In unseren Aquarien streben wir danach, ein einzigartiges Ökosystem zu schaffen, das alle im Becken ablaufenden Prozesse umfasst. Eine vollständige Symbiose ohne Eingriffe ist praktisch unmöglich. Daher bemühen wir uns, dem Ideal so nahe wie möglich zu kommen und alle natürlichen Phänomene in unseren Unterwasserökosystemen nachzubilden. Perfektionismus sichert beste Zuchtergebnisse.
Unserer Ansicht nach sind die wichtigsten Prozesse die Photosynthese und die Kreisläufe chemischer Zersetzung, wie beispielsweise der Stickstoffkreislauf. Alle einzelnen Prozesse sind miteinander verbunden. Im folgenden Artikel werden wir uns mit dem Verständnis der Photosynthese befassen.
Geschichte
Der englische Geistliche, Philosoph und Chemiker Joseph Priestley gilt als Pionier der Photosyntheseforschung. Um die Wende vom 18. zum 19. Jahrhundert faszinierte die Fähigkeit von Pflanzen, allein mit Luft, Wasser, einfachen Spurenelementen und Licht zu leben und zu wachsen, die Wissenschaftswelt. 1780 entdeckte der englische Chemiker Joseph Priestley, dass Pflanzen Sauerstoff produzieren – eine Komponente, die er zunächst einfach „Luft“ nannte. Er stellte fest, dass die von ihm erzeugte „Luft“ Kerzen außergewöhnlich hell brennen ließ. In Experimenten mit Mäusen fand er heraus, dass eine Maus in dem von ihm erzeugten Gas länger lebte als im gleichen Volumen normaler Luft. Nur wenige Jahre später formulierte der französische Chemiker Antoine Lavoisier das Konzept der Oxidation, bevor er während der Französischen Revolution enthauptet wurde. Die Rolle des Lichts in diesem Prozess wurde von dem dänischen Physiker Jan Ingenhousz aufgeklärt, der, inspiriert von Priestleys Experimenten, dessen Arbeit fortsetzte. Die Rolle der beiden anderen Komponenten der Photosynthese – Kohlendioxid und Wasser – wurde von zwei in Genf lebenden Chemikern, Jean Senebier und Théodor de Saussure, entdeckt. Damit war Folgendes festgestellt:
6 CO2 + 6 H2O →C6H12O6 + 6 O2
Photosynthese
„Die Natur hat sich das Problem gestellt, wie sie die auf die Erde treffenden Lichtstrahlen einfangen und bündeln kann, um so die wohl schwer fassbarste aller Kräfte zu bündeln. Pflanzen absorbieren eine Energieform – Licht – und produzieren eine andere – chemische Vielfalt.“ – Julius Mayer
Die Photosynthese, wissenschaftlich beschrieben, ist die Synthese organischer Verbindungen (Glucose) aus einfachen anorganischen Verbindungen (Mineralsalzen, Wasser) mithilfe geeigneter Pigmente und Lichtenergie. Dabei entstehen weniger oxidierte Verbindungen mit höherem Energiewert. Diese Verbindungen dienen als Bausteine für autotrophe Organismen und als Nahrung für heterotrophe Organismen. Durch die Fixierung von CO₂ und die Freisetzung von Sauerstoff trägt die Photosynthese außerdem zum Gleichgewicht der Atmosphäre bei. Sie ist somit ein grundlegender biologischer Prozess, der das Leben auf der Erde ermöglicht.
Die Photosynthese findet in Pflanzen, Bakterien und Protozoen statt und ist in spezialisierten Bereichen der Zelle lokalisiert. Bei Pflanzen sind dies Chloroplasten, Organellen, die im Parenchymgewebe der Blätter konzentriert sind.
Die Photosynthese ist ein komplexer Prozess, der in zwei Phasen abläuft.
Lichtphase (leuchtend)
Dies ist eine Reihe photochemischer Reaktionen, die Licht benötigen. Sie findet in den Granula statt, in denen Chlorophyll gespeichert ist. Die Hauptfunktion dieser Phase besteht darin, Lichtenergie in chemische Bindungsenergie umzuwandeln und dabei assimilative Energie in Form von NADPH₂ und ATP zu erzeugen, wobei Sauerstoff als Nebenprodukt entsteht.
