Im Rahmen einiger anderer Kapitel haben wir gesehen, dass die Photosyntheseleistung nicht nur von der Konzentration der Ausgangsstoffe oder den “Reaktionsbedingungen” abhängig ist, sondern auch von der Pflanzenart. Beim Einstieg in die Thematik “Photosynthese” wird anfangs nur zwischen Licht- und Schattenpflanzen unterschieden. Die unterschiedliche Syntheseleistung beruht hier auf der unterschiedlichen Dicke des Palidasengewebes. Befasst man sich aber ausführlicher mit der Thematik “Photosynthese” (z.B Photosyntheseleitung im Tagesverlauf), so muss man weitere Pflanzenarten unterscheiden
Diese unterschiedlichen Pflanzenarten haben sich aufgrund der Bedingungen (z.B. hohe Umgebungstemperatur) angepasst. Im Rahmen des Schulunterrichts unterscheidet man (im Rahmen der Photosynthese) drei Typen von Pflanzen: C3-Pflanzen, C4-Pflanzen, CAM-Pflanzen. Da die meisten Pflanzen (in europäischen Breiten) C3-Pflanzen sind (nur 3 % sind C4-Pflanzen) wird im Unterricht hauptsächlich über den Photosynthesemechanismus der C3-Pflanzen gesprochen.
Pflanzentypen im Rahmen der Photosynthese: C3-, C4- und CAM-Pflanzen
Bei den allermeisten Pflanzen handelt es sich um C3-Pflanzen. Hierbei läuft der Calvin-Zyklus so ab, wie man ihn der Schule lernt. Dabei entsteht bei der Fixierung des Kohlenstoffdioxids als erstes stabiles Produkt ein Molekül mit drei Kohlenstoffatomen (daher auch die Bezeichnung C3-Pflanzen).
Der wesentliche Unterschied zu den C4-Pflanzen ist der Akzeptor, an den im Calvin-Zyklus das Kohlenstoffdioxid gebunden wird. Im Falle von C3-Pflanzen handelt es sich bei dem Akzeptor um Ribulose-1,5-diphosphat. Die dabei entstandene instabile Verbindung zerfällt sofort in Glycerinsäure-3-phosphat (Glycerin besteht aus einem C3-Grundkörper). Bei den C4-Pflanzen handelt es sich bei dem Akzeptor um eine Phosphoenolpyruvat-Verbindung an das Kohlenstoffdioxid fixiert wird. Die dabei entstandene instabile Verbindung zerfällt in eine Oxalessigsäure-Verbindung (Oxalessigsäure besteht aus einem C4-Grundkörper).
Der Unterschied resultiert bei der Anforderung das Kohlenstoffdioxid zu fixieren. So läuft eine Photosynthese bei C3-Pflanzen erst ab, wenn die Luft einen Kohlenstoffdioxidanteil von mind. 0,005% hat. Der normale Kohlenstoffdioxid-Anteil in Luft beträgt etwa 0,03% und ist trotzdem bei normalen Licht- und Temperaturbedingungen der begrenzende Faktor. Erst ab einem Anteil von 0,1 % Kohlenstoffdioxid erreichen normale C3-Pflanzen das Optimum der Photosyntheseleistung.
Hier gibt es aber Pflanzen, die diese “Limitierung” umgehen, so läuft bei C4-Pflanzen die Photosynthese bereits bei einem Anteil von 0,001% ab. Dies liegt daran, dass der Kohlenstoffdioxid-Akzeptor, die Phosphoenolpyruvat-Verbindung das Kohlenstoffdioxid stärker bzw. effektiver bindet, als das Ribulose-1,5.diphosphat. Daneben gibt es noch die CAM-Pflanzen, diese Pflanzenart hat ihre Spaltöffnungen tagsüber geschlossen und öffnen sie nur nachts, so wird die Kohlenstofffixierung zeitlich getrennt (dies schützt die Pflanze vor übermäßigen Wasserverlust durch Transpiration). Die C4- und CAM-Pflanzen haben deren spezielle Photosynthesemechanismus entwickelt, um den Wasserverlust durch hohe Umgebungstemperaturen durch die Spaltöffnungen zu minimieren, aber dennoch der Photosynthese genug Kohlenstoffdioxid als Ausgangsstoff zur Verfügung zu stellen. So können beispielsweise C4-Pflanzen dem Photosyntheseprozess ausreichend Kohlenstoffdioxid zur Verfügung stellen, wenn die Spaltöffnungen nur wenig bis halb geöffnet sind (was eine C3-Pflanze nicht kann).
