Fotosynthese leicht erklärt
Fotosynthese ist der Prozess, mit dem Pflanzen aus Licht, Wasser und Kohlenstoffdioxid ihre eigene Energie herstellen. Er läuft nicht in einem einzigen Schritt ab, sondern in zwei aufeinander aufbauenden Phasen - der Lichtreaktion und dem Calvin-Zyklus.
Nur die Lichtreaktion braucht direktes Licht - der Calvin-Zyklus nutzt "nur" die dabei erzeugte Energie und kann deshalb auch kurz im Dunkeln weiterlaufen.
💬 Mia fragt Opa Theo
Warum braucht die Pflanze überhaupt zwei getrennte Schritte? Warum nicht alles auf einmal?
Weil es zwei ganz unterschiedliche Aufgaben sind. In der Lichtreaktion wird Lichtenergie eingefangen und in zwei "Energieträger" umgewandelt - ATP und NADPH. Diese Energieträger werden dann im Calvin-Zyklus benutzt, um aus Kohlenstoffdioxid Schritt für Schritt Zuckermoleküle aufzubauen. Das sind zwei verschiedene Werkzeuge für zwei verschiedene Jobs.
Woher kommt eigentlich der Sauerstoff, den wir atmen? Aus dem CO₂?
Überraschenderweise nein! Der Sauerstoff kommt aus dem Wasser, nicht aus dem CO₂. In der Lichtreaktion wird Wasser aufgespalten, um an Elektronen für die Energieträger zu kommen - Sauerstoff ist dabei praktisch ein "Abfallprodukt", das die Pflanze in die Luft abgibt.
Wächst eine Pflanze dann immer schneller, je mehr Licht sie bekommt?
Nur bis zu einem gewissen Punkt. Fotosynthese wird immer durch den knappsten "Zutat" begrenzt - mal ist das Licht, mal die CO₂-Menge in der Luft, mal die Temperatur. Verdoppelst du das Licht, aber es fehlt trotzdem CO₂, bringt das kaum noch etwas. Man nennt das Prinzip der begrenzenden Faktoren.
In Aquarien-Pflanzen wie Wasserpest kann man die Fotosyntheserate direkt zählen: Je mehr Licht, desto mehr winzige Sauerstoffbläschen steigen pro Minute von den Blättern auf - ein klassisches Schulexperiment zu den begrenzenden Faktoren.
Fast alle Nahrungsketten der Erde beginnen mit Fotosynthese - Pflanzen und Algen sind die Grundlage, von der praktisch jedes andere Lebewesen direkt oder indirekt abhängt. Der Gegenprozess dazu ist die Zellatmung, bei der genau diese gespeicherte Energie wieder freigesetzt wird.
Lichtreaktion — an der Thylakoidmembran; Wasser wird gespalten, Sauerstoff frei, ATP und NADPH entstehen.
Calvin-Zyklus — im Stroma; aus CO₂ wird mithilfe von ATP und NADPH Zucker gebaut.
Chlorophyll — der grüne Farbstoff, er absorbiert rotes und blaues Licht.
Stomata — Spaltöffnungen der Blattunterseite, durch die CO₂ eintritt und Wasser verdunstet.
Kompensationspunkt — Lichtstärke, bei der Fotosynthese und Zellatmung sich gerade ausgleichen.
Die begrenzenden Faktoren
| Faktor | Wirkung | Grenze |
|---|---|---|
| Lichtstärke | steigert die Rate | Sättigung, danach kein Zuwachs |
| CO₂-Gehalt | steigert die Rate | meist der Engpass, nur 0,04 % in der Luft |
| Temperatur | Enzyme arbeiten schneller | über etwa 40 °C denaturieren sie |
| Wasser | Rohstoff und Transportmittel | bei Trockenheit schließen die Stomata |
Es gilt das Gesetz des Minimums: Immer der knappste Faktor bestimmt die Rate. Wer im Gewächshaus nur das Licht erhöht, während das CO₂ fehlt, erntet nichts zusätzlich.
Der Sauerstoff stamme aus dem CO₂. Er stammt aus dem gespaltenen Wasser.
„Pflanzen atmen nachts CO₂ aus, tagsüber nicht." Sie veratmen rund um die Uhr; tagsüber überwiegt nur die Fotosynthese.
Calvin-Zyklus als reine Nachtreaktion. Er läuft auch am Tag, er braucht nur kein Licht direkt.
Alle Blattzellen gleich behandelt. Die Fotosynthese läuft vor allem im Palisadengewebe der Blattoberseite.
Eine Wasserpest steht im Licht und produziert Sauerstoffbläschen. Bei Erhöhung der Lichtstärke steigt die Blasenzahl zunächst, dann nicht mehr. Erkläre und nenne eine Maßnahme, die die Rate wieder steigert.
Lösung anzeigen
Zunächst ist das Licht der begrenzende Faktor: Mehr Licht bedeutet mehr ATP und
NADPH aus der Lichtreaktion, also mehr Zucker und mehr Sauerstoff.
Ab einer bestimmten Stärke ist das Licht im Überschuss vorhanden, und ein anderer
Faktor wird zum Engpass — in der Regel das gelöste CO₂. Da hilft mehr Licht nicht
mehr.
Wirksam wäre stattdessen, dem Wasser Natriumhydrogencarbonat zuzusetzen: Es setzt
CO₂ frei und hebt damit den begrenzenden Faktor an. Auch eine moderate
Temperaturerhöhung auf etwa 30 °C steigert die Enzymaktivität — darüber hinaus
schadet sie.