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Photosynthese, der Prozess, bei dem grüne Pflanzen und bestimmte andere Organismen Lichtenergie in chemische Energie umwandeln. Während der Photosynthese in grünen Pflanzen wird Lichtenergie eingefangen und verwendet, um Wasser, Kohlendioxid und Mineralien in Sauerstoff und energiereiche organische Verbindungen umzuwandeln.
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Warum ist die Photosynthese wichtig?
Die Photosynthese ist entscheidend für die Existenz der überwiegenden Mehrheit des Lebens auf der Erde. Auf diese Weise wird praktisch die gesamte Energie in der Biosphäre Lebewesen zur Verfügung gestellt. Photosynthetische Organismen bilden als Primärproduzenten die Basis der Nahrungsnetze der Erde und werden direkt oder indirekt von allen höheren Lebensformen konsumiert. Darüber hinaus ist fast der gesamte Sauerstoff in der Atmosphäre auf den Prozess der Photosynthese zurückzuführen. Wenn die Photosynthese aufhören würde, würde es bald wenig Nahrung oder andere organische Stoffe auf der Erde geben, die meisten Organismen würden verschwinden und die Erdatmosphäre würde schließlich fast frei von gasförmigem Sauerstoff sein.
Wie lautet die Grundformel für die Photosynthese?
Der Prozess der Photosynthese wird üblicherweise wie folgt geschrieben: 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2. Dies bedeutet, dass die Reaktanten, sechs Kohlendioxidmoleküle und sechs Wassermoleküle, durch Lichtenergie, die von Chlorophyll (durch den Pfeil impliziert) eingefangen wird, in ein Zuckermolekül und sechs Sauerstoffmoleküle, die Produkte, umgewandelt werden. Der Zucker wird vom Organismus verwendet und der Sauerstoff wird als Nebenprodukt freigesetzt.
Welche Organismen können photosynthetisieren?
Die Fähigkeit zur Photosynthese findet sich sowohl in eukaryotischen als auch in prokaryotischen Organismen. Die bekanntesten Beispiele sind Pflanzen, da alle bis auf wenige parasitäre oder mykoheterotrophe Arten Chlorophyll enthalten und ihre eigene Nahrung produzieren. Algen sind die andere dominierende Gruppe von eukaryotischen photosynthetischen Organismen. Alle Algen, zu denen massive Kelps und mikroskopisch kleine Kieselalgen gehören, sind wichtige Primärproduzenten. Cyanobakterien und bestimmte Schwefelbakterien sind photosynthetische Prokaryoten, bei denen sich die Photosynthese entwickelt hat. Es wird angenommen, dass keine Tiere unabhängig zur Photosynthese fähig sind, obwohl die smaragdgrüne Meeresschnecke vorübergehend Algenchloroplasten für die Lebensmittelproduktion in ihren Körper aufnehmen kann.
Es ist unmöglich, die Bedeutung der Photosynthese für die Erhaltung des Lebens auf der Erde zu überschätzen. Wenn die Photosynthese aufhören würde, würde es bald wenig Nahrung oder andere organische Stoffe auf der Erde geben. Die meisten Organismen würden verschwinden und mit der Zeit würde die Erdatmosphäre fast frei von gasförmigem Sauerstoff sein. Die einzigen Organismen, die unter solchen Bedingungen existieren können, wären die chemosynthetischen Bakterien, die die chemische Energie bestimmter anorganischer Verbindungen nutzen können und daher nicht von der Umwandlung von Lichtenergie abhängig sind.
