So funktioniert Fotosynthese

In den 1600er-Jahren zog Jan Baptist van Helmont eine Weide in 200 Pfund getrockneter Erde. Nach fünf Jahren hatte der Baum 164 Pfund zugenommen, während die Erde etwa 2 Unzen verloren hatte.

Woher bekommt ein Baum seine Masse?

Woher stammt das Holz eines Baums? Vermutlich würdest du zuerst auf den Boden tippen. Van Helmont prüfte diese Idee. Er trocknete 200 Pfund Erde im Ofen, pflanzte einen fünf Pfund schweren Weidensteckling hinein und goss ihn fünf Jahre lang nur mit Regenwasser oder destilliertem Wasser. Der Baum wog danach etwa 169 Pfund und 3 Unzen. Die erneut getrocknete Erde wog dagegen noch 200 Pfund abzüglich etwa 2 Unzen. Er schloss daraus, dass Holz, Rinde und Wurzeln allein aus Wasser entstanden waren.

Er hatte nur zum Teil recht. Wasser gelangt tatsächlich in die Pflanze, doch der größte Teil der Trockenmasse eines Baums besteht aus Kohlenstoff, und dieser stammt aus der Luft. Pflanzen, Algen und Cyanobakterien nehmen das energiearme Gas Kohlenstoffdioxid auf und bauen daraus mithilfe von Sonnenenergie energiereiche Zucker auf. In OpenStax Biology werden sie als photoautotroph bezeichnet: Sie stellen ihre Nahrung selbst her und nutzen dafür Licht. Tiere, Pilze und die meisten Bakterien sind heterotroph. Sie leben von Zuckern, die zuvor durch Fotosynthese entstanden sind.

Die Gesamtreaktion schreibt man meist als 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂, mit Licht als Energiequelle. Aus sechs Molekülen Kohlenstoffdioxid und sechs Molekülen Wasser entstehen ein Molekül Glucose und sechs Moleküle Sauerstoff. Das sieht einfach aus, doch tatsächlich läuft der Vorgang in vielen Schritten mit kurzlebigen Zwischenprodukten ab.

Im Chloroplasten

Im Blatt findet die Fotosynthese hauptsächlich in der mittleren Gewebeschicht, dem Mesophyll, statt, und zwar in Zellorganellen namens Chloroplasten. Ein Chloroplast besitzt eine äußere und eine innere Membran. Im Inneren liegen flache Scheiben, die Thylakoide. Sie sind zu Stapeln, den Grana, angeordnet und von einer Flüssigkeit, dem Stroma, umgeben. In den Thylakoidmembranen sitzt Chlorophyll. Chlorophyll a absorbiert blaues und rotes Licht an den beiden Enden des sichtbaren Bereichs (400 bis 700 Nanometer) und reflektiert grünes Licht. Deshalb erscheinen Blätter grün.

Zwei Teilprozesse

Die lichtabhängigen Reaktionen laufen in den Thylakoidmembranen ab. Lichtenergie wird von Pigment zu Pigment bis zu einem Reaktionszentrum weitergegeben. Jede Antenne enthält 300 bis 400 Chlorophyllmoleküle. Im Reaktionszentrum löst die Energie ein Elektron heraus. Das fehlende Elektron wird durch die Spaltung von Wasser ersetzt. Dabei entsteht der Sauerstoff. Die Energie wird vorübergehend in zwei Trägermolekülen gespeichert, ATP und NADPH. Etwa 10 Prozent des Sauerstoffs verbrauchen die Mitochondrien des Blatts selbst; der Rest gelangt in die Luft.

Der zweite Teilprozess, der Calvin-Zyklus, läuft im Stroma ab. Das Enzym RuBisCO bindet ein Kohlenstoffdioxidmolekül an den Zucker RuBP, der fünf Kohlenstoffatome enthält. Das Produkt zerfällt in zwei Moleküle mit je drei Kohlenstoffatomen. Mithilfe von ATP und NADPH wird daraus der Zucker G3P. Bei jedem Durchlauf wird nur ein Kohlenstoffatom fixiert. Daher sind drei Durchläufe nötig, um ein G3P abzugeben, und sechs, um genügend Kohlenstoff für eine Glucose bereitzustellen. Der alte Name „Dunkelreaktion“ ist irreführend: Er legt nahe, dass der Zyklus nur nachts oder ohne Licht abläuft. Tatsächlich braucht er ATP und NADPH aus den Lichtreaktionen.