laufen die Lichtreaktionen (Primärreaktionen) ab, in denen Wasser zu Sauerstoff oxidiert wird und Reduktionsäquivalente in Form von NADPH sowie ATP gebildet werden (Fotophosphorylierung). Während dieser auch als Thylakoidreaktionen bezeichneten fotochemischen Prozesse werden die Chlorophyllmoleküle durch absorbiertes Licht angeregt und nach Durchlaufen von Elektronentransportketten letztlich in Form chemischer Bindungsenergie gespeichert. Organismen mit oxygener F. besitzen zu diesem Zweck zwei Fotosysteme, die räumlich voneinander getrennt und funktionell hintereinander geschaltet sind. NADPH und ATP können im Stroma zur Reduktion („Fixierung“) von CO2 zu Kohlenhydraten verwendet werden, was über eine zyklische Abfolge von enzymatischen Reaktionen im Calvin-Zyklus geschieht (Sekundärreaktionen). Dabei werden pro fixiertem CO2-Molekül zwei Moleküle NADPH und drei Moleküle ATP verbraucht. ( vgl. Abb. ) Bei der F. handelt es sich somit um einen lichtgetriebenen Redoxprozess, deren Summengleichung sich wie folgt zusammenfassen lässt:

12 H20 + 6 CO2 → C6H12O6 + 6 O2 + 6 H20

Fast der gesamte in der Erdatmosphäre vorhandene Sauerstoff ist durch die Aktivität fotosynthetischer Organismen entstanden und hat im Verlauf der Evolution allmählich die heutige Konzentration erreicht. Während der F. wird nur ein geringer Anteil von etwa 5 % der auf die Blattoberfläche einfallenden Sonnenenergie letztlich chemisch in Form von Kohlenhydraten fixiert. ( vgl. Abb. ) Dies liegt daran, dass der größte Teil des Lichtes zu kurz- bzw. langwellig ist, um von den Fotosynthesepigmenten absorbiert zu werden. Nur die so genannte fotosynthetisch aktive Strahlung (Abk. PAR) im Bereich von 400–700 nm kann für die F. genutzt werden. Weitere Verluste sind Reflexion und Transmission sowie Wärmeabgabe, bei der Anteile der ursprünglich absorbierten Lichtenergie verloren gehen. Anpassungen an unterschiedliche Lichtverhältnisse spiegeln sich in der Blattanatomie wie z.B. bei Licht- und Schattenblättern wider, die neben Chloroplastenbewegungen und Blattbewegungen (Fototropismus) die Lichtabsorption am Wuchsort maximieren sollen (Lichtkompensationspunkt). Bei geringer Beleuchtungsstärke ist die Fotosynthese i.d.R. lichtlimitiert, sodass eine höhere Lichtmenge zu einer stärken F. führt, bis ein bestimmter Lichtsättigungswert erreicht ist. Die F. wird dann als CO2-limitiert bezeichnet, weil die Enzyme des Calvin-Zyklus nicht in der Lage sind, mit der absorbierten Lichtenergie mithalten zu können. Sehr starke Beleuchtung kann zudem in Fotoinhibition resultieren.

Neben dem Faktor Licht kann sich auch die CO2-Konzentration limitierend auf die F. auswirken. Der CO2-Kompensationspunkt beschreibt das Verhältnis von fotosynthetisch fixiertem CO2 und durch Dunkelatmung und Fotorespiration produziertem CO2 als ausgeglichen, sodass F. erst erfolgen kann, wenn eine gewisse CO2-Konzentration in der Außenluft vorhanden ist. ( vgl. Abb. ) Pflanzen haben eine Reihe von Mechanismen entwickelt, mit deren Hilfe sie auf sich verändernde Umweltbedingungen reagieren können. (C3-Pflanzen, C4-Pflanzen, CAM-Pflanzen, Fotorespiration, Sondertext Methoden: Fotosyntheseforschung)



Fotosynthese: Vereinfachte Darstellung der an der Fotosynthese beteiligten Reaktionen



Fotosynthese: Nur ein geringer Anteil der einstrahlenden Sonnenenergie wird im Blatt zur fotosynthetischen CO2-Fixierung verwendet. 95 % können nicht genutzt werden oder gehen anderweitig verloren



Fotosynthese: Abhängigkeit der Fotosynthese von der Beleuchtungsstärke am Beispiel einer C3-Pflanze. Während der Dunkelatmung kommt es zu einer Nettoproduktion von CO2, erst beim Erreichen einer bestimmten Beleuchtungsstärke wird CO2 in Form von Kohlenhydraten fixiert (Lichtkompensationspunkt). In Abhängigkeit von der einfallenden Lichtmenge ist die fotosynthetische CO2-Assimilation lichtlimitiert bzw. CO2-limitiert

Lesermeinung

Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.

  • Die Autoren

Redaktion:
Dipl.-Biol. Elke Brechner (Projektleitung)
Dr. Barbara Dinkelaker
Dr. Daniel Dreesmann

Wissenschaftliche Fachberater:
Professor Dr. Helmut König, Institut für Mikrobiologie und Weinforschung, Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Professor Dr. Siegbert Melzer, Institut für Pflanzenwissenschaften, ETH Zürich
Professor Dr. Walter Sudhaus, Institut für Zoologie, Freie Universität Berlin
Professor Dr. Wilfried Wichard, Institut für Biologie und ihre Didaktik, Universität zu Köln

Essayautoren:
Thomas Birus, Kulmbach (Der globale Mensch und seine Ernährung)
Dr. Daniel Dreesmann, Köln (Grün ist die Hoffnung - durch oder für Gentechpflanzen?)
Inke Drossé, Neubiberg (Tierquälerei in der Landwirtschaft)
Professor Manfred Dzieyk, Karlsruhe (Reproduktionsmedizin - Glück bringende Fortschritte oder unzulässige Eingriffe?)
Professor Dr. Gerhard Eisenbeis, Mainz (Lichtverschmutzung und ihre fatalen Folgen für Tiere)
Dr. Oliver Larbolette, Freiburg (Allergien auf dem Vormarsch)
Dr. Theres Lüthi, Zürich (Die Forschung an embryonalen Stammzellen)
Professor Dr. Wilfried Wichard, Köln (Bernsteinforschung)

Partnervideos