Unter der Photosynthese versteht man die Bildung von Kohlenhydraten (Zuckern) aus Kohlendioxid und Wasser, die in grünen Pflanzen im Sonnenlicht erfolgt, wobei unter Mitwirkung von Chlorophyll Sonnenenergie in chemische Energie umgewandelt wird.
Damit ist die Photosynthese eine grundlegende Stoffwechselreaktion und einer der wichtigsten biologischen Energie-Direktumwandlungs-Prozesse überhaupt.
Zu den Photosynthese betreibenden Organismen zählen die meisten höheren Pflanzen, Algen und auch einige Bakterien.
Man bezeichnet diese Organismen auch als autotroph d.h. „selbsternährend“, da sie ihre Baustoffe ausschließlich aus anorganischen Vorprodukten selbst herstellen können.
Im Gegensatz dazu müssen heterotrophe Organismen ihre Baustoffe aus organischen Verbindungen aus der Umwelt aufbauen; sie sind demnach in ihrer Ernährung von den autotrophen Pflanzen abhängig.
Zu den heterotrophen Organismen zählen Menschen, Tiere, Pilze und die meisten Bakterien.
Allgemein lässt sich sagen, dass Photosynthese betreibende Organismen das Leben der anderen Organismen erst ermöglichen.
In der Schule wird die Photosynthese nach der einfachen Bruttogleichung beschrieben:
6CO2+12H2O+ Lichtenergie=C6H12O6+6O2+6H2O Kohlenhydrat
Der Sauerstoff ist rot markiert um zu zeigen, dass er aus dem Wasser (H2O) stammt.
Dass bei der Photosynthese Sauerstoff freigesetzt wird, kann man in einem einfachen Schulversuch zeigen:
Wenn man Sprosse der Wasserpest (Elodea canadensis) in der gezeigten Vorrichtung belichtet, kann man den bei der Photosynthese gebildeten Sauerstoff in einem Reagenzglas auffangen und durch die Entzündung eines glimmenden Spans nachweisen.
Durch die Photosynthese wird also der für das Leben auf der Erde notwendige Sauerstoff freigesetzt.
Der chemische Ablauf der Photosynthese ist heute von Biochemikern bis in viele Details aufgeklärt worden und erwartungsgemäß viel komplizierter, als es durch die vorher gezeigte Bruttogleichung zum Ausdruck kommt.
Ich will trotzdem versuchen, durch Rückgriff auf vereinfachte schematische Abbildungen den komplizierten Vorgang in eine auch für Laien verständliche Form zu bringen.
Die Photosynthese findet in den grünen Blättern statt, genauer gesagt in den Chloroplasten, die dort in das Protoplasma der Zellen eingelagert sind.
Aus dem unteren Teilbild wird ersichtlich, dass die Photosynthese in 2 Teilschritten erfolgt, nämlich in der Lichtreaktion
und dem
Calvin Zyklus.
Die Lichtreaktion (der „Photo-Teil“) findet in der Thylakoid-Membran der Chloroplasten statt.
Hierbei wird Lichtenergie eingefangen, die zusammen mit Wasser in chemische Energie in Form der Nukleotide ATP und NADPH umgewandelt wird. Dabei wird Sauerstoff (O2) freigesetzt.
Im Calvin-Zyklus (dem „Synthese-Teil“) wird mit Hilfe von ATP und NADPH aus der Lichtreaktion das CO2 der Luft zu Kohlenhydraten reduziert.
Den gesamten Prozess bezeichnet man als die CO2-Assimilation der Pflanzen.
Das soll für einen Gesamtüberblick zunächst genügen. Die aufgeführten Teilschritte der Photosynthese werden dann noch im Einzelnen besprochen.
Zunächst muss aber noch darauf hingewiesen werden, dass das Leben auf der Erde nur erhalten werden kann, wenn die Photosynthese mit dem gegenläufigen Prozess der Atmung im Gleichgewicht steht.
Bei der Photosynthese in den Chloroplasten werden mit Hilfe von Lichtenergie Zucker und Sauerstoff O2 gebildet.
Bei der Atmung wird aus den Zuckern in den Mitochondrien der Zellen das energiereiche ATP gebildet, das den größten Teil der Arbeit in den Zellen antreibt.
