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Photosynthesefaktor Lichtintensität

Übersicht - Blatt - Lichtintensität - Lichtfarbe - CO2 - H2O - Chlorophyll - Temperatur - O2

Mit dem gesunden Menschenverstand kann man schon einmal grob vorhersagen, welchen Einfluss der Umweltfaktor Licht auf die Photosyntheserate einer grünen Pflanze haben wird: Je mehr Licht, desto höher die Photosyntheserate. Allerdings ist ein Übermaß an Licht nicht gut; irgendwann "verbrennen" die Blätter (Photostress), und die Photosyntheserate sinkt auf den Wert Null.

Abhängigkeit der Photosyntheserate von der Lichtintensität

Schauen wir uns dazu mal eine typische Graphik an, wie man sie mit einem einfachen Schulexperiment ermitteln kann:

Abhängigkeit der Photosyntheserate von der Lichtintensität

Abhängigkeit der Photosyntheserate von der Lichtintensität, ermittelt mit der Bläschenzählmethode.
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende.

Bläschenzähl-Methode:

Man hängt mehrere Wasserpest-Pflanzen wie im Bild gezeigt in einen Glastrichter und stellt diesen dann umgekehrt in ein großes Becherglas mit Leitungswasser. Ein mit Wasser gefülltes Reagenzglas wird dann vorsichtig auf den Stil des Glastrichters praktiziert, dabei sollte kein Wasser verloren gehen (nicht ganz einfach!). Dann werden die Pflanzen mit einer regelbaren Weißlichtquelle bestrahlt. Aus der Physiksammlung holt man sich zuvor ein Messgerät für die Lichtintensität. Aus den Stängeln der Wasserpest-Pflanzen treten nach und nach Sauerstoff-Bläschen aus, die sich am Boden des Reagenzglases sammeln. Man zählt nun einfach, wie viele Bläschen pro Minute nach oben schweben (Bläschenzähl-Methode). Man beginnt mit der niedrigsten Lichtintensität und erhöht diese dann schrittweise. Normalerweise sollte eine Minute Leuchtdauer pro Lichtintensität reichen, um genug O2-Blasen zählen zu können. Weitere Einzelheiten zu diesem Verfahren siehe "Bläschenzählmethode bei Wasserpest-Pflanzen".

Allgemein kann man sagen: je größer die Lichtintensität, desto höher die Photosyntheserate. Allerdings ist diese Beziehung nur bei geringen und mittleren Lichtintensitäten linear. Bei höheren Lichtintensitäten liegt ein typisches Sättigungsverhalten (Sättigungskurve, Lichtsättigung) vor. Und bei noch höheren Lichtintensitäten sollte die Photosyntheserate sogar wieder geringer werden, weil das Licht bei zu hohen Intensitäten zu einem Stressfaktor wird, der die Pflanze schädigt (Photostress).

Für Experten

Bei niedrigen Lichtintensitäten ist das einfallende Licht und die davon abhängige Lichtreaktion der limitierende (begrenzende) Faktor der Photosyntheserate. Die Enzyme und Pigmente in der Thylakoidmembran der Chloroplasten sind nicht ausgelastet, eine Verdopplung der Lichtintensität führt daher auch zu einer Verdopplung der Photolyse und O2-Produktion. Die Photosyntheserate ist bei niedrigen Lichtintensitäten der Lichtintensität proportional.

Bei hoher Lichtintensität kommen aber andere Faktoren ins Spiel, die die Photosyntheserate begrenzen. Meistens ist dies das zur Verfügung stehende Kohlendioxid und die davon abhängige Dunkelreaktion. Bei sehr hohen Lichtintensitäten kommen die Enzyme des Calvin-Zyklus nicht mehr nach mit der CO2-Fixierung und der Regeneration des CO2-Akzeptors Ribulosebisphosphat.

Lichtkompensationspunkt und Lichtsättigungspunkt

Ganz exakt ist die Abbildung oben noch nicht. Auf der Abbildung oben ist die Photosyntheserate bei niedriger Lichtintensität gleich null. Das ist nicht korrekt!