Das transportierte Elektron verliert allmählich Energie, die teilweise als Wärme freigesetzt und teilweise als ATP gespeichert wird. Dieser Prozess wird als photosynthetische Phosphorylierung bezeichnet. Wasserstoffionen verbinden sich mit NADP zu NADPH₂, welches zusammen mit ATP die in der Dunkelphase benötigte Assimilationsenergie liefert. Elektronen aus dem Wassermolekül wandern zum Chlorophyll und füllen dessen Lücken. Sauerstoff entweicht derweil durch die Stomata in die Atmosphäre.
Dunkelphase (Calvin-Zyklus)
Dies ist der CO₂-Reduktionszyklus. Er besteht aus einer Reihe biochemischer Reaktionen, die die durch Licht erzeugte Energie nutzen. Er findet im Stroma der Chloroplasten statt, wo alle für diesen Prozess notwendigen Enzyme gespeichert sind.
Die Dunkelphase umfasst drei Hauptphasen:
• Carboxylierung: CO₂ aus der Atmosphäre wird an einen aktivierten Fünf-Kohlenstoff-Zucker – Ribulose-1,5-diphosphat (RuDP) oder Ribulose (RDP) – gebunden. Nach der Bindung zerfällt diese Sechs-Kohlenstoff-Verbindung in zwei Drei-Kohlenstoff-Moleküle – Phosphoglycerinsäure (PGA);
• Reduktion: PGA wird zu sechs Molekülen Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP) reduziert. Diese Reaktion benötigt NADPH₂ und ATP;
• Regeneration: Fünf GAP-Moleküle werden verwendet, um den CO₂-Akzeptor RuDP (drei CO₂-Moleküle werden gleichzeitig gebunden) wieder aufzubauen (zu regenerieren). Das verbleibende Molekül ist das Nettoprodukt der Photosynthese und dient als Substrat für die Bildung komplexerer organischer Verbindungen.
Die meisten Pflanzen nehmen CO2 direkt aus der Atmosphäre auf, indem sie es in den reduktiven Calvin-Zyklus einbauen.
Die Intensität der Photosynthese hängt von vielen Faktoren ab.
Äußere Faktoren:
• Licht – begrenzt die Lichtphase der Photosynthese. Es ist auch der Hauptfaktor, der die Entwicklung des Blattparenchyms, die Chlorophyllsynthese und die Chloroplastenbildung beeinflusst. Photosynthese findet sowohl unter natürlichem als auch unter künstlichem Licht statt. Allerdings wird nur ein Teil der auf das Blatt einfallenden Energie in chemische Energie von Assimilaten umgewandelt. Die Geschwindigkeit dieses Prozesses hängt sowohl von der Farbe und Intensität des Lichts als auch von der Pflanzenart ab. Schattenliebende Pflanzen erreichen ihre höchste Effizienz bereits bei einem Zehntel der Intensität des vollen Sonnenlichts. Lichtliebende Pflanzen wachsen am besten unter intensivem Licht. Zu viel Licht hemmt die Photosynthese und führt zur Oxidation und Inaktivierung von Chlorophyllmolekülen. Auch die Transpiration steigt übermäßig an, die Zellen verlieren ihren Turgor, wodurch sich die Stomata schließen und der CO₂-Einstrom gehemmt wird.
• Kohlendioxid (CO₂) – die vorhandene Konzentration ist für Pflanzen nicht optimal. Eine Erhöhung um etwa 0,12 % verdreifacht die Intensität der Photosynthese. Deshalb wird CO₂ verwendet. Gasförmiges CO₂ gelangt durch die Stomata in die Interzellularräume und diffundiert von dort in die grünen Parenchymzellen. Wasserpflanzen nehmen es in Form von HCO₃⁻-Ionen auf.
• Mineralsalze – eine Quelle von Substanzen für die Synthese und Aktivatoren vieler Umwandlungsprozesse. Ein Mangel an nur einem Nährstoff, selbst bei ausreichender Versorgung mit anderen, begrenzt die Photosynthese (Minimumgesetz). Beispielsweise wird bei Stickstoffsalzmangel die Chlorophyllsynthese gehemmt, und es kommt zu Blattchlorose.
