Was ist Photosynthese?

Die Photosynthese ist der Prozess, mit dem Pflanzen, Algen und bestimmte Bakterien Energie aus dem Sonnenlicht nutzen und in chemische Energie umwandeln. Hier beschreiben wir die allgemeinen Prinzipien der Photosynthese und zeigen auf, wie Wissenschaftler diesen natürlichen Prozess untersuchen, um zur Entwicklung sauberer Brennstoffe und erneuerbarer Energiequellen beizutragen. 

Arten der Photosynthese

Es gibt zwei Arten von Photosyntheseprozessen: die sauerstoffhaltige Photosynthese und die anoxygene Photosynthese. Die allgemeinen Prinzipien der anoxygenen und sauerstoffhaltigen Photosynthese sind sehr ähnlich, aber die sauerstoffhaltige Photosynthese ist die häufigste und tritt bei Pflanzen, Algen und Cyanobakterien auf. 

Während der sauerstoffhaltigen Photosynthese überträgt Lichtenergie Elektronen aus Wasser (H.₂O) zu Kohlendioxid (CO₂), um Kohlenhydrate zu produzieren. Bei dieser Übertragung wird der CO₂ wird "reduziert" oder empfängt Elektronen und das Wasser wird "oxidiert" oder verliert Elektronen. Letztendlich wird Sauerstoff zusammen mit Kohlenhydraten produziert.

Die sauerstoffhaltige Photosynthese wirkt als Gegengewicht zur Atmung, indem sie das von allen atmenden Organismen erzeugte Kohlendioxid aufnimmt und der Atmosphäre wieder Sauerstoff zuführt.

Andererseits verwendet die anoxygene Photosynthese andere Elektronendonoren als Wasser. Der Prozess tritt typischerweise bei Bakterien wie Purpurbakterien und grünen Schwefelbakterien auf, die hauptsächlich in verschiedenen aquatischen Lebensräumen vorkommen.

"Anoxygene Photosynthese produziert keinen Sauerstoff - daher der Name", sagte David Baum, Professor für Botanik an der Universität von Wisconsin-Madison. "Was produziert wird, hängt vom Elektronendonor ab. Beispielsweise verwenden viele Bakterien das nach schlechten Eiern riechende Gas Schwefelwasserstoff und produzieren als Nebenprodukt festen Schwefel."

Obwohl beide Arten der Photosynthese komplexe, mehrstufige Angelegenheiten sind, kann der Gesamtprozess als chemische Gleichung übersichtlich zusammengefasst werden.

Die sauerstoffhaltige Photosynthese wird wie folgt geschrieben: 

6CO₂ + 12H₂O + Lichtenergie → C.₆H.₁₂Ö₆ + 6O₂ + 6H₂Ö

Hier sechs Moleküle Kohlendioxid (CO₂) mit 12 Wassermolekülen verbinden (H.₂O) mit Lichtenergie. Das Endergebnis ist die Bildung eines einzelnen Kohlenhydratmoleküls (C.₆H.₁₂Ö₆, oder Glukose) zusammen mit jeweils sechs Molekülen atmungsaktiven Sauerstoffs und Wassers.

In ähnlicher Weise können die verschiedenen anoxygenen Photosynthesereaktionen als eine einzige verallgemeinerte Formel dargestellt werden:

CO₂ + 2H₂A + Lichtenergie → [CH₂O] + 2A + H.₂Ö

Der Buchstabe A in der Gleichung ist eine Variable und H.₂A repräsentiert den potentiellen Elektronendonor. Beispielsweise kann A Schwefel im Elektronendonor Schwefelwasserstoff (H) darstellen₂S), erklärten Govindjee und John Whitmarsh, Pflanzenbiologen an der Universität von Illinois in Urbana-Champaign, in dem Buch "Konzepte in der Photobiologie: Photosynthese und Photomorphogenese" (Narosa Publishers und Kluwer Academic, 1999)..

Der Photosyntheseapparat

Das Folgende sind zelluläre Komponenten, die für die Photosynthese wesentlich sind. 

Pigmente

Pigmente sind Moleküle, die Pflanzen, Algen und Bakterien Farbe verleihen, aber auch dafür verantwortlich sind, Sonnenlicht effektiv einzufangen. Pigmente unterschiedlicher Farben absorbieren unterschiedliche Wellenlängen des Lichts. Nachfolgend sind die drei Hauptgruppen aufgeführt.

