Welche Bedeutung hat die Photosynthese? Das Wesen und die Bedeutung der Photosynthese. Die kosmische Rolle der Pflanzen. Wie läuft die Photosynthese ab?

Photosynthese ist der Prozess, der zur Bildung und Freisetzung von Sauerstoff durch Pflanzenzellen und einige Arten von Bakterien führt.

Basiskonzept

Die Photosynthese ist nichts anderes als eine Kette einzigartiger physikalischer und chemischer Reaktionen. Woraus besteht es? Grüne Pflanzen sowie einige Bakterien absorbieren Sonnenlicht und wandeln es in elektromagnetische Energie um. Das Endergebnis der Photosynthese ist die Energie chemischer Bindungen verschiedener organischer Verbindungen.

In einer Pflanze, die dem Sonnenlicht ausgesetzt ist, laufen Redoxreaktionen in einer bestimmten Reihenfolge ab. Wasser und Wasserstoff, die Donor-Reduktionsmittel sind, bewegen sich in Form von Elektronen zum Akzeptor-Oxidationsmittel (Kohlendioxid und Acetat). Dadurch entstehen reduzierte Kohlenhydratverbindungen sowie Sauerstoff, der von Pflanzen freigesetzt wird.

Geschichte des Studiums der Photosynthese

Viele Jahrtausende lang war der Mensch davon überzeugt, dass die Ernährung einer Pflanze über ihr Wurzelsystem im Boden erfolgt. Zu Beginn des 16. Jahrhunderts führte der niederländische Naturforscher Jan Van Helmont ein Experiment durch, bei dem er eine Pflanze in einem Topf züchtete. Nachdem er den Boden vor dem Pflanzen und nach Erreichen einer bestimmten Größe der Pflanze gewogen hatte, kam er zu dem Schluss, dass alle Vertreter der Flora ihre Nährstoffe hauptsächlich aus dem Wasser erhielten. Wissenschaftler hielten die nächsten zwei Jahrhunderte an dieser Theorie fest.

Eine unerwartete, aber richtige Annahme zur Pflanzenernährung machte 1771 der englische Chemiker Joseph Priestley. Die von ihm durchgeführten Experimente bewiesen überzeugend, dass Pflanzen in der Lage sind, Luft zu reinigen, die bisher für die menschliche Atmung ungeeignet war. Etwas später kam man zu dem Schluss, dass diese Prozesse ohne die Beteiligung von Sonnenlicht nicht möglich sind. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass grüne Pflanzenblätter mehr tun, als nur das Kohlendioxid, das sie aufnehmen, in Sauerstoff umzuwandeln. Ohne diesen Prozess ist ihr Leben unmöglich. Kohlendioxid dient zusammen mit Wasser und Mineralsalzen als Nahrung für Pflanzen. Dies ist die Hauptbedeutung der Photosynthese für alle Vertreter der Flora.

Die Rolle von Sauerstoff für das Leben auf der Erde

Die Experimente des englischen Chemikers Priestley halfen der Menschheit zu erklären, warum die Luft auf unserem Planeten atmungsaktiv bleibt. Schließlich bleibt das Leben trotz der Existenz einer großen Anzahl lebender Organismen und des Brennens unzähliger Feuer erhalten.

Die Entstehung von Leben auf der Erde war vor Milliarden von Jahren schlicht unmöglich. Die Atmosphäre unseres Planeten enthielt keinen freien Sauerstoff. Mit dem Aufkommen der Pflanzen änderte sich alles. Der gesamte Sauerstoff in der heutigen Atmosphäre ist das Ergebnis der Photosynthese, die in grünen Blättern stattfindet. Dieser Prozess veränderte das Erscheinungsbild der Erde und gab der Entwicklung des Lebens Impulse. Diese unschätzbare Bedeutung der Photosynthese wurde von der Menschheit erst Ende des 18. Jahrhunderts vollständig erkannt.

Es ist keine Übertreibung zu sagen, dass die Existenz der Menschen auf unserem Planeten vom Zustand der Pflanzenwelt abhängt. Die Bedeutung der Photosynthese liegt in ihrer führenden Rolle für den Ablauf verschiedener Biosphärenprozesse. Auf globaler Ebene führt diese erstaunliche physikalisch-chemische Reaktion zur Bildung organischer Substanzen aus anorganischen.

Klassifizierung von Photosyntheseprozessen

In einem grünen Blatt finden drei wichtige Reaktionen statt. Sie repräsentieren die Photosynthese. Die Tabelle, in der diese Reaktionen eingetragen sind, wird im Studium der Biologie verwendet. Zu seinen Linien gehören:

Photosynthese;
- Gasaustausch;
- Verdunstung von Wasser.

Diese physikalisch-chemischen Reaktionen, die bei Tageslicht in der Pflanze ablaufen, ermöglichen es grünen Blättern, Kohlendioxid und Sauerstoff freizusetzen. Im Dunkeln – nur die erste dieser beiden Komponenten.

Die Synthese von Chlorophyll erfolgt bei manchen Pflanzen auch bei schwacher und diffuser Beleuchtung.