• Temperatur – Die Photosynthese ist ein enzymatischer Prozess, dessen Temperaturoptimum bei 20–30 °C liegt. Oberhalb dieser Temperatur nimmt die Reaktionsintensität rasch ab. Der Toleranzbereich von Pflanzen variiert stark und hängt von ihrer Art und ihrem Standort ab. In den meisten Fällen kommt die Photosynthese bei einer Temperatur von 40 °C zum Erliegen.
Interne Faktoren:
• Struktur der an der Photosynthese beteiligten Organe und Gewebe: Blätter, Chlorenchymsystem, Stomata (Anzahl und Anordnung), Wasserspeichergewebe, Pigmente;
• physiologische Eigenschaften der Pflanze:
– die Fähigkeit, die Anordnung von Blättern und Chloroplasten zu beeinflussen;
– die Effizienz des Systems zur Versorgung mit Wasser und Mineralsalzen;
– Mechanismen zum Schutz vor Überhitzung und übermäßiger Transpiration.
Photoautotrophe Organismen nutzen Sonnenstrahlung mit Wellenlängen von etwa 400–700 nm und absorbieren dabei hauptsächlich blaues und rotes Licht. Farbige chemische Verbindungen, sogenannte Photosynthesepigmente (Assimilationspigmente), spielen in diesem Prozess eine Schlüsselrolle. Sie kommen in schattenliebenden Pflanzen in größerer Menge vor als in lichtliebenden.
Es gibt drei Hauptgruppen von Pigmenten:
Chlorophylle – sie absorbieren blaues und rotes Licht. Grüne Pigmente lösen sich in organischen Lösungsmitteln und Fetten, sind aber in Wasser unlöslich.
Jedes Chlorophyllmolekül besteht aus Phäoporophyrin, einem Porphyrinderivat. Im Zentrum befindet sich ein Magnesiumatom, das mit den Stickstoffatomen jedes Rings verbunden ist. Grüne Farbstoffe absorbieren sichtbares Licht im Bereich von 370–760 nm. Jeder dieser Farbstoffe besitzt ein charakteristisches Absorptionsspektrum mit zwei Maxima – eines im roten und eines im blauvioletten Bereich.
Carotinoide (z. B. β-Carotin) sind gelbe oder orangefarbene akzessorische Pigmente, die in allen photoautotrophen Organismen vorkommen. Sie absorbieren Licht aus dem blauvioletten Spektralbereich und übertragen es auf das Chlorophyllmolekül. Darüber hinaus schützen sie die Photosysteme vor überschüssiger Lichtenergie, die sie entweder absorbieren oder für andere physiologische Prozesse nutzen. Sie schützen die Zelle außerdem vor reaktiven Sauerstoffspezies (antioxidative Wirkung). Carotinoide sind Tetraterpene (Terpenoide mit 40 Kohlenstoffatomen). Sie sind photolierbar, d. h., sie verändern sich unter Lichteinwirkung. Sie kommen in geringeren Konzentrationen als Chlorophyll vor.
Phycobiline (z. B. Phycocyanin, Phycoerythrin) sind akzessorische Pigmente, die in Rotalgen und Cyanobakterien vorkommen. Sie sind die einzigen photosynthetischen Pigmente, die an wasserlösliche Proteine gebunden sind. Sie absorbieren Lichtenergie im Bereich von 450–600 nm und übertragen sie auf Chlorophyll. Dies ist eine Anpassung an das Leben in großen Tiefen.
QUELLEN:
- Claudia Girnth-Diamba und Bjørn Fahnøe; Beobachtung der Photosynthese in Wasserpflanzen
- Lubert Stryer „Biochemia“, Gemeinschaftsübersetzung herausgegeben von Jacek Augustyniak und Jan Michejda nach der vierten amerikanischen Auflage;
- Ewa Pyłka-Gutowska „Biologie. Vademecum für Abiturienten“; Verlag „Oświata“;
- Henryk Wiśniewski „Biologie für die dritte Klasse der allgemeinbildenden Sekundarschule mit einem grundlegenden und biologisch-chemischen Profil“,
- Photosynthese Adam Kuzdraliński