Pflanzen leben ja nicht direkt von dem Licht. Durch die Photosynthese wird letzten Endes Glucose hergestellt, die dann zu Stärke und anderen Nährstoffen (Fette, Proteine) umgewandelt wird. Von diesen Nährstoffen ernährt sich die Pflanze dann und lässt ihre Blätter, Wurzeln, Stängel, Blüten, Samen und Früchte wachsen. Diese Nährstoffe müssen dafür allerdings erst abgebaut werden. Glucose wird aerob abgebaut, also unter Sauerstoff-Verbrauch. Bei einigermaßen hoher Lichtintensität wird der Sauerstoff-Verbrauch durch die Sauerstoff-Produktion der Lichtreaktion mehr als ausgeglichen. Bei niedrigen Lichtintensitäten dagegen überwiegt der Sauerstoff-Verbrauch! Die O2-Produktion wird also negativ. Wenn man nun die Photosyntheserate (zum Beispiel als O2-Produktion) misst, ist die Aussage korrekt, dass die Photosyntheserate negativ wird.

Lichtkompensationspunkt und Lichtsättigungspunkt

Lichtkompensationspunkt und Lichtsättigungspunkt
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende.

Diese Graphik zeigt das Ergebnis von Experimenten, wie sie in der Schule normalerweise nicht mehr durchgeführt werden können. Bei niedrigen Lichtintensitäten überwiegt der Sauerstoff-Verbrauch durch Atmung, bei höheren Lichtintensitäten die Sauerstoff-Produktion durch die Photosynthese. Die Lichtintensität, bei der sich O2-Verbrauch und O2-Produktion die Waage halten, wird als Lichtkompensationspunkt bezeichnet. Als Lichtsättigungspunkt bezeichnet man dagegen die Lichtintensität, ab der keine Steigerung der Photosyntheserate mehr zu verzeichnen ist.

Lichtkompensationspunkt

Der Lichtkompensationspunkt ist die Lichtintensität, bei der sich O2-Produktion durch Photosynthese und O2-Verbrauch durch Atmung die Waage halten.

Bei niedrigeren Lichtintensitäten überwiegt der O2-Verbrauch durch die stets ablaufende Atmung. Auch bei höheren Lichtintensitäten atmet die Pflanze, der damit verbundene O2-Verbrauch fällt aber durch die hohe Photosyntheserate kaum ins Gewicht.

Der Lichtkompensationspunkt hängt allerdings wiederum von anderen Umweltfaktoren ab, vor allem von der Temperatur und dem Kohlendioxidgehalt der Luft.

Lichtsättigungspunkt

Der Lichtsättigungspunkt ist die Lichtintensität, ab der die Photosyntheserate nicht mehr steigt. Die Bestimmung ist recht schwer, weil sich die Photosyntheserate dem Lichtsättigungspunkt langsam und kontinuierlich annähert. Recht leicht kann dagegen die Lichtintensität bestimmt werden, bei der genau die halbe maximale Photosyntheserate erreicht ist.

Netto- und Bruttophotosynthese

Kommen wir nun zu zwei wichtigen Fachbegriffen, die im Zusammenhang mit der messbaren Photosynthese immer wieder auftauchen:

Nettophotosynthese

Unter der Nettophotosynthese, Nettoassimilation oder apparenten Photosynthese versteht man die Photosyntheseleistung (O2-Produktion, CO2-Verbrauch, Glucose-Produktion), die nach Abzug der Atmung übrig bleibt.

Bruttophotosynthese

Unter der Bruttophotosynthese oder Bruttoassimilation versteht man die Photosyntheseleistung (O2-Produktion, CO2-Verbrauch, Glucose-Produktion), die von der Pflanze tatsächlich erbracht wird. Ein Teil dieser Leistung wird von der Atmung und der Photorespiration sofort wieder verbraucht. Was dann übrig bleibt, wird als Nettophotosynthese bezeichnet.

Zwischen Netto- und Brutto-Photosynthese gilt folgender Zusammenhang:

Netto-PS = Brutto-PS - Atmung

Nun kann man auch den Begriff Lichtkompensationspunkt ganz einfach definieren:

Lichtkompensationspunkt (Neudefinition)

Die Lichtintensität, bei der die Netto-Photosynthese den Wert Null hat.