Die Nebenprodukte der Atmung CO2 und H2O stehen wieder für die Photosynthese zur Verfügung.
Mit dem Beginn der Industrialisierung hat der Mensch durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe mehr CO2 in die Luft geblasen als durch die Photosynthese wieder als pflanzliches Material gebunden werden konnte.
Die derzeitige Klimaerwärmung ist z.T. durch den vom Menschen verursachten CO2-Anstieg in der Atmosphäre hervorgerufen worden.
Kehren wir nun wieder zum eigentlichen Thema des Referates zurück, indem wir uns den 1. Teilprozess der Photosynthese, nämlich die Lichtreaktion näher ansehen.
In der Lichtreaktion erfolgt die Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie.
Die Lichtenergie wird im grünen Blatt aufgenommen, das wir uns jetzt im Querschnitt ansehen wollen.
Bei den meisten Pflanzen wird das Licht im Palisadenparenchym des Blattes aufgenommen, das unmittelbar unter der oberen Epidermis liegt.
Das Palisadenparenchym ist besonders intensiv grün gefärbt, weil die Zellen dort sehr viele Chloroplasten tragen.
Wie schon erwähnt, findet die eigentliche Lichtreaktion in der Thylakoidmembran der Chloroplasten statt.
Das Bild zeigt den schematischen Aufbau eines Chloroplasten
Im Innenraum, dem Stroma des Chloroplasten, sind die einzelnen Thylakoide zu Stapeln zusammengefasst, die man Granum nennt.
In der Membran der Thylakoide, der Thylakoidmembran, findet die Lichtreaktion statt.
Im folgenden Bild sind die bei der Lichtreaktion beteiligten Strukturelemente in ihrer Gesamtheit dargestellt.
Das Bild zeigt noch einmal die zellulären Strukturelemente für die Lichtreaktion:
Das Chlorophyll ist in den Chloroplasten festgelegt.
Die Chloroplasten enthalten in ihrem Inneren stapelförmige Thylakoide; in den Membranen der Thylakoide findet die Lichtreaktion statt.
Das Teilbild links oben zeigt schematisch den Aufbau einer Thylakoidmembran:
Blau dargestellt sind die Lipid-Doppelschichten der Membran.
In die Doppelschicht eingelagert ist ein Komplex aus Proteinen, den man als Photosystem bezeichnet.
Das Photosystem besteht aus einem Reaktionszentrum und aus Antennenpigmenten.
Als Antennenpigmente dienen die Chlorophylle und Carotinoide als Hilfspigmente.
Die Antennenpigmente nehmen die Lichtenergie auf und leiten sie über Zwischenstufen an das Chlorophyll a im
Reaktionszentrum weiter.Das dadurch energetisch aktivierte Chlorophyll a überträgt ein Elektron an den primären Elektronenakzeptor.
Dieser Prozess kann wiederholt stattfinden.
Das Bild zeigt im unteren Teil die Absorptionsmaxima der einzelnen Antennenpigmente.
Die obere schwarze Kurve zeigt, dass durch das Zusammenwirken der Antennenpigmente das Wirkungsspektrum der Photosynthese stark gestiegen ist.
Das Wirkungsspektrum der Photosynthese hat je ein Maximum im blauen und im roten Bereich.
Ein Minimum liegt dagegen im grüngelben Bereich.
Das bedeutet, dass Licht aus diesem Spektralbereich reflektiert wird, weshalb die Blätter mehr oder weniger grün erscheinen.
Das Bild zeigt den Elektronentransport während der gesamten Lichtreaktion dargestellt im so genannten Z-Schema.
Zunächst ist festzustellen, dass es 2 Photosysteme gibt: Photosystem II und Photosystem I.
Im Photosystem II (links) wird unter dem Einfluss von Licht Wasser oxidiert, wobei Sauerstoff O2 freigesetzt wird.
Die dabei gewonnenen 2 Elektronen werden vom Reaktionszentrum P680 auf den dazugehörigen primären Elektronenakzeptor angehoben.
Das Reaktionszentrum P680 besitzt ein Absorptionsmaximum bei 680 nm.
Die beiden Elektronen werden durch Elektronencarrier auf einer Elektronentransportkette auf das tiefer gelegene Photosystem I abgeleitet.
