Hypothese zur Entstehung autotropher Organismen und Photosynthese

Hypothese zur Entstehung autotropher Organismen

Verschiedene Umstände bei der Entstehung und Entwicklung organischer Systeme führten zur Ausbildung autotropher Organismen. Dazu gehören:

A. Initiation der Photosynthese

Als primitive Organismen sich vermehrten, nahm die Konzentration organischer Stoffe in den Meeren ab und der Wettbewerb um Nährstoffe wurde immer stärker. Zwar konnte organische Synthese weiterhin in der Atmosphäre stattfinden, doch war sie zu langsam, um das Verbrauchsgleichgewicht der Energiereserven in den Meeren wiederherzustellen.

Unter diesen Bedingungen brachte jede Veränderung, die es einem Organismus erlaubte, seine eigene Nahrung herzustellen, einen Selektionsvorteil. Solche Variationen ermöglichten es einer Reihe von Organismen, Solarenergie zu nutzen.

Diese Synthese wurde zudem durch die Tatsache erleichtert, dass CO2 infolge von Fermentation in großen Mengen anfiel und sich im Wasser löste. Dieses einfache Molekül (CO2) ist ein grundlegender Baustein bei der Bildung komplexerer Verbindungen.

Das Erscheinen autotropher Lebensformen wurde durch Variationen und natürliche Selektion möglich. Es wird angenommen, dass die ersten Organismen, die Solarenergie nutzten, teilweise heterotroph waren (sie nutzten umweltbedingte organische Verbindungen als Energiequelle) und teilweise autotrophe Eigenschaften zeigten, indem sie organische Verbindungen mit zellulärer Energie bildeten.

Nicht alle Organismen benötigen Sonnenlicht; jene, die organische Verbindungen mithilfe von Licht bilden, betreiben Photosynthese. Chlorophyll ist an diesem Prozess beteiligt. Bei bestimmten Bakterien mit einfachen Zellstrukturen konnten autotrophe Mechanismen auftreten, so dass Energie entweder aus organischen Verbindungen oder direkt aus Sonnenlicht für den Stoffwechsel genutzt wurde.

Photosynthese und Umweltveränderung

Photosynthese veränderte die Umwelt unwiderruflich durch die Produktion von Sauerstoff: Sauerstoff als Nebenprodukt der Photosynthese veränderte die Lebensbedingungen grundlegend.

Die Bildung einer Ozonschicht (O3) wird in dieser Phase diskutiert. Es wird angenommen, dass bereits vor dem Auftreten photosynthetischer Organismen langsam Sauerstoff durch Photodissoziation von Wasserdampf in der Atmosphäre gebildet wurde, was zur langsamen Anreicherung von O2 führte und später zur Entstehung einer schützenden Ozonschicht beitrug.

Diese Ozonschicht blockiert die lebensfeindliche ultraviolette Strahlung (UV), was die Synthese organischer Verbindungen erleichtert. Organismen, die ihre eigenen Nährstoffe produzieren konnten, hatten dadurch Vorteile. Die Bildung der Ozonschicht ermöglichte es Organismen, an Land und in der Luft zu expandieren; sie waren nicht mehr ausschließlich auf in den Meeren gelöste Substanzen angewiesen und konnten zunehmend autonom leben.

Photosynthese als evolutionärer Fortschritt

Photosynthese stellte einen höheren Entwicklungsstand dar. Organismen, die Zucker aus CO2 und H2O mithilfe von Sonnenenergie bilden konnten, benötigten nicht länger allein gespeicherte organische Substanzen aus dem Meer. Durch organische Synthese konnten sie ihre eigenen Vorräte herstellen. Fermentation konnte zwar Energie für Synthesen liefern, war jedoch ineffizient und setzte nur einen Teil der potentiellen Energie frei; sie produzierte zudem verschiedene Nebenprodukte, die im Wasser neutralisiert wurden, aber an Land oder in der Luft möglicherweise schädlich wirken konnten.

