Im Rahmen einiger anderer Kapitel haben wir gesehen, dass die Photosynthese in einem komplexen, biochemischen Prozess abläuft. Daher hat es auch mehrere Jahrhunderte gedauert, bis der Photosynthesemechanismus komplett aufgeklärt wurde. Nachfolgende sind einige wichtige Experimente zur Aufklärung des Photosynthesemechanismus aufgelistet (siehe entsprechende Kapitel für eine ausführliche Darstellung),
Pristley war der erste, der den Photosyntheseprozess von Pflanzen erkannte. Dazu platzierte er eine Maus unter einer luftdicht abgeschlossene Glasglocke, worauf hin nach einiger Zeit die Maus starb. Diesen Versuch führte er auch mit einer brennenden Kerze in einer luftdicht abgeschlossenen Glasglocke durch, wobei nach kurzer Zeit die Flamme erlosch. In einem weiteren Versuch platzierte er eine Maus und eine Pflanze unter der Glasglocke, wobei bei diesem Versuch die Maus überlebt.
Priestly schloss daraus, dass “ein Stoff” in der Luft ist, der für den Brennvorgang und die Lebenserhaltung notwendig ist und das die Pflanzen diesen Stoff produzieren können.
Vor den Versuchen von Ingenhousz war bekannt, dass in Wasser getautche Pflanzen “gasförmige Stoffe” abgeben, was an der Bläschenbildung im Wasser sichtbar war. Dazu führte Ingenhousz die Photosynthese bei Licht und im Dunkeln durch. Dabei konnte er Nachweisen, dass im Dunkeln kaum der gasförmige Stoff produziert wird, während im Licht eine größere Menge an Gas produziert wird. Er konnte auch durch die Glimmspannprobe nachweisen, dass es sich bei diesem Gas um Sauerstoff handelt.
Um die These zu widerlegen, dass die Photosynthesleistung im Licht und Dunkeln wärmebedingt ist, führt der die Versuche bei gleicher Temperatur durch und auch hier beobachtete er, dass bei Anwesenheit von Licht von der Pflanze deutlich mehr Sauerstoff produziert wird, also im Dunkeln. Der Unterschied der Photosyntheseleistung im Licht und im Dunkeln ist also nicht bedingt durch einen Wärmeunterschied, sondern das für die Photosynthesereaktion Licht benötigt wird. In weiteren Versuchen entdeckte er, dass nur grüne Pflanzen in der Lage sind, Sauerstoff zu produzieren.
Der Forscher Hill untersuchte die Chloroplasten bzw. das daraus isolierte Thylakoidsystem genauer. Dabei beobachtete er, dass (wenn dieses Thylakoidsystem belichtet wird) gasförmiger Sauerstoff entwickelt wird und Eisen(III)-Verbindungen reduziert werden. Bei dieser Reaktion, die nach dem “Entdecker” auch als Hill-Reaktion bezeichnet wird, wird kein Kohlenstoffdioxid gebildet und auch keine Glucose als Reaktionsprodukt gebildet.
Hill konnte also mit seinen Versuchen zeigen, dass bei der Photosynthese der Sauerstoff nicht unmittelbar durch Reduktion des Kohlenstoffdioxids zu Glucose gebildet wird. Das bedeutet, dass die Bildung von (gasförmigen) Sauerstoff und die Umwandlung des Kohlenstoffdioxids in zwei getrennten Reaktionen verlaufen.
Ziel des Versuches von Arnon war, herauszufinden, welcher Zellbestandteil eines Pflanzenblattes für die Photosynthese verantwortlich ist. Bekannt war bereits zu diesem Zeitpunkt, dass die Chloroplasten der Ort der Photosynthese sind. In einem seiner Versuche wurden Stroma und Thylakoide (ohne Zugabe von Kohlenstoffdioxid) belichtet. Anschließend wurden die Thylakoide dem Reaktionsgemisch (mit Hilfe einer Zentrifuge abgetrennt) und dem Stroma wieder Kohlenstoffdioxid zugesetzt. Dabei konnte (durch Messung der Photosyntheseprodukte) eine hohe Photosyntheseleistung beobachtet werden. Analog dazu, führte der diesen Versuch auch bei Dunkelheit durch. So wurde das Gemisch aus Thylakoiden und Stroma getrennt (mittels Zentrifuge) und dem Stroma Kohlenstoffdioxid zugesetzt. Bei dieser Versuchsdurchführung wurde nur eine niedrige Photosyntheseleistung beobachtet.
Mit Hilfe dieser beiden Versuche konnte die Photosynthese als zweiteiliger biochemischer Prozess bestätigt werden. Es gibt eeine lichtabhängige und eine lichtunabhängige Reaktion. Die lichtabhängige Reaktion findet in den Thylakoiden statt, während die lichtunabhängige Reaktion im Stroma abläuft.
Zu der Zeit von Jagendorf war bekannt, dass in der Lichtreaktion ATP gebildet wird, dass in der Dunkelreaktion als Energielieferant benötigt wird. Jagendorf wollte mit seinem Versuch nun herausfinden, wodurch in den Chloroplasten das ATP gebildet wird.
Dazu isolierte er Thylakoide aus den Chloroplasten und gab diese im Dunkeln in eine saure oder leicht alkalische Flüssigkeit, die ADP und das mit dem Isotop P- markiertes Phosphat enthielt. Dabei bestimmte Jagendorf das durch die “Reaktion” gebildete ATP bzw. deren Konzentration.
