Die Fotosynthese

Ein Baum wird über Jahrzehnte immer schwerer, ohne dass jemand ihn füttert. Woher kommt dieses Material? Der größte Teil stammt nicht aus dem Boden, sondern aus der Luft. Die Pflanze holt sich Kohlenstoffdioxid durch winzige Öffnungen an der Blattunterseite, die Spaltöffnungen, und Wasser über die Wurzeln. Daraus baut sie mithilfe von Lichtenergie Traubenzucker auf. Weil sie ihren Nährstoff selbst herstellt, nennt man Pflanzen Produzenten.

Der Ort dieses Vorgangs sind die Chloroplasten in den Zellen der Blätter. In ihnen sitzt der grüne Farbstoff Chlorophyll. Er nimmt vor allem rotes und blaues Licht auf und gibt grünes Licht zurück – deshalb sehen Blätter grün aus. Die aufgenommene Lichtenergie wird gebraucht, um die energiearmen Ausgangsstoffe Wasser und Kohlenstoffdioxid in den energiereichen Traubenzucker umzubauen. Fotosynthese ist also vor allem eine Energieumwandlung: aus Lichtenergie wird chemische Energie.

Der Traubenzucker ist der Baustein für fast alles Weitere. Die Pflanze verknüpft ihn zu Stärke als Speicherstoff und zu Cellulose für ihre Zellwände. Der Sauerstoff, der dabei entsteht, ist für die Pflanze ein Nebenprodukt – für dich ist er die Atemluft. Nahezu der gesamte Sauerstoff der Erdatmosphäre stammt aus der Fotosynthese von Pflanzen und Algen.

Auch wenn die Wortgleichung nach einem einzigen Schritt aussieht, laufen in Wirklichkeit zwei Teilvorgänge nacheinander ab, die in der Schule meist Licht- und Dunkelreaktion genannt werden. Die Lichtreaktion findet in den inneren Membranen des Chloroplasten statt und braucht direktes Licht. Dabei wird Wasser gespalten, Sauerstoff entsteht als Nebenprodukt, und die aufgenommene Lichtenergie wird in energiereichen Hilfsstoffen zwischengespeichert.

In der zweiten Phase, die nicht zwingend im selben Moment Licht braucht, wird das Kohlenstoffdioxid aus der Luft eingebaut. Die zuvor gespeicherte Energie wird genutzt, um aus Kohlenstoffdioxid und dem Wasserstoff der ersten Phase Traubenzucker aufzubauen. Erst wenn beide Teilschritte zusammenwirken, stimmt die Bilanz der Wortgleichung: Am Ende steht Traubenzucker als Hauptprodukt und Sauerstoff als Abfallstoff, den die Pflanze über die Spaltöffnungen abgibt.

Für die Unterstufe reicht es meist, die Wortgleichung als Ganzes zu kennen. Wer die beiden Teilschritte trotzdem versteht, erkennt aber leichter, warum eine Pflanze bei schwachem Licht zwar noch Sauerstoff produziert, aber deutlich weniger als in der Mittagssonne – die Lichtreaktion liefert dann einfach weniger Energie nach.

Der häufigste Fehler ist die Aussage, Pflanzen würden tagsüber Fotosynthese und nachts stattdessen Zellatmung betreiben. Das klingt logisch, ist aber falsch: Die Zellatmung läuft in jeder lebenden Zelle rund um die Uhr, auch mitten am Tag. Nur weil die Fotosynthese tagsüber viel mehr Sauerstoff produziert, als die Zellatmung verbraucht, fällt die gleichzeitig laufende Zellatmung kaum auf.

Ein zweiter Fehler betrifft die Wortgleichung: Manche Schüler vertauschen Ausgangsstoffe und Produkte oder schreiben Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid auf die falsche Seite. Hilfreich ist die Eselsbrücke, dass die Pflanze das aufnimmt, was in der Luft wenig vorhanden ist und wovon sie zu wenig hat, und das abgibt, was für sie ein Abfallstoff ist.

Ein dritter Fehler ist die Vorstellung, Chlorophyll oder Licht seien selbst Ausgangsstoffe, die in der Reaktion verbraucht werden. Beide gehören aber über den Reaktionspfeil als Bedingung, nicht in die Stoffbilanz links oder rechts davon. Chlorophyll wird bei der Reaktion nicht verbraucht, es bleibt als Farbstoff erhalten und kann immer wieder neues Licht aufnehmen.

Fotosynthese begegnet dir öfter, als du denkst. Ein Zimmergärtner, der eine Pflanze zu dunkel stellt, wundert sich, warum sie kaum wächst – ohne genug Licht liefert die Lichtreaktion zu wenig Energie, und es entsteht kaum Traubenzucker. Auch beim Düngen zeigt sich das Prinzip: Dünger liefert Mineralstoffe wie Stickstoff für den Aufbau von Eiweißen, ersetzt aber nicht Licht, Wasser oder Kohlenstoffdioxid als eigentliche Fotosynthese-Rohstoffe.

Im Wald erklärt die Fotosynthese, warum Bäume als Kohlenstoffspeicher gelten: Der Kohlenstoff aus dem aufgenommenen Kohlenstoffdioxid bleibt im Holz gebunden, solange der Baum lebt und nicht verrottet oder verbrennt. Deshalb wird Aufforstung häufig als Maßnahme gegen den Anstieg von Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre genannt.

Für die Klassenarbeit hilft es, die Wortgleichung so oft aufzuschreiben, bis sie automatisch sitzt, und dabei bewusst zwischen Ausgangsstoffen, Produkten und den Bedingungen über dem Pfeil zu unterscheiden. Wird nach dem Ort gefragt, reicht „Chloroplast“ nicht immer – ergänze, dass darin Chlorophyll für die Lichtaufnahme sorgt. Und bei Vergleichsfragen zur Zellatmung lohnt es sich, beide Gleichungen nebeneinander aufzuschreiben, statt nur eine im Kopf zu behalten.