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Einleitung Fotosynthese und Atmung

Fotosynthese

Die Fotosynthese wird von Pflanzen und Algen sowie von einigen Bakterien betrieben. Sie bezeichnet die Produktion energiereicher Stoffe – meistens Zucker (Kohlenhydrate) – aus energiearmen Stoffen mithilfe von Licht. Eine zentrale Rolle spielt der lichtabsorbierende Farbstoff Chlorophyll. Er wandelt das Licht erstmal in chemische Energie um. Diese Energie nutzen die Pflanzen, um aus Wasser und Kohlenstoffdioxid energiereiche organische Verbindungen – in der Regel Kohlenhydrate – aufzubauen.

Die Fotosynthese findet bei Pflanzen in den Blättern statt – genauer gesagt in den Nadeln bei Nadelbäumen (z.B. Kiefer) und in den Blättern bei Laubbäumen (z.B. Buche). Bei Algen und fotosynthesetreibenden Bakterien funktioniert der Fotosyntheseprozess übrigens ganz ähnlich. Alle Stoffe, die durch die Fotosynthese aufgebaut werden, entstehen aus körperfremden Stoffen und werden zu körpereigenen Verbindungen umgewandelt. Diese Verwandlung von „körperfremd“ in „körpereigen“ wird als Assimilation bezeichnet.

Fotosynthese am Laubblatt Abbildung: Fotosynthese am Laubblatt

Fotosynthese und Blattstruktur: Aufbau eines bifazialen Blatts

Der Blattaufbau spielt eine zentrale Rolle für die Fotosynthese und lässt sich am Beispiel eines bifazialen Laubblatts darstellen, dem häufigsten Laubblatt-Typ. Nach außen schließt das Blatt mit der Epidermis, dem Abschlussgewebe ab, die aus einer Zellschicht besteht. Die Epidermis ist von der Cuticula überzogen, einer wasserundurchlässigen Wachsschicht. Sie reguliert die Verdunstung und verhindert das Austrocknen. Epidermis-Zellen enthalten meistens keine Chloroplasten, also die Orte, an denen die Fotosynthese stattfindet. Bestimmte Pflanzenarten und die Schließzellen der Spaltöffnungen bilden hier eine Ausnahme. Sie beinhalten immer Chloroplasten.

Über die Spaltöffnungen regulieren die Pflanzen den Gasaustausch, vor allem die Aufnahme von Kohlenstoffdioxid für die Fotosynthese. Und sie geben Wasserdampf und Sauerstoff an die Umgebung ab. Sauerstoff entsteht übrigens als „Abfallprodukt“ der Fotosynthese und ist zugleich die lebensnotwendige Grundlage für alle anderen Lebewesen. Ohne Sauerstoff könnten diese nicht überleben.

Im Blattinneren befindet sich außerdem das Schwammgewebe. Es leitet das Kohlenstoffdioxid zu den Zellen, die Fotosynthese betreiben. Außerdem transportiert es den Sauerstoff zu den Spaltöffnungen zurück, wo dieser abgegeben wird. Das Zentrum der Fotosynthese befindet sich im Palisadengewebe, das 80 Prozent aller chlorophyllhaltigen Zellen einer Pflanze enthält.

Darüber hinaus verlaufen in den Blättern Wasserleitungsbahnen (Xylem) sowie Bahnen zum Transport von gelösten Nährstoffen (Phloem). Alle Leitungsbahnen zusammen werden als Leitbündel bezeichnet. Das Xylem bringt das Wasser zu den Orten der Fotosynthese und das Phloem leitet die durch die Fotosynthese gebildeten Nährstoffe dorthin, wo sie gebraucht oder gespeichert werden.

Chloroplasten: Ort der Fotosynthese

Der Ort der Fotosynthese sind die Chloroplasten, die das lichtabsorbierende Chlorophyll enthalten. In einer fotosynthetisch aktiven Pflanzenzelle befinden sich etwa 10 bis 50 Chloroplasten, die einen Durchmesser von 4 bis 8 µm (µm = 1 millionstel Meter) haben. Viele Algen haben nur einen Chloroplast pro Zelle, der einen großen Teil des Zellinneren einnimmt.

Chloroplast im Querschnitt (schematisch) - Fotosynthese Abbildung: Chloroplast im Querschnitt (schematisch)

Schritte der Fotosynthese-Reaktion

Die Fotosynthese-Reaktion untergliedert sich in drei wesentliche Schritte:

  • Im ersten Schritt wird Licht mit einer bestimmten, geeigneten Wellenlänge von den Farbstoffen in den Chloroplasten aufgenommen. Meistens handelt es sich bei dem Farbstoff um Chlorophyll.
  • Direkt im Anschluss wird die Lichtenergie in chemische Energie verwandelt. Die beteiligten Elektronen werden durch die Lichtenergie in einen energiereichen Zustand versetzt. Im letzten Schritt wird die chemische Energie, die in den energiereichen Elektronen steckt in die Produktion organischer Verbindungen investiert. In der Regel sind das Zucker-Moleküle (Kohlenhydrate). Als „Rohstoff“ verwenden Pflanzen Kohlenstoffdioxid. Die gebildeten organischen Verbindungen dienen Pflanzen und Algen als Bau- oder Nährstoffe.

Die Schritte 1 und 2 werden als Lichtreaktion bezeichnet und laufen bei Pflanzen im Fotosystem I und II ab. Der letzte Schritt der Fotosynthese-Reaktion ist eine lichtunabhängige Reaktion, die sogenannte Dunkelreaktion.