Die Bedeutung der Fotosynthese im Stoffkreislauf der Natur

Die Fotosynthese ist der wichtigste biochemische Vorgang auf der Erde. Alle heterotrophen Lebewesen sind auf die Energie angewiesen, die autotrophe grüne Pflanzen durch diesen Prozess binden. Bei der Fotosynthese wird Sonnenenergie genutzt, um primär energiereiche Stoffe wie ATP und NADPH+H+ aufzubauen. Mit Hilfe dieser Energieträger werden dann CO₂ und H₂O zu Glucose umgewandelt.

Definition: Bedeutung der Fotosynthese für das Leben auf der Erde: Die Fotosynthese ist die Grundlage für die Energieversorgung fast aller Ökosysteme und ermöglicht die Existenz heterotropher Organismen.

Die Photosynthese Formel lässt sich vereinfacht darstellen als:

6 CO₂ + 6 H₂O + Lichtenergie → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Diese Reaktion verdeutlicht, wie aus den einfachen Ausgangsstoffen Kohlenstoffdioxid und Wasser unter Einwirkung von Lichtenergie Glucose als energiereicher organischer Stoff und Sauerstoff als Nebenprodukt entstehen.

Stoff- und Energiewechsel

Der Stoffwechsel oder Metabolismus umfasst die Summe aller chemischen Abläufe in einem Organismus. Er lässt sich in den Betriebsstoffwechsel zur Energiebereitstellung und den Baustoffwechsel zur Herstellung von Baumaterial und Ersatzteilen unterteilen. Katabole Stoffwechselwege bauen hochmolekulare Verbindungen ab und setzen dabei Energie frei, die in energiereichen Molekülen wie ATP gespeichert wird. Anabole Stoffwechselwege synthetisieren aus einfachen Molekülen komplexe Verbindungen und benötigen dafür die Energie aus dem ATP-Abbau.

Highlight: Die Kopplung von energieverbrauchenden (endergonischen) mit energieliefernden (exergonischen) Reaktionen ermöglicht den Ablauf thermodynamisch ungünstiger Prozesse.

Die Zelle ist ein offenes System mit ständigem Stoff- und Energieaustausch mit der Umwelt. Bei der Assimilation werden anorganische, energiearme Stoffe wie CO₂ und H₂O in organische, energiereiche Stoffe wie Glucose umgewandelt. Autotrophe Organismen wie grüne Pflanzen (Fotosynthese) oder bestimmte Bakterien (Chemosynthese) können sich selbst ernähren. Heterotrophe Organismen sind hingegen auf die von Pflanzen gespeicherte Energie angewiesen.

Vocabulary: Fotosynthese einfach erklärt: Die Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie durch Pflanzen, bei der aus CO₂ und H₂O Glucose und Sauerstoff entstehen.

Aufbau und Funktion der Blattstrukturen

Die untere Epidermis des Blattes enthält Spaltöffnungen (Stomata), die den Wasser- und Gasaustausch regulieren. Die Öffnungsweite der Stomata wird durch Schließzellen gesteuert und hängt von Faktoren wie Lichtstärke und Wasserverfügbarkeit ab.

Highlight: Die Regulation der Spaltöffnungen ermöglicht es Pflanzen, die Wasserabgabe in Abhängigkeit von Außentemperatur, Wasserverfügbarkeit und CO₂-Angebot zu steuern.

Der Mechanismus der Stomataöffnung basiert auf Veränderungen des Turgordrucks in den Schließzellen:

1. Beim Öffnen werden Ionen aktiv in die Vakuolen der Schließzellen gepumpt.
2. Wasser strömt osmotisch nach, der Turgor steigt, und die Schließzellen krümmen sich.
3. Beim Schließen strömen Ionen aus den Schließzellen in die Nebenzellen.
4. Wasser folgt osmotisch, der Turgor sinkt, und die Schließzellen entspannen sich.

Die Chloroplasten, in denen die Fotosynthese stattfindet, sind von einer Doppelmembran umhüllt und enthalten im Innenraum (Stroma) ein Lamellensystem aus Thylakoiden, die Stapel (Grana) bilden.

Vocabulary: Schwammgewebe Funktion: Ermöglicht den Gasaustausch im Blattinneren durch luftgefüllte Zwischenräume und enthält ebenfalls Chloroplasten für die Fotosynthese.