Photosynthese einfach erklärt: Formel, Ablauf und Wortgleichung

Pflanzen können nicht einkaufen und nicht jagen. Sie machen ihre Nahrung selbst. Das passiert in den grünen Blättern, und dafür brauchen sie Licht. Diesen Vorgang nennt man Photosynthese.

Das Wort kommt aus dem Griechischen. „Photo“ heißt Licht, „Synthese“ heißt Zusammensetzen. Photosynthese bedeutet also: etwas mit Licht zusammensetzen. Sie ist ein biochemischer Prozess. So nennt man eine chemische Reaktion in einem Lebewesen.

Stell dir ein Blatt wie eine kleine Küche vor:

• Die Zutaten sind Wasser und Kohlenstoffdioxid. Kohlenstoffdioxid, kurz CO₂, ist ein Gas in der Luft. Du atmest es bei jedem Atemzug aus. Ein älterer Name dafür ist Kohlendioxid.
• Der Herd ist das Sonnenlicht. Es liefert die Energie.
• Das Gericht ist Zucker, genauer Traubenzucker. Davon lebt die Pflanze, und daraus wächst sie.
• Übrig bleibt Sauerstoff. Die Pflanze gibt ihn an die Luft ab. Menschen und Tiere brauchen ihn zum Atmen.

Das Wasser holt die Pflanze mit den Wurzeln aus dem Boden. Das Kohlenstoffdioxid kommt durch winzige Öffnungen ins Blatt. Und das Licht scheint von außen darauf.

In Biologie schreibst du die Photosynthese oft als Wortgleichung. Das ist eine Gleichung aus Wörtern statt aus Zeichen. Sie zeigt, welche Stoffe hineingehen und welche entstehen. Man nennt sie auch die Formel in Worten.

Kohlenstoffdioxid + Wasser → Traubenzucker + Sauerstoff

Über den Pfeil schreibst du „Lichtenergie“ und „Chlorophyll“. Den Pfeil liest du als „daraus wird“.

Links stehen die Ausgangsstoffe. Das sind die Stoffe, die die Pflanze verbraucht. Rechts stehen die Produkte, also die Stoffe, die neu entstehen. Manche Bücher sagen auch Endprodukte.

Vielleicht kennst du die Gleichung mit „+ Licht“ auf der linken Seite. Genauer ist es über dem Pfeil. Licht ist nämlich kein Stoff, sondern Energie. Diese Energie steckt danach im Zucker. Auch das Chlorophyll wird nicht verbraucht. Es ist der grüne Farbstoff, der das Licht einfängt.

Die Formel sagt dasselbe wie die Wortgleichung, nur mit chemischen Zeichen. Jeder Stoff besteht aus winzigen Teilchen, den Molekülen. Ein Molekül ist aus Atomen gebaut. Hier kommen nur drei Atomarten vor: Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O).

So liest du die Zeichen:

• CO₂ ist Kohlenstoffdioxid. Ein Molekül hat 1 Kohlenstoff-Atom und 2 Sauerstoff-Atome.
• H₂O ist Wasser. Ein Molekül hat 2 Wasserstoff-Atome und 1 Sauerstoff-Atom.
• C₆H₁₂O₆ ist Traubenzucker, auch Glucose genannt. Ein Molekül hat 6 C, 12 H und 6 O.
• O₂ ist Sauerstoff. Zwei Sauerstoff-Atome hängen zusammen.

Damit lautet die Formel der Photosynthese:

6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Die kleine Zahl unten zählt, wie oft das Atom links davon im Molekül steckt. Die große Zahl davor zählt die Moleküle. „6 CO₂“ heißt also: sechs Moleküle Kohlenstoffdioxid.

Bei einer chemischen Reaktion gehen keine Atome verloren. Es kommen auch keine dazu. Sie werden nur neu verbunden. Deshalb stehen links und rechts vom Pfeil gleich viele Atome. So prüfst du das:

In manchen Büchern steht eine längere Gleichung:

6 CO₂ + 12 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 6 H₂O

Sie heißt auch Bruttogleichung. Die kurze Formel von oben nennt man dann Nettogleichung. Beide sind richtig. Streichst du auf beiden Seiten 6 Wasser-Moleküle weg, bleibt die kurze Formel übrig.

