Licht, CO₂ und Temperatur
Im September 2026 enthielt die Luft am Mauna Loa 426.07 ppm (Teile pro Million) Kohlenstoffdioxid, etwa 52 Prozent mehr als die rund 280 ppm vor der industriellen Revolution.
Der langsamste Schritt bestimmt das Tempo
Stell dir einen Sandwichladen vor: Eine Person schneidet Brot, die andere belegt es. Kann die erste 30 Scheiben pro Minute schneiden, die zweite aber nur 10 belegen, entstehen 10 Sandwiches pro Minute. Eine schnellere Kraft am Brotmesser ändert daran nichts. 1905 übertrug der Cambridger Botaniker Frederick Blackman diese Idee in seiner kurzen Arbeit „Optima and limiting factors“ auf die Pflanzenphysiologie. Hängt ein Vorgang von mehreren Faktoren ab, wird seine Geschwindigkeit durch den knappsten begrenzt.
Bei der Fotosynthese sind die drei klassischen Faktoren Licht, Kohlenstoffdioxid und Temperatur. Licht treibt die lichtabhängigen Reaktionen an. Kohlenstoffdioxid ist der Ausgangsstoff, den RuBisCO im Calvin-Zyklus fixiert. Die Temperatur bestimmt, wie schnell Enzyme arbeiten. Im Versuch unten berechnet sich die Rate als Produkt aus einem Temperaturfaktor und dem kleineren Wert aus Licht- und CO₂-Faktor. Das ist ein vereinfachtes Lehrmodell nach Blackmans Idee. Die Zahlen dienen also zum Üben und sind keine Messwerte.
Zum Drehen ziehen. Zum Zoomen scrollen oder zwei Finger auseinander- oder zusammenziehen.
Licht
Bei schwachem Licht nimmt die Fotosynthese mit zunehmender Beleuchtung annähernd proportional zu. Wird es heller, biegt sich die Kurve und flacht schließlich ab: Das Chlorophyll fängt mehr Energie auf, als im Calvin-Zyklus genutzt werden kann. Im Modell beträgt die Rate bei 420 ppm CO₂ und 25 °C mit 10 Prozent des vollen Sonnenlichts 35.7, mit 20 Prozent 55.6 und mit 60 Prozent 61.8. Zwischen 60 und 100 Prozent ändert sich nichts mehr, weil nun CO₂ begrenzt.
Kohlenstoffdioxid
Kohlenstoffdioxid macht nur einen winzigen Teil der Luft aus. Das Global Monitoring Laboratory der NOAA meldete für September 2026 am Mauna Loa auf Hawaii einen Monatsmittelwert von 426.07 ppm. Vor der Industrialisierung waren es etwa 280 ppm, wie aus Eisbohrkernen hervorgeht. Erhöht man im Modell bei 60 Prozent Licht den CO₂-Wert von 420 auf 1000 ppm, steigt die Rate von 61.8 auf 88.2. Danach begrenzt wieder das Licht. Vielen Pflanzen fehlt bei hellem Licht CO₂, nicht Licht.
Temperatur
Die Temperatur wirkt anders. Sie liefert weder Energie noch Kohlenstoff, sondern verändert, wie schnell Enzyme wie RuBisCO arbeiten. Bei Kälte läuft alles langsam. Mit zunehmender Wärme steigt die Rate bis zu einer optimalen Temperatur (25 °C im Modell). Danach fällt sie steiler ab, weil Enzyme ihre Form zu verlieren beginnen. An heißen, trockenen Tagen kommt ein zweites Problem hinzu: Die Schließzellen schließen die Spaltöffnungen, um Wasser zu sparen. Dadurch gelangt weniger CO₂ hinein. OpenStax stellt dazu in seinem Fotosynthesekapitel eine Frage. In den nächsten Einheiten betrachtest du das aus der Perspektive des Blatts.
