Referat Photosynthese - Faktoren, Lichtenergie, Temperatur, Wasser

Photosynthese

grüne Pflanze baut aus H2O und CO2 Kohlenhydrate auf, scheidet dabei O2 aus, Licht ist notwendig: daher Photosynthese

heterotrophe Organismen müssen energiereiche, organische Stoffe aus ihrer Umgebung aufnehmen um diese dann umsetzen zu können è in der unbelebten Umgebung der Lebewesen keine solchen Stoffe vorhanden, daher:

autotrophe Organismen , die zur Synthese organischer Verbindungen fähig sind (grüne Pflanzen)

Pflanzen erzeugen aus energiearmen, anorganischen Verbindungen Kohlenstoffdioxid und Wasser, durch Absorption von Sonnenstrahlung energiereiche Kohlenhydrate = Photosynthese.

In der Biomasse: 500-1000 Mrd. t Kohlenstoff durch Photosynthese fixiert worden

Fixierung eines Kohlenstoffatoms:  1 oder mehrere Tage

1 oder mehrere Jahre (in Blättern)

mehrere hundert Jahre (in Holz)

Durch Zersetzung wird das organ. Material zu Humus und dann zu anorg. Materie è CO2 wieder in die Atmosphäre (0,03 Vol.-%)

Atmosphäre mit Biosphäre: ständer Kohlenstoffaustausch (Kreislauf)

Energiefluß: Durch die Photosynthese fließt ständig Energie in die Biosphäre ein, die als chem. Energie gebunden und dann wieder frei gesetzt wird: kein Kreislauf!!!

Lichtenergie

6 CO2 + 12 H2O è C6 H12 O6 + 6 H2O + 6 O2

Chlorophyll

CO2 und H2O anorganisch, C6H12O6 organisch

CO2 und H2O: energiearm, Zucker: energiereich

Zucker verbrennt mit O2 und CO2 zu Wasser unter Freisetzung von Wärme.

Lichtenergie wird in den Pflanzen in chemische Energie umgewandelt und in den Pflanzen gespeichert.

pro Mol erzeugter Glucose werden 2825 kJ Energie verbraucht!

Faktoren

Kohlenstoffdioxid: Kohlenstoffquelle für Landpflanzen: CO2 in der Atmosphäre

Kohlenstoffquelle für Wasserpflanzen: CO2 im Wasser

CO2 in der Atmosphäre: Ausgleich durch Atmung aller Lebewesen

CO2-Gehalt der Luft: 0,03 Vol.-%: unter dem Optimum: Faktor, der am weitesten im Minimum liegt (=begrenzender Faktor der Photosynthese)

Erhöhung der CO2-Konzentration: erhöhte Photosyntheseleistung

CO2-Konzentration > 0,1Vol.-%:schädigend für manche Pflanzen

CO2-Gehalt am höchsten dicht über dem Boden aufgrund der Atmung der Bodenorganismen

Lichtenergie

Photosynthese primär von der Lichtintensität abhängig.

Photos. steigt proportional zur Beleuchtungsstärke an, bis die Photosynthese einen konstanten Wert erreicht: Lichtsättigungspunkt.

Zu hohe Lichtintensität: Absinken der Photosyntheseleistung

geringe Lichtintensität: CO2-Aufnahme durch die Photosynthese kleiner als die CO2-Abgabe infolge der Atmung.

höhere Lichtintensität: CO2-Aufnahme erreicht bald den Wert der CO2-Abgabe: Lichtkompensationspunkt

Oberhalb des Lichtkompensationspunktes: realer Stoffgewinn: apparente Photosynthese

Photosynthese besteht aus 2 Teilen:             Lichtreaktion (lichtabhängig, aber temperaturunabhängig)

Dunkelreaktion (umgekehrt)

Die in der Lichtreaktion gebildeten Stoffe sind für die Dunkelreaktion notwendig è geringe Lichtintensität: wenig Stoffe in der Lichtreaktion gebildet und werden schon bei geringen Temperaturen in der Dunkelreaktion umgesetzt.

Erhöht sich dann die Temperatur: keine Stoffe für Dunkelreaktion zur Verfügung: Photosyntheserate erhöht sich nicht.

Hohe Lichtintensität: Lichtreaktion produziert genügend Stoffe für die Dunkelreaktion: Stoffumsatz steigt mit zunehmender Temperatur bis die beteiligten Enzyme wegen zu hoher Temperatur unwirksam werden.

In den Lichtreaktionen: Chlorophyllmoleküle durch Lichtenergie angeregt, d.h. werden energiereicher.

Angeregte Chlorophyllmoleküle können Elektronen über Überträgerstoffe an die Substanz NADP+ abgeben.

NADP+ wird dann durch die Aufnahme von 2 Elektronen reduziert und bindet ein H+ zu NADPH.

Chlorophyllmoleküle holen sich die Elektronen wieder zurück, dabei werden Wassermoleküle gespalten und O2 frei gesetzt: Elektronentransportkette

Energie in den Chlorophyllmolekülen dient zur Bildung von ATP

In der Kette von Dunkelreaktionen wird aus dem CO2 und dem H des NADPH Zucker, Energie dazu liefert das bei den Lichtreaktionen gebildete ATP.

Temperatur

Unterhalb des Temperaturminimums (0°C) keine Photosynthese

zwischen 20° und 30°C: Temperaturoptimum: maximale Leistung

Oberhalb des Temperaturmaximums: keine Photosynthese.