Lichtpflanzen und Schattenpflanzen

Photosynthese bei einer Sonnen- und Schattenpflanze im Vergleich

Photosynthese bei einer Sonnen- und Schattenpflanze im Vergleich
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende.

Schattenpflanzen bzw. Schattenblätter sind an niedrige Lichtintensitäten angepasst, wie sie an schattigen Standorten herrschen. Das sieht man vor allem an dem niedrigen Lichtkompensationspunkt. Bereits bei niedrigen Lichtintensitäten überwiegt hier die Photosynthese. Hohe Lichtintensitäten bringen Schattenpflanzen bzw. Schattenblättern dagegen keinen Vorteil, der Lichtsättigungspunkt ist bereits bei niedrigen Lichtintensitäten erreicht. Mehr Licht bewirkt keine höhere Photosyntheserate. Hier müsste schon die CO2-Konzentration ansteigen, um eine weitere Steigerung der Photosyntheserate zu bewirken.

Lichtpflanzen bzw. Lichtblätter sind an hohe Lichtintensitäten angepasst, wie sie an sonnigen Standorten herrschen. Das sieht man einerseits an dem hohen Lichtkompensationspunkt. Erst bei relativ hohen Lichtintensitäten überwiegt hier die Photosynthese. Andererseits können Lichtpflanzen bzw. -blätter hohe Lichtintensitäten ausnutzen, wie man am Lichtsättigungspunkt sieht.

Für Experten: Anpassungen des Blattes an den Photosynthesefaktor Licht [2]

Die Zellen der Epidermis haben einen linsenförmigen Querschnitt, daher können sie das einfallende Licht wie eine kleine Lupe bündeln und in "konzentrierter" Form auf die weiter unten liegenden Palisadenzellen lenken. Diese Palisadenzellen erbringen ca. 80% der gesamten Photosynthese-Leistung, während das noch tiefer liegende Schwammgewebe nur zu 20% zur Photosynthese beiträgt.

Eine wichtige Rolle bei der optimalen Ausnutzung des Lichtes spielt die Beweglichkeit der Chloroplasten in den Zellen des Palisadengewebes. Bei schwachem Licht drehen sich die Chloroplasten so, dass ihre breite Seite möglichst viel Licht empfängt. Bei hoher Lichtintensität dagegen wenden sich die Chloroplasten mit ihrer schmalen Seite dem Licht zu. So kann die aufgenommene Lichtmenge über den Tag einigermaßen konstant gehalten werden. Verantwortlich für das Drehen der Chloroplasten ist übrigens das Actin-Gerüst in den Zellen.

Auch das ganze Blatt kann sich an die einfallende Lichtmenge anpassen. Die Blattfläche kann sich so ausrichten, dass sie im Laufe des Tages immer maximal belichtet ist (positiver Phototropismus). Dies gilt vor allem für Schattenblätter.

Schattenblätter, die ständig wenig Licht erhalten, verfügen über einen höheren Chlorophyll-Gehalt als Sonnenblätter. Auch sind hier die Chloroplasten dichter mit Thylakoiden vollgepackt. Auch die Zusammensetzung des Blattgrüns ist bei Schattenblättern eine andere als bei Sonnenblättern. So ist zum Beispiel der Anteil an Chlorophyll b größer als bei Sonnenblättern. Als Folge dieser veränderten Zusammensetzung des Blattgrüns können Wellenlängen, die im Schatten vorherrschen (Dunkelrot, Grün) besser absorbiert werden.

Schließlich unterscheiden sich Schattenblätter auch anatomisch von Sonnenblättern, sie sind in der Regel wesentlich dünner und besitzen weniger Palisaden- und Schwammzellen, so dass sich die Zellen nicht gegenseitig beschatten können.

Quellen:

  1. Allgemeines Schulbuchwissen.
  2. Kadereit , Körner, Nick, Sonnewald: Strasburger - Lehrbuch der Pflanzenwissenschaften, 38. Auflage, Springer Berlin Heidelberg 2021.
  3. Spektrum-Lexikon der Biologie, Artikel "Bruttophotosynthese".