Wozu also die lange Fassung? Sie zeigt, woher der Sauerstoff kommt. Die 12 Wasser-Moleküle enthalten 12 Sauerstoff-Atome. Genau so viele stecken in den 6 Sauerstoff-Molekülen, die frei werden. Der ganze Sauerstoff stammt also aus dem Wasser. Das neue Wasser rechts bildet sich mit Sauerstoff aus dem Kohlenstoffdioxid.

Die Photosynthese läuft in allen grünen Teilen einer Pflanze ab. Am meisten passiert in den Blättern. Dort sitzen in den Zellen winzige grüne Körnchen, die Chloroplasten. Auf Deutsch heißen sie auch Blattgrünkörner. Sie sind die eigentlichen Zuckerfabriken.

In den Chloroplasten steckt der grüne Farbstoff Chlorophyll, auch Blattgrün genannt. Er fängt das Licht ein. Dabei schluckt er vor allem blaues und rotes Licht. Grünes Licht nutzt er kaum, er wirft es zurück. Deshalb sehen Blätter für uns grün aus.

Ein Blatt ist genau für diese Arbeit gebaut:

• Oben, unter der dünnen Außenhaut, liegt eine Schicht aus langen, dicht gepackten Zellen. Sie heißt Palisadengewebe und ist voller Chloroplasten. Hier kommt das meiste Licht an.
• Darunter liegt das lockere Schwammgewebe mit vielen Lufträumen. Durch sie verteilen sich die Gase im Blatt.
• An der Unterseite sitzen meist die Spaltöffnungen. Das sind winzige Poren, das Fachwort heißt Stomata. Stoma ist Griechisch und heißt Mund. Durch diese Münder kommt Kohlenstoffdioxid hinein. Sauerstoff und Wasserdampf gehen hinaus.
• Jede Spaltöffnung hat zwei Schließzellen. Sie öffnen und schließen den Spalt. Bei Sonne und genug Wasser ist er meist offen. Nachts oder bei Trockenheit geht er zu. So spart die Pflanze Wasser.
• Die Blattadern heißen Leitbündel. Sie bringen Wasser von den Wurzeln ins Blatt und leiten Zucker weiter.

Für den Einstieg reicht, was du bis hier gelesen hast. Im Detail ist die Photosynthese aber ziemlich komplex, also kompliziert. Jetzt wird es genauer. In Nordrhein-Westfalen zum Beispiel kommen Lichtreaktion und Calvin-Zyklus erst in der Oberstufe dran. Wann es bei dir so weit ist, steht im Lehrplan deines Bundeslands.

Der ganze Prozess läuft in zwei Schritten ab. Beide finden im Chloroplasten statt, aber an verschiedenen Orten. Im Chloroplasten liegen flache, gestapelte Bläschen, die Thylakoide. Um sie herum ist eine Flüssigkeit, das Stroma.

Ein Enzym ist ein Eiweiß, das eine Reaktion schneller ablaufen lässt. Für einen Traubenzucker muss sich der Calvin-Zyklus sechsmal drehen. Jede Runde bindet ein CO₂. Dabei verbraucht er insgesamt 18 ATP und 12 NADPH. Danach sind die Akkus leer. Als ADP und NADP⁺ wandern sie zurück zur Lichtreaktion und werden dort neu aufgeladen.

Genau genommen entstehen im Zyklus zuerst kleine Zucker mit drei Kohlenstoff-Atomen. Aus ihnen baut die Pflanze Traubenzucker, Stärke und Rohrzucker. In der Formel steht Traubenzucker als Beispiel für diese Zucker.

Der Zucker ist für die Pflanze Nahrung und Baustoff zugleich. Pflanzen nutzen ihn auf vier Arten:

• Als Energie: Einen Teil baut die Pflanze in der Zellatmung ab. So gewinnt sie Energie zum Leben. Mehr dazu gleich.
• Als Baustoff: Aus Glucose baut sie Cellulose. Daraus bestehen die Wände ihrer Zellen. Aus Zucker macht sie auch Fette und, zusammen mit Mineralstoffen aus dem Boden, Eiweiße.
• Als Vorrat: Viel Zucker hängt sie zu Stärke zusammen. Die speichert sie im Blatt oder zum Beispiel in Kartoffeln.
• Zum Verschicken: Für den Weg durch die Pflanze baut sie Zucker in Rohrzucker um. So reist er zu Wurzeln, Früchten und Knollen.

