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Photosynthese

Photosynthese

Die Photosynthese ist ein chemischer Prozess, der Kohlendioxid in organische Verbindungen umwandelt, insbesondere unter Verwendung von Sonnenenergie. Diese Chlorophyllfunktion wandelt anorganische Materie dank der Energie des Lichts in organische Materie um.

Die Photosynthese erfolgt in Pflanzen, Algen und einigen Bakteriengruppen, jedoch nicht in Archaeen. Photosynthetische Organismen werden als "Photoautotrophen" bezeichnet, aber nicht alle Organismen, die Licht als Energiequelle verwenden, führen eine Photosynthese durch, da "Photoheterotrophe" organische Verbindungen und nicht Kohlendioxid als Kohlenstoffquelle verwenden.

In Pflanzen, Algen und Cyanobakterien werden bei der Photosynthese Kohlendioxid und Wasser verwendet, wobei Sauerstoff als Abfallprodukt freigesetzt wird. Die Photosynthese ist für das Leben auf der Erde von entscheidender Bedeutung, da neben der Aufrechterhaltung des normalen Sauerstoffgehalts in der Atmosphäre fast alle Lebensformen direkt als Energiequelle oder indirekt als ultimative Energiequelle in ihrer Nahrung abhängen. .

Die durch die Photosynthese gewonnene Energiemenge ist immens, etwa 100 Terawatt - dies ist etwa das Sechsfache des Energieverbrauchs der menschlichen Zivilisation pro Jahr. Insgesamt wandeln photosynthetische Organismen jedes Jahr etwa 100 Milliarden Tonnen Kohlenstoff in Biomasse um.

Es ist unklar, wann die ersten Organismen auf der Erde erschienen, die zur Photosynthese fähig sind, aber das Vorhandensein gestreifter Formationen in einigen Gesteinen aufgrund des Vorhandenseins von Oxid legt nahe, dass saisonale Sauerstoffzyklen in der Erdatmosphäre ein Symptom der Photosynthese sind. Sie erschienen vor ungefähr 3,5 Milliarden Jahren in Archeano.

Welchen Einfluss hat die Photosynthese auf den Klimawandel?

Durch die Photosynthese kann die Menge an Kohlendioxid in der Atmosphäre auf natürliche Weise reduziert werden. Kohlendioxid ist ein Treibhausgas. Das Vorhandensein einer zu hohen Konzentration dieser Art von Gas in der Atmosphäre verhindert, dass Wärme nach außen entweicht.

Wenn die Sonnenstrahlen in die Atmosphäre gelangen, erwärmen ein Teil den Planeten und ein Teil springt zurück in den Weltraum. Ein Teil dieser reflektierten Strahlung prallt gegen die Treibhausgase zurück und kann nicht austreten. Einige dieser Gase kommen natürlich vor, wie Wolken; aber andere werden künstlich erzeugt. Beispielsweise entstehen bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe Gase dieser Art.

Andererseits hören die Pflanzen, insbesondere in den großen Waldgebieten, nicht auf, dieses zusätzliche Kohlendioxid zu absorbieren. Aus diesem Grund ist die Photosynthese ein natürlicher Prozess, der dazu beiträgt, das Problem des Klimawandels dank Sonnenenergie nicht zu verschärfen.

Wie ist die chemische Reaktion der Photosynthese?

Während der Photosynthese wandelt Sonnenstrahlung unter Vermittlung von Chlorophyll sechs Moleküle CO 2 und sechs Moleküle H 2 O in ein Molekül Glucose (C 6 H 12 O 6 ) um, einen Zucker, der für das Leben der Pflanze essentiell ist. Als Nebenprodukt der Reaktion entstehen sechs Sauerstoffmoleküle, die die Pflanze über Stomata im Blatt in die Atmosphäre abgibt.

6 CO 2 + 6 H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6 O 2

PhotosyntheseDie Chlorophyll-Photosynthese ist der primäre Prozess zur Herstellung organischer Verbindungen aus eindeutig dominanten anorganischen Substanzen auf der Erde. Darüber hinaus ist die Photosynthese der einzige biologisch wichtige Prozess, der Sonnenenergie sammeln kann, von dem das Leben auf der Erde im Wesentlichen abhängt.

Was sind die Phasen der Photosynthese?