Hauptbühnen

Es gibt zwei Phasen der Photosynthese, die eng miteinander verbunden sind. In der ersten Stufe wird die Energie der Lichtstrahlen in hochenergetische Verbindungen ATP und universelle Reduktionsmittel NADPH umgewandelt. Diese beiden Elemente sind die Hauptprodukte der Photosynthese.

Im zweiten (dunklen) Stadium werden das entstehende ATP und NADPH zur Fixierung von Kohlendioxid verwendet, bis es zu Kohlenhydraten reduziert wird. Die beiden Phasen der Photosynthese unterscheiden sich nicht nur zeitlich. Sie kommen auch in verschiedenen Räumen vor. Für alle, die sich in der Biologie mit dem Thema „Photosynthese“ befassen, hilft eine Tabelle mit einer genauen Angabe der Eigenschaften der beiden Phasen zu einem genaueren Verständnis des Prozesses.

Mechanismus der Sauerstoffproduktion

Nachdem Pflanzen Kohlendioxid aufgenommen haben, werden Nährstoffe synthetisiert. Dieser Prozess findet in grünen Pigmenten, den sogenannten Chlorophyllen, statt, wenn sie dem Sonnenlicht ausgesetzt werden. Die Hauptkomponenten dieser erstaunlichen Reaktion sind:

Licht;
- Chloroplasten;
- Wasser;
- Kohlendioxid;
- Temperatur.

Ablauf der Photosynthese

Pflanzen produzieren Sauerstoff stufenweise. Die Hauptphasen der Photosynthese sind wie folgt:

Absorption von Licht durch Chlorophylle;
- Aufteilung des aus dem Boden gewonnenen Wassers in Sauerstoff und Wasserstoff durch Chloroplasten (intrazelluläre Organellen aus grünem Pigment);
- Bewegung eines Teils des Sauerstoffs in die Atmosphäre und des anderen für den Atmungsprozess von Pflanzen;
- Bildung von Zuckermolekülen in Proteinkörnern (Pyrenoiden) von Pflanzen;
- Produktion von Stärke, Vitaminen, Fetten usw. als Ergebnis der Mischung von Zucker mit Stickstoff.

Obwohl für die Photosynthese Sonnenlicht erforderlich ist, kann diese Reaktion auch unter künstlichem Licht stattfinden.

Die Rolle der Flora für die Erde

Die grundlegenden Prozesse, die in einem grünen Blatt ablaufen, wurden von der Biologie bereits vollständig untersucht. Die Bedeutung der Photosynthese für die Biosphäre ist enorm. Dies ist die einzige Reaktion, die zu einer Erhöhung der Menge an freier Energie führt.

Bei der Photosynthese entstehen jedes Jahr 150 Milliarden Tonnen organische Stoffe. Darüber hinaus setzen Pflanzen in diesem Zeitraum fast 200 Millionen Tonnen Sauerstoff frei. In diesem Zusammenhang lässt sich argumentieren, dass die Photosynthese für die gesamte Menschheit eine enorme Rolle spielt, da dieser Prozess als Hauptenergiequelle auf der Erde dient.

Im Verlauf einer einzigartigen physikalisch-chemischen Reaktion findet der Kreislauf von Kohlenstoff, Sauerstoff und vielen anderen Elementen statt. Dies impliziert eine weitere wichtige Bedeutung der Photosynthese in der Natur. Diese Reaktion erhält eine bestimmte Zusammensetzung der Atmosphäre aufrecht, bei der Leben auf der Erde möglich ist.

Ein in Pflanzen ablaufender Prozess begrenzt die Menge an Kohlendioxid und verhindert so, dass es sich in erhöhten Konzentrationen ansammelt. Dies ist auch eine wichtige Rolle für die Photosynthese. Auf der Erde entsteht dank grüner Pflanzen kein sogenannter Treibhauseffekt. Flora schützt unseren Planeten zuverlässig vor Überhitzung.

Flora als Grundlage der Ernährung

Die Rolle der Photosynthese ist wichtig für die Forst- und Landwirtschaft. Die Pflanzenwelt ist die Nahrungsgrundlage für alle heterotrophen Organismen. Die Bedeutung der Photosynthese liegt jedoch nicht nur in der Aufnahme von Kohlendioxid durch grüne Blätter und der Produktion eines so einzigartigen Endprodukts wie Zucker. Pflanzen sind in der Lage, Stickstoff- und Schwefelverbindungen in Stoffe umzuwandeln, aus denen ihr Körper besteht.

Wie kommt es dazu? Welche Bedeutung hat die Photosynthese im Pflanzenleben? Dieser Prozess wird durch die Produktion von Nitrationen durch die Pflanze durchgeführt. Diese Elemente kommen im Bodenwasser vor. Sie gelangen über das Wurzelsystem in die Pflanze. Die Zellen eines grünen Organismus verarbeiten Nitrationen zu Aminosäuren, aus denen Proteinketten bestehen. Bei der Photosynthese entstehen auch Fettbestandteile. Sie sind wichtige Reservestoffe für Pflanzen. So enthalten die Samen vieler Früchte nährstoffreiches Öl. Dieses Produkt ist auch für den Menschen wichtig, da es in der Lebensmittel- und Agrarindustrie eingesetzt wird.