Stärke kannst du sichtbar machen. Iodlösung färbt sie blauschwarz. Im Unterricht deckt man dafür ein Blatt einige Tage zum Teil ab. Nur der Teil im Licht färbt sich danach dunkel. Nur dort hat die Pflanze neue Stärke gebildet.

Pflanzen machen Zucker. Aber sie verbrauchen auch welchen, genau wie du. Das passiert bei der Zellatmung. Dabei wird Traubenzucker, also Glucose, mit Sauerstoff abgebaut. Es entstehen Kohlenstoffdioxid und Wasser, und Energie wird frei. Die Zellatmung läuft in den Mitochondrien ab, den Kraftwerken der Zelle.

Traubenzucker + Sauerstoff → Kohlenstoffdioxid + Wasser

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O

Fällt dir etwas auf? Die Stoffe sind genau umgekehrt wie bei der Photosynthese. Die Photosynthese speichert Lichtenergie im Zucker. Die Zellatmung macht diese Energie zum Leben nutzbar.

Nachts ruht die Photosynthese. Die Pflanze atmet dann nur. Sie nimmt Sauerstoff auf und gibt Kohlenstoffdioxid ab. Am Tag macht sie bei genug Licht mehr Sauerstoff, als sie verbraucht. Unterm Strich gibt sie dann Sauerstoff ab.

So entsteht ein Kreislauf. Pflanzen geben Sauerstoff ab, und Menschen und Tiere atmen ihn ein. Sie atmen Kohlenstoffdioxid aus, und die Pflanzen nehmen es wieder auf.

Ohne Photosynthese gäbe es dich nicht. Das klingt groß, stimmt aber:

• Luft zum Atmen: Fast der ganze Sauerstoff in der Luft stammt aus der Photosynthese. Aus Sauerstoff entsteht auch die Ozonschicht. Sie schützt uns vor UV-Strahlung.
• Essen: Jede Mahlzeit beginnt mit Photosynthese. Brot, Obst und Gemüse sowieso. Aber auch Milch, Eier und Fleisch, denn Tiere fressen Pflanzen.
• Material: Holz, Papier und Baumwolle bestehen aus Stoffen, die Pflanzen aus Zucker gebaut haben.
• Kohlenstoffdioxid: Pflanzen holen CO₂ aus der Luft. Den Kohlenstoff bauen sie in Blätter, Holz und Wurzeln ein.

Lange dachten die Menschen, Pflanzen essen Erde. Im 17. Jahrhundert prüfte das der Forscher Jan Baptist van Helmont. Er pflanzte eine kleine Weide in einen Topf mit abgewogener Erde. Fünf Jahre lang goss er sie nur mit Wasser. Dann wog er alles wieder. Die Weide war rund 74 Kilogramm schwerer geworden. Die Erde hatte nur etwa 57 Gramm verloren.

Van Helmont schloss daraus: Der Baum ist aus Wasser gewachsen. Das war nur ein Teil der Wahrheit. Heute wissen wir es besser. Der Kohlenstoff im Holz stammt aus dem Kohlenstoffdioxid der Luft.

Wie schnell eine Pflanze Zucker macht, hängt vor allem von vier Dingen ab: Licht, Kohlenstoffdioxid, Wärme und Wasser. Das, was am knappsten ist, bestimmt das Tempo. Mehr Licht macht die Photosynthese schneller, aber nur bis zu einer Grenze.

Den Sauerstoff kannst du sogar sehen. Dafür kommt eine Wasserpflanze in ein Glas mit Wasser. Das Glas steht in der Sonne. Im Unterricht nimmt man oft Wasserpest. Nach einer Weile steigen aus den Blättern kleine Bläschen auf. Darin steckt vor allem Sauerstoff. Im Schatten werden es weniger.

Jetzt bist du dran. Die Aufgaben werden nach unten schwerer, die letzten drei sind für Ältere. Überleg zuerst selbst und schau erst dann nach. Was du selbst aus dem Kopf holst, bleibt besser hängen. Warum das so ist, erklärt der Artikel über aktives Abrufen.

