Fotosynthese

Was ist Fotosynthese?

Fotosynthese, wissenschaftlich meist Photosynthese genannt, ist der Prozess, mit dem Pflanzen Lichtenergie in chemische Energie umwandeln. Die Pflanzen nutzen Sonnenlicht, um aus Kohlendioxid und Wasser energiereiche Zuckerverbindungen aufzubauen – und geben dabei Sauerstoff als "Nebenprodukt" an die Luft ab. Die energiereichen Stoffe nutzen sie selbst für ihr Wachstum. Dabei ist die Fotosynthese nicht nur für die Pflanze selbst überlebenswichtig, sondern gehört zu den zentralen Grundlagen allen Lebens auf der Erde.

Photosynthese einfach erklärt

Der Ort des Geschehens sind die Chloroplasten in den Blattzellen, genauer der grüne Farbstoff Chlorophyll, der Lichtenergie einfängt und nutzbar macht. Fast alle grünen Pflanzenteile können Photosynthese betreiben, den größten Anteil übernehmen jedoch die Blätter, da sie mit ihrer großen Oberfläche besonders viel Licht einfangen können.

1. Lichtaufnahme: Die Pflanze nimmt über das Chlorophyll Licht auf. Dabei fängt das Chlorophyll die Energie des Sonnenlichts ein, ähnlich wie eine kleine Solarzelle, und macht sie für die Pflanze nutzbar. 
   

2. Gasaufnahme: Über kleine Spalt­öffnungen in den Blättern gelangt außerdem Kohlen­dioxid aus der Luft in die Pflanze. Diese Öffnungen sitzen meist auf der Blattunterseite und öffnen oder schließen sich je nach Bedarf. Bei den meisten Zimmer­pflanzen sind sie tagsüber geöffnet, wenn genug Licht für die Foto­synthese vorhanden ist, damit ausreichend Kohlen­dioxid auf­genommen werden kann.
   

3. Wasseraufnahme: Über die Wurzeln wird Wasser aus dem Boden auf­genommen und in die Blätter transportiert. Der Transport erfolgt über feine Leitungs­bahnen im Stängel, die das Wasser bis in die Blatt­zellen befördern, wo es für die weiteren Schritte der Foto­synthese benötigt wird. Zusammen mit dem Wasser nimmt die Pflanze außerdem im Boden gelöste Nährstoffe auf, die sie ebenfalls für ihr Wachstum braucht.
   

4. Energieumwandlung: Die Pflanze nutzt die Lichtenergie, um Wasser und Kohlendioxid chemisch umzuwandeln. Das passiert nicht in einem einzigen Schritt, sondern in einer Reihe aufeinanderfolgender Reaktionen, bei denen aus den beiden Ausgangsstoffen nach und nach neue, energiereichere Verbindungen entstehen.
   

5. Produktentstehung: Dabei entstehen Zucker, den die Pflanze als Energie­quelle und Baustoff für ihr Wachs­tum nutzt, sowie Sauer­stoff, der als Neben­produkt wieder an die Luft abgegeben wird. Der Zucker wird von der Pflanze entweder sofort als Energie genutzt oder in feste Bestand­teile wie neue Blätter, Stängel und Wurzeln eingebaut. Der Sauerstoff verlässt die Pflanze über dieselben Spalt­öffnungen, durch die zuvor das Kohlen­dioxid aufgenommen wurde.

Chemischer Hintergrund

Die Kurzformel der Photosynthese lautet: 6 CO₂ + 6 H₂O + Licht → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Es handelt sich um eine Redoxreaktion, also eine gekoppelte Reduktion und Oxidation. Das Licht wird dabei nicht verbraucht, sondern liefert die Energie für die Reaktion. Aus Kohlendioxid und Wasser entstehen so bei der Fotosynthese Zucker (Glukose) und Sauerstoff.

Faktoren, die die Fotosynthese beeinflussen

Damit Pflanzen Fotosynthese betreiben können, müssen verschiedene Bedingungen stimmen. Einflussfaktoren sind:

• Licht (Menge & Qualität): Je mehr Sonnenlicht eine Pflanze erhält, desto aktiver kann sie Photosynthese betreiben.
• Wasserversorgung: Ohne ausreichend Wasser schließt die Pflanze bei Trockenstress ihre Spaltöffnungen, um Wasser zu sparen, wodurch gleichzeitig weniger Kohlendioxid hineingelangt.
• CO₂-Konzentration: Steht mehr Kohlendioxid zur Verfügung, kann die Pflanze es bis zu einem gewissen Grad effizienter nutzen.
• Temperatur: Die beteiligten Reaktionen laufen nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs optimal ab. Wird es zu kalt oder zu heiß, verlangsamt sich die Fotosynthese spürbar.
• Luftfeuchtigkeit: Wie feucht die Luft ist, beeinflusst, wie weit sich die Spaltöffnungen öffnen und wie viel Wasser die Pflanze dabei verliert.
• Chlorophyllgehalt: Wie viel Blattfläche mit Chlorophyll zur Verfügung steht, bestimmt, wie viel Licht überhaupt eingefangen werden kann. Das zeigt sich besonders deutlich bei variegierten Pflanzenarten. Ihre weißen oder cremefarbenen Blattbereiche enthalten kein Chlorophyll und können daher keine Fotosynthese betreiben. Dadurch steht ihnen effektiv weniger Blattfläche für die Energiegewinnung zur Verfügung, weshalb sie meist langsamer wachsen als vollständig grüne Pflanzen und oft von etwas mehr Licht profitieren.

C3-, C4- und CAM-Pflanzen

Nicht alle Pflanzen betreiben Fotosynthese auf die gleiche Weise. Je nach Standort und Klima haben sich im Lauf der Evolution drei unterschiedliche Strategien entwickelt, Kohlendioxid aufzunehmen und zu verarbeiten: C3, C4 und CAM.

C3-Pflanzen – der häufigste Typ

Etwa 85 % aller Pflanzenarten funktionieren nach dem C3-Typ, darunter die meisten klassischen Zimmer­pflanzen wie Monstera, Philodendron und Pilea. Sie fixieren Kohlen­dioxid direkt in einer Drei-Kohlenstoff-Verbindung. Bei Hitze und Trocken­heit schließen sie ihre Spal­töffnungen, um Wasser zu sparen. Dadurch sinkt gleich­zeitig die CO₂-Aufnahme, und die Foto­synthese wird weniger effizient.

C4-Pflanzen – effizient bei Hitze und praller Sonne

C4-Pflanzen fixieren Kohlendioxid zunächst in speziellen Zellen, wobei als erstes ein Molekül mit vier Kohlenstoff-Atomen entsteht – daher der Name C4. Erst danach wird das Kohlen­dioxid für die eigentliche Zucker­produktion weitergereicht. Dieser zusätzliche Zwischen­schritt macht C4-Pflanzen auch bei großer Hitze und geringerer CO₂-Verfüg­barkeit effizient und lässt sie weniger Wasser verlieren. 

CAM-Pflanzen – nächtliche CO₂-Aufnahme

CAM-Pflanzen sind an besonders trockene Standorte angepasst und daher im Zimmerpflanzen-Sortiment deutlich präsenter: Sukkulenten, Kakteen und viele Orchideen gehören dazu. Um möglichst wenig Wasser zu verlieren, öffnen sie ihre Spaltöffnungen nicht tagsüber, sondern nachts, wenn es kühler ist und die Luftfeuchtigkeit höher ausfällt. Das aufgenommene Kohlendioxid wird zwischengespeichert und erst am folgenden Tag bei geschlossenen Spaltöffnungen für die Fotosynthese genutzt. Dadurch überleben CAM-Pflanzen auch in sehr trockenen, heißen Umgebungen und kommen insgesamt mit deutlich weniger Wasser aus als C3- oder C4-Pflanzen.

Photosynthese bei Zimmerpflanzen

Für dich als Zimmerpflanzen-Halter ist das mehr als graue Theorie: Wie gut deine Pflanze Fotosynthese betreiben kann, entscheidet direkt darüber, wie kräftig sie wächst, wie intensiv ihre Blattfarbe ausfällt und wie widerstandsfähig sie gegenüber Stress ist. Steht eine Pflanze zu dunkel, reicht die Lichtmenge oft nicht aus, um genug Energie zu produzieren. Die Folgen sind schwaches Wachstum, blasse oder abfallende Blätter und eine höhere Anfälligkeit für Schädlinge.

Daher ist es wichtig, auf den richtigen Standort zu achten. Einige Zimmerpflanzen benötigen viel Licht benötigen, während andere Pflanzen für dunklere Räume geeignet sind. Reicht das natürliche Licht am gewählten Standort nicht aus, kann eine Pflanzenlampe eine sinnvolle Ergänzung sein. Sie liefert zusätzliches Licht in einem für die Fotosynthese nutzbaren Spektrum und hilft besonders in den dunkleren Wintermonaten, das Wachstum stabil zu halten. Auch die Wassermenge und die Nährstoffe sind entscheidend, da sie als Ausgangsstoffe und Hilfsfaktoren benötigt werden. Zusätzlich beeinflusst der Kohlenstoffdioxidgehalt der Luft den Prozess, ohne CO₂ kann keine Photosynthese stattfinden. Schließlich spielen auch Temperatur und Luftfeuchtigkeit eine Rolle, da viele Pflanzen nur in einem bestimmten Bereich optimal arbeiten können.