| Einstellung (Modell) | Rate | Begrenzender Faktor |
|---|---|---|
| 60 % Licht, 420 ppm, 25 °C | 61.8 | CO₂ |
| 60 % Licht, 1000 ppm, 25 °C | 88.2 | Licht |
| 20 % Licht, 1000 ppm, 25 °C | 55.6 | Licht |
| 60 % Licht, 280 ppm, 25 °C | 47.7 | CO₂ |
| 60 % Licht, 420 ppm, 35 °C | 18.0 | Temperatur |
| 60 % Licht, 420 ppm, 15 °C | 30.8 | Temperatur |
Echte Pflanzen sind komplizierter. Licht und CO₂ begrenzen oft gleichzeitig statt abwechselnd. Pflanzen passen sich an die Lichtverhältnisse an, unter denen sie wachsen, und Schattenpflanzen verändern das Verhältnis ihrer Chlorophylle. Blackmans Idee bleibt eine nützliche Ausgangsfrage: Was ist von allem, was diese Pflanze gerade braucht, am knappsten?
Zum Drehen ziehen. Zum Zoomen scrollen oder zwei Finger auseinander- oder zusammenziehen.
- Blackman (1905): Der knappste Faktor begrenzt die Rate.
- Lichtkurve: steil bei schwachem Licht, flach bei hellem Licht.
- Heutige Luft: etwa 426 ppm CO₂ (NOAA, September 2026); vor der Industrialisierung etwa 280 ppm.
- Die Temperatur beeinflusst die Enzymgeschwindigkeit; zu heiß ist ungünstiger als zu kalt.
- Was beschrieb Blackman 1905 in seiner Arbeit?
- Der langsamste Faktor begrenzt die Geschwindigkeit eines Vorgangs
- Den Aufbau des Chloroplasten
- Den Calvin-Zyklus
- Wie sich Spaltöffnungen öffnen
- NOAA: 426.07 ppm im September 2026, etwa 280 ppm vor der Industrialisierung. Um wie viel Prozent liegt der heutige Wert höher? (auf eine ganze Zahl gerundet)
- Im Modell beträgt die Rate bei 60 % Licht und 420 ppm 61.8. Bei 100 % Licht beträgt sie ...
- weiterhin 61.8, weil CO₂ begrenzt
- etwa 100
- etwa 80
- null
- Im Modell ergeben 60 % Licht und 1000 ppm CO₂ bei 25 °C eine Rate von 88.2. Zuvor lag sie bei 420 ppm bei 61.8. Um wie viel ist die Rate gestiegen?
- Bei 20 % Licht beträgt die Rate sowohl bei 420 als auch bei 1000 ppm 55.6. Warum?
- Licht ist der begrenzende Faktor
- CO₂ ist der begrenzende Faktor
- Die Temperatur ist zu hoch
- Die Spaltöffnungen sind geschlossen
- Warum fällt die Rate oberhalb der optimalen Temperatur rasch ab?
- Enzyme wie RuBisCO beginnen ihre Form zu verlieren
- Es gibt weniger Licht
- Chlorophyll wird rot
- Die Wasserspaltung hört auf
- An einem heißen, trockenen Tag schließen die Schließzellen die Spaltöffnungen. Was geschieht mit der Fotosynthese?
- Sie wird langsamer, weil weniger CO₂ ins Blatt gelangt
- Sie wird schneller, weil Wasser gespart wird
- Nichts ändert sich
- Es entsteht kein Sauerstoff mehr, aber weiterhin Zucker
- Welcher Faktor liefert den Ausgangsstoff, den RuBisCO fixiert?
- Kohlenstoffdioxid
- Licht
- Temperatur
- Sauerstoff
- Verdoppelt man bei schwachem Licht die Beleuchtung, ...
- nimmt die Fotosynthese stark zu
- hat das keine Wirkung
- nimmt die Fotosynthese ab
- kommt die Fotosynthese zum Stillstand
- Im Modell beträgt bei 60 % Licht, 420 ppm und 15 °C der Temperaturfaktor 49.9 % und der CO₂-Faktor 61.8 %. Rate = 100 × 0.499 × 0.618. Berechne sie auf eine Nachkommastelle.
