Photosynthese
Die Photosynthese ist ein grundlegender biologischer Prozess, bei dem Pflanzen, Algen und bestimmte Bakterien Lichtenergie nutzen, um energiereiche organische Stoffe aufzubauen. Dabei wird Sauerstoff freigesetzt – Photosynthese bildet damit eine wesentliche Grundlage für das Leben und zahlreiche Ökosysteme auf der Erde.
Photosynthese – Grundlage des Lebens
Was ist Photosynthese?
Photosynthese bezeichnet die Umwandlung von Lichtenergie in chemisch gespeicherte Energie. Grüne Pflanzen nehmen dafür Kohlendioxid aus der Luft und Wasser auf. Mithilfe der Energie des Sonnenlichts entstehen daraus energiereiche Kohlenhydrate; gleichzeitig wird Sauerstoff an die Umgebung abgegeben.
Vereinfacht lässt sich der Vorgang so darstellen:
Kohlendioxid + Wasser + Lichtenergie → Glucose + Sauerstoff
Damit vollbringen Pflanzen etwas für das Leben auf der Erde Entscheidendes: Sie nutzen die Energie der Sonne, um aus energiearmen Ausgangsstoffen organische Verbindungen aufzubauen. Diese gespeicherte Energie steht anschließend der Pflanze selbst und über Nahrungsketten auch zahlreichen anderen Lebewesen zur Verfügung.
Photosynthese findet nicht ausschließlich bei Pflanzen statt. Auch Algen und einige Bakterien können Photosynthese betreiben. Die genauen Vorgänge unterscheiden sich teilweise, doch gemeinsam ist ihnen die Nutzung von Licht als Energiequelle.
Wie funktioniert die Photosynthese?
Bei Pflanzen findet die Photosynthese hauptsächlich in den grünen Teilen statt, insbesondere in den Blättern. Dort befinden sich in den Pflanzenzellen die Chloroplasten. Diese Zellbestandteile enthalten unter anderem Chlorophyll, den grünen Pflanzenfarbstoff, der Licht absorbieren kann.
Der Prozess lässt sich vereinfacht in zwei miteinander verbundene Bereiche unterteilen: die lichtabhängigen Reaktionen und die anschließende Fixierung von Kohlendioxid.
Bei den lichtabhängigen Reaktionen wird Lichtenergie aufgenommen und in chemisch nutzbare Energieformen überführt. Dabei wird Wasser gespalten und Sauerstoff entsteht. In weiteren Reaktionen wird Kohlendioxid gebunden und schließlich zum Aufbau von Kohlenhydraten genutzt.
Die Photosynthese ist damit kein einzelner Reaktionsschritt, sondern ein komplexes Zusammenspiel verschiedener biochemischer Prozesse.
Sonnenlicht als Energiequelle der Photosynthese
Ohne Licht kann die klassische Photosynthese grüner Pflanzen nicht stattfinden. Das Sonnenlicht liefert die Energie, die erforderlich ist, um aus Kohlendioxid und Wasser energiereichere organische Verbindungen aufzubauen.
Pflanzen nutzen jedoch nicht alle Bestandteile des sichtbaren Lichts gleichermaßen. Chlorophyll absorbiert insbesondere Licht aus dem roten und blauen Bereich des sichtbaren Spektrums. Grünes Licht wird stärker reflektiert oder durchgelassen, weshalb viele Blätter für das menschliche Auge grün erscheinen.
Wie intensiv Photosynthese stattfinden kann, hängt nicht allein von der Lichtmenge ab. Auch die Verfügbarkeit von Wasser und Kohlendioxid, die Temperatur sowie die Pflanzenart und weitere Umweltbedingungen spielen eine Rolle.
Damit zeigt die Photosynthese besonders anschaulich, dass Lebensprozesse nicht isoliert stattfinden, sondern von einem Zusammenspiel verschiedener Bedingungen abhängen.
Photosynthese und Sauerstoff
Eine für Menschen und viele andere Lebewesen besonders wichtige Folge der Photosynthese ist die Freisetzung von Sauerstoff. Der bei der Photosynthese abgegebene molekulare Sauerstoff entsteht bei der Spaltung von Wasser während der lichtabhängigen Reaktionen.
Pflanzen geben einen Teil dieses Sauerstoffs an ihre Umgebung ab. Sauerstoff wiederum ermöglicht Menschen, Tieren, Pflanzen und zahlreichen Mikroorganismen die aerobe Zellatmung, bei der Energie aus organischen Stoffen verfügbar gemacht wird.