Die Elektronen verlieren dabei nichts an elektrischer Energie; sie verlieren nur potentielle Energie der Lage.
Die potentielle Energie wird dazu benutzt, um energiereiches ATP zu synthetisieren.
Im Photosystem I werden die Elektronen durch Zufuhr von Licht am Reaktionszentrum P700 wieder auf einen dazugehörigen primären Elektronenakzeptor angehoben.
Das Reaktionszentrum P700 besitzt ein Absorptionsmaximum bei 700 nm.
Nun werden die Elektronen erneut über eine Elektronentransportkette zum Enzym NADP-Reduktase weitergeleitet.
Dort wird die elektrische Energie der Elektronen in chemische Energie umgewandelt, indem aus dem energiearmen NADP+ das energiereiche NADPH gebildet wird.
NADPH ist ein Reduktionsmittel, das überall verwendet wird, wenn in der Zelle Stoffe reduziert werden müssen.
Viele Vorgänge in lebenden Zellen brauchen an unterschiedlichen Stellen Adenosintriphosphat ATP als Energiequelle.
Wie schon erwähnt, wird dieser wichtige Energieträger bei der Lichtreaktion der Photosynthese hergestellt.
Es lohnt sich deshalb, sich den chemischen Ablauf der ATP-Synthese näher anzusehen.
Wie schon gezeigt, erfolgt am Photosystem II unter Lichteinfluss die Spaltung des Wassers, wobei Sauerstoff (O2) entsteht und gleichzeitig 2 Protonen H+ in den Innenraum des Thylakoiden abgegeben werden.
Die Protonenpumpe PQ pumpt zusätzlich Protonen in den Innenraum des Thylakoiden.
Dadurch entsteht ein Protonengradient gegenüber dem Außenraum des Thylakoiden und damit eine neue Form von chemischer Energie.
In dem Enzym ATP-Synthase werden die Protonen bei einer osmotischen Entspannung wieder nach außen abgegeben.
Die dabei freigesetzte Energie nutzt die ATP-Synthase, um aus anorganischem Phosphat und ADP das energiereiche ATP herzustellen.
Man bezeichnet den Vorgang als Chemiosmose.
Der britische Chemiker Mitchell hat für die Aufklärung der Vorgänge bei der Chemiosmose 1978 den Nobelpreis erhalten.
Weil die Energie für die Umwandlung von ADP in ATP letztlich aus dem Licht stammt, wird die Reaktion auch als Photophosphorylierung bezeichnet.
Wir wollen uns jetzt die Struktur der Nukleotide näher ansehen, die bei der Lichtreaktion gebildet wurden.
Zunächst das ATP:
Man kann das System ATP-ADP als einen molekularen Akku bezeichnen, wobei die chemische Energie in der letzten P-O-P-Bindung des ATP gespeichert ist.
Die dort gespeicherte Energie steht für alle Prozesse in der Zelle zur Verfügung, die Energie benötigen.
Bei der Freisetzung dieser Energie wird ATP in ADP überführt, wobei die letzte P-O-P-Bindung gespalten und anorganisches Phosphat freigesetzt wird.
Aus diesen Ausgangsstoffen kann in der Lichtreaktion der Photosynthese wieder energiereiches ATP gebildet werden.
Der Kreis ist damit geschlossen und der molekulare Akku ist wieder geladen.
Nun zum System NADPH-NADP:
NADP+ wird durch die Aufnahme von Wasserstoff (H), der letztlich aus der Spaltung von Wasser in der Lichtreaktion stammt, in NADPH umgewandelt.
Die Veränderungen zeigen sich im obersten Ringsystem.
Das System NADP-NADPH steht für Redoxreaktionen in der Zelle zur Verfügung.
Um den Gesamtzusammenhang nicht zu verlieren, verschaffen wir uns wieder einen Überblick über die ganze Photosynthese.
Wir haben bisher die im linken Teilbild dargestellte Lichtreaktion besprochen.
Dabei wird die Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt, die in den Reaktionsprodukten NADPH und ATP enthalten ist.
Durch die Spaltung des Wassers wird auch Sauerstoff (O2) freigesetzt.
Man kann den Vorgang durchaus mit dem Betrieb einer Solarzelle vergleichen, in der Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt wird.
Solarzellen wandeln gewöhnlich ca. 5% der absorbierten Sonnenenergie in elektrische Energie und Wärme um.
