Fotosynthese, natürliches System zur Erzeugung von Sonnenenergie

Die Sonne produziert eine enorme Energiemenge und gibt den größten Teil der Energie in Form von Licht ins All ab. Nur 2,2 Milliardstel des Sonnenlichts, das die Sonne in alle Richtungen aussendet, erreicht die Erde. 30 % davon werden in den Weltraum zurückreflektiert, und nur 70 % davon werden von der Erde absorbiert. Dennoch entspricht die gesamte Energiemenge, die die Menschen auf der Welt in einem Jahr verbrauchen, der Sonnenenergie, die nur eine Stunde lang auf die Erde trifft.

Alle Lebewesen brauchen Energie zum Überleben, aber die Lichtenergie kann nicht direkt genutzt werden. Sie muss in Form von organischer Materie umgewandelt werden. Abgesehen von einigen Mikroorganismen sind jedoch nur Pflanzen in der Lage, die Lichtenergie in der organischen Materie auf der Erde zu speichern. Alle Tiere, einschließlich der Menschen, erhalten ihre Energie entweder durch den Verzehr von Pflanzen oder durch andere Tiere, die Pflanzen fressen. Mit anderen Worten: Die Sonne ist die Energiequelle, die die Lebewesen benötigen, und die gesamte Energie, die für die Lebewesen notwendig ist, besteht aus organischen Stoffen, die durch Fotosynthese gewonnen werden. Daher ist die Fotosynthese, die in den Chloroplasten stattfindet, die kleiner als 10 ㎛ sind, die wunderbarste und wichtigste Aktivität aller lebenswichtigen Phänomene auf der Erde.

Die Fotosynthese ist ein Prozess, bei dem Lichtenergie mithilfe von Wasser in elektrische Energie umgewandelt und in Form von chemischer Energie in organischer Materie gespeichert wird. Dieser äußerst komplizierte und heikle Prozess der Fotosynthese hat viele Wissenschaftler interessiert, und es gab drei Nobelpreisträger für Chemie für die Fotosynthese. Trotz der fast 400-jährigen Geschichte ihrer Erforschung haben wir die Fotosynthese noch immer nicht vollständig verstanden. Neben vielen anderen Fakten über die Fotosynthese birgt der Prozess, bei dem Lichtenergie im Chlorophyll in elektrische Energie umgewandelt wird, noch viele Geheimnisse.

Wenn das Sonnenlicht den Chloroplasten, d. h. das Chlorophyll, erreicht, erregt es die Elektronen in ihnen, und die erregten Elektronen bewegen sich zwischen den Chlorophylls. Auf diese Weise wird Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt, die aus der Bewegung von Elektronen besteht. Die im zentralen Chlorophyll gesammelte elektrische Energie wird in den chemischen Substanzen gespeichert und zur Synthese von Glukose, einem organischen Stoff, unter Verwendung von Kohlendioxid verwendet.

Pflanzen scheinen sich in unseren Augen nicht zu bewegen, aber in Wirklichkeit bewegen sie sich eifrig, um das Licht zu suchen, das ein Material für die Fotosynthese ist, und um Kohlendioxid und Wasser zu erhalten. Die Victoria-Seerose, die größte Wasserpflanze der Welt in Südamerika, streckt ihre Blätter vom Stängel unter Wasser dem Licht entgegen. Wenn die riesigen Blätter über der Wasseroberfläche schweben, breiten sie sich schnell in einer kreisförmigen Form aus. Ihre Blätter absorbieren nicht nur Licht, sondern nehmen über die Spaltöffnungen auch Wasserdampf wie Kohlendioxid auf, das für die Fotosynthese benötigt wird. Diese Pflanze schiebt ihre Blätter an die Oberfläche, weil der Dampf nicht in die Blätter eindringen kann, wenn sie unter Wasser sind. Ihre Blätter können pro Tag bis zu 30 ㎝ lang werden, und wenn sie vollständig ausgebreitet sind, erreicht ihr Durchmesser mehr als 2 m. So wie ein geschrumpfter Luftballon größer wird, wenn er mit Wasser gefüllt wird, breiten sich die Blätter aus, wenn die Zellen jedes einzelnen Blattes Wasser aufnehmen und anschwellen. Die Blätter der Victoria-Seerose, die wie große, auf dem Wasser schwimmende Polster aussehen, sind stark genug, um eine Person mit einem Gewicht von 45 ㎏ zu halten.

Das Geheimnis ist auf der Rückseite der Blätter zu finden. Wenn man die Blätter der Viktoria-Seerose umdreht, sieht man Adern, die sich wie Speichen von einem kleinen Punkt in der Mitte ausbreiten, der einige Zentimeter breit ist. Außerdem haben sie Adern, die wie dünne Bretter in Form eines konzentrischen Kreises aussehen, zwischen denen Luft eingeschlossen wird und die für Auftrieb sorgen. Die dicken Adern haben eine innere Struktur, die der eines Schwamms ähnelt, sodass sie wie ein Gummischlauch leicht schwimmen können.

So wie Pflanzen, die im Wasser leben, ihre Blätter zur Fotosynthese an die Oberfläche heben, wachsen die Bäume, die auf dem Boden leben, nach oben zum Licht. Redwoods, die höchsten Bäume der Welt, wachsen mit einer erstaunlichen Geschwindigkeit von 1,8 m pro Jahr, und der höchste Baum ist 115,3 m lang.

Für die Fotosynthese ist nicht nur Licht, sondern auch Wasser erforderlich. Wasser fließt immer bergab. Pflanzen wachsen jedoch in die entgegengesetzte Richtung. Wie können diese riesigen Bäume, die uns wie kleine Menschen aussehen lassen, das Wasser bis in die Spitze der Bäume ziehen?

Die Wurzelhaarzellen der Pflanzen sind halbdurchlässige Membranen, die nur Lösungsmittel wie Wasser durchlassen, nicht aber große gelöste Stoffe. Daher bewegt sich das Wasser zu den Wurzeln, die eine relativ höhere Konzentration als der Boden haben, was als Osmose bezeichnet wird. Deshalb tritt beim Salzen von Kohl zur Herstellung von Kimchi das Wasser aus dem Inneren der Kohlköpfe, das eine geringere Konzentration aufweist, nach außen.

Durch die Kapillarwirkung wird das Wasser von den Wurzeln nach oben gezogen. Wenn Sie ein dünnes Glasrohr in eine Schüssel mit Wasser einführen, können Sie sehen, dass das Wasser im Glasrohr nach oben steigt. Auch Pflanzen haben Wasserschläuche, die von den Wurzeln ausgehen und durch die Stängel zu den Blättern führen. Sie sind zu dünn, als dass man sie sehen könnte, und nur so haben sie die Kraft, Wasser wie Glasröhren nach oben zu drücken.

Während die Wurzeln und Stängel das Wasser nach oben drücken, ziehen die Blätter das Wasser nach oben. Die Wassermoleküle, die aus negativ geladenem Sauerstoff und positiv geladenem Wasserstoff bestehen, wirken wie eine Kette und ziehen sich gegenseitig an wie ein Magnet. Wenn also das Wasser durch die Spaltöffnungen der Blätter verdunstet, werden die mit dem Boden verbundenen Wassermoleküle nach oben gezogen. Die Kraft von Wurzeln, Stängeln und Blättern wirkt auf komplexe Weise, um das Wasser leicht in die oberen Teile der Pflanzen zu ziehen.

Die Menschheit hat lange Zeit versucht, die enorme Menge an Sonnenenergie zu nutzen, die kostenlos auf die Erde fällt. Solarzellen, die ursprünglich für den Einsatz im Weltraum entwickelt wurden, sind inzwischen so weit kommerzialisiert, dass wir sie auf den Dächern einiger Häuser sehen können. Solarenergie wird in vielen Ländern als saubere Energiealternative zu fossilen Brennstoffen angesehen, und die damit verbundene Industrie wächst.

Die von der Menschheit hergestellten Solarzellen haben eine ziemlich lange Geschichte von 130 Jahren, aber sie haben immer noch den Nachteil, dass sie viel Platz benötigen und ihr Wirkungsgrad nur 8 bis 15 % beträgt. Um diese Defizite auszugleichen, haben sich die Wissenschaftler den Pflanzen zugewandt. Der Wirkungsgrad der Chloroplasten bei der Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie liegt bei bis zu 95 %. Durch Fotosynthese können Pflanzen mit nur zwei 1,5-Liter-Wasserflaschen (weniger als eine 1-Gallonen-Flasche) und ausreichend Sonnenlicht Strom für einen Tagesverbrauch in einem Haushalt erzeugen. Wissenschaftler entwickeln effizientere Solarzellen, indem sie das Fotosynthesesystem der Pflanzen nachahmen.

Pflanzen bewegen sich nicht einmal einen Schritt, aber sie gewinnen genug Energie mit einer hoch entwickelten Strategie, die sich Fotosynthese nennt. Jedes Lebewesen auf der Erde gewinnt Energie aus dem Sonnenlicht, das auf die Erde fällt, und zwar durch Pflanzen, die grüne Geheimnisse enthalten. In den grünen Blättern, die im Sonnenlicht leuchten, können wir den ruhigen, aber dynamischen Atem des Lebens spüren. Selbst an einem einzigen frischen Blatt können wir die große Vorsehung des Lebens erkennen.

Quellenangabe

Lee Heung-wu, Die Geschichte der Fotosynthese, erzählt von Engelmann (auf Koreanisch, 엥겔만이 들려주는 광합성 이야기), Jaeumgwa Moeum, 2010

Hong Jun-eui und drei andere, Living Science Textbook 1 (auf Koreanisch, 살아 있는 과학 교과서 1), Humanist, 2011

Newton-Redaktion, Wonderful Plants – The Unknown World of Plants (auf Koreanisch, 경이로운 식물들-알려지지 않은 식물의 세계), Oktober, 2013

Lee Seong-gyu, Kinder der Sonne achten auf künstliche Blätter (auf Koreanisch, ‘인공 잎’에 주목하는 태양의 아이들), Science Times, 24. Januar 2014