Die Rolle der Photosynthese in der Pflanzenproduktion

In der weltweiten Praxis landwirtschaftlicher Unternehmen werden die Ergebnisse der Untersuchung der Grundmuster der Pflanzenentwicklung und des Pflanzenwachstums häufig genutzt. Wie Sie wissen, ist die Photosynthese die Grundlage für die Pflanzenbildung. Seine Intensität wiederum hängt vom Wasserhaushalt der Kulturpflanzen sowie von deren Mineralstoffernährung ab. Wie erreicht der Mensch eine Erhöhung der Pflanzendichte und der Blattgröße, damit die Pflanze die Energie der Sonne optimal nutzt und der Atmosphäre Kohlendioxid entzieht? Um dies zu erreichen, werden die Bedingungen für die Mineralstoffernährung und Wasserversorgung landwirtschaftlicher Nutzpflanzen optimiert.

Es ist wissenschaftlich erwiesen, dass der Ertrag von der Fläche der grünen Blätter sowie von der Intensität und Dauer der darin ablaufenden Prozesse abhängt. Gleichzeitig führt eine Erhöhung der Pflanzendichte jedoch zu einer Verschattung der Blätter. Sonnenlicht kann nicht zu ihnen vordringen und aufgrund der Verschlechterung der Belüftung der Luftmassen gelangt Kohlendioxid in kleinen Mengen ein. Dadurch nimmt die Aktivität des Photosyntheseprozesses ab und die Pflanzenproduktivität nimmt ab.

Die Rolle der Photosynthese für die Biosphäre

Nach den gröbsten Schätzungen wandeln allein autotrophe Pflanzen, die in den Gewässern der Weltmeere leben, jährlich 20 bis 155 Milliarden Tonnen Kohlenstoff in organisches Material um. Und das, obwohl die Energie der Sonnenstrahlen von ihnen nur zu 0,11 % genutzt wird. Landpflanzen absorbieren jährlich 16 bis 24 Milliarden Tonnen Kohlenstoff. Alle diese Daten zeigen überzeugend, wie wichtig die Photosynthese in der Natur ist. Erst durch diese Reaktion wird die Atmosphäre mit dem lebensnotwendigen molekularen Sauerstoff aufgefüllt, der für die Verbrennung, Atmung und verschiedene industrielle Aktivitäten notwendig ist. Einige Wissenschaftler glauben, dass die Photosyntheserate zunimmt, wenn der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre steigt. Gleichzeitig wird die Atmosphäre mit fehlendem Sauerstoff wieder aufgefüllt.

Die kosmische Rolle der Photosynthese

Grüne Pflanzen sind Mittler zwischen unserem Planeten und der Sonne. Sie fangen die Energie des Himmelskörpers ein und sichern die Existenz von Leben auf unserem Planeten.

Die Photosynthese ist ein Prozess, der im kosmischen Maßstab diskutiert werden kann, da sie einst zur Veränderung des Bildes unseres Planeten beitrug. Dank der in grünen Blättern ablaufenden Reaktion wird die Energie der Sonnenstrahlen nicht im Weltraum zerstreut. Es wandelt sich in chemische Energie neu gebildeter organischer Substanzen um.

Die menschliche Gesellschaft benötigt die Produkte der Photosynthese nicht nur für die Ernährung, sondern auch für wirtschaftliche Aktivitäten.

Für die Menschheit sind jedoch nicht nur die Sonnenstrahlen wichtig, die derzeit auf unsere Erde fallen. Die Produkte der Photosynthese, die vor Millionen von Jahren gewonnen wurden, sind für das Leben und die Produktionstätigkeit äußerst notwendig. Sie finden sich im Inneren des Planeten in Form von Schichten aus Kohle, brennbarem Gas und Öl sowie Torfablagerungen.

Der Prozess der Photosynthese ist für das Leben auf der Erde nicht nur wichtig, sondern sozusagen entscheidend. Ohne diesen Prozess wäre es unwahrscheinlich, dass sich Leben auf der Erde über Bakterien hinaus hätte entwickeln können. Um jeden Prozess in der Natur durchzuführen, wird Energie benötigt. Auf der Erde wird es von der Sonne übernommen. Sonnenlicht wird von Pflanzen eingefangen und aus chemischen Bindungen organischer Verbindungen in Energie umgewandelt. Diese Transformation ist Photosynthese.

Andere Organismen auf der Erde (mit Ausnahme einiger Bakterien) nutzen organisches Material aus Pflanzen, um Energie für ihr Leben zu gewinnen. Das bedeutet nicht, dass alle Organismen Pflanzen fressen. Fleischfresser fressen beispielsweise Pflanzenfresser, keine Pflanzen. Allerdings beziehen Pflanzenfresser die gespeicherte Energie aus Pflanzen.

Neben der Speicherung von Energie und der Ernährung fast aller Lebewesen auf der Erde ist die Photosynthese auch aus anderen Gründen wichtig.

Bei der Photosynthese wird Sauerstoff freigesetzt. Sauerstoff ist für den Atmungsprozess notwendig. Bei der Atmung findet der umgekehrte Prozess der Photosynthese statt. Organische Stoffe werden oxidiert, zerstört und Energie freigesetzt, die für verschiedene Lebensprozesse (Gehen, Denken, Wachsen usw.) genutzt werden kann. Als es auf der Erde noch keine Pflanzen gab, gab es fast keinen Sauerstoff in der Luft. Die damaligen primitiven Lebewesen oxidierten organische Substanzen auf andere Weise, nicht mit Hilfe von Sauerstoff. Es war nicht effektiv. Dank der Sauerstoffatmung konnte sich die Lebewelt umfassend und komplex entwickeln. Und Sauerstoff in der Atmosphäre entstand dank Pflanzen und dem Prozess der Photosynthese.

In der Stratosphäre (diese liegt oberhalb der Troposphäre – der untersten Schicht der Atmosphäre) wird Sauerstoff unter dem Einfluss der Sonnenstrahlung in Ozon umgewandelt. Ozon schützt das Leben auf der Erde vor der gefährlichen ultravioletten Strahlung der Sonne. Ohne die Ozonschicht hätte sich das Leben vom Meer zum Land nicht entwickeln können.

Bei der Photosynthese wird Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufgenommen. Bei der Atmung wird Kohlendioxid freigesetzt. Würde es nicht absorbiert, würde es sich in der Atmosphäre anreichern und zusammen mit anderen Gasen den sogenannten Treibhauseffekt verstärken. Der Treibhauseffekt ist ein Temperaturanstieg in den unteren Schichten der Atmosphäre. Gleichzeitig könnte sich das Klima zu ändern beginnen, Gletscher beginnen zu schmelzen, der Meeresspiegel wird ansteigen, was zu Überschwemmungen von Küstengebieten und anderen negativen Folgen führen kann.

Alle organischen Stoffe enthalten das chemische Element Kohlenstoff. Es sind Pflanzen, die es in organische Stoffe (Glukose) binden und aus anorganischen Stoffen (Kohlendioxid) aufnehmen. Und das tun sie durch den Prozess der Photosynthese. Anschließend „wandert“ Kohlenstoff durch die Nahrungsketten von einer organischen Verbindung zur anderen. Mit dem Absterben von Organismen und deren Zersetzung wird Kohlenstoff schließlich wieder zu anorganischen Stoffen.

Auch für die Menschheit ist die Photosynthese wichtig. Kohle, Torf, Öl und Erdgas sind Überreste von Pflanzen und anderen lebenden Organismen, die sich über Hunderte Millionen Jahre angesammelt haben. Sie dienen uns als zusätzliche Energiequelle, die die Entwicklung der Zivilisation ermöglicht.

Die Photosynthese ist der einzige Prozess in der Biosphäre, der aufgrund einer externen Quelle zu einer Erhöhung ihrer freien Energie führt. Die in den Produkten der Photosynthese gespeicherte Energie ist die Hauptenergiequelle der Menschheit.

Jedes Jahr werden durch die Photosynthese auf der Erde 150 Milliarden Tonnen organisches Material gebildet und etwa 200 Millionen Tonnen freier Sauerstoff freigesetzt.

Der Kreislauf von Sauerstoff, Kohlenstoff und anderen an der Photosynthese beteiligten Elementen erhält die aktuelle Zusammensetzung der Atmosphäre aufrecht, die für das Leben auf der Erde notwendig ist. Die Photosynthese verhindert den Anstieg der CO2-Konzentration und verhindert so eine Überhitzung der Erde aufgrund des sogenannten „Treibhauseffekts“.

Da grüne Pflanzen die direkte oder indirekte Nahrungsgrundlage aller anderen heterotrophen Organismen darstellen, deckt die Photosynthese den Nahrungsbedarf aller Lebewesen auf unserem Planeten. Sie ist die wichtigste Grundlage der Land- und Forstwirtschaft. Auch wenn die Einflussmöglichkeiten noch nicht groß sind, werden sie dennoch teilweise genutzt. Durch die Erhöhung der Kohlendioxidkonzentration in der Luft auf 0,1 % (gegenüber 0,3 % in der natürlichen Atmosphäre) konnte beispielsweise der Ertrag von Gurken und Tomaten verdreifacht werden.

Ein Quadratmeter Blattoberfläche produziert in einer Stunde etwa ein Gramm Zucker; Das bedeutet, dass alle Pflanzen einer groben Schätzung zufolge pro Jahr 100 bis 200 Milliarden Tonnen C aus der Atmosphäre entfernen. Etwa 60 % dieser Menge werden von Wäldern absorbiert, die 30 % der nicht mit Eis bedeckten Landoberfläche einnehmen, 32 % von Kulturland und die restlichen 8 % von Pflanzen in Steppen- und Wüstengebieten sowie Städten.

Eine grüne Pflanze ist nicht nur in der Lage, Kohlendioxid zu nutzen und Zucker zu erzeugen, sondern auch Stickstoffverbindungen und Schwefelverbindungen in Substanzen umzuwandeln, aus denen ihr Körper besteht. Über das Wurzelsystem erhält die Pflanze im Bodenwasser gelöste Nitrationen und verarbeitet sie in ihren Zellen zu Aminosäuren – den Hauptbestandteilen aller Proteinverbindungen. Bestandteile von Fetten entstehen auch aus Verbindungen, die bei Stoffwechsel- und Energieprozessen entstehen. Aus Fettsäuren und Glycerin entstehen Fette und Öle, die der Pflanze hauptsächlich als Reservestoffe dienen. Die Samen von etwa 80 % aller Pflanzen enthalten Fette als energiereichen Reservestoff. Die Produktion von Saaten, Fetten und Ölen spielt in der Agrar- und Lebensmittelindustrie eine wichtige Rolle.

Die primitivste Art der Photosynthese wird von Halobakterien durchgeführt, die in Umgebungen mit einem hohen Natriumchloridgehalt (bis zu 30 %) leben. Zu den einfachsten zur Photosynthese fähigen Organismen zählen auch violette und grüne Schwefelbakterien sowie nicht schwefelhaltige Purpurbakterien. Der Photosyntheseapparat dieser Organismen ist viel einfacher (nur ein Photosystem) als der von Pflanzen; Darüber hinaus geben sie keinen Sauerstoff ab, da sie als Elektronenquelle Schwefelverbindungen anstelle von Wasser verwenden. Diese Art der Photosynthese wird bakteriell genannt. Cyanobakterien (Prokaryoten, die zur Photozersetzung von Wasser und zur Freisetzung von Sauerstoff fähig sind) verfügen jedoch über eine komplexere Organisation des Photosyntheseapparats – zwei konjugiert arbeitende Photosysteme. In Pflanzen werden Photosynthesereaktionen in einem spezialisierten Zellorganell durchgeführt – dem Chloroplasten.

Alle Pflanzen (von Algen und Moosen bis hin zu modernen Gymnospermen und Angiospermen) weisen Gemeinsamkeiten in der strukturellen und funktionellen Organisation des Photosyntheseapparats auf. Chloroplasten kommen wie andere Plastiden nur in Pflanzenzellen vor. Ihre äußere Membran ist glatt und die innere weist zahlreiche Falten auf. Dazwischen befinden sich Stapel miteinander verbundener Blasen, die Grana genannt werden. Sie enthalten Chlorophyllkörner, ein grünes Pigment, das eine wichtige Rolle bei der Photosynthese spielt. ATP wird in Chloroplasten produziert und es findet auch die Proteinsynthese statt. Photosynthetische Pigmente:

Die Hauptpigmente, die bei der Photosynthese Lichtquanten absorbieren, sind Chlorophylle, Pigmente mit Mg-Porphyrin-Natur. Es wurden verschiedene Formen von Chlorophyllen entdeckt, die sich in ihrer chemischen Struktur unterscheiden. Das Absorptionsspektrum verschiedener Formen von Chlorophyllen umfasst die sichtbaren, nahen ultravioletten und nahen infraroten Bereiche des Spektrums (bei höheren Pflanzen von 350 bis 700 nm und bei Bakterien von 350 bis 900 nm). Chlorophyll ist der Hauptfarbstoff und charakteristisch für alle Organismen, die eine sauerstoffhaltige, also Photosynthese unter Freisetzung von Sauerstoff betreiben. Grün- und Euglena-Algen, Moose und Gefäßpflanzen enthalten neben Chlorophyll auch Chlorophyll b, dessen Gehalt 1/4-1/5 des Gehalts an Chlorophyll a beträgt. Dabei handelt es sich um ein zusätzliches Pigment, das das Lichtabsorptionsspektrum erweitert. Bei einigen Algengruppen, hauptsächlich Braun- und Kieselalgen, dient Chlorophyll C als zusätzliches Pigment, bei Rotalgen dient Chlorophyll d. Lila Bakterien enthalten Bakteriochlorophyll a und b, während grüne Schwefelbakterien neben Bakteriochlorophyll a auch Bakteriochlorophyll c und d enthalten. An der Absorption von Lichtenergie sind auch andere Begleitpigmente beteiligt – Carotinoide (Pigmente mit Polyisoprenoid-Charakter) in photosynthetischen Eukaryoten und Phycobiline (Pigmente mit offener Tetrapyrrolstruktur) in Cyanobakterien und Rotalgen. Bei Halobakterien ist das einzige in den Plasmamembranen vorkommende Pigment das komplexe Protein Bakteriorhodopsin, dessen chemische Struktur dem Rhodopsin, dem Sehpigment der Netzhaut, ähnelt.

