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Einflussfaktoren auf die Photosynthese"leistung" - Einfluss der Ausgangsstoffe auf die Photosynthese

 

Allgemeines:
Für die Photosynthesereaktion in Pflanzenblättern sind neben dem Chlorophyll als Ausgangsstoffe Kohlenstoffdioxid, Wasser und Licht notwendig. Wie jede chemische Reaktion kann auch die Photosynthese durch Variation von Ausgangsstoffen und den Reaktionsbedingungen (z.B. Temperatur) gesteuert werden. Allerdings ist die Photosynthese eine sehr komplexe Reaktion und daher sind die einzelnen Einflussfaktoren auf die Photosyntheseleistung miteinander verbunden.

Zum einen liegt das daran, dass die Photosynthese eine typische enzymatische Reaktion darstellt (zur Durchführung sind Enzyme notwendig). Wie bei allen enzymatischen Reaktionen das auch bei der Photosynthese das Gesetz der begrenzenden Faktoren. Das bedeutet,  die Leistung (= Ausbeute der Photosynthesereaktion) wird von dem Faktor bestimmt, der sich am weitesten entfernt von seinem Optimum befindet (z.B. ist kein Licht vorhanden, ist die Photosynthese nicht möglich).

Zum anderen liegt die Komplexität der Photosynthese daran, dass die Photosynthese  in  die  zwei Teilprozessen abläuft, der sogenannten Lichtreaktion  und  Dunkelreaktion. So kann die Dunkelreaktion auch ohne Anwesenheit von Licht ablaufen, allerdings ist die Dunkelreaktion an die Lichtreaktion gekoppelt, so dass beide Reaktionen nur gemeinsam stattfinden können. 

Die Einflussfaktoren auf die Photosynthese:

Die Photosynthese (bzw. deren Ausbeute an Glucose und Sauerstoff) lässt sich durch die Variation der Konzentration der Ausgangsstoffe oder durch Variation der Reaktionsbedingungen steuern bzw. erhöhen. In diesem Kapitel werden nur die Einflüsse der Ausgangsstoffe "Kohlenstoffdioxid, Wasser und Licht" untersucht. 
 

Wasser als Einflussfaktor auf die Photosynthese
Wasser ist ein Ausgangsstoff für die Photosynthese. In Experimenten hat man untersucht, in welche Reaktionsprodukte die "Sauerstoffatome" des Wassers eingehen. Dazu hat man die sogenannte O-18-Tracermethode verwendet und das Wassermolekül mit dem schweren Sauerstoffisotop O-18 markiert. So hat man festgestellt, dass das Sauerstoffisotop O-18 nach der Photosynthese im Reaktionsprodukt Sauerstoff  und nicht in der Glucose zu finden ist.:

6 CO2 + 6 H218O -> C6H12O6 + 6 18O2

Die Reaktionsgleichung zeigt, dass eine Pflanze zur "Produktion" von sechs Molekülen Sauerstoff sechs Moleküle Wasser und sechs Moleküle Kohlenstoffdioxid benötigt werden. Würde man nun nachrechnen (1 mol Wasser = 6 · 1023 Moleküle) so kommt man zu dem Schluss, dass der benötigte Wasserhaushalt der Pflanze deutlich höher ist, als die benötigte Menge an Wasser zur Produktion von Sauerstoff.

Die Wasseraufnahme der Pflanzen erfolgt durch die sogenannten Wurzelhaarzellen und beruht auf Diffusion und Osmose innerhalb der Pflanze. Alle biochemischen Prozesse benötigen (Wasser als Transportmittel von Nährstoffen). Daher ist die "Wassermenge" nie ein begrenzender Faktor bei der Photosynthese, da die Wassermenge (die für die Photosynthese benötigt wird) ist im Vergleich zu dem Wasser, dass für Stoff- und Energiewechselprozesse benötigt wird, gering ist. Daher würden (wäre nicht ausreichend Wasser vorhanden) die Stoffwechselprozesse in der Pflanze zum Erliegen kommen, bevor überhaut das Wasser als limitierender Faktor bei der Photosynthese auftritt.
 


Kohlenstoffdioxid als Einflussfaktor auf die Photosynthese
Kohlenstoffdioxid ist ebenso wie Wasser ein Ausgangsstoff für die Photosynthese. Was für Wasser gilt, gilt für Kohlenstoffdioxid ganz besonders: Ohne Kohlenstoffdioxid ist bei einer Pflanze keine Photosynthese möglich.

Wie wir im nächsten Kapitel sehen werden, kann man die Photosynthese auch durch die Reaktionsbedingungen steuern (Temperatur, Lichtintensität). Zuerst wollen wir aber den Einfluss der Konzentration von Kohlenstoffdioxid auf die Photosynthese überprüfen, dazu erhöhen wir (in einem kleinen Gewächshaus) den Kohlenstoffdioxid-Gehalt (normalerweise beträgt der CO2-Anteil in der Luft 0,03%) auf 0,05% (wir begasen die Pflanze mit etwas Kohlenstoffdioxid). In dem Experiment sehen wir, dass sich die Photosyntheserate durch Erhöhen der Kohlenstoffdioxid-Konzentration  steigern lassen, wenn alle anderen Faktoren wie Licht und Temperatur "nromal" sind ("Sommertag").

