Einstieg (0:00)
Ein großer Baum wiegt mehrere Tonnen. Und jetzt die Frage, an der fast jeder hängen bleibt: Woher kommt das ganze Holz? Aus dem Boden? Liegt nahe. Die Wurzeln stecken ja in der Erde.
Falsch. Das Holz stammt zum größten Teil aus der Luft. Wie das geht, ist die Photosynthese. In den nächsten neun Minuten verstehst du ihre zwei Reaktionen, erfährst, mit welchen Versuchen man das herausgefunden hat, und löst zwei Prüfungsaufgaben. Käme alles aus dem Boden, hätte jeder alte Wald ein ziemlich tiefes Loch unter sich.
Zurück zum Holz, in vier Schritten. Erstens: was die Pflanze dafür braucht und wo genau es passiert. Zweitens: die zwei Reaktionen. Drittens: wie Forscher der Photosynthese auf die Spur gekommen sind. Viertens: die Prüfungsaufgaben.
Grundlagen (0:53)
Aus der Luft also. Aber wie wird aus einem Gas ein Baumstamm? Die Pflanze nimmt Kohlenstoffdioxid auf, kurz C-O-zwei, und Wasser aus dem Boden. Mit der Energie des Lichts baut sie daraus Traubenzucker, also Glucose. Übrig bleibt Sauerstoff. Als Wortgleichung: Kohlenstoffdioxid plus Wasser ergibt Glucose plus Sauerstoff.
Und mit Formeln: Sechs C-O-zwei plus sechs H-zwei-O ergibt C-sechs-H-zwölf-O-sechs plus sechs O-zwei. Über den Pfeil schreibst du Lichtenergie und Chlorophyll, den grünen Blattfarbstoff. Aus der Glucose baut die Pflanze Stärke und Zellulose, den Hauptbaustoff von Holz. Funfact: Etwa die Hälfte des Sauerstoffs auf der Erde entsteht im Plankton der Meere.
Bleiben wir aber bei unserem Baum. Wo passiert das? Im Querschnitt eines Blatts liegen oben die Palisadenzellen, damit sie viel Licht abbekommen. Unten sitzen meist die Spaltöffnungen, winzige Poren zwischen zwei Schließzellen. Durch sie strömt C-O-zwei hinein, Sauerstoff und Wasserdampf hinaus.
Und jetzt hinein in eine Palisadenzelle. Diese grünen Körnchen sind die Chloroplasten, die Orte der Photosynthese. Eine einzige Zelle hat Dutzende davon.
Halt, halt. Der gehört dem Baum.
Das ist Elysia chlorotica, eine Meeresschnecke. Sie frisst Algen und behält deren Chloroplasten monatelang in ihren eigenen Zellen. Eine Schnecke mit Solardach. Ob sie davon satt wird, ist umstritten. Schauen wir mal, was sie da geklaut hat.
Innen ist so ein Chloroplast erstaunlich ordentlich: flache Membransäckchen, die Thylakoide, oft gestapelt wie Münzen. Ein Stapel heißt Granum. Um sie herum ist eine Flüssigkeit, das Stroma. Diese zwei Orte brauchst du gleich.
Merksatz: Die Photosynthese findet in den Chloroplasten statt. Aus C-O-zwei und Wasser wird mit Lichtenergie Glucose, dabei entsteht Sauerstoff.
Zwei Reaktionen (3:01)
Im Chloroplasten teilen sich Thylakoid und Stroma die Arbeit. In der Thylakoidmembran läuft die lichtabhängige Reaktion, im Stroma die lichtunabhängige Reaktion, der Calvin-Zyklus. Die erste fängt die Energie des Lichts ein. Die zweite baut damit Zucker.
Fangen wir beim Licht an. In der Thylakoidmembran sitzt das Chlorophyll. Trifft Licht darauf, nimmt es die Energie auf und gibt energiereiche Elektronen ab. Aber dann fehlen ihm Elektronen. Woher bekommt es Ersatz?
Aus dem Wasser. Wassermoleküle werden gespalten, in Protonen, Elektronen und Sauerstoff. Das ist die Photolyse. Je zwei Sauerstoffatome verbinden sich zu einem O-zwei, und das perlt hinaus. Durchs Stroma, aus der Zelle, durch die Spaltöffnung ins Freie. Der Sauerstoff, den du atmest, war vorher Wasser.
Viele glauben, er käme aus dem C-O-zwei. Das liefert aber den Kohlenstoff für den Zucker. Deshalb schreibt man in der Oberstufe oft zwölf H-zwei-O links und sechs H-zwei-O rechts. Nur so reicht das Wasser für alle zwölf Sauerstoffatome.
Und die energiereichen Elektronen vom Chlorophyll? Sie wandern über eine Elektronentransportkette, werden ein zweites Mal von Licht angeregt und landen auf einem Transportmolekül: Aus N-A-D-P-plus wird N-A-D-P-H. Dabei sammeln sich Protonen im Innenraum des Thylakoids. Strömen sie durch die A-T-P-Synthase zurück ins Stroma, entsteht A-T-P.
Merksatz: Die lichtabhängige Reaktion speichert die Energie des Lichts in A-T-P und N-A-D-P-H. Der Sauerstoff ist nur ein Nebenprodukt. Und beide wandern ins Stroma.
