Als vor Millionen von Jahren die ersten Pflanzen begannen, Lichtenergie in chemische Energie umzuwandeln, füllte sich die Erdatmosphäre mit Sauerstoff. Erst so konnten neue Lebensformen entstehen, wie wir sie heute kennen. Ohne Photosynthese sähe die Erde also völlig anders aus. Grüne Pflanzen, Algen und bestimmte Bakterien wandeln dabei Lichtenergie, Kohlendioxid und Wasser in Glukose und Sauerstoff um.
Die Photosynthese ist einer der entscheidendsten biochemischen Prozesse für das Leben auf der Erde. Weder Pflanzen noch Tiere oder Menschen könnten ohne sie existieren. Ohne die Photosynthese würde uns schlicht die Luft zum Atmen fehlen. Pflanzen sorgen aber nicht nur für den Sauerstoff in der Atmosphäre, sie reduzieren auch den Anteil des Kohlendioxids. Demnach tragen sie mit ihren Stoffwechselvorgängen maßgeblich zur Eindämmung des anthropogenen Klimawandels bei.
So viel Sauerstoff können Bäume bilden
Ein etwa 100 Jahre alter Baum erzeugt dank seiner Photosynthese täglich rund 13 Kilogramm Sauerstoff – das ist etwa 10 mal so viel wie 10 Menschen an einem Tag zum Atmen bräuchten.
Neben dem Sauerstoff, den Bäume freisetzen, nehmen Bäume auch große Mengen Kohlendioxid aus der Luft auf und speichern das Klimagas in sich – pro Tag um die 6 Kilogramm. Wälder sind dementsprechend große Kohlenstoffspeicher und tragen erheblich zur Minderung des Treibhauseffekts bei. Gleichzeitig wird die Bedeutung von hitze- und trockenresistenten Arten künftig immer wichtiger: Baumarten, die aufgrund ihrer Eigenschaften besonders gut an die Herausforderungen des Klimawandels angepasst sind, nennt man auch Klimabäume.
Je dichter der Wald und je älter die Bäume, desto mehr Kohlenstoffdioxid kann hier gebunden werden.
[Foto: AdobeStock_Piotr Krzeslak]
[Foto: AdobeStock_Valeronio]
Aber auch Algen betreiben Photosynthese.
Ein noch größerer Kohlenstoffspeicher sind allerdings die Ozeane. Messungen haben ergeben, dass die Weltmeere etwa zwischen 20 und 30 Prozent des menschengemachten Kohlendioxids binden. Dass die Meere derart große Mengen CO2 binden können, liegt zum einen an Wasserströmungen, die CO2 in die Tiefe ziehen und dort über lange Zeiträume binden. Auf der anderen Seite ist auch hier wieder die Photosynthese im Spiel. Im Meer sind verschiedenste Organismen an der Photosynthese beteiligt, einschließlich Phytoplankton (zum Beispiel Kieselalgen, Dinoflagellaten und Grünalgen), Makroalgen (wie Braunalgen, Rotalgen und Grünalgen), Cyanobakterien und symbiotische Algen, die sich in Korallengewebe vermehren.
Aber auch die produzierte Glukose ist ungemein wichtig. So bildet die Photosynthese gewissermaßen auch den Grundstein der Nahrungsketten. Unzähligen Lebewesen ernähren sich primär von Pflanzen. Den Menschen dient die durch Photosynthese entstehende Biomasse zudem als Kleidung, Treibstoff und Rohstoff für verschiedenste Industrien.
Abonnieren Sie unseren GartenFlora-Newsletter
Bleiben Sie immer über aktuelle Gartenthemen und das Erscheinen der neuen Ausgabe der GartenFlora informiert.
Was ist Photosynthese eigentlich genau? Pflanzen und bestimmte Bakterien nutzen das Sonnenlicht, um aus Wasser und Kohlendioxid Glukose – ein Kohlenhydrat – herzustellen. Die Glukose verhilft den Pflanzen zum Wachsen. Als Nebenprodukt der Photosynthese wird Sauerstoff in die Luft abgegeben. Die Bezeichnung Photosynthese stammt aus dem Griechischen. Phos (φωσ) heißt Licht und synthesis bedeutet Bildung oder Zusammensetzung.
Das bedeutet auch: Pflanzen decken ihren eigenen Nährstoffbedarf, indem sie die energiereichen Kohlenhydrate selbst produzieren. Pflanzen sind autotroph (von griechisch autos (αὐτός) = selbst; trophe (τροφή) = Ernährung). Menschen und andere Tiere sind hingegen heterotroph (von griechisch heteros (ἕτερος) = anders, fremd). Denn sie ernähren sich von den Nährstoffen anderer Organismen.