Quellen zu diesem Kurs (16)
- -fix5: gravity calculation corrected using rho*g*h = 1000*9.8*h Pa
- the cited textbook has a tenfold coefficient error. Sources (checked 2026-10-17): OpenStax Biology 2e 8.1 Overview of Photosynthesis (photoautotrophs, mesophyll, stomata on the underside, guard cells, chloroplast, thylakoid, granum, stroma, two stages; openstax.org/books/biology-2e/pages/8-1-overview-of-photosynthesis)
- 8.2 The Light-Dependent Reactions (400 to 700 nm, chlorophyll a absorbs blue and red, carotenoids, 300 to 400 chlorophylls per antenna, water split at PSII, about 10 percent of the oxygen used by the leaf's mitochondria; .../8-2-the-light-dependent-reactions-of-photosynthesis)
- 8.3 Using Light Energy to Make Organic Molecules (RuBisCO, 3-PGA, G3P, three turns per G3P and six per glucose, "dark reaction" outdated, cacti fix CO2 at night; .../8-3-using-light-energy-to-make-organic-molecules)
- 30.3 Roots (tap and fibrous roots, root cap, three zones in the first centimetre, root hairs, endodermis and Casparian strip; .../30-3-roots)
- 30.4 Leaves (lamina, petiole, midrib, parallel and reticulate venation, Ginkgo, cuticle, trichomes, palisade in one to three layers, spongy mesophyll, guard cells the only epidermal cells with chloroplasts, xylem and phloem, needles and spines; .../30-4-leaves)
- 30.5 Transport of Water and Solutes (redwoods near 116 m, turgor 0.6 to 0.8 MPa and up to 1.5 MPa = 210 psi vs tyres 30 to 34 psi, gravity -0.1 MPa per metre, -2 MPa at the leaf surface, cohesion-tension, up to 90 percent of the water lost, sources and sinks, phloem sap up to 30 percent sugar; .../30-5-transport-of-water-and-solutes-in-plants)
- 31.3 Nutritional Adaptations (rhizobia, nodules, nitrogenase, biological fixation 65 percent of nitrogen used in agriculture, mycorrhizae in more than 80 percent of land plants, up to 20 percent of the carbon; .../31-3-nutritional-adaptations-of-plants)
- 32.2 Pollination and Fertilization (self and cross pollination, bees cannot see red, nectar guides, bats, birds, wind, water, at least 25,000 orchid species, double fertilization 2n zygote and 3n endosperm, seed parts, scutellum, fruit types, dispersal, dormancy; .../32-2-pollination-and-fertilization)
- Britannica, Photosynthesis: history (Priestley 1771, Ingenhousz 1779, 1782: oxygen formed at the expense of fixed air, identified the year before as carbon dioxide) (britannica.com/science/photosynthesis/History-of-the-study-of-photosynthesis)
- Smithsonian Libraries, Ingenhousz, Experiments upon Vegetables, 1779 (library.si.edu/digital-library/book/experimentsuponv00inge)
- van Helmont's account (200 pounds of earth, 5 pound willow, 169 pounds and about 3 ounces after five years, soil short by about 2 ounces)
- quoted from Howe 1965 by S. G. Saupe, College of St. Benedict and St. John's University (employees.csbsju.edu/ssaupe/biol115/van_helmont.htm)
- F. F. Blackman, Optima and Limiting Factors, Annals of Botany 19:281-296, April 1905 (doi.org/10.1093/oxfordjournals.aob.a089000)
- NOAA Global Monitoring Laboratory, Trends in CO2 (gml.noaa.gov/ccgg/trends/: Mauna Loa September 2026 monthly mean 426.07 ppm)
- NOAA Climate.gov, Climate change: atmospheric carbon dioxide (280 ppm or less before the Industrial Revolution of the mid-1700s, from ice cores; climate.gov/news-features/understanding-climate/climate-change-atmospheric-carbon-dioxide).
Abgerufen: 2026-10-17