In der Zelle befinden sich Chlorophyllmoleküle in verschiedenen aggregierten (gebundenen) Zuständen und bilden Pigment-Lipoprotein-Komplexe. Zusammen mit anderen Pigmenten, die an den Prozessen der Absorption von Lichtquanten und der Energieübertragung beteiligt sind, sind sie mit Proteinen photosynthetischer (Thylakoid-)Membranen verbunden und bilden die sogenannten lichtsammelnden Chlorophyll-Protein-Komplexe. Mit zunehmendem Aggregationsgrad und zunehmender Packungsdichte der Moleküle verschiebt sich das Absorptionsmaximum der Pigmente in den längerwelligen Bereich des Spektrums. Die Hauptrolle bei der Absorption von Lichtenergie spielen kurzwellige Formen, die an Energiemigrationsprozessen beteiligt sind. Das Vorhandensein einer Reihe spektral ähnlicher Pigmentformen in der Zelle gewährleistet einen hohen Wirkungsgrad der Energiemigration zu den photochemischen Reaktionszentren, in denen sich die Pigmentformen mit der längsten Wellenlänge befinden und die Rolle sogenannter Energiefallen spielen.

Der Prozess der Photosynthese besteht aus zwei aufeinanderfolgenden und miteinander verbundenen Phasen: hell (photochemisch) und dunkel (metabolisch).

Während der Lichtphase der Photosynthese laufen drei Prozesse ab:

• 1. Bildung von Sauerstoff durch Zersetzung von Wasser. Es wird in die Atmosphäre abgegeben.
• 2. ATP-Synthese.
• 3. Bildung von Wasserstoffatomen, die an der Bildung von Kohlenhydraten beteiligt sind.

Während der Dunkelphase der Photosynthese laufen folgende Prozesse ab:

• 1. Umwandlung von Kohlendioxid.
• 2. Bildung von Glukose.

Die Photosynthese basiert auf dem Redoxprozess, bei dem Sauerstoff (O2) sowie Monosaccharide (Glukose usw.) entstehen, die in Stärke umgewandelt und von der Pflanze gespeichert werden. Bei der Photosynthese werden auch Monomere anderer organischer Verbindungen synthetisiert – Fettsäuren, Glycerin, Aminosäuren. Die Bedeutung der Photosynthese:

• 1. Aufnahme und Umwandlung freier Sonnenenergie unter Bildung organischer Stoffe, die Nahrung für heterotrophe Organismen sind.
• 2. Freisetzung von freiem Sauerstoff in die Atmosphäre, der für die Atmung aller lebenden Organismen notwendig ist.
• 3. Aufnahme von Kohlendioxid aus der atmosphärischen Luft, was sich nachteilig auf lebende Organismen auswirkt.
• 4. Versorgung aller irdischen Organismen mit chemischer Energie, die aus der Energie des Sonnenlichts umgewandelt wird.

Grüne Pflanzen spielen eine kosmische Rolle, da sie als Vermittler zwischen dem Leben auf der Erde und der Sonne fungieren. Pflanzen fangen die Energie der Sonnenstrahlen ein, wodurch alles Leben auf unserem Planeten existiert. Der Prozess der Photosynthese, der in grandiosem, kosmischem Ausmaß durchgeführt wird, hat das Gesicht unseres Planeten radikal verändert. Dank der Photosynthese wird die Sonnenenergie nicht vollständig im Weltraum vernichtet, sondern in Form chemischer Energien organischer Substanzen gespeichert. Aufgrund der Fähigkeit grüner Pflanzen, bei der Photosynthese Sauerstoff freizusetzen, wird ein konstanter Sauerstoffanteil in der Luft aufrechterhalten. Außer grünen Pflanzen gibt es in der Natur keine andere Quelle für freien Sauerstoff. In allen photosynthetischen Organismen finden die photochemischen Prozesse der Lichtstufe der Photosynthese in speziellen energieumwandelnden Membranen, den sogenannten Thylakoidmembranen, statt und sind in der sogenannten Elektronentransportkette organisiert. Dunkelreaktionen der Photosynthese finden außerhalb der Thylakoidmembranen statt (im Zytoplasma bei Prokaryoten und im Stroma des Chloroplasten bei Pflanzen). Somit sind die hellen und dunklen Phasen der Photosynthese räumlich und zeitlich getrennt.

Die Geschichte der Entdeckung eines erstaunlichen und lebenswichtigen Phänomens wie der Photosynthese ist tief in der Vergangenheit verwurzelt. Vor mehr als vier Jahrhunderten, im Jahr 1600, führte der belgische Wissenschaftler Jan Van Helmont ein einfaches Experiment durch. Er legte einen Weidenzweig in einen Sack mit 80 kg Erde. Der Wissenschaftler erfasste das Ausgangsgewicht der Weide und bewässerte die Pflanze anschließend fünf Jahre lang ausschließlich mit Regenwasser. Stellen Sie sich Jan Van Helmonts Überraschung vor, als er die Weide erneut wog. Das Gewicht der Pflanze nahm um 65 kg zu und die Masse der Erde nahm nur um 50 Gramm ab! Woher die Pflanze 64 kg und 950 Gramm Nährstoffe bekam, bleibt dem Wissenschaftler ein Rätsel!