Photosynthese-Formel
6 CO2 + 6 H2O = C6H12O6 + 6 O2
Die Photosynthese der Pflanze findet in ihren Blättern statt. Sie läuft in zwei Hauptphasen ab:
In der Lichtreaktion, die in den Chloroplasten (das sind spezialisierte Organellen, die für die Photosynthese verantwortlich sind) der Pflanzenzellen stattfindet, absorbiert das Chlorophyll die Sonnenenergie. Chlorophyll wird auch als Blattgrün bezeichnet. Es fungiert gewissermaßen als ‚Lichtfänger‘ der Pflanzen und spielt damit eine zentrale Rolle in der Photosynthese. Die Lichtenergie wird dann genutzt, um Wassermoleküle zu spalten. Dabei entstehen Sauerstoff, Protonen und Elektronen. Der freigesetzte Sauerstoff wird als Abfallprodukt in die Luft abgegeben. Die Protonen und Elektronen werden weiterverwendet, um energiereiche Moleküle zu erzeugen.
Die zweite Phase der Photosynthese wird Dunkelreaktion genannt, weil sie nicht mehr vom Sonnenlicht abhängig ist, sondern nur noch von den in der Lichtreaktion produzierten Energieformen. Bei diesem Vorgang, der ebenfalls in den Chloroplasten stattfindet, werden die energiereichen Moleküle aus den Lichtreaktionen genutzt, um Kohlendioxid aus der Luft in Glukose umzuwandeln. Und die produzierte Glukose dient den Pflanzen schließlich als Energielieferant und Baustoff für Wachstum und Entwicklung.
Nicht alle Pflanzenarten betreiben die Photosynthese auf dieselbe Weise. Man unterscheidet sie daher in drei Kategorien: C3-, C4- und CAM-Pflanzen. Durch Anpassung an spezifische Umweltbedingungen haben einige Pflanzen neue Formen der Kohlenstofffixierung entwickelt, um die Effizienz der Photosynthese zu maximieren.
Etwa 90 % aller Landpflanzen werden zu den C3-Pflanzen (auch Calvin-Pflanzen) gezählt. Unter gewöhnlichen Temperatur- und Lichtverhältnissen arbeiten diese Pflanzen mit dem Grundtypus der Photosynthese. Dies ist eigentlich die effektivste Art der Photosynthese. Bei heißem und trockenem Wetter wird die Photosyntheseleistung der C3-Pflanzen jedoch eingeschränkt. Das liegt daran, dass sich ihre Stomata (also Spaltöffnungen der Blätter) dann schließen, um Verdunstung zu reduzieren. Diese Schließung führt im Umkehrschluss zu einer verringerten CO2-Aufnahme. Weniger CO2 im Blattinneren bedeutet, dass der Calvin-Zyklus, der zentrale Prozess der C3-Photosynthese, weniger gut ablaufen kann, da CO2 ein wesentlicher Ausgangsstoff ist.
C4-Pflanzen haben sich dahingehend an wärmere Regionen angepasst. Sie führen einen zusätzlichen Schritt vor dem Calvin-Zyklus aus, bei dem das CO2 in speziellen Mesophyllzellen zu Oxalacetat fixiert wird. C4-Pflanzen können also geringere Mengen CO2 effektiver nutzen. Sie können also an trockenen und warmen Standorten mit hoher Lichteinstrahlung besser wachsen als C3-Pflanzen. Zu den C4-Pflanzen zählen vorwiegend Gräser, aber auch bekannte Nutzpflanzen wie Mais, Hirse oder Amaranth.
Sogenannte CAM-Pflanzen (Crassulacean Acid Metabolism) haben eine weitere Form der Anpassung entwickelt. Sie können das CO2 nachts fixieren und in Form des Moleküls Malat speichern. Tagsüber wird CO2 aus Malat freigesetzt und im Calvin-Zyklus genutzt. Dies reduziert den Wasserverlust, da die Spaltöffnungen nachts geöffnet werden, wenn die Verdunstung geringer ist. Für trockene und heiße Klimazonen also ebenfalls ideal. Zu den CAM-Pflanzen gehören allen voran Sukkulenten, aber auch Pflanzen aus der Familie der Kakteen-, Wolfsmilch oder Agavengewächse.
Das sind die Top-Themen:
