Bedeutung der Fotosynthese

Autotrophe vs. heterotrophe Lebensweise

Pflanzen stellen ihre Biomasse selbst her, während Tiere auf diese Nahrung angewiesen sind.

• Autotrophie: Selbsternährung durch Aufbau organischer Stoffe aus anorganischen Stoffen.
• Heterotrophie: Organismen müssen organische Stoffe aufnehmen und abbauen.
• Bruttogleichung: $6\text{ CO}_2 + 12\text{ H}_2\text{O} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{ O}_2 + 6\text{ H}_2\text{O}$.

💡 Tipp: Merk dir die Bruttogleichung rückwärts – das ist genau die Zellatmung.

Das Blatt als Ort der Fotosynthese

Primärproduktion

Die Energieausbeute der Pflanze wird in zwei Stufen gemessen.

• Bruttoprimärproduktion: Gesamte Menge der per Fotosynthese produzierten Biomasse.
• Nettoprimärproduktion: Bruttoprimärproduktion minus der für die Atmung selbst verbrauchten Energie.

Gewebeschichten des Blattes

Der Blattquerschnitt ist perfekt an die Fotosynthese angepasst.

• Cuticula: Wasserundurchlässige Wachsschicht zum Schutz vor Verdunstung.
• Epidermis: Durchsichtige Schutzschicht ohne Chloroplasten, die Licht durchlässt.
• Palisadengewebe: Zellen dicht an dicht, vollgepackt mit Chloroplasten für die Fotosynthese.

💡 Tipp: Das Palisadengewebe ist der Hauptort der Fotosynthese, nicht das Schwammgewebe.

Blattstrukturen und Pflanzenanpassung

Gasaustausch und Transport

Spezifische Strukturen regeln den Zu- und Abfluss von Stoffen.

• Schwammgewebe: Lockeres Gewebe mit Interzellularen für den Gasaustausch.
• Spaltöffnung: Schließzellen an der Unterseite, die $CO_2$ herein- und Wasserdampf herauslassen.
• Leitbündel: Transportiert Wasser ($Xylem$) und Nährstoffe ($Phloem$).

Sonnen- vs. Schattenblatt

Pflanzen passen ihren Blattbau an die Lichtverhältnisse des Standorts an.

• Sonnenblatt: Klein, dick, dicke Cuticula, viel Palisadengewebe und viele Chloroplasten.
• Schattenblatt: Groß, dünn, dünne Cuticula, wenig Palisadengewebe für schwaches Licht.

💡 Tipp: Schließzellen öffnen sich bei hohem Wassergehalt und schließen sich bei Wassermangel.

Chloroplasten

Aufbau der Kraftwerke

Die Fotosynthese läuft in den Chloroplasten der Pflanzenzelle ab.

• Doppelmembran: Äußere und innere Membran umschließen das Organell.
• Thylakoide: Membransäckchen, die stapelweise als Grana vorliegen und Chlorophyll enthalten.
• Stroma: Die flüssige Matrix, in der die DNA, Ribosomen und Stärke liegen.

💡 Tipp: In den Thylakoiden findet die Lichtreaktion statt, im Stroma die Dunkelreaktion.

Blattfarbstoffe und Lichtabsorption

Anregung von Pigmenten

Farbstoffe nehmen Lichtenergie auf, um Elektronen in Schwung zu bringen.

• Konjugierte Doppelbindungen: Ermöglichen die leichte Anregung von Elektronen durch Licht.
• Absorption: Pigmente nehmen bestimmte Wellenlängen auf; der Rest wird als Farbe reflektiert.
• Chlorophyll: Besitzt ein Magnesiumatom im Ringzentrum und einen unpolaren Schwanz.

💡 Tipp: Pflanzen wirken grün, weil sie grünes Licht nicht absorbieren (Grünlücke).

Absorptions- und Wirkungsspektrum

Wellenlängen und Fotosyntheserate

Nicht jedes Licht treibt die Fotosynthese gleich gut an.

• Absorptionsspektrum: Zeigt, welche Wellenlängen ein Pigment (z.B. Chlorophyll a) aufnimmt.
• Wirkungsspektrum: Zeigt, bei welchen Wellenlängen die Fotosyntheseleistung am höchsten ist.
• Antennenpigmente: Chlorophyll b und Carotinoide fangen Licht in der Grünlücke ab.

💡 Tipp: Die Maxima von Absorptions- und Wirkungsspektrum stimmen fast perfekt überein.

Eigenschaften des Lichts & Engelmann-Versuch

Licht als Energiequelle

Licht ist elektromagnetische Strahlung, die in Energiepaketen vorkommt.

• Wellenlänge: Sichtbares Licht bewegt sich zwischen $400\text{ nm}$ (blau) und $760\text{ nm}$ (rot).
• Photonen: Lichtquanten, deren Energie mit kürzerer Wellenlänge steigt.

Der Engelmann-Versuch

Theodor Engelmann wies 1881 die fotosynthetisch aktivsten Wellenlängen nach.

• Methode: Bestrahlung einer Fadenalge mit dem Lichtspektrum und Zugabe sauerstoffliebender Bakterien.
• Ergebnis: Bakterien sammelten sich vor allem im blau-violetten und orange-roten Bereich an.

💡 Tipp: Bakterien lagern sich dort an, wo die Alge am meisten Sauerstoff produziert.

Fotosysteme

Die Funktionseinheiten in der Membran

Fotosysteme sammeln Licht und wandeln es in chemische Energie um.

• Antennenkomplex: Pigmente leiten absorbierte Energie an das Reaktionszentrum weiter.
• Reaktionszentrum: Ein zentrales Chlorophyll-a-Molekül gibt ein angeregtes Elektron ab.
• Fotosystem I & II: PSI hat ein Maximum bei $700\text{ nm}$ (P700), PSII bei $680\text{ nm}$ (P680).

💡 Tipp: Der Energiefluss im Antennenkomplex läuft wie ein Trichter zum Reaktionszentrum.