Das nächste bedeutende Experiment auf dem Weg zur Entdeckung der Photosynthese gehörte dem englischen Chemiker Joseph Priestley. Der Wissenschaftler steckte eine Maus unter die Haube und fünf Stunden später starb das Nagetier. Als Priestley der Maus einen Zweig Minze beilegte und das Nagetier zusätzlich mit einer Mütze bedeckte, blieb die Maus am Leben. Dieses Experiment führte den Wissenschaftler zu der Idee, dass es einen dem Atmen entgegengesetzten Prozess gibt. Jan Ingenhouse stellte 1779 fest, dass nur grüne Pflanzenteile Sauerstoff abgeben können. Drei Jahre später bewies der Schweizer Wissenschaftler Jean Senebier, dass Kohlendioxid unter dem Einfluss von Sonnenlicht in grüne Pflanzenorganellen zerfällt. Nur fünf Jahre später entdeckte der französische Wissenschaftler Jacques Boussingault bei Laboruntersuchungen, dass die Wasseraufnahme von Pflanzen auch bei der Synthese organischer Stoffe erfolgt. Die epochale Entdeckung machte 1864 der deutsche Botaniker Julius Sachs. Er konnte nachweisen, dass die Menge an verbrauchtem Kohlendioxid und freigesetztem Sauerstoff in einem Verhältnis von 1:1 auftritt.

Die Photosynthese ist einer der bedeutendsten biologischen Prozesse

Wissenschaftlich gesehen ist die Photosynthese (von altgriechisch φῶς – Licht und σύνθεσις – Verbindung, Bindung) ein Prozess, bei dem aus Kohlendioxid und Wasser im Licht organische Stoffe entstehen. Die Hauptrolle in diesem Prozess kommt den photosynthetischen Segmenten zu.

Im übertragenen Sinne lässt sich ein Pflanzenblatt mit einem Labor vergleichen, dessen Fenster zur Sonnenseite zeigen. Darin findet die Bildung organischer Substanzen statt. Dieser Prozess ist die Grundlage für die Existenz allen Lebens auf der Erde.

Viele werden sich vernünftigerweise die Frage stellen: Was atmen Menschen, die in einer Stadt leben, wo man tagsüber mit Feuer nicht einmal einen Baum oder einen Grashalm findet? Die Antwort ist ganz einfach. Tatsache ist, dass Landpflanzen nur für 20 % des von Pflanzen freigesetzten Sauerstoffs verantwortlich sind. Algen spielen eine führende Rolle bei der Sauerstoffproduktion in der Atmosphäre. Sie machen 80 % des produzierten Sauerstoffs aus. Um es in der Sprache der Zahlen zu sagen: Sowohl Pflanzen als auch Algen geben jährlich 145 Milliarden Tonnen (!) Sauerstoff in die Atmosphäre ab! Nicht umsonst werden die Weltmeere „die Lunge des Planeten“ genannt.

Die allgemeine Formel für die Photosynthese lautet wie folgt:

Wasser + Kohlendioxid + Licht → Kohlenhydrate + Sauerstoff

Warum brauchen Pflanzen Photosynthese?

Wie wir gelernt haben, ist die Photosynthese eine notwendige Voraussetzung für die menschliche Existenz auf der Erde. Dies ist jedoch nicht der einzige Grund, warum photosynthetische Organismen aktiv Sauerstoff in die Atmosphäre produzieren. Tatsache ist, dass sowohl Algen als auch Pflanzen jährlich mehr als 100 Milliarden organische Substanzen (!) bilden, die die Grundlage ihrer Lebenstätigkeit bilden. Wenn wir uns an das Experiment von Jan Van Helmont erinnern, verstehen wir, dass die Photosynthese die Grundlage der Pflanzenernährung ist. Es ist wissenschaftlich erwiesen, dass die Ernte zu 95 % von den organischen Stoffen bestimmt wird, die die Pflanze bei der Photosynthese erhält, und zu 5 % von den Mineraldüngern, die der Gärtner auf den Boden ausbringt.

Moderne Sommerbewohner legen ihr Hauptaugenmerk auf die Bodenernährung der Pflanzen und vergessen dabei die Lufternährung. Es ist nicht bekannt, welche Ernte Gärtner erzielen könnten, wenn sie beim Prozess der Photosynthese vorsichtig wären.

Allerdings könnten weder Pflanzen noch Algen so aktiv Sauerstoff und Kohlenhydrate produzieren, wenn sie nicht über ein erstaunliches grünes Pigment verfügten – Chlorophyll.

Das Geheimnis des grünen Pigments

Der Hauptunterschied zwischen Pflanzenzellen und den Zellen anderer lebender Organismen ist das Vorhandensein von Chlorophyll. Er ist übrigens dafür verantwortlich, dass Pflanzenblätter grün gefärbt sind. Diese komplexe organische Verbindung hat eine erstaunliche Eigenschaft: Sie kann Sonnenlicht absorbieren! Dank Chlorophyll wird auch der Prozess der Photosynthese möglich.

Zwei Stufen der Photosynthese

Vereinfacht ausgedrückt ist Photosynthese ein Prozess, bei dem Wasser und Kohlendioxid, das eine Pflanze im Licht aufnimmt, mit Hilfe von Chlorophyll Zucker und Sauerstoff bilden. Auf diese Weise werden überraschenderweise anorganische Stoffe in organische umgewandelt. Der durch die Umwandlung gewonnene Zucker ist eine pflanzliche Energiequelle.