Die Chlorophyll-Photosynthese, auch Sauerstoff-Photosynthese aufgrund der Erzeugung von Sauerstoff in molekularer Form genannt, erfolgt schrittweise in zwei Phasen:

  • Die lichtabhängige Phase (oder Lichtphase), lichtabhängig;
  • Die Kohlenstoff-Fixierungsphase, zu der der Calvin-Zyklus gehört.

Helle Phase

Die Lichtphase oder lichtabhängige Reaktion ist der Schritt der Photosynthese, bei dem Sonnenenergie in chemische Energie umgewandelt wird. Licht wird von Chlorophyll und anderen photosynthetischen Pigmenten wie Carotin absorbiert und zur Fragmentierung von Wasser verwendet, sodass Sauerstoff als Abfall entsteht.

Der Photosynthesevorgang findet innerhalb der Chloroplasten statt. Innerhalb dieser gibt es ein System von Membranen, die Stapel von abgeflachten Beuteln (Thylakoiden) bilden, die als Korn bezeichnet werden, und aus den Körnern der Verbindungsstreifen (Intergraniche-Lamellen). In diesen Membranen finden wir Chlorophyllmoleküle. Chlorophyllmoleküle werden zu sogenannten Photosystemen addiert. Photosystem I und Photosystem II können unterschieden werden.

Photosysteme sind eine Reihe von Pigmentmolekülen, die so angeordnet sind, dass sie ein spezielles Chlorophyll- "Fallen" -Molekül umgeben. Die Energie des Photons geht von Molekül zu Molekül, bis das spezielle Chlorophyll erreicht ist. Im Photosystem I wird das Fallenmolekül durch eine Wellenlänge von 700 nm angeregt, im Photosystem II von 680 nm.

Das Photosystem I besteht aus einem LHC (Komplex, der Licht einfängt), der aus ungefähr 70 Chlorophyllmolekülen a und b und 13 verschiedenen Arten von Polypeptidketten und einem Reaktionszentrum besteht, das ungefähr 130 Chlorophyllmoleküle zu dem P 700 enthält eine besondere Art von Chlorophyll, die bei 700 nm die maximale Lichtabsorption aufweist.

PhotosyntheseDas Photosystem II besteht auch aus einem LHC, das aus ungefähr 200 Chlorophyllmolekülen in yb sowie verschiedenen Polypeptidketten besteht, und einem Reaktionszentrum, das aus ungefähr 50 Chlorophyllmolekülen in dem P 680 gebildet wird Es hat die maximale Absorption von Sonnenlicht bei 680 nm.

Alle diese Moleküle sind in der Lage, die Energie der Sonnenstrahlung einzufangen. Nur diejenigen mit Chlorophyll können sich jedoch in einen angeregten Zustand bewegen, der die Photosynthesereaktion aktiviert. Moleküle, die nur die Aufnahmefunktion haben, werden Antennenmoleküle genannt; diejenigen, die den Photosynthesevorgang aktivieren, werden Reaktionszentren genannt.

Die "Lichtphase" wird von Chlorophyll a dominiert. Chlorophyllmoleküle absorbieren selektiv Licht in den rot- und blauvioletten Teilen des sichtbaren Spektrums durch eine Reihe anderer Adjuvanspigmente. Die von den Chlorophyllmolekülen eingefangene Energie ermöglicht die Förderung von Elektronen von Atomorbitalen mit niedrigerer Energie zu Orbitalen mit höherer Energie.

Diese werden direkt durch Spaltung von Wassermolekülen ersetzt (die durch H 2 O, geteilt ist in zwei Protonen, zwei Elektronen und einen Sauerstoff durch Photolyse, betrieben durch die OEC oxygenic Photosynthese assoziiert mit Photosystem II).

Die durch die Photosynthese von Chlorophyll II freigesetzten Elektronen werden einer aus Cytochrom B6f bestehenden Transportkette zugeführt, wobei sie Energie verlieren und sich auf ein niedrigeres Energieniveau bewegen. Die verlorene Energie wird verwendet, um Protonen aus dem Stroma in den Thylakoidraum zu pumpen und einen Protonengradienten zu erzeugen.

Schließlich erreichen die Elektronen das Photosystem I. Das Photosystem I hat wiederum andere Elektronen aufgrund von Licht verloren. Die durch das Photosystem I verlorenen Elektronen werden auf Ferredoxin übertragen, wodurch NADP + zu NADPH reduziert wird. Durch das ATP-Synthase-Membranprotein in der Thylakoidmembran synthetisieren die H + -Ionen, die durch den Durchgang von Hydrolysewasser aus dem Weltraum zu den stromalen Thylakoiden freigesetzt werden, dh in Richtung Gradient, ATP aus Gruppen frei von Phosphat und ADP. Pro zwei von Photosystemen verlorenen Elektronen kann ein ATP-Molekül gebildet werden.

