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Das Geheimnis hinter der Photosynthese

06/06/2021

Wir alle haben vermutlich schon in der Schule erklärt bekommen, wie die Photosynthese abläuft. Doch können Sie sich noch an die Details erinnern? Da das Wetter aktuell immer sommerlicher wird, sollten die Pflanzen die Lichtenergie optimal nutzen können. In folgendem Text erfahren Sie, wie dieser Prozess abläuft, welche Phasen dafür zwingend notwendig sind, welche Faktoren seine Effizienz verringern oder beeinflussen können, wie sich die Aktivität der Photosysteme auf den Ertrag auswirkt und wie Sie die Photosyntheseaktivität von Pflanzen steigern können.

Eine einfache Beschreibung der Photosynthese ist, dass sie ein komplexer biochemischer Prozess ist, welcher Lichtenergie nutzt, um anorganische Stoffe in organische Verbindungen umzuwandeln. Dieser Prozess geschieht in den Chloroplasten. Je nach Zellenart kann die Anzahl der Chloroplasten pro Zelle stark schwanken, im Durchschnitt liegt sie aber bei etwa 20-50.

Chloroplasten besitzen eine doppelte Membranhülle, die die Trennung von gleichzeitig ablaufenden, aber nicht kompatiblen Photosynthese-Reaktionen und den entsprechenden Syntheseprodukten ermöglicht. Aus Chloroplasten können sich durch Alterung oder Pigmenteinlagerung auch Chromoplasten bilden, die durch Xantophylle oder Carotinoide eine gelbliche, orangene oder rötliche Färbung der Zellen und schließlich der ganzen Pflanze verursacht.

Innerhalb der Chlorplasten befindet sich wiederum ein besonderes Pigment: Das Chlorophyll. An diesem laufen die Reaktionen der Photosysteme I und II ab. Neben einem Magnesium-Atom in der Mitte enthält es auch Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, und Kohlenstoff.

Da die unterschiedlichen Chlorophylle hauptsächlich das rote und blaue Licht absorbieren, also nutzen können, werden die übrigen Farben des sichtbaren Spektrums reflektiert. Aus diesem Grund erscheinen Pflanzen und Pflanzenzellen für das menschliche Auge unter Tageslicht in grüner Farbe.

Den eigentlichen Prozess der Photosynthese sollte man nun nochmal in zwei aufeinanderfolgende Prozesse unterteilen: Der Lichtreaktion und der Dunkelreaktion (auch Calvin-Zyklus). In der Lichtreaktion nimmt das zuvor beschriebene Chlorophyll Sonnenlicht auf und speichert die Energie in chemischer Form. Einige mögen sich hier an ATP und NADPH als Energieträger erinnern. In der Dunkelreaktion wird wiederum C02 mithilfe der gespeicherten Energie schrittweise in Glucose umgewandelt. Als Nebenprodukt entsteht hier der Sauerstoff, den wir alle zum Leben benötigen. Als Gesamtkreislauf kann man somit zusammenfassen, dass sechs CO2 Moleküle und sechs Wassermoleküle zu einem Glukosemolekül (Traubenzucker) und sechs O2 gewandelt werden.

 Wie anhand der vielen Schritte der Photosynthese zu vermuten, hängt die Effizienz dieses Prozesses von vielen Faktoren ab. Ist ein Teil der Reaktion etwa gehemmt, wird er zum Flaschenhals, also Bremse, der ganzen Photosynthesereaktion.

Neben den offensichtlichen Faktoren wie Strahlungsintensität und Dauer der Einstrahlung, fallen auch weniger offensichtliche Faktoren ins Gewicht, so kann die Glukosebildung auch durch den Einfallwinkel des Lichts beeinflusst werden. Dies ist ein Grund, warum gute Weine in der Regel am Hang angebaut werden, um die Pflanzen möglichst lange, ganzflächig zu bestrahlen.

Weiterhin kann bei einem Magnesiummangel oder einer Mangantoxizität, das Zentralatom des Chlorophylls durch Mangan ersetzt werden, wodurch die Photosynthese eingestellt wird. Auch Eisen spielt eine wichtige Rolle, da es als Katalysator der Chlorophyllbildung dient. Zusätzlich reduziert das eisenhaltige Ferredoxin das Coenzym NADP+ zu NADPH und ist somit elementar für den Energiekreislauf. Deshalb kann sowohl Magnesium-, als auch Eisenmangel zu einem Chlorophyllmangel führen, der in Chlorosen mündet. Da Mangan an der Aktivierung von 35 Enzymen beteiligt ist, ist auch ein Mn-Mangel sehr schädlich, da das Chlorophyll hier schnell im Licht abgebaut wird. Diese Mangelsymptome äußern sich auch in Form von kleinen blassgelben Flecken. Soll die Pflanze im Mangelzustand, zur Verhinderung größerer Mangelerscheinungen, mit Spurennährstoffen versorgt werden, ist darauf zu achten, dass sie per Blattdüngung in einer direkt aufnahmefähigen Form verabreicht werden.

Aber auch Einschränkungen der Dunkelreaktion haben Einfluss auf die Photosynthesereaktion und somit schließlich auch den Ertrag sowie die Qualität. Da die Dunkelreaktion maßgeblich von dem CO2-Partialdruck, also dem CO2 Gehalt in der Pflanzenzelle abhängt, konnte nachgewiesen werden, dass der steigende CO2-Gehalt der Atmosphäre insbesondere bei C3 Pflanzen, wie Getreide, eine Leistungssteigerung der Photosynthese verursacht. Leider steht dieser Effekt in einem direkten negativen Zusammenhang mit einem anderen Faktor. So muss das CO2 durch die Stomata-Öffnungen aus der Umgebungsluft in die Pflanze diffundieren. Hier kommen die negativen Aspekte der Klimaerwärmung ins Spiel. So muss die Pflanze bei Wassermangel, die Stomata (Atmungsöffnungen) trotz vorherrschender Hitze schließen. Dies führt zum einen zu einer verringerten CO2-Aufnahme und somit geringerer Photosyntheseleistung und zum anderen zu verminderter Transpiration, sowie Kühlung der Pflanzenorgane. Beide Effekte führen zu Ertrags- und Qualitätseinbußen. C3 Pflanzen sind hier den C4 Pflanzen, wie z.B. Mais deutlich unterlegen, da sie Stomata-Öffnungen viel weiter öffnen müssen, um ausreichend C02 aufzunehmen. Dementsprechend stellt das Getreide spätestens bei einer Blatttemperatur von 40 °C die Photosynthese komplett ein.

Natürlich sind, wenn es um Feldfrüchte und Freilandkulturen geht, nicht alle Faktoren vom Menschen beeinflussbar. Wir können also nur auf sonniges und warmes Wetter mit viel Niederschlag hoffen. Es liegt aber in unserer Hand, alle anderen Aspekte zu berücksichtigen und die Effizienz der Photosynthese in jeder Phase zu maximieren, indem alle Bedürfnisse der Pflanze gedeckt werden.

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