Fotosynthese – Experimentelle Erforschung der Fotosynthesereaktion

Hallo. Du weißt bereits, welche Prozesse bei der Fotosynthese ablaufen. Doch wie wurden diese Abläufe eigentlich untersucht? In diesem Video geht es um die Versuche, die Forscher durchführten, um die Fotosynthese experimentell zu analysieren. Du wirst Versuche zur Sauerstoffherkunft, der HILL-Reaktion, der CO2-Fixierung, dem Wirkungsspektrum und den Emerson-Effekt kennenlernen. Beginnen wir mit einem Experiment, dass die Herkunft des Sauerstoffs aufdeckte. Du weißt, dass bei der Fotosynthese Glucose und Sauerstoff aus Wasser und Kohlenstoffdioxid gebildet werden. Die Sauerstoffmoleküle könnten also entweder aus dem Wasser- oder den Kohlenstoffdioxidmolekülen stammen. Um dieses Rätsel zu lösen, wurden zwei Pflanzen untersucht. Die erste wuchs im Wasser, das mit dem Sauerstoffisotop 18O markiert war. Kohlenstoffdioxid enthielt das normale Isotop 16O. Der zweiten Probe wurde mit dem Sauerstoffisotop 18O markierter Kohlenstoffdioxid zugeführt, sowie Wasser mit dem normalen Isotop 16O. Der gebildete Sauerstoff wurde aufgefangen und analysiert. Man fand heraus, dass nur der Sauerstoff der ersten Probe markiert war. Somit ist klar, dass der in der Photosynthese gebildete Sauerstoff aus dem Wassermolekül stammt. Robert Hill fand heraus, dass die erste Reaktion der Fotosynthese lichtabhängig ist und an der Thylakoidmembran der Chloroplasten stattfindet. Deshalb wird sie als HILL-Reaktion bezeichnet. Das Licht der Sonne liefert die nötige Energie für diese Reaktion. So kann durch Fotolyse Wasser gespalten werden, wobei da Sauerstoff- und Wasserstoffionen entstehen. Hier fungieren Eisen-drei-Verbindungen als künstliche Elektronenakzeptoren. Es entstehen ATP und NADPH und H+. Erst im zweiten Schritt, dem Calvin-Zyklus, wird CO2 benötigt und werden Kohlenhydrate gebildet. Damit sind wir bei der Kohlenstoffdioxid-Fixierung. Daniel Arnon konnte nachweisen, dass diese Reaktion lichtunabhängig ist. Sie findet im Stroma der Chloroplasten statt. In einem Experiment führte er zusammen mit anderen Wissenschaftlern folgende Versuchsreihen durch: In einer ersten beleuchtete er ein Gemisch aus Stroma und Thylakoiden für 30 Minuten. In einer zweiten setzte er die Probe 30 Minuten lang völliger Dunkelheit aus. Die Fotosyntheserate von Probe eins war hoch, die von Probe zwei niedrig. Bei Licht findet also mehr Fotosynthese statt. In einer zweiten Versuchsreihe wurden zwei Proben jeweils in ein Gefäß ohne Kohlenstoffdioxid gegeben. Die erste wurde 30 Minuten lang belichtet, die zweite blieb 30 Minuten lang im Dunkeln. Die Thylakoide wurden anschließend jeweils abzentrifugiert und dem Stroma jeweils Kohlenstoffdioxid zugesetzt. Die zuvor beleuchtete Probe wies eine hohe Fotosyntheserate auf, die Probe, die der Dunkelheit ausgesetzt war, eine niedrige. Arnon kam zu dem Schluss, dass es eine lichtabhängige Reaktion in den Thylakoiden und eine lichtunabhängige im Stroma geben muss. Die lichtunabhängige Reaktion wollte er weiter untersuchen. Er führte ein drittes Experiment durch. Drei Proben wurden unterschiedliche Zusätze beigemengt und mit Kohlenstoffdioxid versetzt. Die erste enthielt NADPH und H+, die zweite ATP und die dritte NADPH und H+ sowie ATP. Probe eins und zwei wiesen eine niedrige Fotosyntheserate auf, Probe drei eine hohe. Somit ist klar, dass diese Stoffe aus dem ersten Schritt der Fotosynthese für den zweiten benötigt werden. Als Maß für die Fotosyntheserate wurde in allen Experimenten die radioaktive Strahlung bestimmt. Diese stammte vom eingebauten Kohlenstoff aus radioaktiv markiertem Kohlenstoffdioxid. Doch nicht Licht jeder beliebigen Wellenlänge führt zu hohen Fotosyntheseraten. Theodor Wilhelm Engelmann fand heraus, welches Licht am wirkungsvollsten ist. Er verwendete den Faden einer Grünalge und sauerstoffliebende Bakterien. Den Faden beleuchtete er mit einem Spektrum des sichtbaren Lichtes, das er durch ein Prisma spaltete. Anschließend untersuchte er, an welchen Stellen des Fadens die Bakterien sich vorwiegend sammelten. Da diese Sauerstoff benötigten, konzentrierten sie sich an den Stellen mit der höchsten Fotosyntheserate. Rotes und blaues Licht erwiesen sich als wirksam, grünes hingegen nicht. Und tatsächlich liegt das Wirkungsspektrum der Photosynthese im roten und blauen Bereich des Lichtes. Grünes Licht hingegen wird größtenteils reflektiert. Darum sind die meisten Blätter auch grün. Robert Emerson macht später eine erstaunliche Entdeckung: Emerson entdeckte, dass bei der Fotosynthese zwei verschiedene Arten von Fotosystemen beteiligt sind. Beide hatten jedoch ein unterschiedliches Absorptionsmaximum, nämlich 680 Nanometer und 700 Nanometer. Bei gleichzeitiger Bestrahlung von Pflanzen mit 680 Nanometer und mit 700 Nanometer Licht fiel die Fotosyntheserate viel höher aus als bei der Bestrahlung mit nur einer der beiden Wellenlängen, auch wenn er die Summe aus den beiden Fotosyntheseraten bildete. Das ist der sogenannte Emerson-Effekt. Nur die Zusammenarbeit der beiden Fotosysteme macht die Fotosynthese so effizient. Fassen wir noch einmal zusammen: Die Herkunft des Sauerstoffs wurde mit Sauerstoffisotopen in Wasser und Kohlenstoffdioxid untersucht. Demnach stammt der bei der Fotosynthese entstehende Sauerstoff aus der Fotolyse des Wassers. Die Fotosynthese findet in zwei Schritten statt. Bei der an der Thylakoidmembran ablaufenden HILL-Reaktion wird Licht benötigt. Der Calvin-Zyklus hingegen findet im Stroma auch im Dunkeln statt, wie Daniel Arnon herausfand. Bei dieser CO2-Fixierung für die Produktion von Kohlenhydraten werden NADPH und H+ sowie ATP aus der HILL-Reaktion benötigt. Engelmann entdeckte, dass sauerstoffliebende Bakterien sich an den Stellen eines Algenfadens sammeln, der mit rotem oder blauem Licht bestrahlt wird. Laut Emerson-Effekt ist die Photosynthese bei gleichzeitiger Bestrahlung mit Licht beider Wellenlängen - 680 Nanometer und 700 Nanometer - effizienter als bei der Summe der jeweils einzelnen Bestrahlungen. Er schlussfolgerte, dass es daher zwei Fotosysteme geben muss, die nur in Zusammenarbeit die hohe Fotosyntheserate erreichen. Ich hoffe, du hast viel gelernt. Tschüss.