Dort läuft der Calvin-Zyklus, ein Kreislauf in drei Schritten. Fixierung: Das Enzym Rubisco hängt C-O-zwei an einen Fünfer-Zucker, es entstehen zwei Dreier-Moleküle. Reduktion: Mit A-T-P und N-A-D-P-H entstehen daraus energiereiche Dreier-Zucker. Regeneration: Die meisten davon bauen den Fünfer-Zucker wieder auf, aus dem Rest entsteht Glucose. Für ein Glucose-Molekül läuft der Kreis sechsmal.
Diesen Kreis nannte man früher Dunkelreaktion. Klingt, als würde die Pflanze nachts heimlich Zucker backen. Tut sie aber nicht. Er braucht zwar kein Licht direkt, aber ständig A-T-P und N-A-D-P-H aus der lichtabhängigen Reaktion. Deshalb läuft er praktisch nur am Tag.
Merksatz: Der Calvin-Zyklus baut aus C-O-zwei Zucker und verbraucht dabei A-T-P und N-A-D-P-H. Übrig bleiben A-D-P und N-A-D-P-plus. Sie wandern zurück zur Membran und werden neu beladen. Zwei Reaktionen, ein Kreislauf.
Und jetzt zurück nach draußen. Im Thylakoid wird mit Lichtenergie Wasser gespalten, Sauerstoff entsteht, dazu A-T-P und N-A-D-P-H. Im Stroma baut der Calvin-Zyklus aus C-O-zwei Zucker. Einen Teil davon veratmet die Pflanze selbst, Tag und Nacht. Den Rest verbaut sie zu Stärke, zu Zellulose, zu Holz.
Entdeckung (6:15)
Holz aus Luft. Vor fast vierhundert Jahren stellte sich van Helmont genau unsere Baum-Frage. Er pflanzte eine Weide in einen Topf mit abgewogener Erde und goss sie fünf Jahre lang nur mit Wasser. Die Weide wuchs von fünf auf über hundertsechzig Pfund. Die Erde war fast gleich schwer geblieben. Sein Schluss: Alles kommt aus dem Wasser. Nur teilweise richtig. Die Luft hatte er übersehen.
Erst über hundert Jahre später kam die Luft ins Spiel. Priestley ließ eine Kerze unter einer Glasglocke ausgehen. Mit einem Minzzweig darunter brannte nach zehn Tagen wieder eine Kerze. Die Pflanze hatte die Luft erneuert. Ingenhousz zeigte dann: Das klappt nur im Licht, und nur mit grünen Pflanzenteilen.
Bleibt die Frage: Welches Licht genau? Das klärte Engelmann achtzehnhundertzweiundachtzig mit einem genialen Versuch. Er legte einen Grünalgenfaden unter das Mikroskop und warf mit einem Prisma die Farben des Lichts darauf. Dazu gab er Bakterien, die Sauerstoff brauchen. Sie sammeln sich dort, wo viel Sauerstoff entsteht.
Das Ergebnis: Die Bakterien drängen sich im roten und im blauen Licht. Im grünen kaum. Wie in der Mensa, wenn es Pommes gibt. Chlorophyll nimmt grünes Licht am schlechtesten auf, mehr davon wird zurückgeworfen. Deshalb sehen Blätter grün aus.
Merksatz: Rotes und blaues Licht treiben die Photosynthese am stärksten an, grünes weniger. Diese Kurve heißt Wirkungsspektrum.
Prüfung (7:47)
Weide, Kerze, Bakterien. Jetzt bist du dran. Aufgabe eins, Niveau Klasse neun: Stelle die Summengleichung der Photosynthese auf und gib an, woher der Sauerstoff stammt. Drück Pause. Ich tanke solange Licht. Bringt nichts. Kein Chlorophyll.
Die Lösung: Sechs C-O-zwei plus sechs H-zwei-O ergibt mit Lichtenergie und Chlorophyll C-sechs-H-zwölf-O-sechs plus sechs O-zwei. Und der Sauerstoff stammt aus dem Wasser, nicht aus dem C-O-zwei. Am zweiten Teil scheitern viele.
Eine Stufe schwerer. Aufgabe zwei, Niveau Oberstufe: „Erläutern Sie, warum der Calvin-Zyklus im Dunkeln nach kurzer Zeit zum Erliegen kommt.“ Erläutern heißt: einen Sachverhalt mit zusätzlichen Infos verständlich machen. Drück Pause und formuliere.
Volle Punkte gibt es für drei Teile. Erstens: Die Reduktion im Calvin-Zyklus braucht A-T-P und N-A-D-P-H, die Regeneration A-T-P. Zweitens: Beides liefert nur die lichtabhängige Reaktion. Im Dunkeln wird kein Chlorophyll angeregt, also gibt es keine Photolyse und keinen Nachschub. Und manche Enzyme des Zyklus werden nur im Licht aktiv. Drittens: Die Vorräte sind schnell verbraucht, und der Fünfer-Zucker wird nicht mehr regeneriert. Dann kann Rubisco kein C-O-zwei mehr fixieren, und der Zyklus steht.
Merk dir drei Dinge (9:21)
Das war die Photosynthese. Merk dir drei Dinge. Erstens: Aus C-O-zwei und Wasser werden mit Lichtenergie Glucose und Sauerstoff. Zweitens: Der Sauerstoff stammt aus dem Wasser, nicht aus dem C-O-zwei. Drittens: Die lichtabhängige Reaktion liefert A-T-P und N-A-D-P-H, der Calvin-Zyklus baut damit Zucker. Das Quiz und den Lernzettel zu diesem Video findest du kostenlos auf achtmalklug punkt de. Genau wie dein Sauerstoff. Der Baum schickt dir auch keine Rechnung. Bleib neugierig.
