Experimente:
Versuch: Licht ist pure Energie
Versuch: Was ist Fotosynthese?
Versuch: Woher der Name Kohlenhydrate stammt
Versuch: Welches Gas erzeugen Pflanzen im Licht?

Nicht umsonst empfinden wir das Grün der Pflanzen und der Wälder als so schön. Hinter diesem Grün verbirgt sich unsere Lebensgrundlage:
Aus mineralischen Substanzen wie Wasser und Kohlenstoffdioxid synthetisieren Pflanzen Traubenzucker. Diese so genannte Assimilation ist die großartigste chemische Reaktion der Erde.

Als "Abfall" entsteht Sauerstoff. Moderne Chemiker sprechen von einem "Koppelprodukt".

Die Energie, die diese endotherme Reduktion des CO₂ antreibt, ist die Strahlungsenergie von der Sonne. Man nennt die Reaktion deshalb auch Fotosynthese. Empfangsantenne für die Strahlung der Sonne ist der grüne Blattfarbstoff, das Chlorophyll (griechisch für Blattgrün).

Bild 2 (Foto: Blume)

Die Pflanze benötigt zur Herstellung von Traubenzucker aus CO₂ Reduktionsmittel und chemische Energie
Hierbei steht das Wasser im Mittelpunkt des Geschehens: Seine Moleküle werden in der so genannten Lichtreaktion mit Hilfe der Energie des Sonnenlichts und eines ausgefeilten Syntheseapparats in Wasserstoff-Ionen, Elektronen und Sauerstoff aufgespalten.

H₂O + Lichtenergie ———> 2 H⁺ + 2 e^- + ½ O₂

Die Energie steckt vor allem in den getrennten Ladungen, die auch getrennt transportiert werden und so langsam ihr Potential abbauen. Dabei entsteht unter anderem ATP aus ADP und einem Phosphat-Ion.

ADP + P_i + Lichtenergie ———> ATP + H₂O

Weiterhin wird in einer zweiten Lichtreaktion NADP⁺ zu NADPH reduziert.

NADP⁺ + 2 H⁺ + 2 e^- + Lichtenergie ———> NADPH + H⁺

Die folgende Gleichung fasst die Fotolyse des Wassers und die Bildung des Reduktionsmittels NADPH zusammen:

H₂O + NADP⁺ + Lichtenergie ———> NADPH + H⁺ + ½ O₂

Dazu werden insgesamt zwei Lichtquanten verbraucht.

Damit hat die Pflanze alles, was sie zur endothermen Reduktion von CO₂ mit dem Ziel der Synthese von Traubenzucker benötigt: Das Reduktionsmittel NADH, Protonen und chemische Energie in der richtigen, für die Zelle verwertbaren Energiewährung ATP.

Bild 3 (Foto: Blume)

Der Sauerstoff, der bei der Fotosynthese entsteht, stammt ausschließlich aus dem Wasser
Das haben Experimente mit CO₂ und H₂O ergeben, die mit dem Sauerstoffisotop O-18 markiert waren. Deshalb kann die obige Fotosynthesegleichung eigentlich nicht stimmen. Der entnimmt man nämlich, dass sechs der 12 O-Atome aus dem Kohlenstoffdioxid kommen müssen.
Die Lösung dieses Problems lässt diese exakter formulierte Gleichung der Fotosynthese erkennen. Sie zeigt anhand der farblichen Differenzierung, dass es formal zwei "verschiedene Wasserformen" gibt!

1 Die erste "Wasserform" ist Edukt der Lichtreaktion. Sie bildet den Assimilations-Sauerstoff.

12 H₂O + 12 NADP⁺ + Lichtenergie ———> 12 NADPH + 12 H⁺ + 6 O₂

2 Die zweite "Wasserform" ist Produkt der so genannten Dunkelreaktion, einer mehrstufigen, ohne Lichtbeteiligung ablaufenden Reaktionssequenz, in deren Verlauf reduktiv aus Kohlenstoffdioxid sowie dem NADH die energiereiche Glucose synthetisiert wird. Die chemische Energie wird als ATP bereitgestellt.

Die Glucose haben wir formal etwas anders als gewohnt geschrieben, um den Wechsel der Oxidationszahlen des Kohlenstoffs deutlich zu machen.

Aus dem Traubenzucker stellen die Pflanzen weitere Kohlenhydrate wie Stärke und Cellulose her.

Wer aber meint, das Wasser sei unersetzlich bei der Fotosynthese, der irrt. Es kann von vielen Bakterien statt Wasser als Wasserstoff- und Elektronenquelle auch der analoge Schwefelwasserstoff H₂S genutzt werden. Dann lautet die o. a. Fotosynthese-Gleichung:

6 CO₂ + 12 H₂S + Lichtenergie ———> C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O + 12 S

Von Produzenten, Destruenten und Konsumenten
Andere Organismen, die Destruenten, leben von dieser Syntheseleistung der Pflanzen, den Produzenten. Die Destruenten kehren in ihrem Stoffwechsel die Reaktion um (Dissimilation oder Atmung).

Sie nutzen die in den Kohlenhydraten gespeicherte chemische Energie zur Umwandlung in Wärme, Bewegungsenergie oder chemische Energie zur Synthese körpereigener Strukturen.
Dabei bilden die Destruenten Wasser und CO₂ zurück, welche erneut von Pflanzen aufgenommen werden.

Insgesamt ergibt sich ein Kreisprozess, in dem Produzenten (die Pflanzen oder fotosynthetisierende Bakterien) und Destruenten (die Pilze und Bakterien) im Gleichgewicht stehen.

Produzenten versus Destruenten

Heute verschiebt sich das Gleichgewicht, weil Konsumenten (das sind Menschen und Tiere) hinzugekommen sind. Sie vernichten Produzenten und schränken deren Lebensräume dramatisch ein. Außerdem setzen sie durch Verbrennen fossiler Brennstoffe mehr CO₂ frei, als von den Produzenten durch Fotosynthese gebunden werden kann und schränken deren Lebensräume dramatisch ein. Außerdem setzen sie durch Verbrennen fossiler Brennstoffe mehr CO₂ frei, als von den Produzenten durch Fotosynthese gebunden werden kann.

Hinzu kommt der durch menschliche Eingriffe gravierende Wassermangel. Bemerkenswert ist in diesem Zusammenhang, dass neben den Regenwäldern gerade Wasserpflanzen, die Algen, die weitaus größte Fotosyntheseleistung erbringen und für die Sauerstoffversorgung der Konsumenten und Destruenten unerlässlich sind.
Übrigens wirken die Meeresorganismen vom Wasser aus auch auf die Atmosphäre zurück: Wie sie früher die Atmosphäre vom CO₂ befreien halfen (und noch helfen), erklären wir auf einer eigenen Webseite.

Zum Schluss eine Anmerkung: Die Bezeichnung Kohlenhydrate ist irreführend, denn unter Hydraten versteht der Chemiker etwas ganz anderes.

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