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BOTANIK

Photosynthese und Umweltfaktoren

Die Umweltfaktoren der Photosynthese

Die gesamte Photosyntheseausbeute eines Jahres beträgt auf der Erde rund 5 * 10¹³ kg Kohlenstoff oder 22,5 * 10¹³kg organische Stoffe. Würde man diese Ausbeute als Rohrzu-cker (Saccharose) zusammentragen, so ergäbe sich ein Berg mit einer Grundfläche von 111 km² und einer Höhe von 3200 m.

Der Wirkungsgrad der Photosynthese kann unter Laborbedingungen deutlich erhöht werden. Dies geschieht u. a. durch Veränderung der äußeren Faktoren wie Kohlen-stoffdioxidgehalt der Luft, Belichtung und Temperatur.

Kohlenstoffdioxidgehalt der Luft:

Durch Erhöhung des durchschnittlichen CO₂-Gehaltes der Luft, der 0,03 Vol-% beträgt, auf 0,1 Vol.-% kann man die Photosyntheseleistung um das Dreifache steigern. Eine Erhöhung der CO₂-Konzentration führt zu einem Maximumwert (Sättigungswert) bzw. zu keiner weiteren Leistungssteigerung.

Abb.: Die Abhängigkeit der Photosynthese von der Kohlenstoff-Konzentration.

Führt man den Versuch bei verschiedenen Lichtintensitäten durch, so zeigt sich, dass bei zunehmender CO₂-Konzentration durch Erhöhung der Lichtmenge die Photosyntheseaktivität weiter gesteigert werden kann. Dies geschieht so lange, bis die Lichtintensität wieder als begrenzender Faktor auftritt. Im Proportionalitätsbereich der Kurven wirkt Kohlenstoffdioxid als begrenzender Faktor, im Sättigungsbereich dagegen das Licht.

Abb.: Die Abhängigkeit der Photosyntheseleistung von der Kohlendioxid-Konzentration bei 2 verschiedenen Beleuchtungsstärken.

In Gewächshäusern wird durch Begasung mit Kohlenstoffdioxid die Photosyntheseaktivität und damit der Ertrag erhöht. Beim Spinat kann man den Ertrag auf das Fünffache steigern, wenn die CO₂-Konzentration auf 0,6 Vol-% erhöht wird. Solche Ergebnisse darf man jedoch nicht verallgemeinern. Bereits bei Konzentrationen von 0,3 Vol-% treten bei Tomatenpflanzen nach zwei Wochen Schädigungen auf. Offensichtlich reagieren nicht alle Pflanzen in gleicher Weise auf die Erhöhung einzelner Faktoren.

Am natürlichen Standort ist der Kohlenstoffdioxidgehalt der Luft bei günstigen Licht- und Temperaturverhältnissen ein begrenzender Faktor für die Leistungsfähigkeit der Photosynthese. Hier zeigt sich, dass die tatsächliche Leistung eines Stoffwechselvorganges, an dem mehrere Faktoren beteiligt sind, stets von der Größe des im Minimum vorliegenden Faktors bestimmt wird. Diese Gesetzmäßigkeit entspricht dem "Gesetz des Minimums".

Licht

Steigert man die Lichtintensität, so steigt die Photosyntheseleistung deutlich an. Mit weiter zunehmender Beleuchtungsstärke wirken jedoch andere Faktoren (Kohlenstoffdioxidgehalt der Luft, Temperatur) begrenzend. Eine noch weitere Steigerung kann zu einer dauerhaften Schädigung der Pflanze führen.

Wenn man die Photosyntheseleistung anhand der Sauerstoffproduktion misst, wird in der Regel der bei der Zellatmung gleichzeitig verbrauchte Sauerstoff nicht erfasst. Man stellt also nicht die wirkliche (reelle) Leistung fest, sondern nur die scheinbare (apparente). Um die wirkliche Leistung der Photosynthese genau zu bestimmen, muss man gleichzeitig die Atmungsaktivität der untersuchten Zellgewebe messen.

Abb.: Der tägliche CO₂-Ausstausch einer Tomatenpflanze.

Bei sehr schwacher Belichtung ist der Sauerstoffverbrauch bei der Zellatmung größer als die Sauerstoffproduktion der Photosynthese. Man könnte auch sagen, die Kohlenstoffdioxidproduktion bei Zellatmung ist größer als der Kohlenstoffdioxidverbrauch bei der Photosynthese. Im Schnittpunkt der Kurve mit der Abszisse ist die Bilanz dieser beiden gegenläufigen Prozesse ausgeglichen (Lichtkompensationspunkt).

Betrachtet man den täglichen CO₂-Austausch bei einer Tomatenpflanze, so zeigt sich während der Dunkelheit eine negative CO₂-Bilanz. Am frühen Morgen wird der Kompensationspunkt erreicht, danach überwiegt der CO₂-Verbrauch in der Photosynthese deutlich.

Temperatur

Von Photochemischen Prozessen ist bekannt, dass sie weitgehend temperaturunabhängig sind. Dies zeigt sich besonders eindrucksvoll bei der Belichtung einer photographischen Schicht. Es macht keinen Unterschied, ob sie bei -20° C oder bei +50°C belichtet wird.
Biochemische Prozesse dagegen unterliegen der Reaktionsgeschwindigkeits-Temperatur-Regel (RGT-Regel). Sie besagt, dass bei einer Temperaturerhöhung um 10°C sich die Reaktionsgeschwindigkeit durchschnittlich verdoppelt.

Abb.: Einfluss der Temperatur auf die Photosyntheseleistung bei geringer und hoher Lichtintensität.

Bei geringer Lichtstärke bleibt die Photosyntheseleistung bis zu einer Temperatur von 30°C nahezu unverändert. Die Beleuchtungsstärke ist der begrenzende Faktor. Bei hoher Lichtstärke steigt die Photosyntheserate in diesem Bereich beträchtlich an. Sie erreicht bei 33°C ihren höchsten Wert. Der Kurvenverlauf zeigt das typische Bild einer Optimum-Kurve. Bei Temperaturen über 33°C fallen beide Kurven rasch ab.

Während die Temperatur bei geringer Beleuchtungsstärke praktisch ohne Einfluss ist, zeigt sich ihr Einfluss bei hoher Beleuchtung ganz deutlich. Dies deutet darauf hin, dass bei der Photosynthese lichtabhängige, photochemische Prozesse ablaufen, die temperaturunabhängig sind. Daneben laufen auch lichtunabhängige, biochemische Prozesse ab, die temperaturabhängig sind. Man spricht von der Licht- bzw. Dunkelreaktion der Photosynthese.

Bilder aus:
Kroll, Demmer, Thies: "Stoffwechsel", Serie Biologie, Westermann Wien.

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