Der Baum als Lebewesen: Chemie: Photosynthese
Photosynthese
[Bearbeiten]Der Prozess der Photosynthese findet vor allem im den Blättern des Baumes statt und stellt einen der wichtigsten Vorgänge auf der Erde dar. Dabei wird durch chemische Reaktionen aus Wasser und Kohlenstoffdioxid (CO2) neue Biomasse und Sauerstoff (O2) produziert. Dazu wird allein Sonnenlicht benötigt.
Bedeutung
[Bearbeiten]Unzählig viele grüne Pflanzen auf der Erde betreiben diesen Prozess ununterbrochen, sobald die Sonne aufgeht. Dabei können sie etwas Unglaubliches erreichen: Die Produktion von Masse aus dem Nichts. Ganz stimmt das natürlich nicht, aber dennoch ist es eine unendliche Leistung. Pflanzen stellen damit den Anfang dar, egal was, aber Pflanzen haben es gemacht. Die Biomasse aller Lebewesen einschließlich Tieren und Menschen existieren nur, weil Pflanzen einmal notwendige Biomasse produziert haben. Zwar ist unser Planet reich an Energie wie Kohle, Gas und Radioaktivität, aber ohne einen Biomasseproduzenten wäre dieser so gut wie tot. Die Pflanzen machen das Leben erst möglich, indem sie Sauerstoff produzieren. Als die Pflanzen durch die Evolution die Photosynthese "erfanden", war unsere Atmosphäre absolut giftig, kein Mensch hätte dort leben können. Im Laufe der Jahrmillionen aber stieg der Prozentsatz von Sauerstoff (aktuell: ca. 20,1%) immer weiter an, was für viele der damaligen primitiven Lebewesen tödlich war, für sie war Sauerstoff reines Gift. Aber die Lebewesen passten sich an und ab da basierte fast jede Lebensform auf O2, so auch alle Säugetiere und wir Menschen.
Achtung! Woraus bestehen denn Erdöl und Erdgas? Diese beide Energielieferanten, die wir heute absolut ausnutzen, bildeten sich vor Millionen vor Jahren aus... genau, toten Tieren und Urwäldern. Und deren Masse kam ebenfalls ausschließlich aus Pflanzen, wir sehen, praktisch alles haben wir Pflanzen zu verdanken. Dabei gibt es ein Problem, wenn wir diese fossilen Energiestoffe verfeuern und die Energie nutzen, wird etwas frei, was die Pflanze dort vor unendlich langer Zeit gebunden hat... CO2. Heute ist dieses Gas schädlich für unser Klima und wird unser aller Leben drastisch verändern, wir können nur hoffen, dass wir die Produktion herunterfahren und die Pflanzen wieder so nett sind und es schön und sicher verpacken. Auch Alternativen wie synthetische Biokraftstoffe werden aus pflanzlichen Stoffen hergestellt. In jedem Fall liefert der Prozess der Photosynthese die Grundlage.
Überblick
[Bearbeiten]Also, fassen wir zusammen: Die Pflanze benötigt Wasser, CO2 und Sonnenlicht, daraus wird schließlich Sauerstoff und Biomasse.
- Netto-Reaktionsgleichung für die oxygene Photosynthese
Das kann man so schreiben wie hier oben. Die Teile, die links des Pfeiles stehen sind die Ausgangstoffe, die Teile, die rechts stehen sind die neu gebildeten Stoffe. Man nehme 6 Moleküle CO2 und 6 Moleküle Wasser, daraus werden am Ende 1 Molekül Traubenzucker (C6 H12 O6) und 6 Moleküle Sauerstoff. Delta H gibt an, wie viel Energie zugeführt werden muss, damit ein Mol gebildet werden kann. In diesem Falle sind pro Mol 2870 kiloJoule notwendig, diese Energie kommt alleine von der Sonne. Nun stell sich nur die Frage, wieso die Pflanze dies tut. Dabei versucht die Pflanze nur sich selbst zu ernähren, bei der Photosynthese wird Biomasse, also Traubenzucker in diesem Falle, gebildet, die Pflanzenzellen verbrennen wiederum diese Energie und wachsen. Der Sauerstoff, der für uns alle so extrem wichtig ist, ist dabei quasi nur ein Art Abfallprodukt.
Ausführlich
[Bearbeiten]Wie wir im letzten Kapitel gelesen haben, so findet die eigentliche Lichtreaktion in den Chloroplasten der Zellen statt. Beginnen wir mit dem Ursprung, dem Licht. Licht ist nichts anderes als eine Welle oder ein Teilchen, beide Zustände sind für uns denkbar und sie erklären viele Probleme. Die Lichtteilchen der Sonne (Photonen) existieren als unterschiedliche Wellen, bzw. Stärken. Man spricht von der Wellenlänge des Lichtes. Unterschiedliche Wellenlängen erzeugen andere Farben und sind unterschiedlich intensiv. Die Chloroplasten benötigen eine Wellenlänge im Bereich um 450-500nm und im Bereich um 680nm, nur wenn dieses Spektrum bereit steht läuft die Reaktion ab. Normales Sonnenlicht liefert sowieso alle Wellenlängen, von daher gibt es keine Einschränkung.
Nun trifft also das Lichtphoton auf einen Lichtsammelkomplex in den Thykaloiden (ein Granum besteht aus vielen Thykaloiden). Dieser Komplex wird durch die Strahlung angeregt und ein Elektron des Moleküls wird in einen energiereichen Zustand versetzt. Binnen einer Milliardstel Sekunde kehrt das Elektron in den Ausgangszustand zurück, aber die enthaltene Energie kann genutzt werden (falls nicht erzeugt es nur Wärme). Nun wird einerseits das enthaltene Wasser gespalten, H2O wird zu Sauerstoff (O) und Wasserstoff (H). Durch eine Kette von mehreren Redoxreaktionen gelangen Elektronen zu dem Molekül Nikotinamid-Adenin-Dinucleotid-Phosphat (NADP+), dieses wird dann reduziert zu NADP- und reagiert sofort mit einem freien Wasserstoff zu NADPH. Gleichzeitig wird aus ADP (Adenosin-Diphosphat) durch den Ladungsgradienten an der Thykaloidenmembran ATP (Adenosintriphosphat = Universalenergieträger in allen Lebewesen). Dies ist die sog. Primärreaktion oder Lichtreaktion genannt, weil hierbei immer Licht notwendig ist, Damit ist der Photosyntheseprozess allerdings nicht abgeschlossen, denn in der sich direkt anschließenden Sekundärreaktion werden die gebildeten Primärprodukte (NADPH und ATP) weiter umgewandelt.
Dabei wird aus diesen Produkten und CO2 letztlich die Biomasse gebildet, die wir ja alle brauchen. Dabei werden die Stoffe im sog. Calvin-Benson-Zyklus in verschiedenen Stufen umgewandelt, letztlich in Triosephosphat und dann Fructosephosphat, woraus anschließend wieder die Stoffe Glucosephosphat, Saccharose und Stärke gebildet wird. Damit wurde aus Wasser, CO2 und Licht der für uns lebensnotwendige Sauerstoff und neue Biomasse.
Wem diese Erklärung nicht genau genug ist (und ich muss mich entschuldigen, sie ist nicht sehr genau), dem möchte ich in den Quellen einige Bücher nennen, welche allein das Thema Photosynthese behandeln. Glücklicherweise ist der Vorgang der Photosynthese inzwischen sehr gut erforscht, allerdings gibt es noch immer Lücken im Wissen. Zudem wird Vorwissen aus der Chemie und Physik benötigt, um das vorhandene Wissen zu verstehen.