• Chlorophylle: Diese grün gefärbten Pigmente können blaues und rotes Licht einfangen. Chlorophylle haben drei Subtypen: Chlorophyll a, Chlorophyll b und Chlorophyll c. Nach Eugene Rabinowitch und Govindjee in ihrem Buch "Photosynthese" (Wiley, 1969) kommt Chlorophyll a in allen photosynthetisierenden Pflanzen vor. Es gibt auch eine bakterielle Variante mit dem treffenden Namen Bakteriochlorophyll, die Infrarotlicht absorbiert. Dieses Pigment kommt hauptsächlich in lila und grünen Bakterien vor, die eine anoxygene Photosynthese durchführen.  
• Carotinoide: Diese rot, orange oder gelb gefärbten Pigmente absorbieren bläulich-grünes Licht. Beispiele für Carotinoide sind Xanthophyll (gelb) und Carotin (orange), von denen Karotten ihre Farbe erhalten.
• Phycobiline: Diese roten oder blauen Pigmente absorbieren Lichtwellenlängen, die von Chlorophyllen und Carotinoiden nicht so gut absorbiert werden. Sie kommen in Cyanobakterien und Rotalgen vor. 

Plastiden

Photosynthetische eukaryotische Organismen enthalten Organellen, sogenannte Plastiden, in ihrem Zytoplasma. Die doppelmembranigen Plastiden in Pflanzen und Algen werden als primäre Plastiden bezeichnet, während die im Plankton vorkommende mehrmembranige Sorte als sekundäre Plastiden bezeichnet wird. Dies geht aus einem Artikel in der Zeitschrift Nature Education von Cheong Xin Chan und Debashish Bhattacharya hervor, Forschern der Rutgers University in New Jersey.

Plastiden enthalten im Allgemeinen Pigmente oder können Nährstoffe speichern. Farblose und nicht pigmentierte Leukoplasten speichern Fette und Stärke, während Chromoplasten Carotinoide und Chloroplasten Chlorophyll enthalten, wie in Geoffrey Coopers Buch "The Cell: A Molecular Approach" (Sinauer Associates, 2000) erläutert.. 

Die Photosynthese findet in den Chloroplasten statt; speziell in den Regionen Grana und Stroma. Das Grana ist der innerste Teil der Organelle; eine Sammlung scheibenförmiger Membranen, die wie Platten zu Säulen gestapelt sind. Die einzelnen Scheiben werden Thylakoide genannt. Hier findet der Elektronentransfer statt. Die leeren Räume zwischen den Grana-Säulen bilden das Stroma.   

Chloroplasten ähneln Mitochondrien, den Energiezentren von Zellen, insofern, als sie ein eigenes Genom oder eine Sammlung von Genen haben, die in zirkulärer DNA enthalten sind. Diese Gene codieren Proteine, die für die Organelle und die Photosynthese essentiell sind. Wie die Mitochondrien wird auch angenommen, dass Chloroplasten durch den Prozess der Endosymbiose aus primitiven Bakterienzellen stammen. 

"Plastiden stammten von verschlungenen photosynthetischen Bakterien, die vor mehr als einer Milliarde Jahren von einer einzelligen eukaryotischen Zelle erworben wurden", sagte Baum. Baum erklärte, dass die Analyse von Chloroplastengenen zeigt, dass es einst ein Mitglied der Gruppe der Cyanobakterien war, "der einen Gruppe von Bakterien, die eine sauerstoffhaltige Photosynthese erreichen können". 

In ihrem Artikel von 2010 weisen Chan und Bhattacharya darauf hin, dass die Bildung von Sekundärplastiden nicht gut durch die Endosymbiose von Cyanobakterien erklärt werden kann und dass die Ursprünge dieser Klasse von Plastiden immer noch umstritten sind.

Antennen

Pigmentmoleküle sind mit Proteinen assoziiert, wodurch sie sich flexibel in Richtung Licht und aufeinander zu bewegen können. Eine große Sammlung von 100 bis 5.000 Pigmentmolekülen stellt laut einem Artikel von Wim Vermaas, Professor an der Arizona State University, "Antennen" dar. Diese Strukturen fangen effektiv Lichtenergie von der Sonne in Form von Photonen ein.

Letztendlich muss Lichtenergie auf einen Pigment-Protein-Komplex übertragen werden, der sie in Form von Elektronen in chemische Energie umwandeln kann. In Pflanzen wird beispielsweise Lichtenergie auf Chlorophyllpigmente übertragen. Die Umwandlung in chemische Energie wird erreicht, wenn ein Chlorophyllpigment ein Elektron ausstößt, das dann zu einem geeigneten Empfänger übergehen kann. 

Reaktionszentren

Die Pigmente und Proteine, die Lichtenergie in chemische Energie umwandeln und den Prozess des Elektronentransfers beginnen, werden als Reaktionszentren bezeichnet.

Der Photosynthesevorgang

Die Reaktionen der pflanzlichen Photosynthese sind in solche unterteilt, die Sonnenlicht erfordern, und solche, die dies nicht tun. Beide Arten von Reaktionen finden in Chloroplasten statt: lichtabhängige Reaktionen im Thylakoid und lichtunabhängige Reaktionen im Stroma. 