Mehrere Studien haben gezeigt, dass die Pflanze bei diffuser Sonnenstrahlung mehr wächst als bei direktem Licht, bei gleicher Leistung des einfallenden Lichts. Eine Studie betont jedoch die Relevanz anderer Bedingungen, die das Wachstum von Pflanzen verändern, die mit dem Licht variieren, wie z. B. Feuchtigkeit und Temperatur. direktes Licht führt tatsächlich zu einem Temperaturanstieg, der dazu führt, dass mehr Wasser aus der Pflanze verdunstet.

Kohlenstofffixierungsphase oder Calvin-Zyklus

Die Kohlenstofffixierungsphase oder der Calvin-Zyklus (auch als dunkle Phase oder helle unabhängige Phase bezeichnet) beinhaltet die Organisation von CO 2 . Sein Einbau in organische Verbindungen und die Reduktion der Verbindung werden dank des aus der Lichtphase abgeleiteten ATP erhalten.

Der Calvin-Zyklus nutzt die Energie kurzlebiger elektronisch angeregter Träger, um Kohlendioxid und Wasser in organische Verbindungen umzuwandeln, die vom Körper genutzt werden können. Diese Reihe von Reaktionen wird auch als Kohlenstofffixierung bezeichnet. Das Schlüsselenzym im Zyklus heißt RuBisCO.

Die Enzyme im Calvin-Zyklus entsprechen funktionell den meisten Enzymen, die in anderen Stoffwechselwegen wie der Glukoneogenese und dem Pentosephosphatweg verwendet werden. Die Calvin-Zyklus-Enzyme befinden sich jedoch eher im Stroma des Chloroplasten als im Zellcytosol, wodurch die Reaktionen getrennt werden.

Diese Enzyme werden im Licht und auch durch Produkte der lichtabhängigen Reaktion aktiviert. Diese regulatorischen Funktionen verhindern, dass der Calvin-Zyklus Kohlendioxid einatmet. Bei der Durchführung dieser Reaktionen ohne Nettoproduktivität würde Energie (in Form von ATP) verschwendet.

Welche Faktoren beeinflussen den Prozess?

Die wichtigsten externen Faktoren, die an der Durchführung der Photosynthese beteiligt sind, sind:

  • Temperatur: Jede Pflanzenart hat einen Temperaturbereich, in dem sie sich am wohlsten fühlt. Innerhalb dieses Bereichs variiert die Effizienz des Prozesses infolge einer Erhöhung der Mobilität der Moleküle.
  • Kohlendioxidkonzentration: Die Photosyntheseleistung steigt proportional zur Kohlendioxidkonzentration in der Luft unter konstanten Lichtstrahlungsbedingungen.
  • Sauerstoffkonzentration: Je höher die Sauerstoffkonzentration in der Luft ist, desto geringer ist die Photosyntheseleistung. Diese Variation ist auf Photorespirationsprozesse zurückzuführen.
  • Lichtstärke: Je höher die Lichtstärke, desto höher die Leistung bis zum Überschreiten bestimmter Grenzen. Sobald diese Grenzwerte überschritten werden, tritt eine irreversible Photooxidation von photosynthetischen Pigmenten auf.
  • Die Beleuchtungszeit: Es gibt Arten mit einer höheren Photosyntheseproduktion, je mehr Stunden Licht vorhanden sind.
  • Wassermangel: Wenn kein Wasser am Boden und kein Wasserdampf in der Luft vorhanden ist, nimmt die Photosyntheseleistung ab. Wenn die Pflanze Wassermangel feststellt, schließt sie die Stomata, um ein Austrocknen zu vermeiden. Das Gegenstück ist, dass dieses Selbstschutzsystem den Eintritt von Kohlendioxid behindert. Darüber hinaus löst eine Erhöhung der Konzentration an innerem Sauerstoff eine Photorespiration aus.
  • Die Farbe des Lichts: Abhängig vom Chlor des Lichts und den Eigenschaften der Spezies ist die photosynthetische Umwandlung unterschiedlich.
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Geändert am: 15. März 2020