Anatomie und Physiologie

Photosynthese - Energieeffizienz der Photosynthese

Energieeffizienz der Photosynthese

Die Energieeffizienz der Photosynthese ist das Verhältnis der Energie zu der Energie der gespeicherten Licht absorbiert. Die gespeicherte chemische Energie ist die Differenz zwischen der in gasförmigem Sauerstoff und organischen Verbindungsprodukten enthaltenen Energie und der Energie von Wasser , Kohlendioxid und anderen Reaktanten. Die Menge der gespeicherten Energie kann nur geschätzt werden, da viele Produkte gebildet werden, die je nach Pflanzenart und Umweltbedingungen variieren . Wenn die zuvor angegebene Gleichung für die Glucosebildung verwendet wird, um den tatsächlichen Lagerungsprozess zu approximieren, wird die Produktion von einem Mol (dh 6,02 × 10 23 Molekülen; abgekürzt)N ) Sauerstoff und ein Sechstel Mol Glucose führen zur Speicherung von etwa 117 Kilokalorien (kcal) chemischer Energie. Diese Menge muss dann mit der Energie des absorbierten Lichts verglichen werden, um ein Mol Sauerstoff zu erzeugen, um die Effizienz der Photosynthese zu berechnen.

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Licht kann als eine Welle von Teilchen beschrieben werden, die als bekannt ist Photonen ; Dies sind Energieeinheiten oder Lichtquanten . Die Menge N Photonen heißt aneinstein. Die Energie des Lichts ändert sich umgekehrt mit der Länge der Photonenwellen ; Das heißt, je kürzer die Wellenlänge ist, desto größer ist der Energiegehalt. Die Energie ( e ) eines Photons ist gegeben durch die Gleichung e = h c / λ, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist , h die Plancksche Konstante ist und λ die Lichtwellenlänge ist. Die Energie ( E ) eines Einsteins ist E = N e = N h c / λ = 28.600 / λ, wenn E in Kilokalorien und λ in Nanometern (nm; 1 nm = 10 –9) angegeben istMeter). Ein Einstein aus rotem Licht mit einer Wellenlänge von 680 nm hat eine Energie von etwa 42 kcal. Blaues Licht hat eine kürzere Wellenlänge und damit mehr Energie als rotes Licht. Unabhängig davon, ob das Licht blau oder rot ist, ist für die Photosynthese pro Mol gebildeten Sauerstoffs die gleiche Anzahl von einsteinen erforderlich. Der von Pflanzen genutzte Teil des Sonnenspektrums hat eine geschätzte mittlere Wellenlänge von 570 nm; Daher beträgt die während der Photosynthese verwendete Lichtenergie ungefähr 28.600 / 570 oder 50 kcal pro Einstein.

Um die Menge an Lichtenergie zu berechnen, die an der Photosynthese beteiligt ist, wird ein weiterer Wert benötigt: die Anzahl der absorbierten einsteins pro Mol Sauerstoff . Dies wird als Quantenanforderung bezeichnet . Das MinimumDer Quantenbedarf für die Photosynthese unter optimalen Bedingungen beträgt etwa neun. Somit beträgt die verwendete Energie 9 × 50 oder 450 kcal pro Mol entwickeltem Sauerstoff. Daher ist die geschätzte maximale Energieeffizienz der Photosynthese die pro Mol Sauerstoff erzeugte Energie, 117 kcal, geteilt durch 450, dh 117/450 oder 26 Prozent.

Der tatsächliche Prozentsatz der von Pflanzen gespeicherten Sonnenenergie liegt weit unter der maximalen Energieeffizienz der Photosynthese. Eine landwirtschaftliche Kultur, in der die Biomasse (Gesamttrockengewicht) bis zu 1 Prozent der gesamten Sonnenenergie speichert, die jährlich flächendeckend bezogen wird, ist außergewöhnlich, obwohl einige Fälle mit höheren Erträgen (möglicherweise sogar 3,5 Prozent in Zuckerrohr ) aufgetreten sind berichtet. Es gibt mehrere Gründe für diesen Unterschied zwischen der vorhergesagten maximalen Effizienz der Photosynthese und der tatsächlich in Biomasse gespeicherten Energie. Erstens mehr als die Hälfte des einfallenden Sonnenlichtsbesteht aus Wellenlängen, die zu lang sind, um absorbiert zu werden, und ein Teil des Restes wird reflektiert oder geht an die Blätter verloren. Folglich können Pflanzen bestenfalls nur etwa 34 Prozent des einfallenden Sonnenlichts absorbieren. Zweitens müssen Pflanzen eine Vielzahl von physiologischen Prozessen in nicht-photosynthetischen Geweben wie Wurzeln und Stängeln ausführen. Diese Prozesse sowie die Zellatmung in allen Teilen der Pflanze verbrauchen gespeicherte Energie . Drittens übersteigen die Photosyntheseraten bei hellem Sonnenlicht manchmal die Bedürfnisse der Pflanzen, was zur Bildung von überschüssigem Zucker und Stärke führt. In diesem Fall verlangsamen die Regulationsmechanismen der Pflanze den Prozess der Photosynthese, sodass mehr absorbiertes Sonnenlicht ungenutzt bleibt. Viertens wird in vielen Pflanzen Energie durch den Prozess der Photorespiration verschwendet. Schließlich kann die Vegetationsperiode nur einige Monate im Jahr dauern; Sonnenlicht, das zu anderen Jahreszeiten empfangen wird, wird nicht verwendet. Darüber hinaus ist zu beachten, dass die Effizienz noch weiter sinkt , wenn nur landwirtschaftliche Produkte (z. B. Samen, Früchte und Knollen anstelle der gesamten Biomasse) als Endprodukt des Energieumwandlungsprozesses der Photosynthese betrachtet werden.

Chloroplasten , die photosynthetischen Einheiten grüner Pflanzen

Der Prozess der pflanzlichen Photosynthese findet vollständig innerhalb der Chloroplasten statt . Detaillierte Studien zur Rolle dieser Organellen stammen aus der Arbeit des britischen BiochemikersRobert Hill . Um 1940 entdeckte Hill, dass grüne Partikel, die aus zerbrochenen Zellen gewonnen wurden, in Gegenwart von Licht und einer chemischen Verbindung wie Eisenoxalat, die als Elektronenakzeptor dienen kann, Sauerstoff aus Wasser erzeugen können . Dieser Vorgang wird alsHill-Reaktion. In den 1950er JahrenDaniel Arnon und andere amerikanische Biochemiker vorbereiteten Pflanzenzellbruchstücke , in denen nicht nur die Hill - Reaktion , sondern auch die Synthese des Energiespeicher Verbindung ATP aufgetreten. Zusätzlich wurde das Coenzym NADP als Endakzeptor für Elektronen verwendet und ersetzte die von Hill verwendeten nichtphysiologischen Elektronenakzeptoren. Seine Verfahren wurden weiter verfeinert, so dass kleine Einzelstücke isolierter Chloroplastenmembranen oder Lamellen , könnte die Hill-Reaktion durchführen. Diese kleinen Lamellenstücke wurden dann in so kleine Stücke fragmentiert, dass sie nur die Lichtreaktionen des Photosyntheseprozesses durchführten. Es ist jetzt auch möglich, den gesamten Chloroplasten zu isolieren, so dass der gesamte Prozess der Photosynthese von der Lichtabsorption über die Sauerstoffbildung und die Reduktion von Kohlendioxid bis zur Bildung von Glucose und anderen Produkten durchgeführt werden kann.