Bei der Lichtreaktion werden dagegen 32% des absorbierten Lichtes umgesetzt.
Leider lässt sich diese hervorragende Energieausbeute nicht für die gesamte Photosynthese festschreiben, weil in dem sich anschließenden Calvin-Zyklus durch Photorespiration wieder viel Energie verloren geht.
Wir werden das noch besprechen.
Wenden wir uns nun dem Calvin-Zyklus, also dem Syntheseteil der Photosynthese zu.
Dieser Teil wird oft auch als Dunkelreaktion bezeichnet. Diese Bezeichnung ist jedoch nicht ganz korrekt, denn der Calvin-Zyklus kann lediglich Licht nicht als Energiequelle nutzten.
Das Bild zeigt den Bruttoumsatz des Calvin-Zyklus:
Aus 6 eingespeisten CO2-Molekülen entsteht nach 6 Durchläufen 1 Molekül Glucose (Traubenzucker).
Um einen besseren Überblick über das Geschehen zu gewinnen, betrachtet man besser nur einen Durchlauf also die Umsetzung eines CO2-Moleküls.
In diesem Fall muss man die roten Zahlen durch 6 teilen.
Im ersten Schritt lagert sich 1CO2-Molekül an ein C5-Molekül
(Ribulose-1,5.biphosphat) an.
Unter Mithilfe des Enzyms Rubisco entstehen dabei 2 Moleküle mit 3 C-Atomen (Glycerinsäure-3-phosphat).
Diesen Schritt bezeichnet man als CO2-Fixierung.
Nach Zufuhr von Energie durch ATP und Phosphorylierung entstehen 2 andere C3-Moleküle (Glycerinsäure-1,3-biphosphat).
Nach Zufuhr von NADPH entstehen durch Hydrierung 2 C3 -Moleküle (Gycerinaldehyd-3-phosphat).
Der Gelbe Bereich wird als Reduktionsphase bezeichnet.
In der grün markierten Regenerationsphase wird das im Cyclus verbleibende Gycerinaldehyd-3-phosphat unter Energiezufuhr durch ATP und Phosphorylierung in den eingangs erwähnten C5-Körper (Ribulose-1,5-biphosphat) verwandelt.
Der Zyklus ist damit geschlossen.
Nach 6 Durchläufen des Calvin-Zyklus sind, wie schon erwähnt,
2 Moleküle Gycerialdehyd-3-Phosphat entstanden, die dann außerhalb des Calvin-Zyklus in ein Molekül Glucose und in andere Kohlenhydrate umgewandelt werden können.
Da der C3-Körper (Glycerialdehyd-3-Phospat) als Primärprodukt den Calvin-Zyklus verlässt, bezeichnet man diesen auch als den C3-Weg der Photosynthese.
Sehr viele Pflanzen beschreiten diesen Weg.
Aus Kohlenhydraten kann die Pflanze alle Kohlenstoffverbindungen herstellen, die für das Leben notwendig sind, also z.B. Eiweiße, Fette, sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe usw.
Glycerinaldehyd-3-Phosphat ist also ein Grundbaustein des Lebens.
Ich habe bereits erwähnt, dass die Lichtreaktion sehr viel effizienter arbeitet als vom Menschen hergestellte Solarzellen.
Das lässt sich vom Calvin-Zyklus leider nicht sagen.
Die theoretisch mögliche Effizienz des Calvin-Zyklus ergibt sich aus dem Verhältnis der chemischen Energie, die für die Umwandlung des CO2 erforderlich ist, zu der Lichtenergiemenge, die bei der Lichtreaktion aufgenommen wird.
Daraus errechnet sich ein theoretisch mögliches Effizienzmaximum von 35%.
Praktisch erreichen die meisten Algen und Pflanzen aber nur eine sehr viel geringere Effizienz von 1-3%.
Das ergibt sich teilweise daraus, dass beim Calvin-Zyklus bis zu 50% des fixierten Kohlenstoffs durch die sogenannte Photorespiration wieder verloren gehen.
Es ist also notwendig, dass wir uns den Prozess der Photorespiration näher ansehen.
Wie aus dem zuletzt gezeigten Bild hervorgeht, wird im Calvin-Zyklus das CO2 mit Hilfe des Enzyms Rubisco fixiert.
