Photosynthese-Formel erklärt

Photosynthese ist einer der wichtigsten Stoffwechselprozesse auf Erden. Sie ermöglicht das Groß des Lebens, das wir kennen, denn: für das Leben benötigen Tiere, wie der Mensch eines ist, elementaren Sauerstoff für ihre sauerstoffbasierte (aerobe) Atmung, um in den Zellen Energie für eigene Stoffwechselprozesse freizusetzen. Ohne die Photosynthese der Pflanzen gäbe es nicht genug elementaren Sauerstoff in der Atmosphäre der Erde. Wir Menschen und viele andere Tiere verdanken der Photosynthese der Pflanzen unser Leben auf Erden. Die lichtabhängige Photosynthese-Formel verdient also eine genauere Untersuchung.

Platz zwei der faszinierendsten Formeln

Photosynthese-Formel und Stoffwechselprozess


Was passiert bei der Photosynthese?
Die Photosynthese ereignet sich im grünen Chlorophyll pflanzlicher Zellen. Darin wandeln sie unter Energiezufuhr durch das Sonnenlicht das Kohlendioxid der Luft, zusammen mit zugeführtem Wasser, in Sauerstoff und verschieden langkettige Zuckerarten um, unter Anderem in Glucose.

Pflanzen und Tiere bilden so zwei Akteure, die im Ökosystem voneinander abhängig sind. Tiere benötigen Sauerstoff und den Energieträger Zucker als Nahrung, genauso wie die Pflanzen als Nahrung das von Tieren ausgeatmete Kohlendioxid benötigen. Fleischfresser ernähren sich von Pflanzenfressern, und ein Allesfresser wie der Mensch kann sich sowohl von Pflanzen als auch von Tieren ernähren. Sterben Lebewesen, so werden ihre Körper von Mikroorganismen, so genannten Destruenten, in ihre chemischen Bestandteile zersetzt. Diese wiederum können von Pflanzen aufgenommen und in Biomasse umgewandelt werden. So entsteht der Kreislauf des Lebens.
Photosynthese ist in dieser Wirkungskette ein gleichzeitig beeindruckender wie zentraler Stoffwechselprozess. Das ist der Grund, warum die Photosynthese zu den wichtigsten Stoffwechselprozessen auf Erden gehört.

Erklärung der Photosynthese-Formel
Ich finde es sehr faszinierend, wie Wissenschaftler durch langjähriges Forschen den Prozess der Photosynthese chemisch analysiert und auf eine kompakte Formel gebracht haben. Die Formel ist in ihrer Kürze elegant und vereint zugleich ein so tiefes Verständnis der Natur, dass ich immer wieder ins Staunen gerate, wenn ich sie vor Augen habe und im Geist durchgehe. Die Photosynthese-Formel sieht wie folgt aus:

6 CO2 + 6 H2O —> 1 C6H12O6 + 6 O2

Als ich die Photosynthese-Formel das erste Mal gesehen habe, verstand ich nicht viel davon. Ich sah lediglich kryptische Zeichen und Zahlen, ohne dass mir ihre Bedeutung und ihr Zusammenhang klar gewesen wären. Schritt für Schritt aber wurde sie mir erklärt, und alsdann ging mir ein Licht auf, dessen Leuchten ich bis heute erlegen bin. Ich möchte versuchen, diese Faszination weiter zu geben, indem ich schrittweise die einzelnen Komponenten der Photosynthese-Formel erkläre, die für die diesen lebenswichtigen Prozess notwendig sind:

  • CO2: Das ist die chemische Bezeichnung für das Kohlendioxid, weil die Verbindung ein Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatome enthält. Sie sind per Elektronenpaarbindung (kovalente Bindung) fest miteinander verbunden, wodurch das Kohlendioxid eine sehr stabile Verbindung ist. Es kommt in der Luft, die wir in der Erdatmosphäre atmen, nur zu rund 0,04% vor, ist aber die vierthäufigste Komponente derselben.
  • H2O: Auch die Verbindung Wasserstoffdioxid, gewöhnlich als Wasser bezeichnet, liefert im Prozess der Photosynthese wichtige Komponenten. Wasser kommt in drei Aggregatzuständen vor, von denen Pflanzen vor allem flüssiges und gasförmiges Wasser über die Wurzeln und Blattoberflächen aufnehmen. Auch zwischen dem Wasserstoffatom und den beiden Sauerstoffatomen besteht eine kovalente Bindung. Zwischen verschiedenen Wassermolekülen bilden sich im flüssigen Zustand lockere Wasserstoffbrückenbindungen. Etwa 71% der Erdoberfläche sind mit Wasser bedeckt. Davon sind 97% Salz- und 3% Süßwasser. Süßwasser wiederum ist zu 2/3 als Eis der Gletscher und Eiskappen gebunden, und zu rund 1/3 kommt es als Grundwasser vor. Nur 1% des Süßwassers ist Oberflächenwasser, wovon sich 87% auf Seen und der Rest auf Flüsse und Sümpfe verteilen.
    Wasser als Komponente der Photosynthese-Formel

    Pflanzen brauchen Wasser für die Photosynthese

    (Quelle der Daten)
  • O2: Elementarer Sauerstoff kommt in Gewässern und der Erdatmosphäre vor, worin er einen Anteil von rund 20% hat. Lebewesen, die aerob atmen, benötigen Sauerstoff in der Atmungskette, um Energie zu gewinnen. Ohne Sauerstoff wäre das meiste Leben auf Erden, wie wir es kennen, nicht möglich.
  • C6H12O6: Diese Formel bezeichnet eine komplexere Verbindung namens Zucker. Zucker kommt in unterschiedlichen Arten vor, je nachdem, wie lang die Kette des Zuckers ist. Pflanzen stellen vor allem Fructose (Fruchtzucker) her, den sie in ihren Früchten, welche ihre Samen tragen, anreichern, damit diese gefressen werden und die unverdaulichen Samen an anderer Stelle wieder ausgeschieden werden. Zucker ist, neben Fetten, einer der wichtigsten Energieträger für Tiere und den Menschen.

Nun hast du die größeren Komponenten der Photosynthese-Formel kennen gelernt. Es sind Kohlendioxid, Wasser, Sauerstoff und Zucker. Die Photosynthese ist nun derjenige Prozess, der CO2 und H2O in O2 und C6H12O6 umwandelt. Sofern du das verstanden hast, hast du den Prozess der Photosynthese im Allgemeinen verstanden.

Beim Weiterlesen erfährst du nun die Details der Photosynthese. Ich erkläre dir die chemischen Umwandlungen so einfach wie möglich. Dafür lassen wir die meisten Fachbegriffe außen vor und konzentrieren uns darauf, zu verstehen, wie es zur Umwandlung von Kohlendioxid und Wasser zu Sauerstoff und Zucker kommt.

Photosynthese-Formel im Fokus
Dafür müssen wir zuerst die einzelnen Elemente und Verbindungen chemisch betrachten. Ziel des zweiten Schrittes ist es herauszufinden, wie die einzelnen Komponenten der Photosynthese-Formel in einem Gleichgewicht zueinander stehen. Das heißt, wir müssen auf beiden Seiten der Formel ein ausgeglichenes Verhältnis der Atome auffinden.

Beginnen wir mit dem Zucker: Das ist deshalb sinnvoll, weil Zucker das komplexeste Molekül in unserer Formel der Photosynthese ist. Darin enthalten sind sechs Kohlenstoffatome (C6), zwölf Wasserstoffatome (H12) und sechs Sauerstoffatome (O6).

Ganz besonderes Augenmerk legen wir jetzt auf den Kohlenstoff. Ahnst du bereits, warum? Wenn auch du erkannt hast, dass Kohlenstoff auf beiden Seiten der Gleichung nur je in einem Molekül vorkommt, dann haben wir den Ansatz gefunden, wie wir die Menge der Komponenten auf beiden Seiten der Gleichung ermitteln können. Da im Zuckermolekül Kohlenstoff sechs Mal vorkommt (C6) und auf der linken Seite ein Kohlenstoff im CO2 enthalten ist, folgt daraus, dass die Menge an Kohlendioxidmolekülen ein sechsfaches der Menge an Zucker sein muss. Am einfachsten wäre es, wenn es sechs Kohlendioxidmoleküle bedürfe, um durch Photosynthese ein Molekül Zucker zu gewinnen – diese Annahme soll uns als Hypothese dienen.

Wenn wir sechs Moleküle CO2 brauchen, dann haben wir daraus noch 12 Mal das Element Sauerstoff (6xO2=12 O). Im Zucker können wir davon sechs Stück unterbringen, da Zucker insgesamt sechs Sauerstoffatome aufweist (O6). Dann blieben noch sechs Sauerstoffatome (6O) übrig, die wir uns für später merken.

Als nächstes brauchen wir zwölf Wasserstoffatome für unseren Zucker, da die Formel ja ein H12 aufweist. Den Wasserstoff liefert uns das Wasser (H2O): Wenn wir zwölf Wasserstoffatome benötigen, dann müssen wir nach dem Vielfachen von H2 suchen; in unserem Fall ist es das sechsfache (6xH2=12H). Wunderbar – es passt.

Damit haben wir sechs Mal Kohlenstoff, zwölf Mal Wasserstoff und sechs Mal Sauerstoff, also C6H12O6. Stimmt unsere bisherige Annahme, dann entsteht aus sechs Molekülen Kohlendioxid und sechs Molekülen Wasser ein Molekül Zucker.

Überprüfen wir also, ob es tatsächlich stimmt. Dafür müssten alle übrig gebliebenen Elemente in die Komponenten der Formel untergebracht werden können. Uns bleiben vom Wasser noch sechs Atome Sauerstoff und vom Kohlendioxid ebenfalls sechs Atome Sauerstoff übrig – insgesamt also zwölf Atome. Das klingt sehr gut, denn wir erinnern uns daran, dass Sauerstoff in elementarer Form als O2 vorkommt. Und da 12 geteilt durch 2 eine 6 ergibt, haben wir auf der rechten Seite der Formel sechs Mal O2.

Dadurch ergibt sich unsere Photosynthese-Formel: 6 CO2 + 6 H2O —> 1 C6H12O6 + 6 O2.

Fazit: Platz zwei für die Photosynthese-Formel

Pflanzen und Tiere bilden im Ökosystem voneinander abhängige Partner. Ein wechselseitiger Kreislauf besteht in der Photosynthese, jenem Stoffwechselprozess im Chlorophyll der Pflanzen, in welchem besonders das Ausscheidungsprodukt tierischer Atmung, das CO2, in den für die Atmung elementar notwendigen Sauerstoff umgewandelt wird. Im selben Prozess entsteht zudem Zucker, der vielen Pflanzenfressern und dem Allesfresser Mensch als Energielieferant dient.

Photosynthese ist damit einer der wichtigsten Prozesse, die das Leben auf Erden erst ermöglicht. Ohne Photosynthese, so die Pointe, würde es kein menschliches Leben geben. Daher belegt die Photosynthese-Formel Platz zwei im Ranking der faszinierendsten Formeln, welche wohl die Menschheit kennt.

Jan-Benedikt Kersting

Jan-Benedikt Kersting

Freiberuflicher Bildungscoach bei Creactivity-Solutions
Freiberufliche Tätigkeiten erfordern ein Höchstmaß an Flexibilität und Kreativität. Kombiniert mit fachlicher Kompetenz und Organisationsfähigkeit kann ich auch ihr Projekt ins Internet bringen. Oder sind Sie an Sprachkursen in Englisch und Deutsch interessiert? Dann kontaktieren Sie mich bitte über die Emailadresse: kontakt@bildungsadler.de
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