Photosynthese

Die Photosynthese ist der Prozess, durch den Pflanzen und andere Dinge Nahrung herstellen. Es ist ein endothermer (Wärme aufnehmender) chemischer Prozess, der Sonnenlicht nutzt, um Kohlendioxid in Zucker zu verwandeln, den die Zelle als Energie nutzen kann. Neben Pflanzen nutzen es auch viele Algenarten, Protisten und Bakterien, um Nahrung zu erhalten. Die Photosynthese ist sehr wichtig für das Leben auf der Erde. Eine Ausnahme bilden bestimmte Organismen, die ihre Energie direkt aus chemischen Reaktionen beziehen; diese Organismen werden als Chemoautotrophen bezeichnet.

Die Photosynthese kann auf unterschiedliche Weise ablaufen, aber es gibt einige Teile, die gemeinsam sind.

6 CO2(g) + 6 H2O + Photonen C6H12O6(aq) + 6 O2(g)

Kohlendioxid + Wasser + Lichtenergie → Glukose + Sauerstoff

Das Kohlendioxid gelangt durch Diffusion aus der Atmosphäre durch die Spaltöffnungen in das Blatt.

Das Wasser wird aus dem Boden durch Wurzelhaarzellen aufgenommen, die eine vergrößerte Oberfläche für eine erhöhte Wasseraufnahme haben.

Die Photosynthese findet in den Chloroplasten (in den Blattzellen) statt, die Chlorophyll enthalten, das grüne Pigment, das Lichtenergie absorbiert. In den Blättern haben die Palisadenzellen viele Chloroplasten, um mehr Licht einzufangen. Auf diese Weise kann die Pflanze mehr Photosynthese betreiben.

Sauerstoff ist ein Abfallprodukt: Er wird zur Atmung verwendet oder diffundiert durch die Spaltöffnungen aus dem Blatt zurück.

Glukose wird zur Atmung (zur Freisetzung von Energie in den Zellen) verwendet. Sie wird in Form von Stärke gespeichert (die im Dunkeln für die Atmung wieder in Glukose umgewandelt wird). Glukose kann auch in andere Verbindungen für Wachstum und Fortpflanzung umgewandelt werden, z.B. Zellulose, Nektar, Fruktose, Aminosäuren und Fette.

Energie aus Sonnenlicht, von den Wurzeln absorbiertem Wasser und Kohlendioxid aus der Atmosphäre erzeugen durch Photosynthese Glukose und Sauerstoff
Energie aus Sonnenlicht, von den Wurzeln absorbiertem Wasser und Kohlendioxid aus der Atmosphäre erzeugen durch Photosynthese Glukose und Sauerstoff

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Reaktionen

Bei der Photosynthese gibt es zwei Hauptreaktionen. Die lichtabhängigen Reaktionen benötigen Licht, um zu arbeiten, und die lichtunabhängigen Reaktionen, die kein Licht benötigen, um zu arbeiten.

Lichtabhängige Reaktion

Die Lichtenergie der Sonne wird zur Spaltung der Wassermoleküle (Photolyse) genutzt. Das Sonnenlicht trifft auf Chloroplasten in der Pflanze und bewirkt, dass ein Enzym das Wasser aufspaltet (Photolyse). Wenn Wasser zerbrochen wird, entstehen Sauerstoff, Wasserstoff und Elektronen.

Wasserstoff wandelt zusammen mit durch Licht angeregten Elektronen NADP in NADPH um, das dann in den lichtunabhängigen Reaktionen verwendet wird. Sauerstoff diffundiert als Abfallprodukt der Photosynthese aus der Pflanze, und ATP wird aus ADP und anorganischem Phosphat synthetisiert. Dies alles geschieht in der Grana der Chloroplasten.

Lichtunabhängige Reaktion

Bei dieser Reaktion werden Zucker aus Kohlendioxid und den Produkten der lichtabhängigen Reaktionen (ATP und NADPH) und verschiedenen anderen Chemikalien, die in der Pflanze vorkommen, im Calvin-Kreislauf aufgebaut. Daher kann die lichtunabhängige Reaktion nicht ohne die lichtabhängige Reaktion ablaufen. Kohlendioxid diffundiert in die Pflanze und zusammen mit den Chemikalien im Chloroplasten, ATP und NADPH wird Glukose hergestellt und schließlich durch Translokation durch die Pflanze transportiert.

Schema eines Chloroplasten
Schema eines Chloroplasten

Frühe Entwicklung

Die ersten photosynthetischen Organismen haben sich wahrscheinlich schon früh in der Geschichte des Lebens entwickelt. Möglicherweise verwendeten sie statt Wasser Reduktionsmittel wie Wasserstoff oder Schwefelwasserstoff als Elektronenquellen. Cyanobakterien tauchten später auf, und der überschüssige Sauerstoff, den sie produzierten, trug zur Sauerstoffkatastrophe bei. Dies ermöglichte die Entwicklung von komplexem Leben.

Wirksamkeit

Heute liegt die durchschnittliche Energieeinfangrate durch Photosynthese weltweit bei etwa 130 Terawatt, was etwa sechsmal so hoch ist wie die derzeit von der menschlichen Zivilisation genutzte Energie. Außerdem wandeln photosynthetische Organismen pro Jahr etwa 100-115 Milliarden Tonnen Kohlenstoff in Biomasse um.

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