Mengenmäßig ist Rubisco das häufigste Enzym auf der Erde.
Jedes Kohlenstoffatom unseres Körpers wurde von Rubisco bearbeitet, weil der Kohlenstoff in uns direkt oder indirekt aus Pflanzen stammt.
Rubisco ist aber auch ein sehr altes Enzym: Es wurde schon vor mindesten 2 Milliarden Jahren gebildet.
Aus der Zeit seiner Entstehung bringt es eine Doppelnatur mit:
Wie bereits gezeigt wirkt Rubisco in der Photosynthese als Carboxylase beim Aufbau von Kohlenhydraten (linkes Teilbild).
Bei der Photorespiration, die auch Lichtatmung genannt wird, wirkt Rubisco dagegen als Oxygenase. Sie nimmt Sauerstoff O2 auf und oxidiert Assimilate aus der Photosynthese zu CO2.
Formal entspricht die Photorespiration der Zellatmung, sie folgt jedoch einem anderen Mechanismus.
Bei der Entstehung von Rubisco vor mindestens 2 Milliarden Jahren hat die Doppelnatur des Rubisco nicht gestört, weil die damalige Atmosphäre sehr viel CO2 aber kaum Sauerstoff enthielt.
Unter diesen Bedingungen wurde von Rubisco praktisch nur die die Photosynthese gefördert.
Im Laufe der Evolution sind aber immer mehr Photosynthese betreibende Organismen entstanden.
Der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre ist damit ständig gestiegen.
Heute enthält unsere Luft ca. 21% Sauerstoff und ca. 0.038% CO2.
Bei der heutigen Zusammensetzung der Luft steht die Photorespiration stets in Konkurrenz mit der Photosynthese und erniedrigt damit die Effizienz des Calvin-Zyklus auf 1-3%.
Pflanzen, die Photosynthese nach dem C3-Weg betreiben, leben demnach mit einem Zielkonflikt:
Sie sollten die Spaltöffnungen möglichst lange geöffnet halten, um durch einen guten Gasaustausch das CO2-Angebot für die Photosynthese möglichst hoch zu halten.
Bei geöffneten Spaltöffnungen und warmem Wetter ist die Wasserverdunstung jedoch sehr hoch, und die Pflanzen laufen Gefahr durch Wassermangel Schaden zu nehmen.
Im Laufe der Evolution haben sich 2 alternative Wege für die Photosynthese herausgebildet, die die negativen Folgen dieses Zielkonflikts verringern.
Es handelt sich dabei um denC4-Weg
und den
CAM-Mechanismus
Zunächst zum C4-Weg:
C4-Pflanzen kommen häufiger in den Tropen, in Trockengebieten und in heißen, trockenen und sonnigen Umgebungen vor.
Die Blätter sind nach dem sogenannten Kranzprinzip aufgebaut; d.h. sie besitzen 2 Arten photosynthetisch aktiver Zellen:
Die Bündelscheitelzellen (dunkler grün), die die Leitbündel umhüllen.Die Mesophyllzellen (heller grün, darüber).
Beim, C4-Weg sind die CO2-Aufnahme und die Kohlenhydratsynthese (Calvin-Zyklus) räumlich getrennt.In den Mesophyllzellen wird das CO2 durch das Enzym PEP an Pyruvat (C3) gebunden und zunächst in Oxalacetat überführt, das sich aber rasch in Malat (C4), ein Salz der Äpfelsäure umlagert.
Da das CO2 in weiter verwertbares Malat, eine Verbindung mit 4 Kohlenstoffatomen überführt wurde, wird diese Art der Photosynthese als C4-Weg bezeichnet.
Bemerkenswert ist, dass sich das Enzym PEP im Gegensatz zu Rubisco dabei nur als Carboxylase verhält.
Das bedeutet, dass, auch wenn die Spaltöffnungen bei trockenwarmem Wetter ganz geöffnet sind, kein Ausbeuteverlust durch Photorespiration zu erwarten ist.
Das als Vorrat gespeicherte Malat (C4) diffundiert in die Chloroplasten der Bündelscheitelzellen ein, wo der Calvin-Zyklus abläuft.
Dort wird das Malat (C4) unter Abgabe von CO2 in Pyruvat
(C3) gespalten.