Lichtabhängige Reaktionen (auch Lichtreaktionen genannt): Wenn ein Lichtphoton auf das Reaktionszentrum trifft, setzt ein Pigmentmolekül wie Chlorophyll ein Elektron frei.

"Der Trick, um nützliche Arbeit zu leisten, besteht darin, zu verhindern, dass dieses Elektron seinen Weg zurück in seine ursprüngliche Heimat findet", sagte Baum. "Dies ist nicht leicht zu vermeiden, da das Chlorophyll jetzt ein 'Elektronenloch' hat, das dazu neigt, nahegelegene Elektronen anzuziehen."

Das freigesetzte Elektron kann entkommen, indem es sich durch eine Elektronentransportkette bewegt, die die Energie erzeugt, die zur Erzeugung von ATP (Adenosintriphosphat, eine chemische Energiequelle für Zellen) und NADPH benötigt wird. Das "Elektronenloch" im ursprünglichen Chlorophyllpigment wird gefüllt, indem ein Elektron aus Wasser entnommen wird. Infolgedessen wird Sauerstoff in die Atmosphäre freigesetzt.

Lichtunabhängige Reaktionen (auch Dunkelreaktionen genannt und als Calvin-Zyklus bekannt): Lichtreaktionen produzieren ATP und NADPH, die reichhaltigen Energiequellen, die Dunkelreaktionen auslösen. Der Calvin-Zyklus besteht aus drei chemischen Reaktionsschritten: Kohlenstoff-Fixierung, Reduktion und Regeneration. Diese Reaktionen verwenden Wasser und Katalysatoren. Die Kohlenstoffatome aus Kohlendioxid sind “Fest,” wenn sie in organische Moleküle eingebaut werden, die letztendlich Drei-Kohlenstoff-Zucker bilden. Diese Zucker werden dann zur Herstellung von Glukose verwendet oder recycelt, um den Calvin-Zyklus erneut einzuleiten. 

Photosynthese in der Zukunft

Photosynthetische Organismen sind ein mögliches Mittel zur Erzeugung sauber brennender Brennstoffe wie Wasserstoff oder sogar Methan. Kürzlich hat eine Forschungsgruppe an der Universität von Turku in Finnland die Fähigkeit von Grünalgen zur Wasserstoffproduktion genutzt. Grünalgen können einige Sekunden lang Wasserstoff produzieren, wenn sie zuerst dunklen, anaeroben (sauerstofffreien) Bedingungen ausgesetzt und dann Licht ausgesetzt werden. Das Team entwickelte einen Weg, um die Wasserstoffproduktion von Grünalgen auf bis zu drei Tage zu verlängern, wie in ihrer Studie angegeben Studie 2018 in der Zeitschrift Energy & Environmental Science veröffentlicht.

Wissenschaftler haben auch Fortschritte auf dem Gebiet der künstlichen Photosynthese gemacht. Beispielsweise entwickelte eine Gruppe von Forschern der University of California in Berkeley ein künstliches System zum Einfangen von Kohlendioxid mithilfe von Nanodrähten oder Drähten mit einem Durchmesser von einigen Milliardstel Metern. Die Drähte werden in ein System von Mikroben eingespeist, die Kohlendioxid unter Verwendung von Sonnenenergie zu Kraftstoffen oder Polymeren reduzieren. Das Team veröffentlichte sein Design 2015 in der Zeitschrift Nano Letters.  

Im Jahr 2016 veröffentlichten Mitglieder derselben Gruppe in der Fachzeitschrift Science eine Studie, in der ein weiteres künstliches Photosynthesesystem beschrieben wurde, bei dem mithilfe von speziell entwickelten Bakterien flüssige Brennstoffe aus Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid hergestellt wurden. Im Allgemeinen können Pflanzen nur etwa ein Prozent der Sonnenenergie nutzen und während der Photosynthese organische Verbindungen herstellen. Im Gegensatz dazu konnte das künstliche System der Forscher 10 Prozent der Sonnenenergie für die Herstellung organischer Verbindungen nutzen.

Die fortgesetzte Erforschung natürlicher Prozesse wie der Photosynthese hilft Wissenschaftlern bei der Entwicklung neuer Wege zur Nutzung verschiedener erneuerbarer Energiequellen. Da Sonnenlicht, Pflanzen und Bakterien allgegenwärtig sind, ist die Nutzung der Photosynthese ein logischer Schritt zur Schaffung sauber brennender und klimaneutraler Brennstoffe.

Zusätzliche Ressourcen:

• Universität von Kalifornien, Berkeley: Photosynthetische Pigmente
• Arizona State University: Eine Einführung in die Photosynthese und ihre Anwendungen
• Universität von Illinois in Urbana-Champaign: Was ist Photosynthese??