EnergienutzungPhotosynthese besser verstehen

Die Photosynthese ist ein komplexer Prozess, bestehend aus Photoreaktion und der Synthesereaktion. Für die Schülerbuch-Reihe "Neue Wege in die Biologie" haben wir Animationsfilme zur Photoreaktion entwickelt, die Schülerinnen und Schülern diesen komplexen Prozess leicht zugänglich machen. Der Trick? Der Blick durch die evolutionsbiologische Brille.

Cover von "Energienutzung durch Organismen"

Cover von "Energienutzung durch Organismen" Foto Titel: © lily/stock.adobe.com

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Pflanzen stellen ihre Nährstoffe selbst her. Sie nutzen dazu die Energie des Lichts: Sie sind photoautotrophe Organismen. Der Prozess ist die Photosynthese. Dieser besteht aus zwei aus zwei Abschnitten, in denen jeweils eine Reihe chemischer Reaktionen erfolgt: Photoreaktion und Synthesereaktion, mit der Glukose gebildet wird. Beide Abschnitte finden bei Pflanzen in Chloroplasten statt, die somit die Photosynthese vollständig durchführen.

C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2   ®   12 H2O + 6 CO2

Was bewirkt das Licht?

Das Wort „Photosynthese“ verbindet Licht mit Stoffaufbau. Tatsächlich bewirkt die Photoreaktion (Lichtreaktion) jedoch, dass Moleküle gespalten werden. Das ist plausibel, da nicht das Herstellen, sondern die Spaltung von chemischen Bindungen den Einsatz von Energie erfordert. Die Spaltung der Moleküle erfolgt jedoch nicht direkt durch das Licht, sondern über Farbstoff-Protein-Komplexe, die Photosysteme genannt werden.

H2O- spaltende Photoreaktion

Bei der Photosynthese, wie sie die Pflanzen betreiben, werden mithilfe der Energie des Lichts Wassermoleküle in Sauerstoff-Atome und Wasserstoff-Atome gespalten. Die Sauerstoffatome bilden molekularen Sauerstoff. Die Wasserstoff-Atome bilden dagegen keinen gasförmigen Wasserstoff (H2), sondern Wasserstoffionen und Elektronen. 

2 H2® O2 + 4 H+ + 4 e

Die Wasserspaltung durch Lichtenergie liefert also freigesetzte Elektronen, die durch Redoxreaktionen weitertransportiert werden. Da bei dieser Photosynthese molekularer Sauerstoff in Gasform (O2) freigesetzt wird, heißt sie oxygene (Sauerstoff bildende) Photosynthese. Man könnte sie ebenso gut als Wasser spaltende Photosynthese bezeichnen.

Warum braucht die H2O-spaltende Photoreaktion zwei Photosysteme?

Zur Beantwortung dieser Frage hilft der Blick durch die evolutionäre Brille. Cyanobakterien sind phototrophe Bakterien, die in derselben Weise Photosynthese betreiben wie die Pflanzen. Sind sie jedoch von Schwefelwasserstoff umgeben, führen sie eine einfachere Photoreaktion durch als die Pflanzen. Sie spalten die Moleküle des Schwefelwasserstoffs. Bei dieser Photoreaktion mit Schwefelwasserstoff wird kein Sauerstoff freigesetzt. Daher heißt der gesamte Prozess anoxygene Photosynthese.

H2® S + 2 H+ + 2 e

Da die Bezeichnung („kein Sauerstoff wird freigesetzt“) diese Form der Photosynthese nur negativ charakterisiert (sie sagt nur, was nicht passiert), ist es besser, sie Schwefelwasserstoff spaltende Photosynthese zu nennen.

Schwefelwasserstoffmoleküle sind leichter zu spalten als Wassermoleküle. Das liegt daran, dass das größere Schwefelatom die Wasserstoffatome weniger stark bindet als das Sauerstoffatom. Zur Spaltung von Schwefelwasserstoff benötigen die phototrophen Bakterien daher nur ein Photosystem.

Warum hat sich die Form der Photosynthese mit zwei Photosystemen gegenüber der einfachen so erfolgreich durchgesetzt?

Die H2S-spaltende Photosynthese ist an die Anwesenheit von Schwefelwasserstoff gebunden und damit an die „Schwefelwelt“, in der die ersten Lebewesen wahrscheinlich entstanden sind. Wasser ist im Gegensatz zu Schwefelwasserstoff fast überall unbegrenzt verfügbar. So konnten Lebewesen mit der oxygenen Photosynthese die Atmosphäre der Erde umgestalten.

Der evolutionsbiologische Blick fördert das Verstehen der Photosynthese

Für den Band „Neue Wege in die Biologie: Energienutzung durch Organismen“ wurden Filme zur Photoreaktion der Photosynthese entwickelt. Dabei wird die in der Evolution zuerst entstandene Form der Schwefelwasserstoff-spaltenden Photoreaktion zuerst behandelt. Wenn die Schülerinnen und Schüler verstehen, dass die Photosynthese auch mit einem Photosystem stattfinden kann, dann wird der komplexere Prozess der oxygenen Photoreaktion für sie ebenfalls besser verstehbar. Die beiden Photosysteme fallen dann nicht als vorgeben vom Himmel. Evolution erklärt vielmehr, warum die oxygene, Photosynthese zwei Photosysteme benötigt, sodass die schwer zu knackenden Wassermoleküle gespalten werden können. Die Filme bauen aufeinander auf, sodass  der Elektronentransport durch Redoxreaktionen und der Transport der Wasserstoffionen durch die Membran mit mobilen Chinonmolekülen sich wiederholend einprägen.

Zu den Filmen

Schwefelwasserstoff spaltende Photosynthese

Wasser spaltende Photosynthese

Tipps zum Einsatz im Unterricht

Neue Wege in die Biologie

Energienutzung durch Organismen

Leben mit Tieren

 

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