Fotosynthese: natürliche & anthropogene Prozessoptimierung (nur Lk)
- Welche morphologischen und physiologischen Angepasstheiten ermöglichen eine effektive Fotosynthese an heißen und trockenen Standorten?
- Inwiefern können die Erkenntnisse aus der Fotosyntheseforschung zur Lösung der weltweiten Kohlenstoffdioxid-Problematik beitragen?
1.) Angepasste Blattstrukturen
(vgl. SB. S. 147/148):
- Licht- und Schattenblätter
- poikilohydre (wechselfeuchte) Pflanzen
- homoiohydre Pflanzen
- Xerophyten (Trockenpflanzen)
- Hygrophyten (Feuchtpflanzen)
- Hydrophyten (Wasserpflanzen)
2.) Ein Fehler im System - Was Pflanzen nicht "vorhergesehen" hatten oder warum schmecken Kakteen morgens süß und abends sauer?
Saguaro-Kakteen in Arizona wachsen langsam - doch bis zu 12 Meter hoch
Der mexikanische Kaktussalat wird mit einer Opuntienart aus der Gattung Nopales hergestellt
Evolution
Vor ca. 4,6 Milliarden Jahren war in der Erdatmosphäre so gut wie kein Sauerstoff enthalten, dafür war die Kohlenstoffdioxidkonzentration hoch. Man vermutet bis zu ca. 20 Prozent. Durch die Entwicklung von fotosynthetisch aktiven Bakterien, Algen und später auch Pflanzen reicherte sich die Atmosphäre mit Sauerstoff an und Kohlenstoffdioxid nahm ab.
Der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre beträgt heute 21 Prozent, der CO2-Anteil liegt bei 0,04 Prozent (vgl. S3). Diese Umkehrung der Verhältnisse blieb für die Fotosynthese nicht ohne Folgen.
Das Enzym RuBisCo, das für die CO2-Fixierung zuständig ist, kann nämlich sowohl mit CO2 als auch mit O2 reagieren. Durch die Abnahme des Kohlenstoffdioxids und die Sauerstoffanreicherung in der Atmosphäre, die die Pflanzen selber mit verursacht haben, sinkt die Effektivität der Fotosynthese, da die Wahrscheinlichkeit, dass das Enzym RuBisCo auf ein Sauerstoffatom stößt viel größer ist, als auf ein Kohlenstoffdioxid-Atom zu stoßen.
Das Dilemma mit den Spaltöffnungen bei Trockenheit
Verstärkt wird dieses Problem bei Trockenheit bzw. steigenden Temperaturen. Die Spaltöffnungen des Blattes werden dann geschlossen, um Wasserverluste zu verringern. Deshalb gelangt weniger Kohlenstoffdioxid in die Zellen. Diese Situation führt insgesamt dazu, dass weniger Zucker entsteht, also die Fotosynthese weniger effektiv arbeitet. Für Pflanzen an Trockenstandorten ein echtes Überlebensproblem. In sechs globalen Zentren der Erde haben sich Pflanzen mit zwei unterschiedlichen Anpassungen an diese Standorte entwickelt:
Die Fotosynthesespezialisten
C4-Pflanzen: Der Trick mit der räumlichen Trennung
Einerseits nehmen C4 Pflanzen im Unterschied zu den C3 Pflanzen Kohlenstoffdioxid aktiv unter Energieverbrauch auf, das dann in den sogenannten Mesophyllzellen fixiert wird. Hierbei entsteht statt einer Verbindung, die aus 3 C-Atomen besteht (Phosphoglycerinsäure), eine Verbindung, die über 4 C-Atome verfügt (Oxalacetat). Das in Form der 4-C Verbindung gebundene CO2 wird über besondere Verbindungen aktiv in die angrenzenden Bündelscheidenzellengepumpt und wird dort freigesetzt. Es sammelt sich in diesen Zellen an, so dass besonders hohe Kohlenstoffdioxid-Konzentrationen entstehen, die ca. 10-mal höher sind als in der Außenluft und die so für die RuBisCo zur Verfügung stehen. RuBisCos Affinät zu Sauerstoff wird also durch die hohe Kohlenstoffdioxidkonzentration unterdrückt. Durch den Trick der aktiven Aufnahme und der räumlichen Trennung der Stoffwechselwege ist die Fotosynthese dieser Pflanzen effizienter als in C3 Pflanzen, vor allem bei höheren Temperaturen. Das Temperaturoptimum dieser Pflanzen liegt bei 30 bis 47 Grad Celsius, während es bei C3 Pflanzen bei 15 bis 25 Grad Celsius liegt.