Wintergrüne Pflanzen können auch unter 0°C Photosynthese betreiben, tropische Pflanzen: Temperaturoptimum bei 30-40°C

Temperaturwirkung bei Schwachlicht: gering

Temperaturwirkung bei Starklicht: Photosyntheseleistung steigt mit zunehmender Temperatur

Wasser

geringer Verbrauch bei der Photosynthese

wirkt über die Spaltöffnungsbewegung indirekt auf die Photosyn. ein.

Sättigungskurven: steigen mit Zunahme des Faktors, ist das Optimum erreicht: horizontaler Verlauf

Optimumskurven: fallen nach dem Maximum steil ab

Gesetz des Minimums: bei bestimmter Lichtintensität und gleichbleibender Temperatur: Erhöhung des CO2-Angebots: Steigung der Photosynthese

CO2: begrenzender Faktor.

grüne Blätter:

Photosynthese, da Chlorophyll

senkrecht zum Sonnenlicht, flächenhafte Ausbildung: intensive Nutzung des Sonnenlichts

große Blattoberfläche: Gasaustausch mit der Atmosphäre

Blatthaut (Epidermis):             Chloroplastenfrei

überzogen mit wachsartigem Häutchen: Cuticula

Assimilationsgewebe des Blattinnern: Mesophyll: in 2 Schichten aufgeteilt:

zur oberfläche senkrecht: zylindrische Zellen: Palisadengewebe

Im Plasma des Palisandengewebes: viele Chloroplasten.

Da das Palisadengewebe am meisten Licht empfängt, findet dort vor allem die Photosynthese statt.

unter dem Palisadengewebe: Schwammgewebe: unregelmäßig geformte Zellen: weniger Chloroplasten als die Pal.zellen.

Lufträume zwischen den Zellen: Interzellularensystem. Im Schwammgewebe: Gasaustausch zw. Zellen und der Luft in den Interzellularen.

In der Epidermis der Blattunterseite: Poren: Spaltöffnungen: dienen dem Gaswechsel zw. dem Interzellularensystem und der umgebenden Luft

Jede Spaltöffnung: 2 bohnenförmige Schließzellen.

Spalt kann sich durch Turgoränderungen der Schließzellen öffnen und schließen.

Leitbündel in den Blattadern: Zufuhr von Wasser und Salzen. Abfuhr von Produkten der Photosynthese.

Sonnen- und Schattenpflanzen

Sonnenpflanzen: Im Starklicht photosynt. wirksamer als Schattenpfl.

Schattenpflanzen: Stoffwechselbilanz im Schwachlicht höher

Lichtkompensationspunkt wird bei Schattenpflanzen schneller erreicht als bei Sonnenpflanzen.

Sonnenpflanzen: größere Substanzgewinne bei der Photosynthese

Chloroplasten:    verschiedene Gestalt: 4-8 m

nicht gleichmäßig grün: in der hellgrünen Grundsubstanz sind dunkelgrüne Grana (0,3-0,5 m) eingelagert.

Nach mehrstündiger Belichtung der Chloroplasten: Stärke-Körnchen als Produkt der Photosyn. erkennbar.

Chloroplasten durch Doppelmembran vom Cytoplasma außen getrennt.

Grundsubstanz innen: Stroma, darin parallele Membranen

Je 2 Membranen gehören zusammen, Hohlraum dazwischen: System: Thylakoid

Stapeln sich die Thylakoide an manchen Stellen, werden sie dort als Granathylakoide bezeichnet, da sie das sind, was dunkelgrün unter dem Mikroskop erscheint.

Thylakoide im Stroma: Stromathylakoide

Granathylakoide und Stromathy. zusammen: Lamellensystem

n = Wellenlänge

blaues Licht ist kurzwellig: 400nm: größere Reibung = mehr Energie (Lichtwellen stoßen öfter aneinander, thermische Energie entsteht.

Definition von Licht: Licht ist der Bereich, der elektromagnetischen Strahlung der Sonne, den wir Menschen sehen können.

10^-2 - 10^1,2 = Röntgenstrahlen, Veränderungen am Atomkern, davon 10^-2 - 1: Gammastrahlen

10^1,2 - 10^2,5 = UV-Licht, Veränderungen der Elektronenverteilung in Molekülen

bis 400nm: violett

bis 500nm: dunkelblau, hellblau

bis 600nm: dunkelgrün, hellgrün, gelb

bis 700nm: orange, hellrot, dunkelrot

- 10⁵: Veränderungen der thermischen Energie von Molekülen, Vibrationen, Rotationen

10⁵ - 10⁸: Radiowellen, Veränderungen des magnetischen Moments

In der Sonne vollziehen sich ständig Kernfusionsvorgänge

Bei Treffen eines Lichtstrahls auf ein Atom, wandert das Elektron auf die äußerste Schale, die energiereicher ist, umgekehrter Vorgang: Flowestenz

Bei der Atmung werden Kohlenhydrate in CO2 und Wasser gespalten

Pflanzen und Tiere brauchen Energie zum Wachstum, zur Bewegung, zum Wärmeerhalt, zum Aufbau von Konzentrations-Gefällen, zum Stofftransport, Zellteilung, Zellwachstum, Muskelkontraktion, Immunsystem.

Sauerstoff-Aufnahme, Kohlendioxid-Abgabe: Atmung

CO2-Aufnahme, O2-Abgabe: Photosynthese

Pflanze (Aufbau org. Stoffe durch die Photosynthese)

CO2 O2

Tier, Pflanze ohne Licht (Abbau organischer Stoffe

bei der Atmung)