Das Engpassmodell der Fotosynthese

Das Engpassmodell verdeutlicht die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Umweltfaktoren bei der Fotosynthese. Es zeigt, wie die Steigerung eines Faktors nur dann zu erhöhter Fotosyntheseleistung führt, wenn nicht ein anderer Faktor limitierend wirkt.

Beispiel: In Gewächshäusern kann die Pflanzenproduktion durch künstliche Beleuchtung nur bis zum Erreichen der CO₂-Limitation gesteigert werden. Eine weitere Steigerung ist erst durch zusätzliche CO₂-Düngung möglich.

Die praktische Bedeutung des Engpassmodells zeigt sich besonders im Gewächshausanbau, wo durch gezielte Steuerung der Umweltfaktoren optimale Wachstumsbedingungen geschaffen werden können. Dabei müssen alle limitierenden Faktoren berücksichtigt und aufeinander abgestimmt werden.

Die Funktionsweise von Photosystemen und Antennenpigmenten in der Fotosynthese

Die Abhängigkeit der Fotosynthese von Licht wird maßgeblich durch spezialisierte Pigmentsysteme gesteuert. Diese Systeme sind essentiell für die Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie. In den Thylakoiden der Chloroplasten befinden sich zwei wichtige Photosysteme (PS I und PS II), die gemeinsam den Prozess der Lichtabsorption und Energieübertragung ermöglichen.

Definition: Ein Photosystem besteht aus einem Reaktionszentrum und umgebenden Antennenpigmenten (Light Harvesting Complex, LHC). Das Reaktionszentrum enthält ein spezielles Chlorophyll-a-Molekül, während die Antennenpigmente aus verschiedenen Pigmentmolekülen bestehen.

Die Energieübertragung in den Photosystemen folgt einem präzisen Mechanismus. Die Antennenpigmente absorbieren Lichtquanten und leiten die Energie in einer Art "Energiefalle" zum Reaktionszentrum weiter. Dieser Prozess ist nur möglich, wenn das empfangende Molekül eine gleiche oder niedrigere Anregungsenergie besitzt als das abgebende Molekül. Diese Energieweitergabe erfolgt schrittweise über mehrere Pigmentmoleküle, bis sie das Reaktionszentrum erreicht.

Die Abhängigkeit der Fotosynthese von abiotischen Faktoren zeigt sich besonders in der Effizienz der Lichtabsorption. Verschiedene Pigmente absorbieren unterschiedliche Wellenlängen des Lichts: Chlorophyll a absorbiert hauptsächlich rotes und blaues Licht, während Carotinoide und andere Hilfspigmente das Absorptionsspektrum erweitern. Diese Arbeitsteilung ermöglicht eine optimale Ausnutzung des verfügbaren Sonnenlichts.