1. Schreib die Wortgleichung der Photosynthese auf. Was steht über dem Pfeil?
2. Woher bekommt die Pflanze ihr Wasser, und woher das Kohlenstoffdioxid?
3. Aus wie vielen Atomen besteht ein Molekül Traubenzucker, C₆H₁₂O₆?
4. Zähl die Sauerstoff-Atome links und rechts in 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂.
5. Warum sind Blätter grün?
6. Ein Blatt wird zur Hälfte mit dunkler Folie abgedeckt. Nach drei Tagen in der Sonne testet man es mit Iodlösung. Iodlösung färbt Stärke blauschwarz. Welche Hälfte wird dunkel, und warum?
7. Eine Wasserpflanze im Glas bildet in der Sonne Bläschen. Was ist darin? Was passiert im Schatten?
8. Eine Pflanze baut 3 Moleküle Traubenzucker. Wie viele Moleküle CO₂ braucht sie? Wie viele O₂ entstehen?
9. Für Ältere: Warum ist der Name „Dunkelreaktion“ irreführend?
10. Für Ältere: Forschende geben Algen Wasser, dessen Sauerstoff-Atome markiert sind. Wo taucht die Markierung wieder auf?
11. Für Ältere: Wie viele ATP und NADPH braucht der Calvin-Zyklus für zwei Moleküle Traubenzucker?

1. Kohlenstoffdioxid + Wasser → Traubenzucker + Sauerstoff. Über dem Pfeil stehen Lichtenergie und Chlorophyll.
2. Das Wasser kommt aus dem Boden, über die Wurzeln. Das Kohlenstoffdioxid kommt aus der Luft, durch die Spaltöffnungen.
3. 6 + 12 + 6 = 24 Atome.
4. Links 6 · 2 + 6 = 18 und rechts 6 + 6 · 2 = 18. Es sind also 18 auf jeder Seite.
5. Chlorophyll schluckt vor allem blaues und rotes Licht. Grünes Licht wirft es zurück, und das sehen wir.
6. Nur die Hälfte im Licht wird blauschwarz. Nur dort lief Photosynthese, und es entstand Stärke. Unter der Folie hat die Pflanze ihre alte Stärke sogar verbraucht.
7. In den Bläschen ist vor allem Sauerstoff. Im Schatten steigen weniger Bläschen auf, weil weniger Licht da ist.
8. Dreimal so viel wie in der Formel: Sie braucht 18 CO₂ und 18 H₂O. Es entstehen 18 O₂.
9. Der Calvin-Zyklus braucht ATP und NADPH aus der Lichtreaktion, und Licht schaltet seine Enzyme an. Im Dunkeln läuft er bei Pflanzen nicht.
10. Im Sauerstoff, den die Algen abgeben. So zeigte eine Forschungsgruppe um Samuel Ruben und Martin Kamen 1941: Der Sauerstoff stammt aus dem Wasser.
11. Für einen Traubenzucker sind es 18 ATP und 12 NADPH. Für zwei also 36 ATP und 24 NADPH.

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Das regelt jedes Bundesland in seinem Lehrplan selbst. Ein Beispiel ist das Gymnasium in Nordrhein-Westfalen. Dort lernst du schon in Klasse 5 oder 6, die Photosynthese in Worten aufzuschreiben. Bis zum Ende der Klasse 10 kommt der Vergleich mit der Zellatmung dazu. Lichtreaktion und Calvin-Zyklus folgen in der Oberstufe.

So bleibt das Thema hängen:

• Erklär es laut. Erklär einer anderen Person in eigenen Worten, wie ein Blatt Zucker macht. Wo du stockst, fehlt noch etwas. So funktioniert die Feynman-Technik.
• Zeichne das Blatt. Zeichne aus dem Kopf, was hineingeht und was hinausgeht. Dann vergleich mit der Grafik oben.
• Verteil das Lernen. Wiederhol die Formel an drei Tagen kurz, statt einmal lang. Warum, steht im Artikel zu Spaced Repetition.
• Plan die Bio-Arbeit. Wie du den Stoff auf eine Woche verteilst, zeigt der Plan Klausur in 7 Tagen.

Hakt es bei der Photosynthese, hilft Lerntwin. Es erklärt Schritt für Schritt und fragt nach, statt die Lösung vorzusagen. Sitzt etwas nicht, erklärt es noch mal anders, zum Beispiel mit einem neuen Vergleich. So funktioniert Lerntwin.