In den Bündelscheitelzellen herrscht stets ein hoher Partialdruck an CO2, so dass der Calvin Zyklus unter optimalen Bedingungen ablaufen kann.
Nach Rückführung des Pyruvats (C3) in die Mesophyllzellen ist aber eine Aktivierungsenergie von 2 ATP aufzuwenden, um die CO2-Fixierung erneut zu starten.
Trotz dieses zusätzlichen Energieaufwands ist die Photosynthese bei C4-Pflanzen im Allgemeinen effizienter als bei C3-Pflanzen.
Das gilt insbesondere dann, wenn die Lichtintensität oder die Temperatur hoch ist oder die CO2-Konzentration niedrig ist.
Solche Bedingungen sind oft in der Wüste oder im Grasland der gemäßigten Breiten erfüllt.
Aus den genanten Gründen sind C4-Pflanzen ergiebiger, und werden gern als Nutzpflanzen angebaut.
Beispiele hierfür sind:
Mais, Zuckerrohr, Hirse und Chinaschilf.
In der Familie der Dickblattgewächse, zu der zahlreiche Sukkulente mit Wasserspeichergewebe gehören, gibt es einen weiteren speziellen Weg für die Photosynthese.
Er heißt:
Crassulaceen-Säurestoffwechsel (Crassulacean Acid Metabolism, abgekürzt CAM)Die in Trockengebieten vorkommenden CAM-Pflanzen können die CO2-Aufnahme und die Kohlenhydratsynthese zeitlich trennen.
Im folgenden rechten Teilbild ist das am Beispiel der Ananas dargestellt:
Die Spaltöffnungen können während der Tageshitze geschlossen bleiben, um den Wasserverlust zu minimieren.
In der kühleren Nacht werden sie dann zur CO2-Aufnahme geöffnet. Während in der Nacht Kohlenstoffdioxid in Malat fixiert und in den Vakuolen gespeichert wird, wird es am darauffolgenden Tag freigesetzt und durch RUBISCO, dem Schlüsselenzym der „Dunkelreaktion“, analog einer C3-Pflanze umgesetzt.
Diese biochemischen Reaktionen laufen zeitlich versetzt in einer Zelle ab.
In dieser Zelle führen sozusagen die Tagschicht und die Nachtschicht unterschiedliche Arbeiten durch.
Die gesamte jährliche Nettoprimärproduktion bei der Photosynthese wird auf 1,54·1011 Tonnen pflanzlicher Biomasse (Trockenmasse) geschätzt.
Man kann dies auch für einen Hektar Laubwald abschätzen: Dort werden pro Jahr 12 Tonnen organische Substanzen in der Nettoprimärproduktion aufgebaut.
Es hat in den letzten Jahren nicht an Versuchen gefehlt, auf der Basis photosynthetisch hergestellter Biomasse Biotreibstoffe zu gewinnen.
Ich erinnere nur an die Herstellung von Biodiesel aus Raps.
In Deutschland wird Bioethanol meist aus Getreide, Mais oder Zuckerrüben hergestellt.
In Brasilien deckt Bioethanol aus Zuckerrohr einen großen Teil des nationalen Treibstoffbedarfs.
Man ging dabei von der optimistischen Annahme aus, dass bei der Verbrennung dieser Biotreibstoffe nur so viel CO2 freigesetzt wird, wie die Pflanzen vorher bei der Photosynthese aufgenommen haben.
In der Praxis war die Ökobilanz der so gewonnenen Biotreibstoffe jedoch negativ.
Das lag z.B. daran, dass man bei der Berechnung den Energieaufwand für die Bereitstellung der Düngemittel nicht beachtet hatte.
Besonders negativ ist die Tatsache zu werten, dass bei der Kultur der Energiepflanzen große Flächen für den Anbau von Nahrungspflanzen verloren gehen.
Diesen Nachteil könnte man vermeiden, wenn es gelänge, die Photosynthese in Mikroorganismen ablaufen zu lassen.
Durch den Einsatz der Grünalge (Chlamydomonas reinhardtii)
ist dabei in jüngstens ein Durchbruch gelungen.
Unter normalen Bedingungen bildet auch die Grünalge (Chlamydomonas reinhardtii) im Sonnenlicht Kohlenwasserstoffe, die sie für ihr Wachstum oder ihre Vermehrung braucht.