Energie, die durch Photosynthese erzeugt wird von Pflanzen vor Millionen von Jahren ist verantwortlich für die fossilen Brennstoffe (dh Kohle, Öl und Gas), die die Industriegesellschaft antreiben. In früheren Zeiten nahmen grüne Pflanzen und kleine Organismen, die sich von Pflanzen ernährten, schneller zu als sie verzehrt wurden, und ihre Überreste wurden durch Sedimentation und andere geologische Prozesse in der Erdkruste abgelagert. Dort wurden diese vor Oxidation geschützten organischen Überreste langsam in fossile Brennstoffe umgewandelt. Diese Kraftstoffe liefern nicht nur einen Großteil der in Fabriken, Haushalten und Transportmitteln verbrauchten Energie, sondern dienen auch als Rohstoff für Kunststoffe und andere synthetische Produkte. Leider verbraucht die moderne Zivilisation in einigen Jahrhunderten den Überschuss an photosynthetischer Produktion, der sich über Millionen von Jahren angesammelt hat. Folglich wird das Kohlendioxid, das über Millionen von Jahren aus der Luft entfernt wurde, um Kohlenhydrate bei der Photosynthese herzustellen, mit einer unglaublich schnellen Geschwindigkeit zurückgeführt.Die Kohlendioxidkonzentration in der Erdatmosphäre steigt so schnell wie nie zuvor in der Erdgeschichte, und dieses Phänomen wird voraussichtlich erhebliche Auswirkungen auf das Erdklima haben.
Anforderungen an Lebensmittel, Materialien und Energie in einer Welt, in der Die schnell wachsende menschliche Bevölkerung hat die Notwendigkeit geschaffen, sowohl die Photosynthesemenge als auch die Effizienz der Umwandlung der Photosyntheseleistung in für Menschen nützliche Produkte zu erhöhen. Eine Antwort auf diese Bedürfnisse – die sogenannte Grüne Revolution, die Mitte des 20. Jahrhunderts begann – erzielte enorme Verbesserungen des landwirtschaftlichen Ertrags durch den Einsatz chemischer Düngemittel, die Bekämpfung von Schädlingen und Pflanzenkrankheiten, die Pflanzenzüchtung und die maschinelle Bodenbearbeitung, Ernte, und Ernteverarbeitung. Diese Bemühungen beschränkten die schweren Hungersnöte trotz des schnellen Bevölkerungswachstums auf einige Gebiete der Welt, beseitigten jedoch nicht die weit verbreitete Unterernährung. Darüber hinaus begann ab Anfang der neunziger Jahre die Rate, mit der die Erträge der Hauptkulturen stiegen, zu sinken. Dies gilt insbesondere für Reis in Asien. Steigende Kosten im Zusammenhang mit der Aufrechterhaltung hoher landwirtschaftlicher Produktionsraten, die einen ständig steigenden Einsatz von Düngemitteln und Pestiziden sowie die ständige Entwicklung neuer Pflanzensorten erforderten, wurden in vielen Ländern auch für Landwirte problematisch.
Eine zweite landwirtschaftliche Revolution, die auf Pflanzengenetik basiert, sollte zu einer Steigerung der Pflanzenproduktivität führen und damit die Unterernährung teilweise lindern. Seit den 1970er Jahren verfügen Molekularbiologen über die Mittel, um das genetische Material einer Pflanze (Desoxyribonukleinsäure oder DNA) zu verändern, um Verbesserungen der Krankheits- und Trockenresistenz, der Produktausbeute und -qualität, der Frosthärte und anderer wünschenswerter Eigenschaften zu erzielen. Solche Merkmale sind jedoch von Natur aus komplex, und der Prozess der gentechnischen Veränderung von Kulturpflanzen hat sich als komplizierter als erwartet herausgestellt. In Zukunft könnte eine solche Gentechnik zu Verbesserungen des Photosyntheseprozesses führen, aber in den ersten Jahrzehnten des 21. Jahrhunderts musste noch nachgewiesen werden, dass sie die Ernteerträge dramatisch steigern kann.
Ein weiteres faszinierendes Gebiet in Die Untersuchung der Photosynthese war die Entdeckung, dass bestimmte Tiere Lichtenergie in chemische Energie umwandeln können. Die smaragdgrüne Meeresschnecke (Elysia chlorotica) zum Beispiel erwirbt Gene und Chloroplasten von Vaucheria litorea, einer Alge, die sie verbraucht, wodurch sie nur begrenzt in der Lage ist, Chlorophyll zu produzieren. Wenn genügend Chloroplasten assimiliert sind, kann die Schnecke auf die Nahrungsaufnahme verzichten. Die Erbsenblattlaus (Acyrthosiphon pisum) kann Licht nutzen, um die energiereiche Verbindung Adenosintriphosphat (ATP) herzustellen. Diese Fähigkeit wurde mit der Herstellung von Carotinoidpigmenten durch Blattläuse in Verbindung gebracht.