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Photosynthese

Biologie

Basiswissen


Als Photosynthese, auch als Fotosynthese geschrieben, bezeichnet man die Umwandlung von Kohlendioxid, Licht und Wasser in Zucker durch Lebewesen: 6CO₂ + 6H₂O + Lichtenergie ⭢ C₂H₁₂O₆ + 6O₂. Mit der Photosynthese bauen Plfanzen aus den kleinen Molekülen Wasser und Kohlendioxid die größere Zuckermoleküle auf. Die Photosynthese löste eine der ersten großen Umweltkatastrophen auf. Hier stehen einige interessante Fakten rund um die Photosynthese.

Welches Problem löste die Photosynthese?


Kurz nach nach ihrer Entstehung war die Erdorberfläche ein Ozean aus glühender Magma. Spätestens nachdem sie ausreichend abgekühlt war, in der Zeit des frühen Archaikums, bildete sich dauerhaft flüssiges Wasser[2]. In diesem Wasser befanden sich viele gelöste chemische Stoffe, aus denen die ersten sehr einfachen Lebensformen entstanden. Man kann sie sich als sehr komplexe Verbindungen von vielen großen Molekülen vorstellen, die sich selbst vervielfältigen, man spricht von sogenannten Replikatoren. Diese frühen Lebensformen „fraßen“ sich gegenseitig auf, um an chemische Bausteine sowie auch an Energie zu kommen. Irgendwann waren aber alle energiereichen Moleküle der Ursuppe „aufgefressen“, sodass die Lebensformen keine Energie mehr für ihre Lebensprozesse hatte. Der Molekulargenetiker Carsten Bresch spricht hier von einer „Erschöpfung der Ursuppe“[3, Seite 119]. Diese „Energiekrise“ wurde durch die evolutionäre „Erfindung“ der Photosynthese gelöst. Das war spätestens vor 2,5 Milliarden Jahren, am Ende des Archaikums passiert[4], vermutlich aber schon seit etwa 3,5 Milliarden Jahren. Als Indiz für eine sehr frühe Photosynthese auf der Erde gilt die frühe Lebensform mit dem Namen Stromatolith[5] ↗

Seit wann betreiben Einzeller Photosynthese?


Die Erde entstand vor etwa 4,54 Milliarden oder 4540 Millionen Jahren. Die Photosynthese muss älter als 3,7 Milliarden Jahre sein. Als Beleg gilt das größte Alter bestimmter streifenartiger Eisenerze, der Banded Iron Formations. Man geht davon aus, dass sie durch die Photosynthese von Cyanobakterien entstanden sind. Dieser Beleg für Leben ist damit älter als das älteste bisher (2023) bekannte Fossil Archaeospheroides barbertonensis ↗

Was hat die Photosynthese mit Bergbau zu tun?


Als es noch keinen freien Sauerstoff in der Atmosphäre oder in der Urozeanen gab, konnten sich auch noch keine Oxide in größeren Mengen bilden. Oxide nennt man chemische Verbindungen mit Sauerstoff. In den Urozeanen gab es große Mengen an Eisen, das im Wasser gelöst war. Als dann die frühen Lebewesen begannen, Sauerstoff zu produzieren, verband dieser sich im Urozean mit Eisen und bildete Eisenoxid, einen Feststoff. Dieser Feststoff fiel dann auf den Meeresboden, in dem Chemie spricht man von einer Fällung, und erzeugte dort mächtige Gesteinsschichten. Diese archaischen Gesteinssschichten werden heuten in riesigen Tagebauen, zum Beispiel in Südafrika und Brasilien, abgebaut. In der Geologie und im Bergbau spricht man von Bändereisenerz ↗

Wie löste die Photosynthese eine frühe Umweltkatastrophe aus?


Nachdem das frühe Leben auf der Erde die Photosynthese entwickelt hatte, entstand auch Sauerstoff als Nebenprodukt. Sauerstoff ist chemisch sehr aggressiv und verbindet sich leicht mit vielen anderen Atomen oder Molekülen. Zunächst verband sich der photosynthetisch hergestellte freie Sauerstoff mit gelösten Eisen aus dem Meereswasser und bildete die Bändereisenerze. Als aber mit der Zeit das Eisen im Meereswasser aufgebraucht war, konnte der produzierte Sauerstoff in die Erdatmosphäre entweichen. In der Erdatmosphäre gab es zu dieser Zeit große Mengen an Methan, einem sehr wirksamen Treibhausgas. Sauerstoff aber zersetzt das Methan. So kam es durch die Produktion von Sauerstoff durch Photosynthese zu einem Abbau von Treibhausgsasen in der Atmsophäre. Die Folge war eine drastische Abkühlung der Erde (huronische Eiszeit). Geologen bezeichnen dieses Ereignis heute als die Große Sauerstoffkatastrophe ↗

Welchen Anteil haben Meeresorganismen an der Sauerstoffproduktion heute?


Man hört oft, die tropischen Regenwälder seien die wichtigsten Sauerstoffproduzenten auf der Erde. Dabei entfällt gut die Hälfte des organisch produzierten Sauerstoffs auf ozeanische Organismen. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einer blauen Lunge[1]. Siehe zum Beispiel unter Algenmatte ↗

Heißt mehr Sonne auch mehr Photosynthese?


Ja, bis zu einer gewissen Temperatur. Je mehr Sonnenstrahlen Pflanzen empfangen, desto mehr Energie erhalten sie auch zur Umwandlung durch die Photosynthe. Aber einer Temperatur von 46,7 °C aber bricht der Prozess chemisch zusammen[6].

Fußnoten