Die Photosynthese besteht aus zwei Phasen: hell und dunkel.

Lichtphase der Photosynthese

Es wird an Thylakoidmembranen durchgeführt.

Thylakoide sind membrangebundene Strukturen. Sie befinden sich im Stroma des Chloroplasten.

Die Reihenfolge der Ereignisse in der Lichtphase der Photosynthese ist:

1. Licht trifft auf das Chlorophyllmolekül, das dann vom grünen Pigment absorbiert wird und es anregt. Das im Molekül enthaltene Elektron bewegt sich auf eine höhere Ebene und nimmt am Syntheseprozess teil.
2. Wasser spaltet sich, wobei Protonen unter dem Einfluss von Elektronen in Wasserstoffatome umgewandelt werden. Anschließend werden sie für die Synthese von Kohlenhydraten aufgewendet.
3. Im letzten Stadium des Lichtstadiums wird ATP (Adenosintriphosphat) synthetisiert. Dabei handelt es sich um eine organische Substanz, die in biologischen Systemen die Rolle eines universellen Energiespeichers spielt.

Dunkle Phase der Photosynthese

Der Ort, an dem die Dunkelphase auftritt, ist das Stroma der Chloroplasten. In der Dunkelphase wird Sauerstoff freigesetzt und Glukose synthetisiert. Viele werden denken, dass diese Phase diesen Namen erhalten hat, weil der in dieser Phase ablaufende Prozess ausschließlich nachts stattfindet. Tatsächlich ist dies nicht ganz richtig. Die Glukosesynthese findet rund um die Uhr statt. Tatsache ist, dass in diesem Stadium die Lichtenergie nicht mehr verbraucht wird, was bedeutet, dass sie einfach nicht benötigt wird.

Die Bedeutung der Photosynthese für Pflanzen

Wir haben bereits festgestellt, dass Pflanzen genauso viel Photosynthese benötigen wie wir. Es ist sehr einfach, über das Ausmaß der Photosynthese in Zahlen zu sprechen. Wissenschaftler haben berechnet, dass allein Landpflanzen so viel Sonnenenergie speichern, wie 100 Megastädte innerhalb von 100 Jahren verbrauchen könnten!

Die Pflanzenatmung ist der entgegengesetzte Prozess der Photosynthese. Die Bedeutung der Pflanzenatmung besteht darin, während des Prozesses der Photosynthese Energie freizusetzen und sie den Bedürfnissen der Pflanzen zuzuführen. Vereinfacht ausgedrückt ist der Ertrag der Unterschied zwischen Photosynthese und Atmung. Je mehr Photosynthese und je geringer die Atmung, desto größer die Ernte und umgekehrt!

Die Photosynthese ist ein erstaunlicher Prozess, der das Leben auf der Erde ermöglicht!

Atmosphärisches Kohlendioxid und Wasser dienen. Zur Synthese organischer Stoffe verwenden Pflanzen ausschließlich anorganische Stoffe: Stickstoff-, Phosphor- und Schwefelverbindungen. Die Stickstoffquelle sind auch atmosphärische Stickstoffmoleküle, die von in Wurzelknollen, hauptsächlich Hülsenfrüchten, lebenden Bakterien fixiert werden können. Gasförmiger Stickstoff wird dann zu Ammoniak – NH3 – und gelangt dann in die Zusammensetzung von Aminosäuren, Proteinen, Nukleinsäuren und anderen Verbindungen. Organische Substanzen, die in Photosynthesezellen aus Kohlendioxid, Wasser, Luftstickstoff und anorganischen Salzen des Bodens oder der Gewässer gebildet werden, werden von allen Lebewesen auf unserem Planeten genutzt, die nicht zur Photosynthese fähig sind. Zu diesen Lebewesen zählen alle Tiere und Menschen, die dank der von Pflanzen umgewandelten Energie der Sonne leben. Die Ausnahme bilden chemosynthetische Mikroorganismen, auf die weiter unten eingegangen wird. Photosynthetische Zellen, die Kohlendioxid aus der Atmosphäre einfangen, geben Sauerstoff an diese ab.

Die durch Photosynthese entstehende Atmosphäre schützt Lebewesen vor schädlicher kurzwelliger UV-Strahlung (Sauerstoff-Ozon-Schutzschild der Atmosphäre). Nur 1-2 % der Sonnenenergie gehen in die Ernte landwirtschaftlicher Pflanzen über, Verluste sind auf unvollständige Lichtabsorption zurückzuführen. Daher besteht eine große Aussicht auf eine Steigerung der Produktivität durch die Auswahl von Sorten mit hoher Photosyntheseeffizienz und die Schaffung einer Kulturstruktur, die die Lichtabsorption begünstigt. In diesem Zusammenhang wird die Entwicklung theoretischer Grundlagen zur Steuerung der Photosynthese und die Untersuchung der Photosynthese als integraler Prozess besonders relevant.