Daher ist die Kohlenstoffkonzentration mit einem Volumenanteil 0,03 % in der Luft für die Photosyntheseleistung "unter normalen Bedingungen"  der begrenzende Faktor. Daher wird in Gewächshäusern auch eine Kohlenstoffdioxid-Konzentration von 0,1 % "vorgehalten". Durch diese Erhöhung des der Kohlenstoffdioxid-Konzentration kann man die Photosyntheseleistung um ein  Mehrfaches gesteigert. Eine (langsame) Erhöhung der Kohlenstoffdioxid-Konzentration führt zu einem Maximumwert (Sättigungswert) an Sauerstoff. Ab diesem Maximalwert kann die Sauerstoffproduktion nicht mehr durch Erhöhung der Kohlenstoffdioxid-Konzentration gesteigert werden. In der Regel ist hier die Lichtintensität der begrenzende Faktor. Nun könnte man also die Lichtintensität erhöhen, so dass die Photosyntheseleistung nach Erreichen des Sättigungswertes dennoch (bei Erhöhung der Kohlenstoffdioxid-Konzentration) steigt. Dies ist allerdings nur begrenzt möglich, da Kohlenstoffdioxid nicht nur bei Menschen, sondern auch bei Pflanzen toxisch wirkt. Diese "toxische" Konzentration hängt von der Pflanzenart ab, allerdings wirkt bei den allermeisten Pflanzen ein Kohlenstoffdioxidanteil von 0,2 % toxisch.



Licht als Einflussfaktor auf die Photosynthese

In diesem Kapitel soll nicht der Einfluss der Lichtintensität (nächstes Kapitel) auf die Photoyntheseleistung untersucht werden, sondern die "Art" des Lichtes. Aus dem Physikunterricht wissen wir, dass Licht in Spektralbereiche eingeteilt werden kann (sichtbares Licht, UV-Licht) und auch beispielsweise das sichtbare Licht kann noch unterteilt werden. 

Außerdem kennen wir aus dem Physik-Unterricht das Prinzip der komplementären Farben bzw. der Entstehung von Farben. So erscheint beispielsweise ein Gegenstand "grün" wenn alle Spektralbereiche des Lichts (außer grün) absorbiert werden und das "grüne" Licht vom Gegenstand reflektiert werden. Wenden wir diese Kenntnisse an, so müsste eine Pflanze, die (nur) mit grünen Licht bestrahlt wird, kaum Photosyntheseleistung zeigen (da das grüne Licht von der Pflanze reflektiert wird).

Bereits Ende des 19 Jhds. wurde dieser Versuch durchgeführt und Pflanzen mit Licht mit "unterschiedlichen" Spektralbereich bestrahlt. So zeigte sich, dass die Bestrahlung der Pflanze mit rotem oder blauem Licht zu einer höheren Photosynthesleistung führte, als mit anderen Spektralfarben. Bei der Bestrahlung mit "grünem" Licht, zeigte sich, dass hier die Photosyntheseleistung besonders schlecht ist.

Somit zeigt sich, dass unsere physikalischen Vermutungen richtig waren (und auch im Fach Biologie Physik und Chemie immer hilfreich ist). Pflanzen absorbieren bevorzugt, das "rote" und "blaue" Licht (was zu einer hohen Photosyntheseleistung führt), während vor allem "grünes" Licht reflektiert wird (und damit die Photosyntheseleistung relativ schlecht ist).

(Hinweis für besonders Physik/Chemie-Interessierte: Chlorophylle im Palisadengewebe absorbieren rotes und blaues Licht. Daher liegen bei den Chlorophyllen auch zwei angeregte Zustände vor - durch die Absorption des Lichts wird ein Elektron vom Grundzustand in einen angeregten Zustand angehoben => siehe hierzu auch die Kapitel zu Atommodellen)


Chlorophyllgehalt als Einflussfaktor auf die Photosynthese

Bei der Photosynthesereaktion handelt es sich um eine enzymatische Reaktion, daher hat das Enzym bzw. Enzymkonzentration auch einen Einfluss auf die Leistung (= Ausbeute) der Reaktion. Im Normalfall ist aber Chlorophyllgehalt einer Pflanze kein begrenzender Faktor. Es gibt aber Unterschiede bei den Pflanzen.

Dies ist ein Ergebnis der Standortanpassung an den Umweltfaktor Licht. So verfügen Schattenblätter im Vergleich zu Sonnenblättern einen wesentlich höheren Chlorophyllgehalt pro gleicher Blattfläche. Daher wird bei Schattenblättern bereits bei geringen Lichtstärken die optimale Photosyntheseleistung (unter 4.000 Lux) erreicht. Der Unterschied lässt sich durch die Dicke bzw. Anzahl von Zellschichten im Palisadengewebe erklären. 

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