Photosynthese Mindmap

Das Thema verstehen

Die Photosynthese ist der biochemische Prozess, mit dem Pflanzen, Algen und Cyanobakterien Lichtenergie in chemische Energie umwandeln. Aus Kohlenstoffdioxid und Wasser entstehen Glucose und Sauerstoff. Der Prozess besteht aus der Lichtreaktion in den Thylakoiden und dem Calvin-Zyklus im Stroma der Chloroplasten; Cyanobakterien besitzen dagegen keine Chloroplasten. Photosynthese bildet die Grundlage fast aller Nahrungsnetze und hat die sauerstoffhaltige Atmosphäre der Erde maßgeblich mitgeprägt.

Ablauf in zwei Phasen
Die Photosynthese gliedert sich in zwei miteinander gekoppelte Phasen. In der Lichtreaktion an den Thylakoidmembranen fängt Chlorophyll Lichtenergie ein. Diese Energie wird genutzt, um Wasser zu spalten; dabei entsteht Sauerstoff, und es werden die Energieträger ATP und NADPH gebildet. In der zweiten Phase, dem Calvin-Zyklus, werden diese Energieträger verbraucht, um Kohlenstoffdioxid in organische Verbindungen einzubauen. Der Begriff Dunkelreaktion ist irreführend, denn der Calvin-Zyklus läuft nur bei Licht ab, weil er auf die Produkte der Lichtreaktion angewiesen ist. Beide Phasen sind also zeitlich und räumlich eng verzahnt.

Die Rolle der Chloroplasten
Chloroplasten sind die Organellen, in denen bei Pflanzen und Algen die Photosynthese abläuft. Sie enthalten den grünen Farbstoff Chlorophyll, der vor allem blaues und rotes Licht absorbiert; grünes Licht wird teils reflektiert, teils in geringerem Maße genutzt, weshalb Blätter überwiegend grün erscheinen. Die innere Membranstruktur, die Thylakoide, bietet große Oberfläche für die Lichtreaktion. Die flüssige Matrix um die Thylakoide, das Stroma, beherbergt die Enzyme des Calvin-Zyklus. Cyanobakterien photosynthetisieren dagegen ohne Chloroplasten, da ihre Pigmente und Membranen frei im Zellinneren liegen. Auch bei manchen Pflanzen sind weitere grüne Teile wie Stängel an der Photosynthese beteiligt.

Begrenzende Faktoren
Die Rate der Photosynthese hängt von mehreren Faktoren ab, wobei jeweils der Faktor begrenzt, der im Minimum vorliegt. Bei schwachem Licht steigt die Rate mit zunehmender Lichtintensität, bis ein Plateau erreicht ist; dann begrenzen etwa die CO2-Konzentration oder die Temperatur. Zu hohe Temperaturen können Enzyme denaturieren und die Rate sogar senken. Bei Wassermangel schließen viele Pflanzen ihre Spaltöffnungen, um Wasser zu sparen, wodurch weniger CO2 aufgenommen werden kann. Solche Zusammenhänge werden häufig in Experimenten mit Wasserpflanzen untersucht, bei denen man die Sauerstoffblasen als Maß für die Rate zählt.

Bedeutung und Grenzen
Die Photosynthese ist die energetische Grundlage der meisten Ökosysteme, weil Pflanzen und andere Photosynthetisierer organische Substanz aufbauen, von der sich Konsumenten ernähren. Über Jahrmillionen hat sie die sauerstoffhaltige Atmosphäre mitgeprägt und durch die Ablagerung von Biomasse die Entstehung von Kohle und Erdöl ermöglicht. Wichtig ist die Abgrenzung zur Zellatmung: Beide Prozesse sind nicht einfach Umkehrungen im engeren Sinne, sondern unterschiedliche Stoffwechselwege mit eigenen Enzymen und Reaktionsschritten. Auch Pflanzen veratmen ständig Sauerstoff; ein Netto-Sauerstoffüberschuss entsteht nur, wenn die Photosynthese die Atmung übersteigt.