Aufgrund seiner Ergebnisse zeigte sich, dass an Thylakoidmembran ein Protonengradient entsteht, der zur ATP-Bildung führt. Zur Bildung von ATP ist kein Licht notwendig, sondern der pH-Unterschied (elektrochemische Potentialdifferenz) verantwortlich.
Zur Zeit von Emerson war bekannt, dass die Photosynthese in zwei Teilprozesse eingeteilt werden kann, die Lichtreaktion und die Dunkelreaktion.
In seinem bekannten Versuch belichtete Emerson Algen mit Licht der Wellenlänge von 680 nm. Dabei konnte eine Produktion von Sauerstoff bei Bestrahlung mit Licht mit der Wellenlänge 680 nm beobchtet werden. Anschließend belichtete er die Algen mit Licht der Wellenlänge von 700 nm. Auch hier konnte Emerson eine Produktion von Sauerstoff feststellen und überraschend die gleiche Menge, wie bei der Bestrahlung mit Licht der Wellenlänge von 680 nm.
Daher belichtete er nun Algen mit Licht der Wellenlängen 680 nm und 700 nm. Hierbei stellte der fest, dass doppelt so viel Sauerstoff von den Pflanzen produziert wird wie bei Bestrahlung mit einer Wellenlänge. Diese Beobachtung ist inzwischen als der Emerson-Effekt bekannt.
Aufgrund der Ergebnisse von Emerson war bekannt, dass in der Lichtreaktion zwei Fotosysteme, die beide Chlorophyll enthalten und Sauerstoff produzieren können, aber auch miteinander gekoppelt sind.
Zur Zeit von Clavin war bekannt, dass Pflanzen in den Chloroplasten (mit Hilfe von Licht und Chlorophyll) Kohlenstoffdioxid und Wasser in Glucose und Sauerstoff umwandeln. Der genau Reaktionsschritt der Umwandlung von Kohlenstoffdioxid zu Glucose war aber nicht bekannt.
In seinen Versuchen setzt Calvin mit dem Isotop C-14 markiertes Kohlenstoffdioxid ein. Diese markierte Kohlenstoffdioxid stellt er Algen als Kohlenstoffdioxidquelle zur Verfügung. Im Rahmen der Photosynthese wandelten die Algen das markierte Kohlenstoffdioxid zu Glucose, wobei alle (Zwischen-)produkte durch die Isotopenmarkierung nachgewiesen wurden.
Aus den Versuchen von Calvin konnte der genaue Mechanismus des sogenannten Cavin-Zyklus bestimmt werden. Dabei lässt sich der Calvin -Zyklus sich in drei “Prozesse” teilen: Die Carboxylierung (also die Fixierung des Kohlenstoffdioxids an den Akzeptor), die Reduktion des Carboxylierungsproduktes und die Regenerierung des Kohlenstoffdioxid-Akzeptors. Aufgrund der Ergebnisse schloss Calvin, dass es sich bei der Dunkelreaktion um einen Kreisprozess handeln musste.
Die Photosynthese ist ein Prozess, bei dem grüne Pflanzen und einige andere Organismen Sonnenlicht verwenden, um Nahrung aus Kohlendioxid und Wasser zu synthetisieren und dabei Sauerstoff als Nebenprodukt freisetzen. Sie ist entscheidend für das Leben auf der Erde, da sie den Sauerstoff liefert, den Tiere atmen, und Kohlendioxid aus der Atmosphäre absorbiert, was dazu beiträgt, die globalen Temperaturen zu regulieren.
Joseph Priestley führte das Experiment mit einer Kerze und einer Pflanze in einer abgeschlossenen Kammer durch. Er beobachtete, dass die Pflanze die Fähigkeit hat, die durch Verbrennung verbrauchte Luft zu “reparieren”, was später als Sauerstoffproduktion identifiziert wurde.
Jan Ingenhousz fand heraus, dass Pflanzen nur in Gegenwart von Licht Sauerstoff produzieren. Dies half dabei, den grundlegenden Mechanismus der Photosynthese zu erklären, bei dem Lichtenergie benötigt wird, um Kohlendioxid in Zucker umzuwandeln.
Das Schwarzman-Experiment nutzte isotopisch markiertes Kohlendioxid, um den Pfad zu verfolgen, den das Kohlendioxid durch die Pflanze nimmt. Es trug zur Aufklärung des Photosynthesemechanismus bei, indem es zeigte, dass Kohlendioxid in den Zucker integriert wird, den Pflanzen produzieren.
Van Niel führte Experimente mit Bakterien durch und stellte die Hypothese auf, dass Photosynthese eine Zwei-Schritte-Prozess ist: Die Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff im Licht und die Fixierung von Kohlendioxid im Dunkeln.
Die Entdeckung von Chloroplasten als Ort der Photosynthese und die Identifizierung von Chlorophyll als primären Licht absorbierenden Pigment, sowie das Verständnis der Rolle von ATP und NADPH in der Energieübertragung waren bedeutende Fortschritte.
Das Hill-Experiment zeigt, dass bei der Photosynthese Sauerstoff aus Wasser und nicht aus Kohlendioxid stammt.
Das Sonnenlicht liefert die Energie, die benötigt wird, um Kohlendioxid in Zucker umzuwandeln, welches der Pflanze als Nahrungsquelle dient.
Wasser ist eine der Reaktanten in der Photosynthese und seine Verfügbarkeit kann die Rate der Photosynthese beeinflussen.
Die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre beeinflusst die Rate der Photosynthese, da sie ein Schlüsselreaktionspartner im Prozess ist.