Photosynthese und Zellatmung stehen daher in einem engen Zusammenhang. Pflanzen betreiben übrigens nicht nur Photosynthese, sondern ebenso Zellatmung. Die verbreitete vereinfachende Vorstellung, Pflanzen würden lediglich Kohlendioxid aufnehmen und Sauerstoff abgeben, beschreibt nur einen Teil ihrer Stoffwechselvorgänge.
Photosynthese und Kohlendioxid
Für den Aufbau organischer Verbindungen benötigen photosynthetisch aktive Organismen Kohlenstoff. Grüne Pflanzen nehmen dafür Kohlendioxid über kleine Öffnungen der Blätter, die sogenannten Spaltöffnungen oder Stomata, aus der Atmosphäre auf.
Der Kohlenstoff des Kohlendioxids wird im Verlauf der Photosynthese in organische Verbindungen eingebaut. Pflanzen speichern dadurch Kohlenstoff in Blättern, Stängeln, Wurzeln, Früchten und Holz.
Photosynthese ist deshalb ein wesentlicher Bestandteil des globalen Kohlenstoffkreislaufs. Wie lange Kohlenstoff in Pflanzen und Böden gespeichert bleibt, hängt von zahlreichen biologischen und ökologischen Prozessen ab.
Photosynthese als Grundlage von Nahrungsketten
Pflanzen werden als Primärproduzenten bezeichnet, weil sie mithilfe der Photosynthese aus anorganischen Ausgangsstoffen organische Substanz aufbauen können. Davon profitieren zahlreiche andere Lebewesen.
Pflanzenfressende Tiere nehmen die in Pflanzen gespeicherte chemische Energie mit ihrer Nahrung auf. Fleischfressende Tiere erhalten sie indirekt über ihre Beutetiere. Auch Pilze, Bakterien und andere Zersetzer sind Teil dieser Stoff- und Energieflüsse.
Fast alle Nahrungsketten und Nahrungsnetze an Land und viele im Wasser beruhen daher direkt oder indirekt auf Photosynthese. Eine bedeutende Rolle spielen dabei auch Algen und das Phytoplankton der Meere und Binnengewässer.
Das Sonnenlicht, das auf ein Blatt oder eine Alge trifft, steht somit am Anfang komplexer biologischer Zusammenhänge.
Photosynthese und Ökosystem
In einem Ökosystem sind Organismen und ihre unbelebte Umwelt miteinander verbunden. Photosynthese bildet eine wichtige Schnittstelle zwischen Sonnenenergie, Atmosphäre, Wasser, Pflanzen und anderen Lebewesen.
Wälder, Wiesen, Moore, Seen und Meere unterscheiden sich erheblich voneinander, doch überall dort, wo photosynthetisch aktive Organismen vorkommen, wird Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt.
Pflanzen schaffen darüber hinaus Lebensräume, beeinflussen Wasser- und Nährstoffkreisläufe und bilden die Nahrungsgrundlage vieler Arten. Photosynthese ist deshalb nicht nur ein Vorgang innerhalb einer einzelnen Pflanzenzelle, sondern Bestandteil umfassender ökologischer Zusammenhänge.
Photosynthese und Klima
Photosynthese steht auch mit dem Klima in Verbindung. Pflanzen und andere photosynthetisch aktive Organismen entziehen ihrer Umgebung Kohlendioxid und bauen dessen Kohlenstoff in Biomasse ein.
Dadurch beeinflussen Vegetation und Ökosysteme den Kohlenstoffkreislauf und damit auch die Konzentration von Kohlendioxid in der Atmosphäre. Wälder, Böden, Moore und Ozeane spielen innerhalb dieses Systems unterschiedliche und miteinander verbundene Rollen.
Dabei wäre es zu einfach, Photosynthese allein als Lösung für steigende Kohlendioxidkonzentrationen zu betrachten. Wie viel Kohlenstoff langfristig gespeichert wird, hängt unter anderem von Wachstum, Atmung, Zersetzung, Landnutzung, Feuer und den Eigenschaften des jeweiligen Ökosystems ab.
Der Schutz und die Regeneration natürlicher Ökosysteme sind deshalb nicht nur für die Artenvielfalt, sondern auch für natürliche Kohlenstoffkreisläufe bedeutsam.
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