Bei zunehmender Trockenheit und höheren Temperaturen sind diese C4 Pflanzen unseren C3 Pflanzen überlegen. Die Pflanzen erreichen hohe Biomasseerträge. Zu den C4 Pflanzen gehören u.a. Mais, Zuckerrohr, Amarant und Hirse.
CAM-Pflanzen (Crassulacean-acid-metabolism): Der Trick mit der zeitlichen Trennung
Bei anderen Pflanzen, wie beispielsweise Kakteen geht es nicht um die räumliche Trennung dieser Abläufe, sondern um die zeitliche Trennung. So öffnen Wüstenpflanzen nachts ihre Spaltöffnungen, um nur dann Kohlenstoffdioxid aufzunehmen. Auch hier entsteht in einem ersten Schritt zunächst eine Verbindung mit 4 C-Atomen aus Oxalacetat zu Äpfelsäure (oder als Salz Malat). Diese wird nach einem weiteren Umbau in den Vakuolen der Zelle gespeichert. Tagsüber, wenn die Spaltöffnungen geschlossen sind um Wasser zu sparen, wird Kohlenstoffdioxid aus der in der Vakuole gespeicherten Äpfelsäure freigesetzt und kann dann für die Fotosynthese genutzt werden. Zu Pflanzen mit diesem Stoffwechselweg gehören Ananas, Kakteen und einige Opuntienarten
Erkenntnisse aus der Fotosyntheseforschung im Einsatz gegen den Klimawandel
RuBisCo ist das Schlüsselenzym der Fotosynthese. Doch in den meisten Pflanzen funktioniert es nicht optimal. Forscher wollen das ändern.
Molekülmodell: PDB-101
Die Forschung zur Fotosynthese liefert wertvolle Erkenntnisse, die zur Reduzierung von Kohlenstoffdioxid (CO₂) in der Atmosphäre beitragen können. Hier sind einige zentrale Ansatzpunkte:
- Optimierung der natürlichen Fotosynthese
Wissenschaftler arbeiten daran, die Effizienz der Fotosynthese in Pflanzen und Algen zu steigern. Durch genetische Modifikationen oder bio-technologische Verfahren kann die CO₂-Aufnahme verbessert werden, sodass Pflanzen mehr Kohlendioxid binden und in Biomasse umwandeln. Eine Möglichkeit wäre, dass Enzym RuBisCo gegen ein effizienteres Enzym im Stoffwechselweg der Pflanzen auszutauschen. Die Forscher nutzen hierbei Protozellen (einfach Lipidmizellen), um darin die Stoffwechselwege ablaufen zu lassen.
- Künstliche Fotosynthese
Forscher entwickeln Systeme, die Sonnenlicht nutzen, um CO₂ in energiereiche chemische Verbindungen wie Methanol oder Wasserstoff umzuwandeln. Diese Technologie könnte eine nachhaltige Alternative zu fossilen Brennstoffen bieten.
- Bioingenieurwesen für CO₂-Speicherung
Bestimmte Mikroorganismen (Cyanobakterien) oder synthetische Pflanzen könnten gezielt so verändert werden, dass sie CO₂ effizienter speichern oder in nützliche Produkte wie Biokunststoffe umwandeln.
- Agrarwirtschaft und Klimaschutz
Eine verbesserte Fotosynthese in Nutzpflanzen könnte nicht nur den Ertrag steigern, sondern auch dazu beitragen, mehr CO₂ aus der Luft zu binden, insbesondere durch den Anbau von Pflanzen mit tieferen Wurzeln, die Kohlenstoff langfristig im Boden speichern.
- Ozeanische CO₂-Reduktion durch Algen
Algen nehmen besonders viel CO₂ auf. Die Förderung von Algenwachstum in Meeren oder gezielte Algenfarmen könnten große Mengen CO₂ absorbieren und gleichzeitig als Grundlage für Biokraftstoffe oder Nahrung dienen.
- Integration in CO₂-Kreislaufwirtschaft
Die Kombination von künstlicher und natürlicher Fotosynthese mit industriellen Prozessen könnte eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft fördern, bei der CO₂ aus der Atmosphäre gezielt genutzt wird, anstatt es weiter anzureichern.
Fazit:
Zusammenfassend bietet die Fotosyntheseforschung ein enormes Potenzial zur aktiven Bekämpfung des Klimawandels, indem sie CO₂ effizient aus der Atmosphäre entfernt und gleichzeitig nachhaltige Energie- und Rohstoffquellen schafft.
konkrete Beispiele: