Photosynthese ist der biologische Prozess, der Lichtenergie in chemische Energie umwandelt, die in Zucker gespeichert ist. Nach Angaben der National Geographic Education nutzen Pflanzen Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid, um Sauerstoff und Energie in Form von Zucker zu erzeugen. Dabei nehmen sie Kohlendioxid und Wasser auf und geben Sauerstoff ab, während sie Energie in Glukosemolekülen speichern.
Wo es passiert: im Chloroplasten
Der Prozess findet in Chloroplasten statt, Organellen, die in Pflanzen- und Algenzellen vorkommen, nach Angaben der National Geographic Education. Chloroplasten enthalten zwei Schlüsselregionen, die in biologischen Referenzen auf bio.libretexts.org beschrieben werden: die Thylakoidmembranen, wo lichtabhängige Reaktionen stattfinden, und das Stroma, der Flüssigkeitsraum, in dem die lichtunabhängigen Reaktionen des Calvin-Zyklus stattfinden.
Chlorophyll, das grüne Pigment in den Thylakoidmembranen, absorbiert Energie hauptsächlich von blauen und roten Lichtwellenlängen und reflektiert grünes Licht, weshalb die meisten Blätter grün sind, wie National Geographic Education vermerkt.
Stufe eins: Die lichtabhängigen Reaktionen
In der Thylakoidmembran wird die von Chlorophyll in einer Struktur namens Photosystem II absorbierte Lichtenergie verwendet, um Wassermoleküle zu spalten, nach bio.libretexts.org. Diese Spaltung setzt zwei Elektronen, zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom frei; der Sauerstoff wird als Nebenprodukt freigesetzt, was die Quelle des Sauerstoffs ist, den Pflanzen abgeben.
Die freigesetzten Elektronen wandern durch eine Elektronentransportkette von Photosystem II durch einen Komplex namens Cytochrom b6f zu Photosystem I, verlieren dabei Energie und werden durch bei Photosystem I absorbiertes Licht wieder energetisiert, nach bio.libretexts.org. Während Elektronen durch Cytochrom b6f wandern, werden Wasserstoffionen über die Thylakoidmembran gepumpt, was einen Konzentrationsgradient aufbaut. Dieser Gradient treibt die Chemiosmose an, bei der ATP-Synthase eine Phosphatgruppe zu ADP hinzufügt, um ATP zu bilden. Bei Photosystem I werden hochenergetische Elektronen letztlich verwendet, um NADP⁺ in NADPH umzuwandeln.
Das Nettoresultat dieser Stufe, wie von bio.libretexts.org zusammengefasst, ist die Reaktion: 2 H₂O + 2 NADP⁺ + 3 ADP + 3 Pi → O₂ + 2 NADPH + 3 ATP. Das hier erzeugte ATP und NADPH tragen chemische Energie in die zweite Stufe.
Stufe zwei: Der Calvin-Zyklus
Der Calvin-Zyklus findet im Stroma statt und benötigt nicht direkt Licht, nach bio.libretexts.org. Er läuft in drei Stadien ab. Zuerst verbindet das Enzym RuBisCO in der Kohlenstofffixierung Kohlendioxid mit einem fünfkohlenstoffhaltigen Molekül namens RuBP und erzeugt zwei Moleküle 3-Phosphoglyzerinsäure (3-PGA) für jedes fixierte CO₂.
Zweitens, in der Reduktion, wandeln ATP und NADPH, die während der lichtabhängigen Reaktionen erzeugt wurden, 3-PGA in Glycerinaldehyd-3-phosphat (G3P) um, das Baustein, den Pflanzen zur Herstellung von Glukose und anderen Kohlenhydraten verwenden. Drittens, in der Regeneration, wird der größte Teil des produzierten G3P verwendet, um RuBP zu regenerieren, wobei zusätzliches ATP verwendet wird, damit der Zyklus fortgesetzt werden kann, nach bio.libretexts.org.
Die Herstellung eines Moleküls G3P erfordert drei Zyklen, was drei Moleküle CO₂, neun ATP und sechs NADPH verbraucht; die Bildung eines Glukosemoleküls erfordert sechs Zyklen des Zyklus, nach bio.libretexts.org.
Warum Photosynthese über die Pflanze hinaus wichtig ist
National Geographic Education stellt fest, dass die meisten Lebewesen auf der Erde von der Photosynthese abhängen: Herbivoren erhalten Energie durch das Essen von Pflanzen, und Fleischfresser erhalten sie indirekt durch das Essen von Herbivoren, was Photosynthese zum Einstiegspunkt für Energie in die meisten Nahrungsketten macht. Der Prozess ist auch die Hauptquelle für atmosphärischen Sauerstoff.
Landpflanzen sind nicht die einzigen Photosynthetiker, die für die Sauerstoffversorgung des Planeten wichtig sind. Nach Angaben des National Ocean Service der NOAA stammt etwa die Hälfte des Sauerstoffs der Erde aus dem Ozean, produziert durch Phytoplankton – treibende Pflanzen, Algen und einige Bakterien, die zu Photosynthese fähig sind. NOAA hebt Prochlorococcus hervor, beschrieben als der kleinste Photosyntheseorganismus auf der Erde, als eine Art, die allein bis zu 20% des Sauerstoffs in der gesamten Biosphäre produziert, mehr als alle tropischen Regenwälder zusammen.
NOAA bemerkt auch einen wichtigen Vorbehalt: im Ozean wird ungefähr so viel Sauerstoff durch Photosynthese produziert, wie durch Meereslebewesen durch Atmung und Zersetzung verbraucht wird, daher funktioniert der Ozean eher als ein ausgewogener Sauerstoffkreislauf als als Nettogain für die Atmosphäre.
Die beiden Stadien auf einen Blick
Lichtabhängige Reaktionen vs. der Calvin-Zyklus| Merkmal | Lichtabhängige Reaktionen | Calvin-Zyklus |
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| Ort im Chloroplasten | Thylakoidmembran | Stroma |
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| Benötigt direkt Licht? | Ja | Nein |
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| Wichtigste Eingaben | Licht, Wasser (H₂O) | CO₂, ATP, NADPH |
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| Hauptausgaben | ATP, NADPH, O₂ | G3P (Baustein von Glukose), ADP, NADP⁺ |
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| Schlüsselmolekül/Enzym | Chlorophyll, Photosysteme I & II | RuBisCO |
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