Oft kommt hierbei das Missverständnis auf, dass C3-Pflanzen über keine Phosphoenolpyruvat-Verbindung als Akzeptor verfügen. Dies stimmt so nicht, auch C3-Pflanzen verfügen über Phosphoenolpyruvat-Verbindungen, aber in deutlich niedrigerer Konzentration als bei C4-Pflanzen. Auch bleibt oft unerwähnt, dass C4-Pflanzen bei der Fixierung und anschließender Reduktion mehr Energie benötigt wird. So benötigen C3-Pflanzen pro fixiertem Kohlenstoffdioxid-Molekül 3 ATP-Moleküle, während es bei C4-Pflanzen 5 ATP-Moleküle sind. Dies ist auch der Grund, warum C3-Pflanzen bevorzugt sind (v.a. in gemäßigten Breitengraden)
Die unterschiedlichen Pflanzentypen im Rahmen der Photosynthese – Testfragen/-aufgaben
1. Was ist die Grundfunktion der Photosynthese?
Die Grundfunktion der Photosynthese ist die Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie. Dabei entsteht unter Verbrauch von Kohlenstoffdioxid und Wasser, Sauerstoff und Glukose.
2. Was sind die zwei Hauptphasen der Photosynthese?
Die zwei Hauptphasen der Photosynthese sind die Lichtreaktion und die Calvin-Zyklus (dunkle Reaktion).
3. Was sind C4-Pflanzen und wie unterscheiden sie sich von C3-Pflanzen in Bezug auf die Photosynthese?
C4-Pflanzen nutzen den sogenannten C4-Weg, bei dem zunächst eine 4-Kohlenstoffverbindung gebildet wird. Sie sind effizienter unter hohen Lichtintensitäten und Temperaturen. C3-Pflanzen folgen dem traditionellen Weg der Photosynthese und bilden zuerst eine 3-Kohlenstoffverbindung.
4. Was sind CAM-Pflanzen?
CAM-Pflanzen sind eine Untergruppe der C4-Pflanzen, die ihre Stomata während der Nacht öffnen, um Wasserverlust zu minimieren. Die CO2-Aufnahme und -Fixierung erfolgt zeitlich getrennt.
5. Warum produzieren Pflanzen während der Photosynthese Sauerstoff?
Sauerstoff ist ein Nebenprodukt der Wasserzerlegung in der Lichtreaktion der Photosynthese.
6. Welche Rolle spielt das Chlorophyll in der Photosynthese?
Das Chlorophyll ist das Pigment, das das Sonnenlicht einfängt und so die Lichtreaktion der Photosynthese ermöglicht.
7. Was geschieht in den Chloroplasten?
In den Chloroplasten finden die Hauptreaktionen der Photosynthese statt, einschließlich der Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie.
8. Warum sind einige Pflanzen rot, blau oder violett, obwohl Chlorophyll grün ist?
Obwohl Chlorophyll grün ist, können Pflanzen auch andere Farben aufweisen, wenn sie andere Pigmente wie Carotinoide und Anthocyane enthalten, die andere Lichtwellenlängen absorbieren.
9. Was ist der Unterschied zwischen Netto-Photosynthese und Brutto-Photosynthese?
Die Netto-Photosynthese ist die Menge an Glukose, die eine Pflanze produziert und behält, nachdem sie die Menge an Kohlenstoffdioxid abgezogen hat, die sie durch Zellatmung verbraucht. Die Brutto-Photosynthese entspricht der gesamten Glukoseproduktion, die eine Pflanze während der Photosynthese generiert, ohne etwas abzuziehen.
10. Wie beeinflusst die Umgebungstemperatur die Photosynthese?
Die Umgebungstemperatur beeinflusst die Geschwindigkeit der chemischen Reaktionswege in der Photosynthese. Bei zu hohen Temperaturen können die Enzyme, die diese Reaktionen katalysieren, jedoch denaturieren.
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Autor: Dr. Christian Eisenhut, Letzte Aktualisierung: 20. November 2023
