Photosynthese und Zellatmung verstehen

Bei der Photosynthese nutzt die Pflanze Lichtenergie, um Kohlenstoff aus Kohlendioxid in organische Verbindungen einzubauen. Diese Verbindungen können anschließend transportiert, gespeichert, in neue Pflanzenmasse eingebaut oder für die Zellatmung wieder abgebaut werden.

Damit gehören zwei Prozesse zusammen:

Photosynthese baut energiereiche organische Verbindungen auf.

Zellatmung macht einen Teil dieser gespeicherten Energie für die Zellarbeit nutzbar.

Und beide können am selben Tag gleichzeitig stattfinden.

Vom Licht zum organischen Kohlenstoff

Ein großer Teil der Photosynthese findet in den Blättern statt.

Dort sitzen in vielen Mesophyllzellen zahlreiche Chloroplasten. In ihnen laufen zwei große Prozessgruppen ab.

Lichtreaktionen

Pigmente wie Chlorophyll absorbieren Photonen.

Die aufgenommene Lichtenergie wird genutzt, um unter anderem ATP und NADPH zu erzeugen. Wasser liefert dabei Elektronen.

Ein wichtiger Punkt:

Der Sauerstoff, der bei der Photosynthese freigesetzt wird, stammt aus Wasser – nicht aus dem CO₂.

Calvin-Benson-Zyklus

CO₂ gelangt überwiegend über die Stomata in das Blatt.

Im Stroma der Chloroplasten wird der Kohlenstoff anschließend in organische Verbindungen eingebaut. Daraus können später unter anderem Zucker, Stärke und weitere Baustoffe der Pflanze entstehen.

Grafik als Text lesen

• Licht liefert Energie. Chlorophyll und weitere Pigmente absorbieren Photonen. 400–700 nm bezeichnet den klassischen PAR-Bereich; daraus folgt keine Wirkungslosigkeit von Strahlung außerhalb dieses Bereichs.
• In den Thylakoidmembranen des Chloroplasten laufen die Lichtreaktionen ab: Lichtenergie ermöglicht die Bildung von ATP und NADPH, Wasser liefert Elektronen und Sauerstoff wird freigesetzt.
• Im Stroma werden im Calvin-Benson-Zyklus mit ATP und NADPH Kohlenstoffverbindungen aus CO₂ aufgebaut. G3P kann als Baustein für Zucker, Stärke und weitere organische Stoffe dienen.
• Organische Kohlenstoffverbindungen können über das Phloem zu Wurzeln, jungen Trieben, Blüten, Früchten, Samen und Speicherorganen verteilt werden.
• Der Kohlenstoff stammt aus CO₂; der bei der Photosynthese freigesetzte Sauerstoff stammt aus Wasser.

Warum Stomata für Photosynthese und Wasser gleichzeitig wichtig sind

Damit CO₂ in das Blatt gelangen kann, muss ein Gasweg offen sein.

Über die Stomata kann Kohlendioxid ins Blatt diffundieren. Gleichzeitig kann dort Wasserdampf austreten.

Damit entsteht ein Zielkonflikt:

CO₂ hinein – Wasser möglichst kontrolliert verlieren.

Bei Wasserstress können Pflanzen ihre Stomata stärker schließen. Dadurch sinkt häufig gleichzeitig die CO₂-Zufuhr.

Eine Pflanze kann deshalb viel Licht erhalten und es trotzdem nicht vollständig für zusätzliche Photosynthese nutzen, wenn beispielsweise der Wasserstatus nicht passt.

Pflanzen atmen auch am Tag

Ein häufiger Denkfehler lautet:

Tag = Photosynthese

Nacht = Atmung

So einfach ist es nicht.

Auch bei Licht betreiben Pflanzen Zellatmung.

Dabei werden organische Verbindungen unter Verbrauch von Sauerstoff abgebaut, um chemisch gespeicherte Energie für die Zellarbeit nutzbar zu machen.

In Dunkelheit fällt die lichtgetriebene Photosynthese weg. Die Zellatmung läuft dagegen weiter.

Deshalb gilt:

Bei Licht: Photosynthese + Zellatmung

In Dunkelheit: Zellatmung ohne lichtgetriebene Photosynthese

Grafik als Text lesen

• Bei Licht können Photosynthese und Zellatmung gleichzeitig stattfinden. In Dunkelheit fällt die lichtgetriebene Photosynthese weg; Zellatmung läuft weiter.
• Vereinfachte Photosynthesegleichung: 6 CO₂ + 6 H₂O + Licht → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂. Die Summengleichung bildet nicht die einzelnen Reaktionsschritte ab.
• Vereinfachte Zellatmungsgleichung: C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + nutzbare Energie (ATP).
• Bei sehr wenig Licht kann die CO₂-Abgabe durch Atmung die Aufnahme überwiegen. Am Lichtkompensationspunkt gleichen sich beide vereinfacht aus; oberhalb kann eine positive Netto-CO₂-Aufnahme entstehen.
• Mit steigender Lichtintensität kann ein Sättigungsbereich erreicht werden. Die dargestellte Kurve ist schematisch und keine kulturbezogene PPFD-Empfehlung.
• Pflanzen atmen Tag und Nacht. Photosynthese ist nicht gleich Wachstum; auch die Verwendung der gebildeten Assimilate und weitere Prozesse sind entscheidend.

Was ist Netto-Photosynthese?

Die Photosynthese bindet CO₂.

Die Zellatmung setzt gleichzeitig einen Teil des gebundenen Kohlenstoffs wieder als CO₂ frei.

Vereinfacht kann man deshalb schreiben:

Netto-CO₂-Aufnahme = Photosynthese − Atmung

Bei sehr wenig Licht kann die Atmung größer sein als die photosynthetische CO₂-Aufnahme.

Am Lichtkompensationspunkt gleichen sich beide ungefähr aus.

Steigt die Lichtmenge weiter, kann die Netto-CO₂-Aufnahme positiv werden.

Warum mehr Licht nicht unbegrenzt mehr bringt

Bei wenig Licht kann zusätzliches Licht die Photosynthese deutlich erhöhen.

Dieser Zusammenhang bleibt aber nicht unbegrenzt linear.

Mit steigender Lichtmenge nimmt der zusätzliche Nutzen irgendwann ab. Schließlich kann ein Lichtsättigungsbereich erreicht werden.

Dann hilft eine noch stärkere Beleuchtung nur wenig, wenn andere Prozesse bereits begrenzen.

Dazu können beispielsweise gehören:

• CO₂-Angebot
• Wasserstatus und Stomata
• Temperatur
• Nährstoffversorgung
• Blattgesundheit
• Entwicklungsstadium
• Fähigkeit der Pflanze, gebildete Assimilate zu verwenden

Mehr Licht bringt nur dann zusätzlichen Nutzen, wenn die Pflanze diesen zusätzlichen Input auch verarbeiten kann.

Grafik als Text lesen

• Bei Lichtmangel begrenzt das Licht die Photosynthese. Zusätzliche Photonen können die Rate zunächst deutlich erhöhen; der zusätzliche Nutzen nimmt im Sättigungsbereich ab.
• CO₂ gelangt überwiegend durch Stomata ins Blatt. Die Wirkung eines höheren CO₂-Angebots ist kultur- und bedingungsabhängig.
• Wasserstress kann zur stärkeren Schließung von Stomata führen. Die CO₂-Zufuhr sinkt und die Photosynthese kann trotz vorhandenen Lichts begrenzt werden.
• Temperatur beeinflusst enzymatische Prozesse. Der geeignete Bereich ist kulturabhängig; sowohl zu niedrige als auch zu hohe Temperaturen können begrenzen.
• Nährstoffe, Blattgesundheit, Wurzeln und die Fähigkeit der Pflanze, Assimilate zu verwenden, wirken mit. Mehrere Faktoren können gleichzeitig begrenzen.
• Die schematische Kurve illustriert den Zusammenhang; daraus lassen sich keine universellen PPFD-Ziel- oder Grenzwerte ableiten.

Watt, PPFD und DLI sind nicht dasselbe

Gerade bei Pflanzenlampen werden mehrere Größen schnell vermischt.

Watt

Watt beschreibt zunächst die elektrische Leistungsaufnahme beziehungsweise Leistung einer Leuchte.

Die Wattzahl sagt allein noch nicht, wie viele Photonen tatsächlich am Blatt ankommen.

PPFD

PPFD beschreibt die photosynthetische Photonenflussdichte an einer Fläche zu einem bestimmten Zeitpunkt.

Einheit:

µmol m⁻² s⁻¹

DLI

Der Daily Light Integral beschreibt die über einen Tag aufsummierte Menge photosynthetischer Photonen.

Einheit:

mol m⁻² d⁻¹

Damit gilt:

PPFD = momentane Photonenflussdichte

DLI = Photonenmenge über die Zeit

Auch zwei Beleuchtungssysteme mit ähnlichem DLI müssen biologisch nicht in jeder Kultur exakt gleich wirken, wenn Intensität und Photoperiode stark unterschiedlich sind.

Was passiert mit dem erzeugten Zucker?

Die im Blatt erzeugten organischen Kohlenstoffverbindungen bleiben nicht einfach dort.

Photosynthate können beispielsweise über das Phloem zu anderen Pflanzenteilen transportiert werden.

Dazu gehören:

• Wurzeln
• junge Triebe und Blätter
• Blüten
• Früchte
• Samen
• Speicherorgane

Das Blatt kann deshalb eine Quelle für Assimilate sein, während wachsende oder speichernde Organe als Senken wirken.

Genau deshalb ist Photosynthese nicht dasselbe wie sichtbares Wachstum.

Zwischen CO₂-Aufnahme und einer größeren Frucht liegen noch viele weitere Prozesse.

Eine starke Lampe garantiert deshalb keinen starken Wuchs

Eine Lampe kann sehr viel Licht bereitstellen.

Wenn die Pflanze gleichzeitig unter Wasserstress steht, ihre Stomata stärker schließt, die Temperatur ungeeignet ist oder andere Funktionen gestört sind, kann die zusätzliche Lichtmenge nur begrenzt genutzt werden.

Für Pflanzenlicht müssen deshalb mehrere Ebenen getrennt werden:

elektrische Leistung → Photonen am Bestand → Pflanzenreaktion → Wachstum/Ertrag

Keine dieser Ebenen ist automatisch mit der nächsten gleichzusetzen.

Und was passiert nachts?

In Dunkelheit fällt die lichtgetriebene Photosynthese weg.

Die Zellatmung läuft weiter.

Damit verbraucht die Pflanze auch nachts einen Teil ihrer gespeicherten organischen Verbindungen für ihren Stoffwechsel.

Auch die Temperatur beeinflusst diese Prozesse.

Daraus folgt aber nicht:

Je kälter die Nacht, desto besser.

Pflanzen besitzen artspezifische Temperaturbereiche für gesundes Wachstum und Entwicklung.

Nicht verwechseln

Licht = Energiequelle, nicht Kohlenstoffquelle

Photosynthese ≠ Zellatmung

Tag ≠ nur Photosynthese

Nacht ≠ Beginn der Zellatmung

PPFD ≠ Watt

PPFD ≠ DLI

Photosynthese ≠ Wachstum

Photorespiration ≠ Zellatmung

Merksatz

Eine Pflanze wächst nicht von Licht allein. Photosynthese liefert organische Kohlenstoffverbindungen – wie viel davon am Ende für Wachstum übrig bleibt, hängt vom gesamten Pflanzensystem ab.