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.

Bildbeschreibung und Urheberrecht — Die Gasblasen wurden von dem hellgrünen Meersalat über Photosynthese produziert: Meersalat besteht aus einzelnen Zellen einer Grünalge. Er wächst in den oberfächennahen Bereichen der Gezeitenzone, zum Beispiel an Buhnen oder Spundwänden. Man findet Meersalat oft im Spülsaum am Strand. Frisch angespülte Pflanzen leben noch. Gibt man sie dann zum Beispiel in eine großes Gurkenglas mit Seewasser, entwickeln sie bei Sonnenlicht eine stark Photosynthesetätigkeit. Man erkennt das hier an den vielen Luftblasen, die durch die Alge erzeugt werden. Bei fehlender Sonneneinstrahlung entstehen keine Blasen.☛

Die Photosynthese löste eine frühe „Energiekrise“

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] ↗}

Die Photosynthese liefert niedrige Entropie

Dass die Photosynthese nicht vorrangig der Bereitstellung von Energie an sich dient, sondern der Energie in einem Zustand niedriger Entropie betonten unter anderem Erwin Schrödinger^[7] und Roger Penrose^[8]. Die Photosynthese, so Penrose „bewirkt eine enorme Senkung der Entropie“: „Die Sonne versorgt die Erde mit Energie von relativ niedriger Entropie, nämlich in Form von Photonen des sichtbaren Lichts“ und sie strahlt sie „in einer Form hoher Entropie“ ab, nämlich als „Wärmestrahlung - das heißt, als Infrarot-Photonen“. Warum hat das Licht bei seiner Ankunft von der Sonne weniger Entropie als bei seiner Abstrahlung durch die Erde? Laut Penrose hängt das mit dem Anwachsen der Anzahl der Photonen zusammen. Die Photonen von der Sonne haben pro Photon mehr Energie als die von der Erde abgetrahlten Infrarot-Photonen. Da die Erde aber im Schnitt so viel Energie von der Sonne aufnimmt, wie sie auch abgibt, muss die Anzahl der Photonen im abgestrahlten Licht von der Erde großer als im empfangenen Licht von der Sonne sein. Und eine größere Anzahl von Photonen, so Penrose, entspricht auch mehr Freiheitsgraden und damit mehr Entropie ↗

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 Eisenerzen 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

[1] Holger Freund: Kieselalgen - Unsichtbare Schönheiten aus Glas. In: Natur- und Umweltschutz. Zeitschrift der Naturschutz- Forschungsgemeinschaft Der Mellumrat e. V. Band 20 - Heft 1 2021. ISSN: 16198565. Populärwissenschaftlicher Fachartikel.

[2] Tsuyoshi Komiya, Shigenori Maruyama, Toshiaki Masuda, Susumu Nohda, Mamoru Hayashi, Kazuaki Okamoto: Plate Tectonics at 3.8–3.7 Ga: Field Evidence from the Isua Accretionary Complex, Southern West Greenland. In: The Journal of Geology. Band 107, Nummer 5. September 1999. DOI: https://doi.org/10.1086/314371

[3] Carsten Bresch: Zwischenstufe Leben. Evolution ohne Ziel? Piper Verlag. München 1977. ISBN 3-492-02270-7. Siehe auch MONON ↗

[4] DJ De Marais: Evolution. When did photosynthesis emerge on Earth? In: Science. 2000 Sep 8;289(5485):1703-5. PMID: 11001737.

[5] RE Blankenship: Early evolution of photosynthesis. In: Plant Physiol. 2010 Oct;154(2):434-8. doi: 10.1104/pp.110.161687. PMID: 20921158; PMCID: PMC2949000.

[6] Doughty, C.E., Keany, J.M., Wiebe, B.C. et al. Tropical forests are approaching critical temperature thresholds. Nature 621, 105–111 (2023). Online: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06391-z

[7] Erwin Schrödinger: Was ist Leben. Leo Lehnen Verlag. München, 1951.

[8] Roger Penrose: Computerdenken. Des Kaisers neue Kleider oder Die Debatte um Künstliche Intelligenz, Bewußtsein und die Gesetze der Physik. Englischer Originaltitel: The Emperor's New Mind (1989). Deutsche Ausgabe: Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH. Heidelberg. 1991. ISBN: 3-89330-708-7. Dort sehr ausführlich über Entropie im Kapitel "7. Die Kosmologie und der Zeitpfeil". Die Seiten 311 und 312. Zum Buch siehe auch Computerdenken ↗