Die Photosynthese ist bereits seit dem 18. Jahrhundert bekannt. Bereits Mitte des 19. Jahrhundert waren die wesentlichen Vorgänge der Photosynthese bekannt.
Wie bei jeder chemischen Reaktion kann auch bei der Photosynthese die Leistung (= Ausbeute) durch Variation der Ausgangsstoffe (Kohlenstoffdioxid und Wasser) und/oder Variation der Reaktionsbedingungen (Temperatur, Lichtintensität) gesteigert werden.
Im vorherigen Kapitel wurde der Einfluss der Ausgangsstoffe auf die Photosyntheseleistung vorgestellt, in diesem Kapitel wird der Einfluss der Reaktionsbedingungen wie Lichtintensität und Temperatur erläutert.
Einfluss der Temperatur auf die Photosyntheseleistung
Die Photosynthese ist eine typische enzymatische (biochemische) Reaktion. Daher kann man zwei “grundlegende” Faustregeln” ableiten”. Zum einen ist eine Temperaturabhängigkeit der Photosynthese wie ein einer typischen enzymatischen Reaktion zu erwarten. Das bedeutet, der Verlauf eines Graphen in einem Temperatur/Ausbeute-Diagramm ähnelt einer “Glockenkurve”, der optimale Temperaturbereich der Photosynthese (mit der größten Ausbeute an Sauerstoff) sollte dabei zwischen 20°C und 40°C liegen. Höhere Temperaturen würden zu einer Denaturierung der Enzyme führen,
Zum anderen gilt bei enzymatischen Reaktionen (vor allem im optimalen Temperaturbereich bzw. bis zu diesem Temperaturbereich) die sogenannte RGT-Regel (Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel). Diese (Faust)-Regel besagt, dass sich die Reaktionsgeschwindigkeit verdoppelt, wenn die Temperatur um 10 °C erhöht wird.
In der Realität ist der Einfluss der Temperatur aber noch wesentlich komplexer und schwierig vorherzusagen, da die Photosyntheseleistung auch noch von anderen Faktoren abhängig ist.
Betrachten wir eine Temperaturerhöhung (im Bereich zwischen 20°C und 40°C) bei Lichtsättigung (d.h. es ist ausreichend “Licht” vorhanden, beispielsweise ein Hochsommertag mit über 10.000 Lux), dann beobachten wir eine Temperaturabhängigkeit (der Photosyntheseleistung), die typisch für enzymatische Reaktionen ist (=> Glockenkurve). Wird die Photosynthese allerdings bei wenig Lichteinstrahlung (Schwachlicht) durchgeführt, ist die Beleuchtungsstärke der begrenzende Faktor, d.h. trotz Temperaturerhöhung im optimalen Bereich kann keine Leistungssteigerung (höhere Sauerstoffproduktion) beobachtet werden.
In der Regel misst man die Photosyntheseleistung, indem man die Sauerstoffabgabe der Pflanze pro Zeit ermittelt. Dabei muss man darauf achten, die richtige Messgröße zu messen. So unterscheidet man die durch die Photosynthese erfolgte Sauerstoffproduktion (reelle Photosyntheseleistung) und die nach außen hin messbare Photosyntheseleistung (apparente Photosyntheseleistung). Bei der sogenannten apparenten Photosyntheseleistung wird auch noch die Zellatmung der Pflanze in die Sauerstoffbilanz mit einbezogen.
Nachdem wir nun wissen, dass die Temperaturabhängigkeit der Photosyntheseleistung (bei Lichtsättigung) der einer enzymatischen Reaktion entspricht, befassen wir uns nun, ob die RGT-Regel gilt.
Tragen wir die Photosyntheseleistung in Abhängigkeit der Temperatur auf, so entspricht der Graph einer Glockenkurve, alleine diese Tatsache zeigt uns, dass die RGT-Regel nur über einen kleinen Temperaturbereich gültig ist. Bei vielen europäischen Pflanzen beginnen sich ab einer Temperatur von 30°C die Spaltöffnungen (der Blätter) zu schließen, um eine erhöhte “Transpiration” von Wasser zu vermeiden. Dies führt dadurch, dass bei diesen Pflanzen (sogar bei Lichtsättigung) die Photosyntheseleistung wieder abnimmt. Daher können wir die RGT-.Regel in einem Temperaturbereich von 0°C bis 30°C anwenden.
Einfluss der Lichtintensität auf die Photosyntheseleistung
Ein wichtiger Einflussfaktor auf die Photosyntheseleistung ist die Lichtintensität, also die Beleuchtungsstärke, die auf die Pflanze einwirkt. Hierbei unterscheidet man zwei Situationen.
In der ersten Situation liegt eine niedrige Beleuchtungsstärke vor. Erhöht man nun die Beleuchtungsstärke, steigt die Photosynheseleistung zunächst proportional zur Beleuchtungsstärke an. Bei einer Versuchsdurchführung in einer solchen Situation ist darauf zu achten, dass bei geringen Beleuchtungsstärken der Sauerstoffverbrauch durch die Zellatmung “größer” ist, als die Produktion von Sauerstoff durch die Photosynthese. Daher erscheint die Photosyntheseleistung negativ (es wird Sauerstoff verbraucht). Erst bei einer bestimmten Beleuchtungsstärke wird der sogenannte Kompensationspunkt erreicht, also der Punkt, an dem Sauerstoffproduktion und Sauerstoffverbrauch gleich sind. Erst ab diesem Punkt (und steigender Beleuchtungsstärke) beginnt bzw. steigt die Photosyntheseleistung an, bis sie ein Maximum erreicht
In der zweiten Situation liegt bereits eine hohe Beleuchtungsstärke vor. Hier steigt die Photosyntheseleistung bei steigender Beleuchtungsstärke nur noch kurz an und erreicht dann ihr Maximum, dass für jede Pflanzenart spezifisch ist. Eine steigende Beleuchtungsstärke führt nicht zu erhöhter Photosyntheseleistung, andere Einflussfaktoren wie Temperatur und Konzentration der Ausgangsstoffe wirkt begrenzend. Unterschiede des Maximums bei der Photosyntheseleistung existieren bei Licht- und Schattenpflanzen. Schattenpflanzen benötigen eine geringere Beleuchtungsstärke, als Lichtpflanzen, damit erreichen die Schattenpflanzen eher das Maximum der Photosyntheseleistung in Abhängigkeit der Beleuchtungsstärke. Die Photosyntheseleistung erreicht bei ca. 12.000 Lux das Maximum (bei Sonnenblätter) und kann durch höhere Beleuchtungsstärke nicht mehr gesteigert werden.
Zusammenfassung:
Bereits bei den Einflussfaktoren “Kohlenstoffdioxid” und “Lichtart” hat sich angedeutet, dass die Photosynthese sehr komplex aufgebaut ist und nicht nur aus einer (Teil)Reaktion besteht, sondern mindestens aus zwei Teilreaktionen. Die “Ergebnisse” dieses Kapitels zeigen, dass zum einen eine lichtabhängige Reaktion abläuft, die temperaturunabhängig ist. Zum anderen zeigt sich auch, dass bei der Photosynthese eine Teilreaktion abläuft, die lichtunabhängig, aber temperaturabhängig ist.
Photosynthese ist der Prozess, bei dem Pflanzen, Algen und einige Bakterien Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser verwenden, um Glukose und Sauerstoff zu produzieren. Dieser Prozess findet hauptsächlich in den Chloroplasten der Blattzellen statt.
Die Hauptfaktoren, die die Photosyntheserate beeinflussen können, sind Lichtintensität, Kohlendioxid-Konzentration und Temperatur.
Die Lichtintensität beeinflusst die Photosynthese, da sie die Energie liefert, die für den Photosyntheseprozess benötigt wird. Bei höherer Lichtintensität wird die Photosynthese beschleunigt, bis ein Punkt erreicht ist, an dem die Photosyntheserate nicht weiter erhöht werden kann.
Die Temperatur hat einen großen Einfluss auf die Photosynthese, da sie die Aktivität der Enzyme steuert, die den Prozess katalysieren. Bei niedrigen Temperaturen sind die Enzyme weniger aktiv, was zu einer verminderten Photosyntheserate führt. Bei hohen Temperaturen können die Enzyme jedoch denaturiert werden und die Photosynthese wird gestoppt.
Wenn die Kohlendioxid-Konzentration in der Umgebung einer Pflanze zunimmt, steigt die Photosyntheserate, da Kohlendioxid eine der Hauptkomponenten der Photosynthese ist.
Wasser ist für die Photosynthese essentiell, da es die Quelle für die Elektronen ist, die im Lichtreaktionsprozess benötigt werden. Ohne Wasser kann der Prozess nicht ablaufen.
Der Zustand der Blätter einer Pflanze kann die Photosynthese erheblich beeinflussen. Wenn die Blätter gesund sind und eine ausreichende Anzahl von Chloroplasten enthalten, wird die Photosynthese maximiert.
Chlorophyll ist wichtig für die Photosynthese, da es das Sonnenlicht absorbiert und in chemische Energie umwandelt, die für den Prozess der Photosynthese verwendet wird.
Lichtwellenlängen beeinflussen die Photosynthese, da Chlorophyll nur bestimmte Wellenlängen des Lichts absorbieren kann. Blaues und rotes Licht werden am effektivsten aufgenommen, während grünes Licht reflektiert wird.
C3- und C4-Pflanzen unterscheiden sich in der Art und Weise, wie sie Kohlendioxid für die Photosynthese aufnehmen und nutzen. C3-Pflanzen nehmen das CO2 direkt durch die Stomata auf, während C4-Pflanzen ein spezielles System verwenden, das ihnen hilft, CO2 effizienter einzufangen, besonders unter Bedingungen hoher Lichtintensität und Temperatur.