Aufgaben 62 Die Fotosyntheseleistung ist von mehreren Faktoren abhängig Je niedriger die CO2-Konzentration, desto schwieriger wird die Fotosynthese für eine Pflanze. In der Erdatmosphäre macht CO2 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 CO2-Fixierung hervorgehen, aktiv erhöhen. Unter natürlichen Bedingungen ist die Fotosyntheseleistung von C3-Pflanzen jener von C4-Pflanzen daher immer unterlegen. Die Fotosynthese wird vom Sonnenlicht angetrieben 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 Sonneneinstrahlung aus. Jene Spezialisten, die sich besonders an geringes bzw. starkes Sonnenlicht angepasst haben, nennt man Schatten- und Sonnenpflanzen, wobei Schattenpflanzen einen höheren Chlorophyllgehalt haben als Sonnenpflanzen. Wasser spielt eine wichtige Rolle in der Fotosynthese, ist aber gewöhnlich immer in ausreichender Menge vorhanden. Bei Trockenheit können Pflanzen einfach ihre Spaltöffnungen schließen. Eine besondere Anpassung an Wassermangel besitzen die CAM-Pflanzen. Bei Pflanzen unserer Breitengrade liegt das Temperaturoptimum bei 20–30 °C, es gibt aber auch thermophile Cyanobakterien, die ihr Fotosyntheseoptimum bei 70 °C haben (vgl. S. 52). Die Konzentration von CO2, die Lichtintensität, die Temperatur und die Wasserverfügbarkeit spielen eine Rolle in der Fotosynthese Quantenbiologie und Fotosynthese Der Laser, das Elektronenmikroskop, das Navigationssystem im Auto – viele technische Errungenschaften basieren auf der Theorie der Quantenmechanik1 aus der Physik, mit Hilfe derer wir die Eigenschaften von Atomen, Elektronen und Photonen besser verstehen können. Dass in lebendigen Organismen Quantenphänomene vorkommen, hielt man aber lange Zeit für unwahrscheinlich, wenn nicht unmöglich. Neue Forschungsergebnisse weisen aber darauf hin, dass in der Fotosynthese tatsächlich Quantenphänomene auftreten. Du weißt bereits aus dem Abschnitt zur Lichtreaktion der Fotosynthese, dass ein Fotosystem aus unzähligen lichtsammelnden Pigmenten besteht, die binnen Milliardstel Sekunden ein auftreffendes Photon absorbieren und die dessen Energie an das Reaktionszentrum, also an das zentrale Chlorophyll, weiterleiten (kAbb. 23). Der Wirkungsgrad dieses Aufsammelns und Weitergebens beträgt unglaubliche 95% – es geht fast keine Energie verloren! Es stellt sich die Frage, wie die Natur einen so hohen Wirkungsgrad zustande bringt. Durch eine unkoordinierte Weitergabe in alle Richtungen, bis die Energie irgendwann zufällig am Reaktionszentrum anlangt, kann man diese Effizienz nicht erklären. Aktuelle Ergebnisse aus der Physik zeigen, dass vermutlich quantenmechanische Effekte für den hohen Wirkungsgrad verantwortlich sind. Die Weiterleitung zum Reaktionszentrum erfolgt also wahrscheinlich nicht zufällig, sondern vielmehr koordiniert und gekoppelt zwischen unterschiedlichen Pigmentmolekülen in einem Fotosystem. Man nennt dies kohärente (zusammenhängende) Anregung oder Quantenkohärenz. Abb. 23: Aufbau eines Fotosystems. Photonen werden von den lichtsammelnden Pigmenten absorbiert und zum Reaktionszentrum weitergeleitet. Fotosystem Lichtenergie Energietransfer Chlorophylle P680 oder P700 Carotinoid Chlorophyll Erst im Reaktionszentrum wird die Anregungsenergie in chemische Energie umgewandelt. Obwohl die Hauptabläufe in der Fotosynthese seit langer Zeit bekannt sind, gibt es in diesem Forschungsbereich also nach wie vor neue Ergebnisse und offene, aktuelle Fragestellungen für die Wissenschaft. 1 Quantenmechanik: eine physikalische Theorie zur Beschreibung von Materie, die Berechnungen auch im Größenbereich von Atomen und kleinen Teilchen zulässt Quantenkohärenz erklärt die koordinierte Weitergabe der Energie ans zentrale Chlorophyll eines Fotosystems 1 W/E Fasse die Unterschiede zwischen C3, C4 und CAM-Pflanzen zusammen. Analysiere, unter welchen Bedingungen welche Spezialisten die höhere Fotosyntheseleistung haben. Nur zu Prüfzwecken – Eigent m d s Verlags öbv
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