Photosynthese ist im Kern eine Redoxreaktion zwischen CO2 und H2O unter Einwirkung von Sonnenlicht als Energiequelle, wobei Chlorophyll als Katalysator wirkt.

Licht- und Dunkelreaktionen

Die Photosynthese gliedert sich in eine lichtabhängige und eine lichtunabhängige Phase:

• Lichtreaktion (lichtabhängig): In der Lichtreaktion wird Wasser durch Photolyse gespalten; dabei entsteht Sauerstoff als Nebenprodukt. Die freiwerdenden Elektronen und Protonen werden genutzt, um ATP und NADPH (reduzierte Nicotinamid-Adenin-Dinukleotidphosphat) zu bilden. Diese Reaktionen benötigen Licht, daher der Name Lichtreaktion.
• Dunkelreaktion (Calvin-Zyklus, lichtunabhängig): In der Dunkelreaktion wird CO2 mithilfe von ATP und NADPH reduziert und in organische Kohlenstoffverbindungen eingebaut; diese Reaktionen sind unabhängig vom Vorhandensein von Licht und werden deshalb als Dunkelreaktion bezeichnet.

Calvin-Zyklus (Kurzbeschreibung)

Das zentrale Molekül ist Ribulose-1,5-bisphosphat (RuBP). Die Carboxylase Rubisco katalysiert die Reaktion zwischen RuBP und CO2, wodurch ein instabiles 6-Kohlenstoff-Zwischenprodukt entsteht, das sofort in zwei Moleküle 3-Phosphoglycerat (3-PGA) gespalten wird. 3-PGA wird dann unter Verbrauch von ATP und NADPH zu Glycerinaldehyd-3-phosphat (G3P, auch PGAL genannt) reduziert. Aus mehreren G3P-Molekülen werden ein Teil der Produkte für den Aufbau von Zuckern und anderen organischen Verbindungen verwendet, während andere zur Regeneration von RuBP dienen, damit der Zyklus von Neuem beginnen kann.

Faktoren, die die Photosynthese beeinflussen

• Lichtintensität: Mit zunehmender Lichtintensität steigt die Photosyntheserate bis zu einem Optimum; darüber hinaus kann sie nicht weiter zunehmen und fällt schließlich ab.
• CO2-Konzentration: In einer sauberen Umgebung beträgt der normale CO2-Gehalt etwa 0,04 % der Luft (ca. 400 ppm). Die Photosyntheseleistung kann bei höheren CO2-Konzentrationen zunehmen; ein häufiger in historischen Texten genannter Optimumbereich liegt um 0,17–0,18 % (1700–1800 ppm), abhängig von Pflanzenart und Bedingungen.
• Temperatur: Photosynthetische Reaktionen sind temperaturabhängig; sie laufen bei steigender Temperatur schneller ab bis zu einem optimalen Punkt, danach nehmen sie ab.
• Luftfeuchtigkeit: Die Feuchtigkeit beeinflusst die Öffnung der Spaltöffnungen (Stomata) und damit den Gasaustausch zwischen Pflanze und Umgebung; dies wirkt sich auf die Photosyntheserate aus.

Absorption des Lichts

Der erste Schritt der Photosynthese ist die Absorption von Licht durch Chlorophyll und andere Lichtabsorbierende Pigmente. Die Aufnahmekapazität dieser Pigmente bestimmt wesentlich die Effizienz der Photosynthese.

Photoreaktionsmodi

Es gibt zwei photochemische Wege:

• zyklische Photophosphorylierung: Elektronen kehren im Elektronentransportkreis zum Photosystem zurück, wodurch hauptsächlich ATP erzeugt wird.
• acyklische (nichtzyklische) Photophosphorylierung: Elektronen werden entlang einer Kette transportiert und am Ende auf NADP+ übertragen, wodurch NADPH und ATP erzeugt werden; dabei entsteht auch O2 durch Wasserspaltung.