Bei Nahrungsmangel fehlen aber die für einen normalen Ablauf notwendigen Bausteine.
Um die bei der Photosynthese erzeugten Elektronen loszuwerten, bildet die Grünalge jetzt mit Hilfe des Sonnenlichts, des Elektronenvermittlers Ferredoxin PeTF und der Hydrogenase HydA1 Wasserstoff (H2), den sie an die Umgebung abgibt.
Forschern der Universität Bochum ist es mit dem geschilderten Verfahren gelungen, mit Sonnenlicht Biowassserstoff aus Wasser zu gewinnen.
Man erreicht damit bereits jetzt eine Wasserstoffbildungsrate von mehr als 18 Litern pro Gramm Chlorophyll und Tag.
Trotz dieses Fortschritts ist die Forschung weiter gegangen:
Am 9. April 2009 ist Wissenschaftlern vom Weizmann-Institut in Israel möglicherweise ein weiterer Durchbruch bei der effizienten Gewinnung von Wasserstoff gelungen:
David Milstein, Professor für Organische Chemie, berichtet von der Entwicklung eines Ruthenium-Katalysators, der in einem dreistufigen Prozess Wasserstoff und Sauerstoff liefert.
Bringt man den Katalysator in Wasser, so spaltet er in einem ersten Schritt Wasser (H2O) in Wasserstoff (H) und eine OH-Gruppe.
Erhitzt man ihn im zweiten Schritt im Wasserbad auf 100 Grad
Celsius, wird der Wasserstoff als Gas freigesetzt.
Bestrahlt man den Katalysator schließlich mit Sonnenlicht, wird Sauerstoff abgegeben und das System in den Ausgangszustand versetzt.
Der ganze Prozess kann dann von vorne beginnen.
Nach den zuletzt aufgeführten Ergebnissen stehen wir am Beginn einer neuen Wasserstofftechnologie, die sich auf bei uns unbegrenzt vorhandene Quellen, nämlich auf Wasser und Sonnenlicht gründet.
Das wäre ein Quantensprung für die Energieversorgung der Menschheit.
Mit Martin Luther King könnten wir sagen: „We have a dream. Wir haben einen Traum“.
Bildnachweis
Bild. Nr. Aus Photosynthese, Bruttogleichung : aus S. 21 Sauerstoffenwicklung: E.Weiler/LNover: Allgemeine
und molekulare Botanik S. 256
2 Photosynthese, Übersicht: Murray W. Nabors:
Botanik S. 211
3 Atmung: Murray W. Nabors: Botanik S. 212
4 Blattquerschnitt: Internet
5 Chloroplast: Internet
6 Strukturelemente der Lichtreaktion: Murray W.
Nabors: Botanik S. 213
7 Photosystem: Murray W. Nabors: Botanik S. 215
8 Wirkungsspektrum Photosynthese:
P.H.Raven,R.F.Evert,S.E.Eichhorn:Biologie der
Pflanzen S 138
9 Lichtreaktion, Z-Schema: Murray W. Nabors: Botanik
S. 216
10 ATP-Synthese: Murray W. Nabors: Botanik S. 217
11 ATP-ADP-System: Internet
12 NADPH-NADP-System: Internet
13 Photosynthese,Übersicht: Kopie von Bd. 2
14 Calvin-Zyklus: Internet
15 Rubisco, Photorespiration: Internet
16 C-4-Weg: Internet
17 CAM, Ananas: Internet
18 H2 aus H2O mit Grünalge: Internet
LiteraturElmar Weiler/Lutz Nover: Allgemeine und molekulare Botanik, Georg Thieme Verlag, 2008, ISBN 978-3-13-147661-6, Kap.8.1, Photosynthese der
Pflanzen, S. 253-288
2) Murray W. Nabors: Botanik, Pearson Studium Verlag,
2007, ISBN, 978-3-8273-7231-4, Kap.8, Photosynthese,
S. 209-230
3)Peter H. Raven, Ray F. Evert, Susan E. Eichhorn:
Biologie der Pflanzen, de Gruyter Verlag, 4. Auflage,
2006, ISBN 13: 978-3-11-018531-7, Kap.7,
Photosynthese, Licht und Leben S. 134-157