am Puls Biologie 5, Schulbuch

54 Die Fotosyntheseleistung ist von mehreren Faktoren abhängig Je niedriger die CO 2 -Konzentration , desto schwie- riger wird die Fotosynthese für eine Pflanze. In der Erdatmosphäre macht CO 2 nur etwa 0,04% des gesamten Luftvolumens aus. C3-Pflanzen müssen mit dieser Konzentration arbeiten, nur C4-Pflanzen können die Konzentration der C4- Moleküle, die aus der CO 2 -Fixierung hervorgehen, aktiv erhöhen. Unter natürlichen Bedingungen ist die Fotosyntheseleistung von C3-Pflanzen je- ner von C4-Pflanzen daher immer unterlegen. Die Fotosynthese wird vom Sonnenlicht angetrie- ben und hängt daher von der Lichtstärke ab. Um die Lichtintensität zu erhöhen folgen die Blätter einer Pflanze dem Sonnenlicht. Sie richten sich daher möglichst senkrecht zur Sonneneinstrah- lung aus. Jene Spezialisten, die sich besonders an geringes bzw. starkes Sonnenlicht angepasst haben, nennt man Schatten- und Sonnenpflanzen , wo- bei Schattenpflanzen einen höheren Chlorophyll- gehalt haben als Sonnenpflanzen. Wasser spielt eine wichtige Rolle in der Foto- synthese, ist aber gewöhnlich immer in aus- reichender Menge vorhanden. Bei Trockenheit können Pflanzen einfach ihre Spaltöffnungen schließen. Eine besondere Anpassung an Wasser- mangel besitzen die CAM-Pflanzen. Bei Pflanzen unserer Breitengrade liegt das Tem- peraturoptimum bei 20–30 °C, es gibt aber auch thermophile 1 Cyanobakterien, die ihr Fotosynthe- seoptimum bei 70 °C haben. Die Konzentration von CO 2 , die Lichtin- tensität, die Tempe- ratur und die Was- serverfügbarkeit spielen eine Rolle in der Fotosynthese Quantenbiologie und Fotosynthese Der Laser, das Elektronenmikroskop, das Naviga- tionssystem im Auto – viele technische Errungen- schaften basieren auf der Theorie der Quanten- mechanik 2 aus der Physik, mithilfe derer wir die Eigenschaften von Atomen, Elektronen und Photonen besser verstehen können. Dass in lebendigen Organismen Quantenphänomene vorkommen, hielt man aber lange Zeit für un- wahrscheinlich, wenn nicht unmöglich. Neue Forschungsergebnisse weisen aber darauf hin, dass in der Fotosynthese tatsächlich Quanten- phänomene auftreten. Du weißt bereits aus dem Abschnitt zu den Licht- reaktionen der Fotosynthese, dass ein Fotosys- tem aus unzähligen lichtsammelnden Pigmenten besteht, die binnen Milliardstel Sekunden ein auftreffendes Photon absorbieren und die des- sen Energie an das Reaktionszentrum, also an das zentrale Chlorophyll, weiterleiten ( k Abb. 16). Der Wirkungsgrad dieses Aufsammelns und Wei- tergebens beträgt unglaubliche 95% – es geht fast keine Energie verloren! Es stellt sich die Fra- ge, wie die Natur einen so hohen Wirkungsgrad zustande bringt. Durch eine unkoordinierte Weitergabe in alle Richtungen, bis die Energie irgendwann zufällig am Reaktionszentrum an- langt, kann man diese Effizienz nicht erklären. Aktuelle Ergebnisse aus der Physik zeigen, dass vermutlich quantenmechanische Effekte für den hohen Wirkungsgrad verantwortlich sind. Abb.16: Aufbau eines Fotosystems. Photonen werden von den lichtsammelnden Pigmenten absorbiert und zum Reaktionszentrum weitergeleitet. Fotosystem Licht- energie Energietransfer Chlorophylle P 680 oder P 700 Carotinoid Chlorophyll Erst im Reaktionszentrum wird die Anregungsenergie in chemische Energie umgewandelt. Die Weiterleitung zum Reaktionszentrum erfolgt also wahrscheinlich nicht zufällig, sondern viel- mehr koordiniert und gekoppelt zwischen unterschiedlichen Pigmentmolekülen in einem Fotosystem. Man nennt dies kohärente (zusam- menhängende) Anregung oder Quanten­ kohärenz. Obwohl die Hauptabläufe in der Fotosynthese seit langer Zeit bekannt sind, gibt es in diesem Forschungsbereich also nach wie vor neue Er- gebnisse und offene, aktuelle Fragestellungen für die Wissenschaft. Quantenkohärenz erklärt die koordi- nierte Weitergabe der Energie ans zentrale Chlorophyll eines Fotosystems Glossar 1 Thermophil: hitzeliebend, vom Griechischen thermos = warm 2 Quantenmechanik : eine physikalische Theo- rie zur Beschreibung von Materie, die Berech- nungen auch im Größenbereich von Atomen und kleinen Teilchen zulässt. Aufgabe W 1 Fasse die Unterschiede zwischen C3, C4 und CAM-Pflanzen zusammen. Analysiere, unter welchen Bedingungen welche Spezialis- ten die höhere Fotosyntheseleistung haben. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv